Aspects techniques de l’image échographique

Génération de l’image échographique

Le transducteur à ultrasons génère de brèves salves (impulsions) d’ondes ultrasonores. Les ondes ultrasonores réfléchies sont analysées par l’appareil pendant les brèves pauses entre les impulsions. Ainsi, l’appareil analyse (“écoute”) les ondes sonores réfléchies immédiatement après avoir émis des ondes sonores (Figure 1).

Pour créer une image fiable du tissu en temps réel, l’appareil à ultrasons doit surmonter les obstacles techniques suivants.

1. L’appareil à ultrasons doit savoir quelles ondes sonores sont réfléchies et d’où elles sont réfléchies. Étant donné que les ondes sonores sont émises sous forme d’impulsions et que la vitesse dans les tissus est constante (1540 m/s), l’appareil peut calculer l’endroit où les ondes sonores ont été réfléchies (c’est-à-dire qu’il peut calculer le point de réflexion). Pour ce faire, il analyse le temps que met le son à revenir au transducteur et calcule ainsi la distance jusqu’à la structure qui a réfléchi l’onde. Les structures situées à proximité du transducteur réfléchiront les ondes sonores tôt et l’intervalle de temps sera donc court. Les structures situées loin du transducteur réfléchiront les ondes sonores plus tard et mettront plus de temps à atteindre le transducteur.
2. Les ondes ultrasonores réfléchies par la même structure peuvent atteindre les différents cristaux à des moments différents. Pour résoudre ce problème, il existe une fonction intégrée, appelée focalisation dynamique, qui calcule quelles ondes ultrasonores proviennent du même point de réflexion.
3. Les ondes ultrasonores réfléchies ont des propriétés modifiées (par exemple, une amplitude modifiée). Cette propriété est exploitée pour donner aux ondes sonores réfléchies, en fonction de leur amplitude, différentes nuances sur l’image échographique. Les tissus de l’image échographique sont dessinés avec différentes nuances d’une couleur (généralement grise). Cela est possible parce que les vibrations des cristaux piézoélectriques, et donc le courant électrique qu’ils renvoient à l’appareil, varient en fonction de l’amplitude du son réfléchi. Plus les réflexions sont fortes, plus l’amplitude est élevée et plus la couleur du tissu sur l’image échographique est blanche.
4. Les structures en mouvement (myocarde, flux sanguin) modifient les caractéristiques des ondes ultrasonores (par exemple la fréquence). Ce phénomène est exploité pour calculer la direction et la vitesse des mouvements des tissus et des fluides.

Toutes les structures d’un milieu peuvent réfléchir les ondes ultrasonores. Toutefois, les réflexions les plus importantes se produisent aux interfaces entre deux milieux. Ainsi, lors du passage du sang au myocarde, de nombreuses ondes sonores seront réfléchies, ce qui se traduira par une zone frontière clairement représentée entre le sang et le myocarde sur l’échocardiogramme. Les ondes ultrasonores sont également réfléchies lorsqu’elles traversent le myocarde, mais dans une moindre mesure, et le myocarde n’apparaît donc pas aussi clairement sur l’image échographique (figure 2).

Les ondes ultrasonores sont principalement réfléchies à l’interface entre des milieux (tissus, fluides, etc.) de densité différente. Plus la différence de densité est importante, plus les ondes ultrasonores sont réfléchies. Cela explique pourquoi les bords des tissus apparaissent comme des structures plus brillantes sur l’image échographique.

Diriger et focaliser les ondes ultrasonores

La direction et la focalisation des ondes ultrasonores peuvent être ajustées en variant la séquence d’activation des cristaux piézoélectriques (figure 3). En activant tous les cristaux simultanément, l’onde sonore résultante se déplace dans une direction droite (figure 3A). Si l’activation commence d’un côté, par exemple de droite à gauche, le front d’onde sera dirigé vers la gauche (figure 3B). Si l’activation commence aux extrémités et se dirige vers le centre, le faisceau ultrasonore sera focalisé comme illustré à la figure 3C.

Les appareils à ultrasons modernes comprennent un logiciel avancé qui gère l’activation de milliers de cristaux piézoélectriques. En utilisant des logiciels et du matériel sophistiqués, il est possible d’obtenir des échocardiogrammes bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D) de haute résolution.

