Echographie 3D-4D

Les modalités de l’Imagerie Médicale
5. L’Echographie
Dr J.M. Rocchisani
CHU de Bobigny.93.
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
1
1/52
Plan

Introduction

Bases Physiques de
l'échographie
●
●
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ENSTA ESE21

Ondes ultrasonores

Interactions avec la matière
L'échographie 2D

Les sondes

Formation de l'image

Applications
L'échographie 3D:

motivations

Les dispositifs d'acquisition

le traitement des images

applications
Explorations par UltraS
2
2/52
1. Introduction

L'échographie doit son succès à 3 facteurs:




Innocuité de l'examen : aucun effet secondaire
Faible coût de l'appareillage
Souplesse d'utilisation.
Principales applications:

Obstétrique

Cardiologie.
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3/52
1. Introduction

Historique




SPALLANZANI le premier en 1794 soupçonna
l'existence des ultrasons en observant le vol des
chauves-souris.
En 1880 CURIE découvre le principe de la pièzoélectricité et le moyen de produire des ondes
ultrasonores.
Il faut attendre la première guerre mondiale avec
LANGEVIN pour que l'homme les utilise à la détection
des sous-marins en plongée.
La première application médicale est due à DUSSIK en
1942 pour la recherche d'une déviation des structures
médianes intracrânienne
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4/52
Plan
 Introduction
 Bases Physiques de
l'échographie
 Ondes ultrasonores
 Interactions avec la matière
 L'échographie 2D
 L'échographie 3D:
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5/52
2.1. les Ondes Acoustiques

Les Sons

Infra Sons
fréquence)
F < 20 Hz (F=

Sons Audibles
20 Hz < F < 20 kHz

Ultrasons
20 kHz < F < 1 GHz

Hypersons
F > 1 GHz
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6/52
2.1. les Ondes Acoustiques

Propagation dans un milieu matériel
c = célérité = vitesse de propagation
 = 2F = pulsation
 = c/F
= longueur d’onde
k = 2/F = vecteur d’onde

Onde longitudinale :

mouvement des particules le long de la direction de propagation




Mouvement
Vitesse
Accélération
Pression acoustique
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7/52
2.1. les Ondes Acoustiques

Equations de Propagation

√
E
c= ρ
La célérité c dépend des propriétés mécaniques du
milieu de propagation
√
E
ρ
E : module d'élasticité
ρ :densité
c=


propagation
∂2 a 1 ∂ 2 a
= 2 2
2
∂ x c ∂t
idem avec u et p
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8/52
2.1. les Ondes Acoustiques

Energie d’une Onde Ultrasonore, Puissance
Surfacique

Une onde US qui se propage transporte de l’énergie.

L’énergie contenue dans l’onde se propage à la vitesse c
1 2
Ε= . ρ.u0
2
(densité volumique d’énergie)

Intensité acoustique = puissance surfacique = quantité
d’énergie par unité de temps par unité de surface .
2
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p0
2
I=
(watt/cm )
2ρ.c
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2.1. les Ondes Acoustiques

Impédance Acoustique du milieu

traduit la résistance du milieu à la propagation
d'une onde US

exemples: (x10-6 kg/m2/s)

Reins 1.62
Air 0.0004

Foie
Os 3.65 à 7.09

Eau1.52
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1.64
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10/52
2.2. Interaction des ondes acoustiques avec
la Matière

Atténuation
coefficient linéaire d’atténuation (milieu homogène, cm-1(

Profondeur / Pouvoir de pénétration
 petit  pénétration élévée
 augmente avec la fréquence des US
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  k .F .
1   
2
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2.2. Interaction des ondes acoustiques avec
la Matière

Réflexion des ondes acoustiques
Lois de Descartes
Facteur
de Réflexion
de Transmission
R+T=1
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2.2. Interaction des ondes acoustiques avec
la Matière

