COURS VIBRATIONS ACOUSTIQUES Docteur Alain DURAND GNRALITS Vibrations

COURS VIBRATIONS ACOUSTIQUES Docteur Alain DURAND

GÉNÉRALITÉS Ø Ø Ø Vibrations acoustiques (son , US, infrason)= phénomène ondulatoire Onde mécanique transversale ne peut pas se propager dans un fluide car ce dernier ne donne aucune réponse aux contraintes de cisaillement onde acoustique = vibration mécanique longitudinale Le son se propage dans tout milieu qui peut réagir élastiquement et transmettre l’énergie vibratoire le son ne peut donc pas se propager dans le vide. En présence d’une onde sonore, chaque petit volume de fluide est soumis à des vibrations mécaniques longitudinales périodiques qui se superposent aux mouvements aléatoires des molécules. Chaque petit élément de volume se déplace, donnant naissance à des variations de la densité du fluide et de la pression. La variation de la pression à partir de la pression d’équilibre est appelée pression acoustique. Le son = vibration mécanique qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel.

PROPAGATION DES ONDES SONORES Ø Ø Ø Ø Si le milieu est isotrope la propagation de l’onde acoustique sera la même dans toutes les directions, on va donc se contenter d’étudier la propagation des sons selon une seule direction x Propagation d’un son pur : un son est pur lorsque la vibration des particules du milieu matériel est sinusoïdale. Si on appelle u(x, t) l’élongation en x à l’instant t, on a : u(x, t) = A sin ω t + φ A représente l’amplitude de la vibration et ω représente la pulsation On peut définir, comme pour toute vibration sinusoïdale la période T et la fréquence υ par : ω T = 2π et υ = 1 / T Dans le système international T est exprimée en seconde et ν en s-1 = Hz En absence d’obstacle, la propagation du son se fait en ligne droite λ d’un son est égale à l’espace parcouru dans un milieu matériel pendant un intervalle de temps égal à une période T. Si on appelle c la célérité du son dans ce milieu, on a : λ=c. T=c/υ La vitesse vibratoire v des particules est obtenue en dérivant la fonction d’onde u(x, t) par rapport au temps t, on obtient : v(x, t) = du(x, t) / dt = A ω cos ωt (avec φ = 0)

Analyse de Fourier Ø Ø Ø deux ou plusieurs ondes, se propageant dans la même région de l’espace se superposent pour donner une onde résultante qui est la somme algébrique des contributions de ces ondes en chaque point. Si on superpose un nombre quelconque d’ondes sinusoïdales de même fréquence et d’amplitudes différentes une onde sinusoïdale Par contre, si les ondes sinusoïdales sont de fréquences différentes, la résultante n’est plus sinusoïdale Fourier a établi, que toute onde (impulsion ondulatoire ou onde périodique entretenue) rencontrée dans la nature peut être considérée comme la superposition d’ondes sinusoïdales. Selon Fourier toute fonction périodique de fréquence ν peut être considéré comme une somme de fonctions sinusoïdales de phases et d’amplitudes appropriées. La 1ère fonction sinusoïdales a la même fréquence ν, c’est la fondamentale ou 1ère harmonique. La fonction suivante, de fréquence 2ν, est appelé 2ème harmonique ; puis on a la fonction de fréquence 3ν appelée 3ème harmonique et ainsi de suite. Une impulsion ondulatoire, qui est une onde non périodique de durée plus ou moins longue, peut être considérée comme la superposition d’ondes sinusoïdales dont la fréquence varie de façon continue à l’intérieur d’une bande de fréquence plus ou moins large.

Différents types de son est pur (ou simple) quand la vibration des particules du milieu matériel est sinusoïdale. Ø Sons complexes : ils sont produits par des particules animées de mouvements périodiques non sinusoïdaux. D’après le théorème de Fourier, ce son peut être considéré comme la superposition d’un nombre fini ou infini de mouvements sinusoïdaux d’amplitudes diverses, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence υ du son fondamental. D’où la fonction d’onde peut s’écrire : u(x, t) = Ai sin ( 2π υi t + φi) la suite des amplitudes Ai est appelée spectre d’amplitude ; la suite des phases φi est appelée spectre des phases. La connaissance de ces deux spectre permet de reconstituer exactement le son complexe. Ø Bruits : ils sont dus à des vibrations non périodiques. On peut les décomposer, grâce au théorème de Fourier en une somme de fonctions sinusoïdales de fréquences non multiples l’une de l’autre. Ø Transitoires : Ce sont des phénomènes de courte durée qui apparaissent lors de l’établissement ou de la fin d’un régime périodique stable. Ils ont une grande importance et apparaissent dans la formation des sons vocaux, dans le fonctionnement des transducteurs électroacoustiques Ø

