Les ultrasons et l’effet Doppler

Les ultrasons et l’effet Doppler

Le Doppler pulsé

Le système de Doppler pulsé est caractérisé comme illustré à la figure 1.4 par une sonde à cristal unique qui alternativement émet un faisceau d’ultrasons et reçoit le faisceau réfléchi [9], [14]. Le délai entre deux impulsions détermine la fréquence de répétition, encore appelée PRF (Pulse Repetition Frequency). Entre ces deux impulsions, le signal réfléchi est analysé pendant une durée très courte que l’on peut appeler la « fenêtre d’écoute ». Le délai entre la fin de l’impulsion et le début de la « fenêtre d’écoute » détermine la profondeur sélectionnée d’analyse du signal Doppler (c’est la profondeur du volume d’échantillonnage). Le temps d’analyse du signal réfléchi, c’est-à-dire la largeur de la « fenêtre d’écoute », détermine la taille du volume d’échantillonnage. La PRF détermine la profondeur du champ d’exploration : pour explorer des champs profonds cette PRF doit être basse; pour explorer des champs superficiels on peut l’augmenter. Cette PRF détermine également la sensibilité aux flux : une sensibilité aux flux lents nécessite une PRF basse (environ 700 à 800 Hz pour les flux veineux et les petits flux parenchymateux). Avec une telle PRF basse, les flux artériels rapides seront également détectés mais ils ne pourront pas être quantifiés à cause d’un phénomène d’ambiguïté fréquentielle; l’étude de ces flux rapides nécessite au contraire une PRF élevée (de l’ordre de 2 à 4 kHz) [2].

Technologie des transducteurs

Le principal matériau utilisé pour la réalisation de transducteurs ultrasonores est la céramique piézo-électrique. Un autre matériau, le polyvinylidene fluoride (PVDF), qui est un polymère, présente également de bonnes propriétés piézo-électriques, et possède l’avantage d’être flexible et d’avoir une impédance acoustique plus petite que celle des céramiques. Son efficacité est par contre inférieure. L’apparition de matériaux composites a permis la réalisation de transducteurs ultrasonores qui ont une efficacité comparable à celle des céramiques et possèdent une faible impédance acoustique. Ils offrent un meilleur couplage entre le transducteur et les tissus, La figure 1.7 illustre l’allure typique d’un transducteur ultrasonore [14]. Le transfert d’énergie acoustique de la céramique (milieu 1) dans les tissus (milieu 2) est déterminé par les impédances caractéristiques z1 et z2 de ces deux milieux. L’adjonction d’une ou plusieurs couches (milieu 3) entre les deux milieux permet un transfert optimal de l’énergie issue du milieu 1 dans le milieu 2, si l’impédance caractéristique de cette couche est :

Où n est un nombre entier et λ3 la longueur d’onde dans la couche. Cette couche additionnelle d’adaptation d’impédance, appelée lame quart d’onde, est présente dans la plupart des transducteurs. La partie arrière du transducteur (appelée amortisseur ou backing) peut se comporter comme un amortisseur plus ou moins efficace selon ses propriétés acoustiques. Le choix du matériau qui la constitue détermine la forme des impulsions ultrasonores pouvant être émises par le transducteur. Pour un matériau très amortissant, la majeure partie de l’énergie qui y pénétré est dissipée, favorisant de la sorte la création d’impulsions courtes. Au contraire, pour un matériau peu amortissant, l’énergie atteignant la face arrière du transducteur est renvoyée vers la face avant et accroît l’énergie transmise dans les tissues. Le transfert d’énergie électrique du générateur à la sonde est fonction de leur impédance électrique respective. Une adaptation de l’impédance électrique de la sonde à celle du générateur à l’aide d’éléments passifs, comme illustré à la figure 1.8, permet d’optimiser le transfert d’énergie. La composante réactive Xs de l’impédance de la sonde zs=rs+jXs est annulée par une inductance de valeur L=Xs/ω. Un transformateur d’impédance assure l’égalité entre l’impédance du générateur et celle, corrigée, de la sonde [9], [14].

La carotide et la sténose carotidienne

Le système circulatoire joue un rôle très important dans chaque être vivant. Ce système inclut deux types de circulation : la circulation systémique et la circulation pulmonaire. La fonction de la circulation pulmonaire est de conduire le sang vers les poumons pour effectuer des échanges de gaz (principalement du O2 et du CO2). D’autre part, la circulation systémique délivre l’oxygène et les substances vitales à tous les tissus du corps et récupère le CO2 et d’autres substances rejetées, produites par les tissus. Chacune des deux circulations est composée d’artères, de veines et de capillaires. Les artères, sont les principaux conduits de la circulation systémique. Elles assurent le transport du sang et de l’oxygène vers tous les tissus (coeur, rein, cerveau…) du corps humain. Comme pour les autres tissus, l’oxygène est indispensable à notre cerveau. Parmi les artères qui irriguent le cerveau est l’artère carotide et parmi les principales maladies de cette artère est l’athérosclérose. Essentiellement, c’est une affection de la paroi artérielle qui résulte dans la plupart des cas en sténose. La quantification de ces sténose est indispensable pour prendre en charge un patient vasculaire. Dans ce chapitre, une description succincte respectivement de l’anatomie de l’artère carotide, de la sténose carotidienne ainsi que des méthodes d’évaluation de degré de sténose carotidienne est fait.

