Principes de base de la physique du son et des ultrasons
Contrairement aux ondes électromagnétiques (comme la lumière), qui peuvent se propager dans le vide, les ondes sonores sont des ondes mécaniques qui nécessitent impérativement un milieu physique pour se déplacer. Ce milieu peut être constitué de n’importe quelle matière déformable, par exemple l’air, l’eau, le métal ou, dans le contexte clinique, les tissus biologiques et les fluides du corps humain (sang). Les ondes sonores se manifestent lorsqu’une source sonore (comme un transducteur piézoélectrique) génère des vibrations mécaniques qui se transmettent de proche en proche aux particules du milieu. Ces vibrations se propagent sous forme d’une onde longitudinale, alternant des phases de compression et de raréfaction.
La phonation humaine en est un exemple physiologique familier. L’homme parle en mettant ses cordes vocales en mouvement grâce au flux d’air expiratoire. Lorsque les cordes vocales vibrent, elles génèrent des variations de pression dans l’air environnant et ces vibrations se propagent sous la forme d’une onde sonore. Si les ondes sonores rencontrent une interface entre deux milieux aux propriétés physiques différentes, le comportement de l’onde change : une partie de l’énergie est réfléchie (écho), tandis que le reste est transmis et continue sa propagation dans le nouveau milieu (figure 1). C’est ce principe de réflexion qui est à la base de l’imagerie ultrasonore.
Il est fondamental de comprendre que bien que l’énergie de l’onde se déplace à travers le temps et l’espace, il n’y a pas de transport net de matière. Les particules du milieu ne se déplacent pas avec l’onde sonore sur de grandes distances ; elles oscillent simplement autour de leur position d’équilibre et transmettent cette énergie cinétique aux particules voisines.
Mathématiquement, les ondes sonores simples peuvent être modélisées par une courbe sinusoïdale. Cette représentation permet de définir les variables physiques essentielles à l’échographie : longueur d’onde, amplitude, fréquence, vitesse de propagation (célérité) et direction. La maîtrise de ces principes est cruciale pour comprendre les réglages d’un échographe (fréquence de sonde, gain, focalisation). La figure 2 illustre la relation spatiale de l’onde.
Les pics et les creux de la courbe sinusoïdale correspondent respectivement aux zones de compression maximale (pression élevée) et de raréfaction maximale (pression basse) dans le milieu. C’est cette variation de pression acoustique qui est détectée par les cristaux piézoélectriques de la sonde. Ce phénomène est illustré à la figure 3.
Longueur d’onde
La longueur d’onde est définie comme la distance spatiale entre deux points consécutifs de l’onde se trouvant dans le même état vibratoire (la même phase). Concrètement, il est facile de mesurer la distance entre deux pics (maximums de pression) ou deux creux (minimums). En échographie clinique, la longueur d’onde est un paramètre critique car elle détermine la résolution axiale de l’image. Plus la longueur d’onde est courte, plus le système est capable de distinguer deux structures proches l’une de l’autre dans l’axe du faisceau.
La longueur d’onde des ondes sonores de la parole humaine varie considérablement, allant d’environ 17 millimètres à 17 mètres. En imagerie médicale, nous travaillons avec des longueurs d’onde beaucoup plus petites (inférieures au millimètre). La longueur d’onde est indiquée dans l’unité m (mètres) ou plus souvent en mm pour les ultrasons, et est désignée par la lettre grecque λ (lambda).
Notez que le Système international d’unités est utilisé tout au long de cet ouvrage. Il comprend les unités de base que sont le mètre (longueur), le kilogramme (masse), la seconde (temps), l’ampère (courant électrique) et le kelvin (température). Ce système assure une standardisation scientifique mondiale.
Amplitude et Intensité
L’amplitude décrit la magnitude de l’onde sonore, correspondant à la hauteur maximale de la courbe sinusoïdale par rapport à la ligne de base (figure 2). Elle reflète la différence de pression maximale (en Pascals, Pa) générée par l’onde. En pratique clinique, on parle souvent de l’intensité ou de la puissance du signal. Une amplitude élevée équivaut à un signal fort (et donc une image plus brillante lors de la réception de l’écho) et vice versa.
La figure 2 illustre deux ondes sonores d’amplitudes différentes. Notez que l’amplitude décrit la variation de pression : un son fort se caractérise par de grandes différences de pression, tandis qu’un son faible présente de petites variations. En échocardiographie, l’amplitude du signal reçu diminue à mesure que l’onde voyage profondément dans les tissus, un phénomène appelé atténuation. Le rapport d’amplitude (gain) est exprimé en décibels (dB), une échelle logarithmique adaptée à la grande dynamique des signaux acoustiques.
Fréquence
La fréquence correspond au nombre de cycles d’ondes complets par seconde. L’unité de fréquence, désignée par la lettre f, est le hertz (Hz). Une fréquence élevée implique une oscillation rapide de la source sonore.
