Cardiogramme
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Fonctionnement de l’échocardiographe

Transducteurs

Le transducteur est composé de 64 à 256 cristaux piézo-électriques de zirconate-titanate de plomb ; il y en a jusqu’à 2’500 dans les sondes tridimensionnelles. Ces cristaux fonctionnent comme des convertisseurs d’énergie électrique – mécanique :

  • Lorsqu’ils sont stimulés par un courant électrique, ils changent de forme et émettent des US en fonction de leur fréquence vibratoire ;
  • Lorsqu’ils sont heurtés par des US, ils émettent un courant électrique correspondant.

Une rangée de cristaux émet un front d’onde qui lui est parallèle et n’explore que la tranche de tissu qui lui fait face. Afin de balayer un large secteur, on peut faire tourner les cristaux mécaniquement, ce qui était la première technique utilisée, ou stimuler chacun des cristaux dans un ordre tel que le front d’onde est oblique, ce qui est la technique actuelle (système à décalage de phase ou phased-array). En variant constamment la séquence de stimulation des capteurs, on peut ainsi balayer le secteur sans rotation mécanique du capteur (Figure 25.2). On peut utiliser le même procédé pour créer une focalisation en émettant et en réceptionnant les échos des capteurs extérieurs avant ceux des capteurs intérieurs, de manière à avoir un front d’onde concave. Alors que le plan de coupe est obtenu par balayage électronique, la rotation de ce plan de coupe sur les sondes multiplans est réalisée par la rotation mécanique du transducteur au moyen d’un moteur électrique.

Comme les US émis ont tendance à diverger progressivement, il est impératif de focaliser les rayons sur la zone précise que l’on veut examiner, parce que les rayons sont parallèles et concentrés dans la zone focale, donnant ainsi une image plus précise et mieux définie. L’ajustement de la zone focale se fait en déplaçant de petits repères situés sur les bords de l’écran. Le meilleur réglage est de placer le point focal juste au-delà de la structure à examiner, de manière à ce que cette dernière soit dans la partie proximale du faisceau.

 

Cadences de travail

La machine émet un train de quelques ondes ultrasonores (packet size) de fréquence déterminée (4-8 MHz), puis attend l’écho en retour. En analysant le temps mis par le train d’onde émis pour revenir au transducteur, l’appareil détermine la profondeur de l’objet sur lequel se sont réfléchies les ondes selon la formule : ∆t = 2 D / c (Figure 25.3). La vitesse de déplacement des US étant une constante qui ne dépend que du milieu (c = 1’540 m/s dans les tissus), il est facile de déterminer la distance de la cible qui représente le temps mis pour l’aller-retour (∆t) au transducteur. Celui-ci émet pendant 1-2 microsecondes, et reçoit pendant 250 msec ; il passe donc plus de 99% de son temps de travail en écoute. Afin de donner une image cohérente à l’écran, la machine met en mémoire les échos les plus proximaux en attendant le retour des échos les plus lointains (profondeur maximale) et n’affiche une image que lorsqu’elle a la totalité des échos. Plus la profondeur est grande, plus la cadence ralentit.

Cette cadence permet une fréquence d’émission et de réception de 1’000 à 6’000 cycles par seconde. C’est la fréquence de travail de la machine, ou fréquence de récurrence (Pulse Repetition Frequency, PRF). Cette fréquence est fonction de plusieurs paramètres ; elle augmente lorsque :

  • La profondeur diminue (la durée de l’aller-retour des US diminue) ;
  • La durée de l’émission diminue (diminution du packet size) ;
  • La fréquence d’émission (f, en MHz) diminue, puisque ∆t = 2 D / (f · λ).