Diffusion

sur globules rouges ,micro-vaisseaux, amas
cellulaires
26/03/2015 "Speekle"
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
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2.2. Interaction des ondes acoustiques avec
la Matière

Absorption
-
Elévation de température
Energie perdue par le faisceau = énergie absorbée par
le milieu
dE
dI
= =μ . I ( x )=ρ . C . ΔT
dV . dt dx
m
ΔT μ . I ( x )
=
dt
ρ.C
m
α = 0,5 dB/cm, I=2 watts/cm2 , dt= 1 min
ΔT=0,3° celsius, diluée dans la circulation

PAS D'EFFETS BIOLOGIQUES NUISIBLES
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14/52
2.3. Génération d'une onde
acoustique

Piézo-electricité

principe


déformation maille cristalline  dipôle électrique
-champ éléctrique
matériaux




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céramiques kt = 0.3 à 0.5
polymères
kt faible
difluorure
cristaux
kt = 0.1, fragile
composites kt = 0.5 à 0.7
titanate de Baryum
polyvinydène
Quartz
céramiques-résines
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15/52
2.3. Génération d'une onde
acoustique

Piézo-electricité

Mode d'utilisation

Continu

Pulsé
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16/52
Plan
 Introduction
 Bases Physiques de
l'échographie
 L'échographie 2D
 Les sondes
 Formation de l'image
 Applications
1. L'échographie 3D
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17/52
3.1. Sonde échographique

Sonde mécanique
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18/52
3.1. Sondes

Sonde Sectorielle
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19/52
3.1. Sonde échographique

Sonde Electronique
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3.1. Sondes échographiques

Faisceau ultrasonore

Homogène dans la zone de Fraunhofer
Et divergent
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3.1. Sondes échographiques

Faisceau: Focalisation
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22/52
3.1. Sondes

Faisceau:
Focalisation
électronique
Déphasage de l'excitation
des éléments piézoélectrique pour créer un
front d'onde composite
convergent et dans une
direction
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23/52
3.1. Sondes
• Fonctionnement en
Émission/réception
– l'onde est partiellement
refléchie sur les interfaces
quelle traverse.
– La sonde enregistre cette
onde refléchie (écho)
– L'écart de temps
émission/réception (tAR)est
proportionel à la profondeur
de l'interface
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24/52
3.1. Sonde
• Amplification du signal reçu
L'onde reçue a subit une atténuation (réflexion, diffusion)
Et doit être amplifiée
Rôle de la courbe de gain
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25/52
3.2. Formation de l'image




l'image est formée ligne de tir par ligne de tir
Sur chaque ligne de tir, un écho est
caractérisé par son amplitude et son temps
de réception
Mode A (Amplitude) : diagramme
amplitude=f(t)
Mode B (Brillance) : l'amplitude est traduite
par la brillance d'un point  ligne de l'image
échographique
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26/52
3.2. Formation de l'image


remplissage du plan
image

Interpolation entrer les
points de la ligne de tir et
la matrice image
(bilinéaire)

512x512
Imagerie temps réel

FR  250 s

100 lignes/image = 25
ms

40 images/s
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Remplissage de la
matrice image par
interpolation
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27/52
3.3. Matériels
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28/52
3.4. échographie 2D: applications

Obstétrique

Abdomen
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 vaisseaux
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29/52
3.4. échographie 2D: applications
Applications: voir

Cardiologie
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30/52
3.4. échographie 2D: applications
Applications: mesurer

Obstétrique:

Cardiologie
Diamètre bipariétal, abdominal
Mouvements
Vitesses
(mode TempsMouvement)
(echographie+doppler)