Dans la figure 2, les deux ondes sonores ont des amplitudes et des fréquences différentes. Si l’onde de droite était enregistrée pendant une seconde et montrait 5 pics, sa fréquence serait de 5 Hz. En échographie, la fréquence est déterminée par la sonde (transducteur) utilisée. Si une onde sonore a une fréquence de 1000 Hz, cela signifie que 1000 cycles se succèdent chaque seconde. La fréquence est inversement proportionnelle à la longueur d’onde et à la profondeur de pénétration dans les tissus.
Son audible et ultrasons
L’oreille humaine peut percevoir des ondes sonores dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). Les ondes sonores dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz (20 kHz) dépassent le seuil de perception humaine et sont appelées ultrasons.
Il convient de noter que la sensibilité auditive diminue avec l’âge (presbyacousie). La grande majorité des adultes ne perçoivent plus les sons au-dessus de 15 kHz, tandis que les jeunes enfants peuvent parfois entendre des fréquences proches de 20 kHz si l’amplitude est suffisante.
Les ultrasons utilisés pour les diagnostics cliniques, notamment l’échocardiographie transthoracique et transoesophagienne, utilisent des fréquences bien plus élevées, généralement comprises entre 2 et 10 millions de Hz (2-10 MHz). Les sondes intravasculaires (IVUS) peuvent même atteindre 40 à 60 MHz pour une résolution microscopique.
La vitesse du son et l’Impédance Acoustique
La vitesse du son (ou célérité) décrit la rapidité avec laquelle l’énergie acoustique se propage dans un milieu donné. Elle ne dépend pas de la fréquence de l’onde, mais des propriétés physiques du milieu, principalement sa densité et sa rigidité (module de compressibilité).
En général, le son se propage plus vite dans les milieux denses et rigides :
- Air : environ 330 m/s
- Eau / Tissus mous : environ 1540 m/s
- Os : environ 3500 à 4000 m/s
Les échographes sont calibrés sur une vitesse moyenne constante de 1540 m/s pour calculer la distance des structures. Si la vitesse réelle dans un tissu s’écarte de cette moyenne (ex: graisse ou implant prothétique), cela peut engendrer des artefacts de positionnement sur l’image.
Une notion corollaire fondamentale est l’impédance acoustique (Z), définie comme le produit de la densité du milieu par la vitesse du son. C’est la différence d’impédance entre deux tissus qui détermine la quantité d’ultrasons réfléchie. Une grande différence d’impédance (ex: tissu/air ou tissu/os) provoque une réflexion quasi-totale des ultrasons, empêchant l’imagerie au-delà de cette interface. C’est pourquoi l’usage d’un gel conducteur est indispensable pour éliminer l’air entre la sonde et la peau.
Interaction avec les tissus : Réflexion et Atténuation
Lorsque les ultrasons traversent le corps, ils subissent plusieurs interactions qui forment la base de l’image mais limitent aussi la profondeur d’exploration :
- Réflexion spéculaire : Se produit sur les grandes surfaces lisses (parois ventriculaires, aorte). L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence. Une incidence perpendiculaire (90°) donne le meilleur signal.
- Diffusion (Scattering) : Se produit lorsque l’onde rencontre de petites structures (globules rouges, fibres myocardiques). L’énergie est dispersée dans toutes les directions. C’est ce qui donne la texture granuleuse (« speckle ») caractéristique du parenchyme et permet le Doppler sur les flux sanguins.
- Atténuation : C’est la perte d’amplitude et d’intensité du signal au fur et à mesure qu’il pénètre dans les tissus. Elle est causée par l’absorption (conversion de l’énergie sonore en chaleur) et la réflexion/diffusion. L’atténuation augmente linéairement avec la fréquence : les hautes fréquences sont plus vite atténuées et pénètrent moins profondément.
Équations mathématiques et Résolution
Il existe une relation mathématique fondamentale liant la vitesse (c), la longueur d’onde (λ) et la fréquence (f) :
c = f × λ
Selon cette formule, pour une vitesse constante dans le corps (c = 1540 m/s), la longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence. En utilisant cette formule, nous pouvons calculer la longueur d’onde (λ) pour une sonde de 3 MHz :
λ = 1540 / 3 000 000 = 0,000513 mètre
Soit environ 0,51 mm. Cette valeur est cruciale car la résolution axiale (la capacité à distinguer deux points l’un derrière l’autre) ne peut pas être meilleure que la moitié de la longueur d’onde spatiale de l’impulsion (souvent 2 à 3 cycles). Ainsi, une fréquence plus élevée (ex: 10 MHz, λ ≈ 0,15 mm) offre une image plus fine et détaillée, mais au prix d’une pénétration tissulaire moindre due à l’atténuation accrue. Le choix de la fréquence de la sonde est donc toujours un compromis entre résolution et pénétration.