La fréquence d’affichage à l’écran (Frame Rate) est plus lente (10-160 images/s) parce que la machine doit faire la même analyse sur toutes les lignes de lecture de l’écran ; ces lignes correspondent chacune à un angle de balayage différent (120 à 500 lignes). Plus le champ d’exploration est large et profond, plus la cadence d’affichage à l’écran diminue. En dessous de 15 images/s, l’œil perçoit un mouvement saccadé ; au-delà de 35 images/s, le mouvement apparaît fondu et continu. On peut augmenter la fréquence d’affichage par les différents moyens :

  • Diminution de la profondeur ;
  • Rétrécissement latéral du champ ;
  • Réduction des fonctions simultanées (flux couleur, par exemple) ;
  • Utilisation de l’imagerie temps-mouvement (TM) ;
  • Technologie du parallel processing (jusqu’à 200 images/s).

Les cadences élevées ne sont pas utiles pour la représentation des images à l’écran, parce que notre œil ne voit pas de différence au-delà de 35 images/s (les écrans sont souvent limités à cette valeur), mais elles sont nécessaires à l’enregistrement digital pour certaines fonctions comme le Doppler tissulaire ou le speckle-tracking (voir Technologies particulières). Un cycle cardiaque représente un poids de 1 à 5 Mo selon la quantité de données enregistrées (image bidimensionnelle, flux couleur, etc).

 

Cadences de fonctionnement
Pulse Repetition Frequency (PRF) : fréquence d’émission et de réception du transducteur par seconde (1’000 – 6’000 cycles/sec)
Frame rate (FR) : vitesse d’afficharge des images sur l’écran (8-80/sec selon profondeur et affichage)

 

 

Traitement électronique

L’information reçue du transducteur subit une série de manipulations informatiques avant et après être acquise dans le processeur central de la machine. On parle de Preprocessing et de Postprocessing. Ceci correspond à une série de réglages (Figure 25.4) qui sont des plus importants pour obtenir une image satisfaisantes et exclure une certain nombre d’artéfacts.

Le Preprocessing comprend :

  • Transmission ; c’est l'amplitude d’émission des US (en dB) ; elle est en général préréglée par le fabricant ; la puissance maximale est 100 mW/cm2.
  • Profondeur : durée de l’écoute à la réception ;
  • Taille du secteur de balayage ;
  • Zone focale ;
  • Réglages spécifiques au Doppler.

Davantage de réglages sont opérés durant la phase de Postprocessing :

  • Gain : modification de l’intensité des échos en retour ; un gain élevé fait apparaître les échos de faible intensité mais donne une image brillante et saturée.
  • Compression : réduction non-linéaire du spectre ultrasonore de 0-100 dB à 0-40 dB ; beaucoup de compression intensifie et homogénéise les gris, alors que peu de compression donne des images au contraste noir-blanc excessif.
  • Compensation de profondeur (time-gain compensation, TGC) : les US perdent de l’énergie en traversant les tissus ; les échos revenant de la profondeur sont plus faibles que ceux revenant de la zone proximale. Un système de 6 à 8 coulisseaux horizontaux permet d’amplifier sélectivement les échos par tranches de profondeur correspondantes.
  • Compensation latérale (lateral-gain compensation, LGC) : un système analogue permet de régler l’intensité des échos par tranches radiaires. Ces deux systèmes de compensation participent au gain général.
  • Filtres : un système de filtre propre au Doppler permet d’éliminer les échos des tissus lorsqu’on examine les vélocités du sang, en filtrant les basses fréquences (les tissus ont des mouvements de faible vélocité) et les hautes amplitudes (les tissus sont beaucoup plus échogènes que les hématies).
  • Gel : la machine conserve en mémoire vive 10-12 secondes d’enregistrement, que l’on peut faire défiler en manipulant la boule de contrôle (track-ball).
  • Zoom : il est possible d’agrandir un secteur de l’image ; le zoom n’augmente pas la résolution de l’image.

L’intensité de la lumière ambiante en salle d’opération contraint à des réglages très contrastés et à une augmentation maximale de la luminosité de l’écran.

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