CELERITE DU SON Ø Ø Ø Ø On peut définir la célérité d’un son comme étant le temps t mis par un son pour parcourir la distance x séparant deux points A et B : c=x/t Pour ne pas confondre vitesse instantanée v des particules et vitesse de l’onde sonore, on célérité du son. La vitesse du son est d’autant plus élevée que le milieu de propagation est dense CELERITE en m / s : air 330 à 340, eau 1450, tissu mou 1540, os 3300 A une température donnée la célérité du son dans l’air ne dépend pas de la pression. Elle est la même au sommet du Mont Blanc et au niveau de la mer, si la température est la même. A pression constante la densité d’un gaz est inversement proportionnelle à la température. Donc la célérité du son dans un gaz augmente comme la racine carrée de la température T. Pour l’air, à la température absolue T (en °K), la célérité approximative c du son est donnée par la formule : c = 20 T

PARAMETRES ACOUSTIQUES Ø Pression acoustique : P(x, t) = v(x, t) ρ c Ø Ø Ø Ø P est en Pascal (Pa) Puissance acoustique surfacique et intensité La puissance acoustique surfacique W de l’onde sonore est définie comme la puissance instantanée qui traverse unité de surface. W(x, t) = v(x, t) P(x, t) W(x, t) = v(x, t)2 ρ c v(x, t) est une fonction sinusoïdale, la valeur moyenne de v 2 est : v 2 = ½ ω2 A 2 l’intensité acoustique ou puissance acoustique surfacique moyenne W: W = ½ ρ c ω 2 A 2 Les définitions ont été données pour une unité de surface, si la surface n’est pas égale à l’unité mais vaut S, on multiplie les valeur de w(x, t) et w par S. La mesure de la puissance acoustique se fait toujours par rapport à un son de référence de puissance Wo = 10 – 12 watt / m 2 (seuil d’audibilité). On calcule le rapport S qui mesure le niveau de puissance acoustique qui s’exprime en Bel. S = log 10 ( W / Wo ) En pratique on n’utilise pas le Bel mais le décibel (d. B). S =10 log 10 ( W / Wo )

INTENSITE SONORE Puissance en d. B 0 10 20 40 69 90 120 130 Situation Seuil d’audibilité Forêt par temps calme Voix basse Rue d’une grande ville Musique de chambre Moto Tonnerre (seuil douloureux) Avion à réaction (> seuil douloureux)

PARAMETRES (2) Ø Impédance acoustique Z = P(x, t) / v(x, t) Avec P(x, t) = v(x, t) ρ c Z=ρc Z s’exprime en Kg m-2 s-1 ou en rayl Ø La l l l fréquence ν une classification. oreille humaine ne peut entendre que des sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 KHz ν < 20 Hz on est dans le domaine des infrasons ν > 20 KHz on est dans le domaine des ultrasons

ABSORPTION Ø Ø Wo W Ø dx Ø Ø En milieu parfaitement homogène isotrope : les ondes sonores sont absorbées. A l’entrée dans la matière l’intensité sonore est Wo et à la sortie W < Wo diminution ΔW = (Wo – W) On découpe l’épaisseur x de matière traversée par l’onde en n éléments dx d. W = - μ W dx d. W / W = - μ dx d. W / W = - μ dx ln (W / K) = - μ x W = K e - μx pour x = 0, W = Wo; d’où : W = Wo e - μx

REFLEXION ET REFRACTION Ø i i Ø r Ø Ø Ø 2 milieux de Z 1 ≠ Z 2, un faisceau réfléchi d’intensité W 1 faisant avec la normale le même angle i que le faisceau incident et un faisceau réfracté d’intensité W 2 faisant avec la normale un angle r lié à l’angle i par la relation de Snell –Descartes sin i / c 1 = sin r / c 2 si on néglige les phénomènes de diffusion: Wi = W 1 + W 2. La fraction R d’énergie réfléchie est : R = W 1 / Wi = [(Z 2 – Z 1) / (Z 2 + Z 1)] ² T = 1 – R T = 4 Z 1 Z 2 / (Z 1 +Z 2)2 si le milieu 1 est de l’air et le milieu 2 de l’eau, l’impédance Z 1 est très faible par rapport à Z 2 on a Z 2 – Z 1 # Z 2 et Z 2 + Z 1 # Z 2 ; la relation peut s’écrire : R # (Z 2 / Z 2) ² = 1 =100 %