Conclusion générale

Le problème de la quantification des sténoses carotidiennes à partir des signaux Doppler ultrasonore est un problème difficile de traitement du signal. Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en évidence l’utilité du Doppler continu pour la détection des sténoses carotidiennes, et comment les méthodes de traitement du signal peuvent être adaptées pour apprécier le degré des sténoses. Ce travail était réparti en trois parties : La première partie a été consacrée à l’acquisition des signaux Doppler ultrasonore des artères carotides. Pour cela, à travers l’exploitation d’un vélocimètre Doppler le BIDI 1 on a pu développer et réaliser une plateforme permettant l’acquisition et l’affichage des signaux Doppler et aussi l’appréciation de degré de sévérité des sténoses. L’acquisition de ces signaux a été réalisée au niveau du service de cardiologie du centre hospitalier universitaire de Tlemcen et au niveau du cabinet médical de cardiologie de Dr. Abdelhamid KORSO FECIANE, et cela sur plusieurs cas normaux et pathologiques. La seconde partie a été consacrée à rechercher la méthode la plus fiable pour la représentation temps fréquence des signaux Doppler. Où il a été Il a été confirmé que le spectrogramme permettant de générer les sonogrammes reflétant l’écoulement du sang dans l’artère carotide, souffrait de résolution temporelle et fréquentielle.

La deuxième méthode qui a été utilisée est la distribution de Wigner Ville qui est un outil puissant, complet et bien adapté pour l’analyse des signaux non stationnaires dans le plan temps – fréquence et qui offre une très bonne résolution temporelle et fréquentielle. Mais le problème majeur de cette distribution est la présence des termes interférentiels qui sont essentiellement dus au caractère quadratique de la distribution. L’étude a été poursuivie par l’évaluation de deux méthodes permettant de lisser ces interférences. Les résultats obtenus ont montré que d’un coté le lissage séparable ou bien la DPWVL permet d’obtenir des bons résultats avec le même type de fenêtre utilisé en spectrogramme. D’un autre coté l’autre type de lissage non séparable ou bien la DCW a permis de réaliser des résultats comparables au type de lissage précèdent moyennant un choix approprié de la valeur de la variance. La dernière partie a été réservée au calcul de l’index d’élargissement spectral SBI à partir des sonogrammes générés par les différentes méthodes d’analyse en exploitant les enveloppes fréquentielles maximales et moyennes. Le SBI était calculé pour différents cas normaux et pathologiques. Les résultats obtenus ont montré qu’il y a une relation entre le SBI et le degré de sténose mesuré en surface, résultats qui ont été confirmés par des mesures échographiques.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Les ultrasons et l’effet Doppler
1 Introduction
2 Les ultrasons
2. 1 Généralités
2. 2 Interactions des ultrasons et de la matière
3 L’effet Doppler
3. 1 Principe
3. 2 Contenu spectral de l’écho Doppler
3. 3 Différents systèmes Doppler
3. 3. 1 Le Doppler continu
3. 3. 2 Le Doppler pulsé
4 Analyse du signal Doppler
4. 1 Le signal sonore
4. 2 Fréquence moyenne
4. 3 Spectre de fréquence
5 Technologie des transducteurs
6 Conclusion
Chapitre ΙΙ La carotide et la sténose carotidienne
1 Introduction
2 Anatomie de l’artère carotide
3 Composition de la paroi artérielle
4 La sténose carotidienne
5 l’écoulement du sang dans l’artère carotide
5. 1 Ecoulement normale
5. 2 Ecoulement pathologique
5. 2. 1 Signes directs
5. 2. 2 Signes indirects
6 Quantification des sténoses carotidiennes
6. 1 Critères morphologiques
6. 2 Critères hémodynamiques
7 Conclusion
Chapitre III Matériels et logiciel d’acquisition des signaux Doppler
1 Introduction
2 Description du vélocimètre Doppler
2. 1 Le module Doppler
2. 2 Les sondes
3 Logiciel d’acquisition
3. 1 La carte son
3. 2 Principe d’acquisition
3. 3 Présentation et affichage des signaux acquis
4 Acquisition des signaux Doppler sur des cas réels
5 Conclusion
Chapitre IV Représentation temps fréquence des signaux Doppler de l’artère carotide
1 Introduction
2 Transformer de Fourier à court terme (STFT
2. 1 Principe
2. 2 La discrétisation du spectrogramme
2. 3 Application
2. 3. 1 Choix de la durée de la fenêtre
2. 3. 2 Choix du type de fenêtre
3 La distribution de Wigner – Wille (DWV)
3. 1 Principe
3. 2 Propriétés
3. 3 La discrétisation de la DWV
3. 4 Problèmes d’interférences
3. 5 Application
3. 6 Lissage séparable
3. 6. 1 Application
3. 7 Lissage non séparable
3. 7. 1 Application
4 Conclusion
Chapitre V Quantification de degré des sténoses carotidiennes
1 Introduction
2 Détection des enveloppes fréquentielles
3 Lissage des enveloppes fréquentielles
4 Détermination des pics systoliques et élimination des pics non systoliques
5 Détermination du SBI
6 Conclusion
Chapitre VI Résultats et discussion
1 Introduction
2 Calcul du SBI pour des cas normaux (degré de sténose = 0
3 Calcul du SBI pour des cas pathologiques
4 Relation entre SBI et degré de sténose mesuré en surface
5 Conclusion
Conclusion générale
Annexe 1
Annexe 2
Bibliographie

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