Vitesses
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Mesure de vitesses
2 méthodes
●
●
Effet Doppler
–
Utilisé sans imagerie
–
Ou couplé à l'échographie
Color Velocity Imaging (CVI )
–
Couplé à l'échographie
exploration par ultra-sons
32/57
L'effet Döppler
Principe
Lorsqu'un faisceau US rencontre des cibles mobiles
(globules rouges), la fréquence réfléchie par ces cibles
est modifiée
E
FR = F0 +∆F
R
∆F est la fréquence Doppler
Environ 50Hz à 20 kHz
Crée un son audible….
FR < FE
E
R
FR = FE
∆F>0 si la cible se
rapproche de la source
E
∆F<0 sinon
R
FR > FE
exploration par ultra-sons
ΔF < 0
ΔF = 0
ΔF > 0
33/57
Döppler
Principe
Tir sur une cible mobile avec un
angle θ θ
décalage de fréquence FD
(fréquence Döppler)
FD = ∆F =Fréception – Fémission
On montre que
ΔF=
2 vF 0 cos  θ 
C
D'où la vitesse si θ ≠90°
v=c .
exploration par ultra-sons
ΔF
2 . F 0 cos  θ 
si θ ≠90°
34/57
Color Velocity Imaging (CVI )
Autre méthode de calcul de vitesse basée sur la Corrélation
temporelle des signaux entre 2 tirs successifs:
il existe un petit décalage temporel t dû au déplacement des
hématies
on montre que que la vitesse
des hématies est
v=
t⋅c
2T⋅cos(θ )
t=décalage
T=intervalle entre 2 pulses
θ= angle faisceau/vaisseau
C=1540 m/s
exploration par ultra-sons
35/57
échographie 2D: Echo+Doppler
Exemple: régurgitation mitrale
Reflux VG->OG
exploration par ultra-sons
36/57
Imagerie d ’Harmonique
Enregistrement d'un signal
ondulatoire complexe
On sait décomposer un signal en
ondes sinusoïdales primitives
de fréquences
–
–
fondamentales (fo) et
harmoniques.(fréquence
multiple de la fréquence
fondamentale)
La 2ème harmonique présente
une fréquence double 2 fo et la
3ème harmonique 3 fo (Ex : 2.5
MHz, 5MHz, 7.5 MHz).
26/03/2015
exploration par ul
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38/52
Imagerie harmonique (2)
Analyse du signal en harmoniques et
génération d'Images correspondant
aux harmoniques
Qualité intrinsèque de cette image
●
plus résolue
●
moins bruitée
●
réhaussement des contrastes
●
Suppression des artefacts
●
Modification du spectre US
renvoyé en fonction de la structure
du tissu traversé (caractérisation
tissulaire).
exploration par ultra-sons
Standard
1ière harmonique
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Imagerie d ’Harmonique (3)
exemples
Coeur (ETO)
vaisseau
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exploration par ul
vésicule
40
40/52
3.5. échographie 2D


Avantages

Peu coûteux (30,000-200,000 €)

Résolution < mm

Miniaturisation (explorations endovasculaires)

Vélocimétrie sanguine (et tissulaire)

Images harmoniques (tissus et produits de contraste)
Limites

Profondeur d'exploration limitée

par l'atténuation

Les objets très réfléchissants (os, air)

Plans de coupes, "opérateur-dépendant", en nombre limité

Artéfacts (speekle)
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41/52
3.5. échographie 2D

Limitations de l'échographie 2D

Plans de coupes, "opérateur-dépendant", en
nombre limité

Reconstruction mentale du volume

Localisation des plans de coupe approximative 


Variabilité et Erreurs de mesure
Comparaison de plusieurs examens difficile (suivi
d'évolution)
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
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42/52
Plan
 Introduction
 Bases Physiques de l'échographie
• L'échographie 2D
• L'échographie 3D:

Pourquoi

Acquisition des données

Traitement des images

Applications
26/03/2015
ENSTA ESE21
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43
43/52
4.1. Echographie 3D: Pourquoi ?