DIFFUSION La diffusion = deuxième cause notable d’atténuation des ultrasons Faisceau d’US de longueur d’onde λ, se propage dans un milieu d’impédance Z 1, rencontre une sphère de rayon R et d’impédance Z 2 Z 1, 2 cas : l R >> λ on observe que des phénomènes de réflexion et de réfraction l R<< λ diffusion : la sphère se dilate et se contracte de façon périodique en suivant les variations de pression et se comporte comme un émetteur secondaire qui envoie des US de même fréquence dans toutes les directions Ø Si Wi est l’intensité sonore incidente, Wd l’intensité sonore diffusée dans la direction θ suit la loi de Rayleigh : Wd / Wi = f (θ) (1 / λ 2) Ø Lorsqu’un faisceau d’US rencontre un globule rouge il y a diffusion, mais comme en plus le globule rouge est en mouvement il y a aussi effet Doppler Ø Dans les conditions pratiques de l’échographie, les interfaces présentent des grands rayons de courbures, mais elles présentent aussi des irrégularités et des rugosités qui présentent localement des rayons de courbure faible. Chaque imperfection se comporte comme un centre diffusant. La diffusion qui en résulte peut venir renforcer le signal d’écho Ø Ø

EFFET DOPPLER υo Ø υ θ Ø v Ø Δυ / υ = (υ - υo) / υ = 2 (v / c) cos θ Ø Ø Étudier de la réflexion d’une onde sonore sur un miroir acoustique en mouvement par rapport à la source sonore. Lorsqu’un émetteur, ou un récepteur, ou les deux sont en mouvement par rapport au milieu conduisant les vibrations mécaniques, la fréquence des ondes reçues ≠ de la fréquence d’émission = effet DOPPLER Lorsque seul le récepteur se déplace (source fixe): s’il se rapproche d’une source sonore de fréquence υo, on entend un son de fréquence υ plus élevée que lorsqu’il est immobile; s’il s’éloigne, on entend un son de fréquence υ plus basse. Lorsque le récepteur est fixe et que la source se déplace : le phénomène est le même Lorsque le récepteur se déplace par rapport à l’émetteur avec une vitesse v, on observe le même phénomène. On a : l Δυ = (υ – υo) = fréquence Doppler : f. D l phénomène observé avec tous les types d’ondes (sonores, US, lumière. . ) l Pour onde réfléchie mais aussi diffusée

L’EFFET PIÉZO – ÉLECTRIQUE Ø a +++ – – – a Ø b Ø Ø c +++ Ø Ø taille, selon un axe correct, un cristal de quartz d’épaisseur e on peut mettre en évidence l’effet piézoélectrique DDP entre les 2 faces du quartz, on obtient un déplacement des faces, par exemple elles se rapprochent, si on inverse la DDP les faces s’éloignent Si DDP alternative : contractions et dilatations vibration mécanique. L’effet piézo-électrique transforme un signal électrique en une vibration mécanique. La loi de Voigt : variation relative de l’épaisseur du diélectrique proportionnelle à la tension appliquée V et à la cste de Curie. Pour quartz d’épaisseur e, on a : de = δ V La constante δ (cm / volt) est proportionnelle à la cste de Curie Pour le quartz, δ = 2, 3 x 10 – 10 cm / V

Effet piézo-électrique inverse Inversement, si on applique une pression sur la face d’un quartz, correctement taillé, on voit apparaître une DDP entre les 2 faces du quartz Ø Si on applique une dépression, au lieu d’appliquer une compression sur les faces du quartz, on voit apparaître une DDP dans l’autre sens. Ø C’est l’effet piézo-électrique inverse: un quartz transforme une vibration mécanique en un signal électrique. Ø a b Ø Un quartz peut servir d’émetteur et de récepteur d’ultrasons Ø Si on appelle Δe la variation d’épaisseur du quartz, on obtient une variation de potentiel ΔV telle que : ΔV = k / Δe

PRODUCTION Production des ultrasons de basses fréquences jusqu’ à 30 KHz l par magnétostriction : la magnétostriction est la faculté que possède un matériau ferromagnétique de vibrer à grande fréquence lorsqu’il est soumis à un champ électrique qui permet de l’aimanter l par des céramiques piézoélectriques Ø Production des ultrasons de > 30 KHz par des matériaux piézo-électriques. Actuellement il est très difficile de trouver des quartz et ils sont d’un prix très élevé, on préfère donc utiliser des céramiques. On utilise par exemple des céramiques en titanate-zirconate de baryum qui sont fabriquer par dépôt successifs puis sont polarisées par une DDP très élevée pour avoir des propriété piézo-électriques. Ces céramiques sont alors reliées à un émetteur de courant alternatif et produisent des US par effet piézoélectrique Ø