Réflexion des ondes ultrasonores

Comme indiqué précédemment, les ondes ultrasonores sont principalement réfléchies à l’interface entre des milieux (tissus, fluides, etc.) de densité différente. Plus la différence de densité est importante, plus les ondes ultrasonores sont réfléchies. Par exemple, la différence de densité entre la peau et l’os est très importante, ce qui explique que la plupart des ondes ultrasonores sont réfléchies lorsqu’elles touchent l’os. Les structures situées derrière l’os ne peuvent donc pas être visualisées par échographie (car très peu d’ondes sonores traversent l’os). De même, la différence de densité entre les poumons remplis d’air et le péricarde explique pourquoi une grande partie des ultrasons est réfléchie sur la surface du péricarde (qui brille donc fortement sur l’échocardiogramme).

Plus la proportion d’ondes sonores réfléchies est importante, moins il reste d’ondes sonores pour étudier le reste du tissu (structures plus profondes). Les espaces remplis d’air (i.e poumons) et les surfaces dures (i.e os) posent un problème particulier. Il est donc important de placer le transducteur et de diriger les ondes sonores de manière à minimiser la collision avec l’os et le passage à travers le tissu pulmonaire.

Lorsque les ondes ultrasonores traversent des tissus mous et des espaces remplis de liquide (par exemple, la cavité ventriculaire, les oreillettes, les gros vaisseaux), une proportion relativement faible des ondes sonores est réfléchie. Cela est dû à la faible différence de densité au sein du tissu ou du liquide.

Pour qu’une onde ultrasonore soit réfléchie à un angle inchangé (par rapport à l’angle d’incidence), l’objet qui réfléchit l’onde ultrasonore (i.e le réflecteur) doit avoir une surface lisse, perpendiculaire à la direction des ondes sonores. Les tissus humains sont constitués de structures plus ou moins irrégulières, ce qui fait que les ondes sonores sont toujours réfléchies sous un angle légèrement modifié. Toutefois, la modification de l’angle est généralement faible et la plupart des ondes sonores réfléchies atteignent le transducteur. Ce type de réflexion est appelé réflexion miroir. Les ondes ultrasonores qui ne sont pas réfléchies à l’interface entre deux milieux continueront à traverser le second milieu avec un angle légèrement modifié, un phénomène appelé réfraction.

Bien que la plupart des ondes sonores réfléchies le soient dans la zone frontière entre deux milieux (tissus/fluides), certaines ondes sont également réfléchies lors de la traversée d’un tissu homogène, comme le myocarde. Dans le cas contraire, le myocarde n’aurait pas été visible sur l’échocardiogramme. En revanche, les réflexions à l’intérieur des tissus sont plus dispersées. Plus la structure du tissu est irrégulière, plus les réflexions sont dispersées.

Les érythrocytes sont particulièrement doués pour diffuser les ondes ultrasonores ; ils les diffusent dans toutes les directions. Ainsi, seule une minorité de réflexions revient vers l’émetteur d’ultrasons.

Les ondes ultrasonores sont atténuées (affaiblies) lorsqu’elles traversent le corps. L’atténuation est due à la réflexion des ondes sonores et à la transformation de l’énergie mécanique en chaleur (qui est absorbée par les tissus).

Résolution et pénétration des ondes ultrasonores

L’obtention d’images échographiques à haute résolution est essentielle pour la précision du diagnostic. La résolution de l’image peut être définie comme la possibilité de distinguer deux objets adjacents. L’étude de petites structures, en particulier de structures en mouvement, nécessite des images à haute résolution. Plus la résolution de l’image est faible, plus il est difficile de distinguer des objets plus petits et voisins.

La résolution de l’image dépend principalement de la longueur d’onde des ondes ultrasonores. Comme indiqué précédemment (Physique des ultrasons), la longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence de l’onde selon la formule suivante :

λ = c / f

Cela signifie que les ondes à haute fréquence ont des longueurs d’onde courtes et vice versa. Plus la longueur d’onde est courte, plus les structures sont petites et capables de réfléchir l’onde sonore et donc de devenir visibles sur l’image échographique. Ainsi, plus la fréquence est élevée, plus la résolution est importante. Il peut donc sembler raisonnable d’augmenter la fréquence jusqu’à la limite de l’appareil à ultrasons. Cependant, la pénétration des ondes ultrasonores diminue avec l’augmentation de la fréquence, ce qui signifie que les ondes à haute fréquence pénètrent moins bien. La visualisation d’objets plus profonds nécessite donc des ondes de fréquence plus basse.

Les ondes ultrasonores à basse fréquence ont une grande longueur d’onde, ce qui permet une résolution plus faible mais une meilleure pénétration(c’ est-à-dire plus profonde). La qualité de l’image pour les objets situés à distance peut donc être améliorée par l’utilisation d’une fréquence plus basse ; l’augmentation de la pénétration l’emporte généralement sur la perte de résolution.

