Le Monde des
Ultrasons


 

A la différence de la lumière qui est une onde électro-magnétique et qui, de ce fait, peut se propager dans le vide, le son est une onde mécanique qui va nécessiter un support matériel de propagation.
Les ultrasons sont des vibrations mécaniques de la matière (comme tous les sons) à des fréquences inaudibles pour l'oreille humaine (>20 000 Hz).

Les ultrasons se propagent à une vitesse qui sera fonction de la nature du milieu, indépendament de la fréquence de l'onde. Pour exemple, la célérité du son dans l'air n'est que de 300 m/s alors qu'elle est de 1500 m/s dans l'eau.
Dans l'organisme humain, les ultrasons vont se propager à une vitesse proche de 1500 m/s selon la nature des organes qu'ils traversent.

Les tissus présentent une certaine résistance au passage des ultrasons. Cette résistance, appelée
impédance sera fonction du module d'élasticité et de la densité du milieu considéré. L'impédance est différente d'un tissu à l'autre et la limite entre 2 tissus constitue une interface.

Comme la lumière en optique, chaque fois qu'un son rencontre une interface, une partie de l'énergie incidente est
transmise (elle traverse l'interface) tandis que l'autre partie est réfléchie. Les directions de la transmission et de la réflexion seront fonction de l'angle d'incidence de l'onde sonore.
Si l'incidence est directe (perpendiculaire à l'interface), la transmission se fait dans la même direction et le même sens que l'onde sonore, tandis que la réflexion se fait dans la même direction et dans le sens inverse.
Si l'incidence n'est pas perpendiculaire à l'interface, l'onde transmise subit une déviation, c'est la
réfraction. L'onde réfléchie est également déviée d'un angle égal à celui de l'onde incidente par rapport à l'orthogonale à l'interface.



La proportion des énergies transmise et réfléchie ainsi que l'angle de réfraction sont fonctions de la différence d'impédance entre les 2 tissus. Plus la différence d'impédance sera importante, plus la part de réflection sera élevée.

Il existe également un phénomène de
diffusion lorsque la taille de l'interface est inférieure à la longueur d'onde de l'ultrason. La diffusion est un renvoi de l'onde incidente dans toutes les directions de l'espace.

Il existe enfin un phénomène d'
absorption de l'énergie par les tissus traversés qui transforme l'énergie acoustique en énergie calorique.

Il s'agit d'un phénomène physique inhérent à tous les systèmes ondulatoires (aussi bien électro-magnétiques que mécaniques). Le principe de ce phénomène, découvert par le mathématicien et physicien autrichien C. Doppler au milieu du XIXe siècle, décrit que la fréquence (nombre d'évènements par seconde) d'un processus ondulatoire est perçue différemment par un observateur selon qu'il existe ou non un déplacement relatif entre lui et le phénomène.
Ainsi, la fréquence des vagues (nombre de crêtes par seconde en un point de l'espace), vues par une personne sur la plage, a une valeur donnée. Si l'observateur se trouve sur un bateau, le mouvement des mêmes vagues présente une fréquence plus importante si le bateau vient à la rencontre des vagues. A l'inverse, cette fréquence sera plus faible si le navire suit la même direction que la houle.

La différence des fréquences perçues entre le point fixe et le point mobile sera fonction du mouvement relatif entre l'émetteur (les vagues) et le récepteur (le marin). La différence sera maximale si le déplacement est parallèle à la direction du phénomène périodique, et elle sera nulle si le déplacement est perpendiculaire à la direction du phénomène périodique.
Si le déplacement fait un certain angle avec la direction du phénomène périodique, la différence de fréquence sera intermédiaire et fonction du cosinus de l'angle.

Pour se rapprocher du domaine des ondes acoustiques, une reconnaissance très simple de l'effet Doppler est d'écouter la sirène d'un véhicule de secours en déplacement. Le son paraît toujours plus aigu quand le véhicule se rapproche que quand il s'éloigne.
La différence avec l'exemple des vagues est que, cette fois, c'est l'émetteur (le véhicule) qui se déplace et non plus le récepteur (vous), mais le mouvement relatif reste le même. Quand le véhicule se rapproche, vous êtes l'observateur et le son est comparable aux vagues qui viennent heurter la proue du navire. Vous entendez donc le son à une fréquence augmentée par le mouvement de l'engin, et si la fréquence du son est plus élevée, elle se rapproche des gammes de sons aigus.
Une fois que le véhicule vous a dépassé, c'est comme si vous aviez viré de bord sur votre navire et que les vagues viennent caresser la coque du bateau par la poupe, 2 crêtes successives mettront plus de temps à vous atteindre, il y aura "moins" de vagues en une seconde, donc la fréquence sera plus faible. Le son de la sirène vous atteint à une fréquence réduite par le mouvement d'éloignement de sa source.