PROPRIÉTÉS PHYSIQUES Ø Ø Ø Les US = ondes mécaniques donc au cours de leur propagation, dans un milieu, ils créent des variations de pression : la différence de pression par unité de longueur ou gradient de pression peut atteindre des valeurs élevées expliquant l’éclatement des petites structures (hématies, bactéries). La pression de radiation permet de créer des aérosols et des émulsions. Passage d’US dans un liquide, on peut voir apparaître le phénomène de cavitation. La cavitation est la formation de micro bulles gazeuses à l’intérieur d’un fluide. La cavitation est essentiellement due à une baisse de pression dans certaine zone du liquide lors de la propagation des US. La pression devenant inférieure à la pression de vaporisation un partie du gaz dissous dans le liquide se transforme en bulles de gaz. A très forte puissance, la cavitation peut créer des embolies gazeuses par libération des gaz du sang. Ce phénomène de cavitation peut être utilisé pour nettoyer du matériel, par exemple en biologie. Lors de leur propagation dans un milieu, une partie de l’énergie des US est absorbée, l’énergie absorbée est transformée en chaleur qui est dégagée dans le milieu de propagation. La chaleur peut être utilisée en thérapeutique pour traiter des inflammations, des escarres, des rhumatismes et certains cancers (hyperthermie) Les US provoquent la luminescence de certains liquides qui émettent de la lumière visible ou UV. Les US sont des vibrations mécaniques qui peuvent casser des calculs (lithiases) rénaux ou biliaires (ondes de choc) : cette propriété est utilisée dans le lithotripteur pour traiter les lithiases.

AUTRES PROPRIETES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES : US ont un grand nombre d’effets chimiques : l déflagration des substances explosives l création d’eau oxygénée des peroxydes et d’ions super oxydes l dépolymérisation et polymérisation de certains corps l dénaturation de protéines Ø PROPRIÉTÉS BIOLOGIQUES l US peuvent détruire les cellules par dilacération, cavitation ou par une hyperhémie l Aux USA on a pu observer des mutations génétiques sur des souris issues de souris gestantes ayant été soumises à des doses très élevées, en intensité et en fréquence, d’US. Il faut cependant noter que des études in vivo, portant sur la moelle osseuse de souris ou sur l’examen ultrasonore d’enfants in utero, et in vitro sur des cellules, n’ont pas montré d’effet mutagènes aux énergies utilisées pour le diagnostic. l Des expérimentations sur des souris ont mis en évidence une augmentation des avortements et de la tératogénicité pour des intensités situées entre 0, 5 et 5 W cm-2. De tels effet n’ont pas été observés chez l’homme Ø

ECHOGRAPHIE US PULSEE Ø Ø Le principe de l’échographie repose sur la notion de réflexion des ondes ultrasonores lorsque l’on passe d’un milieu d’impédance acoustique Z 1 à un milieu d’impédance acoustique Z 2. La sonde émet pendant un certain temps un train d’onde (onde pulsée) puis sert ensuite de récepteur, puis réémet un train d’onde et ainsi de suite. Les US de fréquence élevée (3, 5 à 10 MHz) traversent la peau enduite d’un gel aqueux pour éviter l’interposition d’air et pénètrent dans la zone explorée. Chaque fois qu’ils rencontrent une variation d’impédance acoustique, une partie du faisceau se réfléchit (écho), l’autre partie du faisceau est transmise jusqu’à ce qu’elle rencontre une nouvelle interface ou une partie est réfléchie et ainsi de suite. L’émission est discontinue pour permettre à l’émetteur de servir aussi de récepteur. La durée de l’émission est plus courte que celle de la réception. La variation de la fréquence des US émis permet de moduler leur pénétration et la modification de l’intensité du faisceau influence l’importance de la réflexion. Lors que les ultrasons se propagent dans un milieu, ils sont absorbés, conformément à la Un dispositif particulier (TGC : time gain compensation), qui une amplification croissante en fonction du temps, permet de corriger la perte d’énergie par absorption pour que la réflexion ne dépende que des variations d’impédance.