La résolution maximale est d’environ la moitié de la longueur d’onde ; par exemple, une fréquence de 2,5 MHz donne une résolution de 0,3 mm. Les objets inférieurs à 0,3 mm ne sont pas distinguables à une fréquence de 2,5 MHz.

Résolution axiale et latérale

La résolution axiale est la capacité à distinguer deux objets situés parallèlement à l’onde ultrasonore. Cette résolution est constante le long de l’onde ultrasonore. La résolution axiale dépend fondamentalement de la fréquence des ondes sonores. Plus la fréquence est élevée, plus la résolution axiale est importante.

La résolution latérale décrit la capacité à distinguer deux objets perpendiculaires aux ondes ultrasonores. Cette résolution diminue avec la distance du transducteur car les ondes ultrasonores divergent à mesure que la distance augmente.

Résolution temporelle

La résolution temporelle (voir également Taux de rafraîchissement ci-dessous) est la capacité à décrire le mouvement des objets dans le temps. L’imagerie par ultrasons en général, et l’échocardiographie en particulier, nécessite une analyse continue des ondes ultrasonores réfléchies pour créer un film en 2D ou en 3D. Le film est créé à partir d’images ultrasonores individuelles qui apparaissent l’une après l’autre. Pour générer un film à haute résolution temporelle, il est essentiel de produire rapidement des images individuelles. Le temps nécessaire à la création d’une image détermine la résolution temporelle. Plus le nombre d’images pouvant être produites et présentées par unité de temps est important, plus la résolution temporelle est élevée.

Imagerie fondamentale et harmonique

Le transducteur à ultrasons génère des ondes sonores d’une fréquence spécifique. Cette fréquence est appelée note de base. Lorsque les ondes sonores traversent les tissus, elles sont déformées, ce qui crée des harmoniques.

Les ondes sonores sont déformées lorsqu’elles traversent les tissus. Lorsque la partie haute pression de l’onde sonore (le point le plus élevé de la courbe sinusoïdale, voir Physique des ultrasons) rencontre un tissu de densité plus élevée, le tissu est comprimé et la vitesse de l’onde sonore augmente. Lorsque la partie basse pression de l’onde sonore (le point le plus bas de la courbe sinusoïdale) traverse le tissu, l’inverse se produit : le tissu se dilate, la densité du tissu diminue et la vitesse de l’onde sonore diminue également.

Ainsi, l’onde sonore est déformée lorsqu’elle traverse les tissus. Cette distorsion entraîne l’apparition d’ondes sonores dont la fréquence est un multiple de la note de base. Ces ondes sonores sont appelées harmoniques. Ainsi, le transducteur d’ultrasons émet des ondes à une fréquence de 3 MHz, puis des ondes sonores d’une fréquence de 6 MHz (deuxième harmonique), 9 MHz (troisième harmonique), 12 MHz (quatrième harmonique), etc. apparaissent. Ces harmoniques sont également renvoyées vers l’émetteur. En fait, il est possible de créer une image échographique en utilisant uniquement les harmoniques réfléchies. Cela permet d’obtenir des images avec une meilleure résolution. Les échographes modernes sont donc programmés pour analyser principalement les harmoniques réfléchies (principalement les premières harmoniques).

L’image ultrasonore est créée en écoutant une harmonique et en filtrant toutes les autres fréquences (à la fois la note de base et toutes les autres harmoniques). Cette méthode d’imagerie est appelée imagerie harmonique.

L’imagerie harmonique est la norme en matière de diagnostic par ultrasons et d’échocardiographie. Cette méthode permet d’émettre des ondes sonores de basse fréquence (permettant une pénétration plus profonde des tissus), mais d’écouter des ondes sonores de haute fréquence (offrant une meilleure résolution). L’imagerie harmonique réduit également les artefacts dans l’image échographique. L’inconvénient de l’imagerie harmonique est la perte d’une partie de la texture. Il ne s’agit pas d’un problème important, mais les valves cardiaques peuvent paraître plus épaisses qu’elles ne le sont en réalité.

Le contraire de l’imagerie harmonique est l’imagerie fondamentale, qui implique que la machine écoute les ondes sonores à la même fréquence que celle qu’elle a elle-même générée. Par exemple, si le transducteur émet des ondes sonores à une fréquence de 3 MHz, il n’écoute que les ondes sonores réfléchies ayant une fréquence de 3 MHz. La résolution et la pénétration sont donc moindres. Il existe cependant des situations dans lesquelles l’imagerie fondamentale est utile.