Lorsqu'une onde ultrasonore rencontre une interface fixe, elle est réfléchie sans que sa fréquence soit modifiée. L'énergie ainsi réfléchie (écho) est utilisée pour identifier, localiser et caractériser l'interface.
La représentation de tous les échos le long des lignes de propagation des ultrasons permet de créer l'image échographique. Cette image est constituée de points dont la brillance est fonction de l'intensité des énergies réfléchies par les différentes interfaces traversées.

Un examen Doppler vasculaire se pratique au moyen d'une sonde Doppler qui émet ses ultrasons à une fréquence précise en direction de l'artère à étudier. Ces ultrasons viennent "percuter" les hématies en mouvement, or la taille des hématies est inférieure à la longueur d'onde des ultrasons utilisés. Il se produit donc un phénomène de diffusion.
L'énergie rétro-diffusée par les hématies revient vers la sonde qui va mesurer la fréquence des ondes revenues. Cette nouvelle fréquence sera différente de celle des ultrasons émis en raison de l'effet Doppler qui intervient 2 fois: d'abord entre la sonde (émetteur fixe) et les hématies (récepteurs mobiles), puis de nouveau entre ces dernières (émettrices mobiles) et la sonde (récepteur fixe).

La différence entre la fréquence du signal émis et celle du signal reçu par la sonde suit la formule:

Avec:

delta F
= différence entre la fréquence de l'onde émise et celle de l'onde reçue
F = fréquence de l'onde émise
V = vitesse du sang
C = célérité des ultrasons dans les tissus mous (1540 m/s)
cos theta = cosinus de l'angle que forme la direction du faisceau ultrasonore et la direction de l'écoulement sanguin


NB: Le facteur 2 est présent en raison de la double intervention de l'effet Doppler

Les techniques modernes d'imagerie médicale permettent de visualiser l'intérieur du corps humain de façon non-invasive et atraumatique.

Une sonde ultrasonore émet un faisceau d'ultrasons grâce aux propriétés piézo-électriques d'un élément en céramique. Un élément piézo-électrique à la propriété de se polariser éléctriquement sous l'action d'une contrainte mécanique, c'est
l'effet direct. Réciproquement, il a la possibilité de se déformer si on lui impose un champ électrique, c'est l'effet inverse. Pour exemple courant, le cristal de quartz d'une montre dite "à quartz" est un élément piézo-électrique qui fonctionne selon le principe décrit: la pile va imposer une ddp au cristal qui va se déformer et ainsi initier le mouvement dans le système d'horlogerie de la montre.



Principes de la piézo-électricité

Ces ondes ultrasonores ainsi émises par la sonde se propagent dans l'organisme (foie, cœur, rein, fœtus,...) et subissent une réflexion partielle (écho) à chaque variation d'impédance acoustique du milieu. Après traitement de ces différents signaux par des dispositifs électroniques et informatiques, on obtient une image en niveaux de gris de l'organe en temps réel.

Les ultrasons sont entièrement réfléchis par les os et les gaz, et ne peuvent donc pas être utilisés pour explorer le squelette ni les poumons. En revanche, l'eau propage extrêmement bien les ultrasons et quand on sait que le corps humain est composé aux ¾ d'eau, ils sont tout à fait indiqués pour obtenir des images de qualité acceptable d'organes tels que le cœur (même en mouvement).

A l'heure actuelle, les progrès technologiques permettent d'obtenir, en temps réel, des images échographiques bidimensionnelles où la couleur vient compléter l'information des images en niveaux de gris en précisant le sens de circulation du sang dans le tissu investigué.


Coupe transversale du tronc carotidien en échographie "couleur"

Les échographes permettent également d'associer l'image et le son en combinant l'échographie et le Doppler, c'est le système Duplex. En outre, l'imagerie en 3D est en passe d'effectuer une percée très importante dans le monde médical.


Exemple de visualisation Duplex d'un vaisseau artériel


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