ECHOGRAPHIE MODE A R US Signal Profondeur x Faisceau US émis dans une direction donnée. A chaque changement de structure et donc d’impédance acoustique les ultrasons sont en partie réfléchis. Ø US réfléchis se traduisent par des pics dont la hauteur reflète la quantité d’énergie réfléchie. Le choix d’un seuil de détection permet d’éliminer les échos, non significatifs, inférieurs au seuil. Ø La distance entre 2 pics permet de connaître l’épaisseur d’une structure et l’absence d’échos entre 2 pics indique la présence de liquide. Ø Ø

ECHOGRAPHIE MODE B L’échotomographie donne une image en coupe de l’organe exploré : ECHOTOMOGRAPHIE Ø A partir des données de l’échographie A, on affiche sur l’écran , non plus un pic représentant l’écho, mais un point lumineux dont la brillance est proportionnelle à l’intensité de l’écho. Le niveau de gris affecté à chaque point de l’écran sera proportionnel à l’intensité de l’écho après correction de l’atténuation. On obtient une ligne de points alignés dans la direction de la sonde. On obtient une échographie B. Ø On fait varier la direction de la sonde en bougeant la main qui tient la sonde US. Il n’y a plus alors qu’à repérer les changements de direction que la main imprime à la sonde, à l’intérieur d’un même plan et à affecter, sur l’écran, cette information à la direction perpendiculaire à la ligne d’échos pour obtenir le balayage d’une coupe de l’organe exploré. Pour obtenir les images il faut utiliser des mémoires numériques pour stocker les différentes lignes d’échos, puis il faut relire rapidement les mémoires et afficher l’image sur un système vidéo Ø

ECHOGRAPHIE MODE TM Explorer des structures mobiles comme les vaisseaux ou les valves cardiaques. Ø Dans l’échographie B on utilise l’axe perpendiculaire à la direction de recueil des échos pour constituer une coupe de l’organe exploré. Ø Dans l’échographie TM, on se limite à l’étude d’une seule ligne d’échos, la direction perpendiculaire est utilisée pour représenter l’évolution des échos en fonction du temps. Ø Cette technique est très facile à réaliser soit en déroulant le papier d’enregistrement, à vitesse constante, soit en réalisant un balayage temporel de l’écran de visualisation Ø

AUTRES ECHOGRAPHIES L’échographie temps réel : en échographie mode B, l’image est obtenu par déplacement manuel du transducteur et l’acquisition est réalisée image par image. Les systèmes temps réel utilisent un balayage automatique sectoriel mécanique ou sectoriel électronique ou linéaire électronique qui nécessite l’utilisation de système d’acquisition et de traitement des images à haut débit Ø L’échographie tridimensionnelle : cette technique permet d’obtenir des images 3 D. L’acquisition volumique est obtenue par addition de différents plans de coupe échographiques, contigus, obtenus à partir d’une sonde mécanique, ou plus souvent électronique, montée sur un système assurant un balayage dans la troisième dimension. Les informations sont stockées sous forme de données numérique et l’image est reconstruite dans un second temps Ø

PARAMÈTRES CONDITIONNANT LA QUALITÉ DE L’IMAGE Ø Les paramètres qui mettent en jeu la qualité de l’image échographique sont au nombre de 3 : l l l La résolution en profondeur La résolution transversale La profondeur de champ Ø Ces trois paramètres dépendent des caractéristiques physiques de la sonde utilisée

Résolution en profondeur Ce paramètre définit l’aptitude de l’échographe à séparer 2 échos successifs. Ø Il est directement lié au phénomène piézoélectrique. Ø La sonde ultrasonore est composée d’une ou plusieurs céramiques ultrasonores qui possèdent des fréquences de vibrations propres qui sont directement liées à la nature physico-chimique de matériau utilisé pour fabriquer la céramique et à son épaisseur e. Ø

Résolution latérale Ø La résolution latérale consiste à définir la plus petite distance séparant deux points, d’un plan perpendiculaire au faisceau ultrasonore, pour qu’ils donnent deux échos séparés. Ø La résolution latérale est sensiblement égale à la largeur δ du faisceau ultrasonore.