Nouvelles possibilités offertes par
l'acquisition d'un volume

Suppression de la subjectivité, re-utilisation des
données

Mesures précises et surtout reproductibles

Visualisation :




Analyse volumique
Plans de coupe quelconques
Vision panoramique
Nouvelles applications:

Simulation d'examen, télémédecine, chirurgie asssistée,
réalité augmentée
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
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44/52
Plan
• les modalités d'imagerie
• L'échographie 2D
• L'échographie 3D:
•
pourquoi
•
Acquisition
•
•
Sondes tridimensionnelles
•
Systèmes à balayage mécanique
•
Systèmes d'acquisition main libre
traitement des images
26/03/2015
ENSTA ESE21
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45/52
4.2. US 3D: Acquisition des données


Cahier des charges de l'acquisition 3D:

Échantillonage fin (bonne reconstruction)

Échantillonage rapide (compensation des
mouvements respiratoires, cardiaques, …)

Liberté de manipulation de la sonde par
l'opérateur
Solutions ?

Sondes tridimensionnelles

Systèmes à balayage mécanique

Systèmes d'acquisition main libre
26/03/2015
ENSTA ESE21
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46/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Sondes tridimensionnelles

Philips

Sonde matricielle= matrice de
transducteurs
En développement,GE_voluson
confidentialité
http://www.aloka.com
http://www.aloka.com
http://www.acuson.com/=http://www.medical.siemens.com
http://www.esaote.com/
http://www.atl.com=www.medical.philips.com/
http://www.gemedicalsystemseurope.com/eufr/rad/us/us_home.html
26/03/2015
ENSTA ESE21
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47/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Sondes tridimensionnelles:transducteur 2D
(matrice)
Sonde DUKE university

Angle=64°

Profondeur=13cm

22 trames/sec

16 lignes de tir simultanées

Temps réel
26/03/2015
ENSTA ESE21
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48/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Systèmes à balayage mécanique


principe

Échantillonage 3D par des plans 2D

Reconstruction du volume
Mode de balayage

linéaire(translation)

Par rotation

En éventail
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
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49/52
4.2. US 3D: Acquisition des données
Systèmes à balayage mécanique
Ex:http://www.univ-orleans.fr/polytech/LESI/vg4d/
Sté VERMON
Rotation= 1,48°/ms
43 images/sec
Angle conique de 60°
Ventricule gauche temps réel
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
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50/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Systèmes d'acquisition main libre
manuel)

(balayage
Un système de repérage
fixé sur la sonde donne la position et l'orientation de la sonde à
chaque instant


Contraintes:

Latence: faible (1ms) ou plus lente mais régulière

Vitesse de mise à jour: élevée (100Hz, >>écho2D 30Hz)

Précision des mesures: résolution  écho2D; localisation  1mm

Intéférences par l'environnement

Espace de travail: système peu encombrant
Les Systèmes

[Bras mécanique]

Repérage acoustique(US)

Repérage optique

Repérage électromagnétique
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ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
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51/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Systèmes d'acquisition main libre
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
52
52/52
4.2. US 3D: Acquisition des données

Repérage électromagnétique, ex
Esaote
récepteur
Transmetteur
Tracking system
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
53
53/52
4.2. US3D: Acquisition des données

Approximation de la fonction
échantillonnée

Interpolation de Shepard

Dans une direction privilégiée

Par plus proches voisins
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
54
54/52
4.3. US3D: représentation des
modalités

Méthodes

Plan de coupes (Multiplanar imaging)

Surfaces (Surface rendering)

Rendu de volume
Représentations Transparentes :

Minimal intensity projection

Maximal intensity projection

Color

Composite
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
55
55/52
4.3. US3D: Visualisation

Plan de coupes
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
56
56/52
4.3. US3D: visualisation

Surfaces (surface rendering): foetus
semitransparent
26/03/2015
ENSTA ESE21
gradient
Explorations par UltraS
57
57/52
4.4. Echographie 3D:
applications
Fœtus in utero
26/03/2015
ENSTA ESE21
Explorations par UltraS
59
59/52