SEMEIOLOGIE ECHOGRAPHIQUE Ø Ø Ø Ø Ø Analyser les images à l’aspect échographique des zones normales dont on connaît l’échogénicité ou densité. Une structure semblable au tissu normal est dite isoéchogène ou isodense. Les muscles sont hypodenses et se traduisent par des échos larges et épais. Le tissu graisseux est peu échogène et donne des images difficiles à analyser. Les tissus glandulaires (thyroïde, placenta, prostate, seins, pancréas) : échos fins, réguliers Les structures liquidiennes ont un aspect qui dépend de leur contenu : absence d’échos dans les kystes séreux, présence d’échos punctiformes dans un milieu transsonique dans les collections hématiques, échos linéaires en cas de kystes colloïdes. Du fait de la grande différence d’impédance acoustique, les calcifications arrêtent les US cône d’ombre acoustique Les tumeurs ont des aspects très variables qui dépendent de leur structure, de leur origine, de leur rapidité de développement, de leur richesse en tissu fibreux et de la présence de sang ou de liquide ou de calcifications en leur sein. Il n’existe pas d’image caractéristique des cancers. Cependant, les tumeurs hyperdenses sont rarement cancéreuses ; les lésions totalement vides d’échos, comme les kystes liquidiens, ne sont jamais cancéreuses. A l’inverse, les tumeurs hypodenses ou mixtes (association de tissu et de liquide) doivent être considérées comme suspectes, surtout si elles présentent des micro calcifications. L’os, comme les calcifications, est opaque aux US et donne un cône d’ombre acoustique. Lorsqu’il existe des os en regard des organes qu’on explore, il faut trouver une fenêtre, sans os, pour permettre aux US de passer (fontanelles, espace intercostal…). Les organes contenant de l’air (trachée, poumons, intestin, estomac) ne sont pas explorables sauf s’ils contiennent du liquide (pleurésie, occlusion intestinale…)

DOPPLER (1) Les techniques doppler utilisées n’étudient par le faisceau réfléchi mais le faisceau rétro diffusé. Les globules rouges du sang diffusent les ultrasons en provenance du sang. La fréquence des ondes diffusée a été modifiée conformément à l’effet Doppler puisque les globules rouges sont en mouvement. On étudie l’onde diffusée dans la même direction que l’onde incidente, c’est l’onde rétro diffusée. Ø TECHNIQUES : 2 Ø l l Doppler à onde continue (CW) Doppler à onde pulsée (PW)

DOPPLER (2)

DOPPLER CONTINU Ø Ø Ø Ø Mode continu : US, de fréquence ν sont produits, en continu, par un transducteur ultrasonore Les ultrasons rétro diffusés au niveau des globules rouges, en changeant de fréquence (ν’) sont recueillis sur un transducteur récepteur, différent de l’émetteur. Les transducteurs émetteur et récepteur sont montés cote à cote. Si le faisceau ultrasonore fait un angle θ avec le vecteur de vélocité V ; on a : (ν - ν’) / ν = 2 (V cos θ) / c c est la vitesse des US dans l’eau ; c 1560 m / s. Avec un Doppler à onde continue nous observons tout mouvement de sang le long du faisceau, c’est pourquoi il n’y a aucune discrimination axiale avec ce type d’appareil. Comme les globules rouges ont des vélocités différentes, on reçoit un spectre de fréquences présentant le glissement Doppler. On peut donc, dans certains cas, distinguer les aspects de flux caractéristiques le long du vaisseau en utilisant l’analyse spectrale. Les dopplers continus sont utilisés pour explorer les vaisseaux sanguins périphériques : vaisseaux du cou, artères du membre inférieur, veines du membre inférieur ….

DOPPLER PULSE (1) émission US réception US Td Temps t 1 t 2 t 1 Dans le mode pulsé les US, de fréquence ν sont produits, pendant un intervalle de temps t 1, par un transducteur ultrasonore. Ø Pendant un intervalle de temps t 2, il n’y a pas d’émission ultrasonore et les ultrasons sont rétro-diffusés au niveau des globules rouges, en changeant de fréquence (ν’) et sont recueilli sur le même transducteur. Ø L’émetteur sert aussi de récepteur. Ø

DOPPLER PULSE (2) Ø Ø Ø En pulsant le faisceau ultrasonore, on peut obtenir une discrimination axiale le long du faisceau. Une salve courte d’ultrasons est émise avec une fréquence de répétition νS. Le signal rétro-diffusé est échantillonné avec un temps de retard Td après l’émission de l’impulsion. De cette manière, on choisit le signal provenant de diffuseurs situés dans un volume de mesure située à une profondeur z : z = c Td / 2 La longueur du volume de mesure le long du faisceau est déterminé part la longueur (t 1) de l’impulsion émise ; les dimensions transversales du volume sont déterminées par la largeur du faisceau ultrasonore. Dans la technique pulsée le signal Doppler est échantillonné une fois pour chaque émission d’impulsion. Pour éviter une ambiguïté en profondeur, on doit échantillonner le signal rétro-diffusé avant que l’impulsion suivante ne soit émise. Pour mesurer à des profondeurs importantes, on doit baisser la fréquence de répétitions des impulsions et de ce fait diminuer le glissement Doppler maximum νD = (ν - ν’) qui peut être détecté. Comme le glissement Doppler est proportionnel à la vélocité radiale du diffuseur, il existe, à la profondeur z, une vélocité radiale maximum mesurable VM VM z = c 2 / ( 8 ν ) Le doppler pulsé permet d’explorer la circulation sanguine au niveau des cavités et des valves cardiaques. Pour mesurer le débit : appareil à émission pulsée, muni d’un système électronique qui permet de sélectionner uniquement la partie de l’écho qui provient d’une portion de vaisseau réglable en longueur et en position par rapport au capteur déterminer position des parois diamètre du vaisseau et relever point par point les vitesses. Les valeurs obtenues converties en images colorées.

COMPARAISON 2 DOPPLER CW DOPPLER PW Pas discrimination axiale Discrimination axiale Pas de limite sur vitesse maximale mesurable Sensibilité plus faible qu’en PW limite sur vitesse maximale mesurable Sensibilité plus grande qu’en CW Ambiguïté axiale possible

ECHO DOPPLER (1) Cet appareil combine un échographe qui donne, sur un écran, une image des structures explorées et une sonde doppler qui explore les vaisseaux sanguins précédemment explorés par échographie. Ø Il existe plusieurs techniques pour coupler échographie et doppler. l Faisceau doppler généré par un transducteur US indépendant l Faisceau doppler généré par la sonde échographique l Simultanéité des images échographiques et doppler : « full doppler » l Imagerie doppler bidimensionnelle : écho doppler couleur Ø

ECHO DOPPLER (2) Le transducteur doppler, indépendant du transducteur utilisé pour l’échographie Ø Il est placé latéralement et obliquement par rapport à ce dernier Ø La sonde échographique peut être une sonde linéaire ou une sonde tournante Ø Ce système présente l’avantage une incidence échographique perpendiculaire aux structures vasculaires explorées, mais son inconvénient réside dans le fait que l’angle d’incidence doppler est fixe réduisant les possibilités d’exploration Ø

ECHO DOPPLER (3) Ø Il existe deux types d’appareillages : l Appareils à balayage sectoriel : même transducteur utilisé pour doppler et échographie. Quand la structure vasculaire repérée par échographie, l’image est figée et le transducteur est stoppé sur l’angle d’incidence du vaisseau à explorer. Inconvénient du système est la similitude des incidences échographiques et doppler. l Appareils à balayage linéaire : utilise un transducteur barrette qui permet de pouvoir obtenir une bonne incidence échographique, perpendiculaire au vaisseau, et une bonne incidence doppler avec possibilité d’ajustement de la fenêtre doppler.

ECHO DOPPLER (4) « full doppler » : On travaille sur une image obtenue en temps réel, ce qui facilite l’examen pour l’exploration des structures mobiles. Ø Le « full doppler » permet d’obtenir simultanément, en temps réel, l’image échographique et le tracé doppler. Ø En réalité l’image échographique et le tracé doppler arrivent l’un après l’autre, mais le cadencement est suffisamment rapide pour que la visualisation apparaisse simultanée. Ø

ECHO DOPPLER (5) écho doppler couleur : L’étude doppler est réalisée en tout point de l’image échographique de manière à obtenir une cartographie des flux sanguins. On réalise tour à tour un balayage de l’organe exploré en mode échographie puis en mode doppler ; il est donc possible d’obtenir tour à tour les trois fonctions : imagerie, doppler couleur, tracé vélocimétrique par doppler pulsé. Ø L’image écho doppler couleur est obtenue par superposition de l’image échographique en noir et blanc et des informations couleurs du doppler. Par convention, les flux sanguins se dirigeant vers la sonde sont codés en rouge et ceux s’en éloignant en bleu. Sur les photos 1 et 2 on explore des artères, sur la 1 l’artère est en rouge car le flux sanguin se dirige vers la sonde avec un tracé doppler pulsé mettant en évidence des vitesses positives, alors que sur la 2 l’artère est en bleu car le flux sanguin s’éloigne de la sonde avec un tracé doppler pulsé mettant en évidence des vitesses négatives. La photo 3 montre une image d’une veine avec son tracé doppler caractéristique, rythmé par la respiration Ø

PHOTO 1 ARTERE HEPATIQUE

PHOTO 2 CAROTIDE EXTERNE

PHOTO 3 VEINE CAVE

VELOCIMETRIE Ø Ø V + 0 - Ø VS VD Ø t Ø Ø Ø La vélocimétrie permet d’enregistrer des variations de vitesse en fonction du temps La vitesse est orientée car la direction des US et celle du sang peuvent être identiques (vitesse positive) ou opposées (vitesse négative). Pour artères : pic systolique (vs) et plateau diastolique (vd), irrégulier en raison turbulences. Pour les veines les tracés présente des maxima des minima rythmés par la respiration. Sténose : vitesse ↓ au niveau de la zone présténotique à cause ↑ des résistances, niveau sténose, la vitesse ↑, en post sténose, la vitesse ↓ car il existe une dilatation qui augmente la section S. En cas de thrombose ou d’obstruction la vitesse s’annule. Dans certains cas, le flux sanguin change de sens pour alimenter une suppléance à contre courant, vitesse s’inverse également.

TRACE 1

TRACE 2

TRACE 3

HYPERTHERMIE Ø Au cours de leur propagation dans le corps humain, les US vont être absorbés. Ils perdre une partie de leur énergie qui va se transformer en chaleur. On peut utiliser cette chaleur à des fins thérapeutiques dans diverses situations : l l l En rhumatologie la chaleur peut être utilisée pour traiter les rhumatismes. Dans le même ordre d’idée, on peut utiliser la chaleur dégagée par les US pour traiter les inflammations. Les US dégage de la chaleur qui est utilisée en thérapeutique pour traiter des escarres. L’hyperthermie peut être utilisée comme traitement complémentaire pour traiter certains cancers. Prostatectomie de certains cancers de la prostate

VIBROTHERAPIE LITHOTRIPTEUR : US utilisés en tant que vibration mécanique qui produit une onde de choc. Cette onde de choc est dirigée sur calculs rénaux ou biliaires pour les casser en plus petits morceaux qui peuvent être évacuer par les voies naturelles de l’organisme. Comme les US sont absorbés par l’air, les patients sont placés dans une baignoire, car l’eau conduit très bien les US. Ø VIBROTHERAPIE : On utilise des vibrations mécaniques fournies par un générateur d’US. Les US pénétrant dans l’organisme ont un mode complexe d’action : vasodilatatrice avec augmentation de la chaleur locale. + une action sur la perméabilité des membranes et diminuent la conduction nerveuse, ce qui explique probablement leur action antalgique. Les US ont une action mécanique de type « micro massage » en profondeur et ont de plus un effet de type fibrolytique. Les séances d’US s’effectuent, à raison de 1 par jour pendant 10 jours, par un massage lent, d’une durée de 5 à 10 minutes, de la zone à traiter. La vibrothérapie ultrasonore est indiquée dans les douleurs et contractures para vertébrales ou péri articulaires, en pathologie post-traumatique, mais contre-indiquée au niveau des cartilages de croissance. Ø

CAVITATION NETTOYAGE DU MATÉRIEL : on utiliser des cuves remplies de liquide où l’on fait caviter des ultrasons pour nettoyer du matériel médical par exemple souillé par du sang. Cette technique permet d’obtenir des résultats d’excellente qualité. Ø CAVITRON : cette application utilise le phénomène de cavitation des US. Il peut être par exemple utilisé en neurochirurgie pour évider de grosses tumeurs cérébrales par cavitation. Cet appareil, qui se comporte comme un véritable aspirateur à US, permet de réduire le volume tumoral mais ne permet pas une coagulation qui peut, par exemple, être obtenue à l’aide d’un laser Ø

INFRASONS Les infrasons : l fréquence < 20 Hz. l Émis lors éruptions, vents, tempêtes et par machines lentes. l Produits artificiellement en excitant certains matériaux pour les faire vibrer (tuyaux résonnants, émetteurs à éléments sifflants, tables vibrantes). Ø Les IS ont des effets pathologiques lorsqu’ils agissent sur certains organes (système nerveux, organes de l’équilibration, œil, appareil cardio-vasculaire, appareil respiratoire, appareil digestif, appareil ostéo-articulaire). Ils sont à l’origine de la fatigue due aux trépidations de la vie moderne. Ø Ils sont utilisés pour traiter des oedèmes post-traumatiques, orthostatiques, vasculaires, lymphatiques… l L’application peut être localisée grâce à des projecteurs cylindriques. l En cas de contracture ou d’œdème chronique on peut utiliser des infrasons de fréquence 2 à 12 Hz. l Applications étendues en plaçant le sujet sur une table vibrante dite de Champetier de Ribes. IS sont utilisés comme agent relaxant. Ø