Échographie

L'échographie est une technique d'imagerie employant des ultrasons. Elle est utilisée de manière courante en médecine mais peut être employée en recherche, en exploration vétérinaire, en industrie...

Le mot « échographie » provient de la nymphe Echo dans la mythologie grecque qui personnifiait ce phénomène et d'une racine grecque Graphô (écrire). Il se définit donc comme étant « un écrit par l'écho ».

Le terme « échographie » désigne aussi bien l'acte médical que l'image qui en découle. Il est abrégé de manière courante en « écho » (au féminin : « elle a eu une écho »).

L'appareil permettant l'échographie est un « échographe ».

Le médecin qui pratique une échographie est un « échographiste ».

Les appareils modernes comportent tous une fonction Doppler. C'est pourquoi on parle d'« échographie-doppler » (abrégée en « écho-doppler »).

L'échographe est constitué :

• d'une sonde, permettant l'émission et la réception d'ultrasons ;
• d'un système informatique, transformant le délai entre la réception et l'émission de l'ultrason en image ;
• d'une console de commande, permettant l'introduction des données du patient et les différents réglages ;
• d'un système de visualisation : moniteur ;
• d'un système d'enregistrement des données, soit de manière analogique (cassette vidéo, impression papier), soit de manière numérique (format DICOM) ;

Le tout est disposé sur un chariot mobile, permettant d'effectuer l'examen au lit même du patient.

Les besoins sont différents suivant l'organe étudié. Le plus exigeant est le cœur, mobile par essence, qui exige une bonne définition de l'image spatiale mais aussi temporelle.

La sonde

Les premières études sur les ultrasons n'étaient pas appliquées à la médecine, mais visaient à permettre la détection des sous-marins à l'occasion de la Première Guerre mondiale. En 1951, deux britanniques, J.J. Wild (médecin) et J. Reid (électronicien), présentèrent à la communauté médicale un nouvel appareil : l'échographe. Il était destiné à la recherche des tumeurs cérébrales mais fera carrière dans l'obstétrique. L'usage en obstétrique date du début des années 1970 avec les appareils permettant de capter les bruits du cœur fœtal (voir Effet Doppler).

L'élément de base de l'échographie est une céramique piézoélectrique (PZT), situé dans la sonde, qui, soumis à des impulsions électriques, vibre générant des ultrasons. Les échos sont captés par cette même céramique, qui joue alors le rôle de récepteur : on parle alors de transducteur ultrasonore. Un échographe est muni d'une sonde échographique, nommée barrette échographique, pourvue à l'origine de 64, 96 voire 128 transducteurs ultrasonores en ligne. Les sondes des échographes modernes possèdent aujourd'hui jusqu'à 960 éléments. En échographie cardiaque le nombre d'éléments est amené à 3 000 éléments. Enfin, les sondes de prochaines générations (courant 2009) auront plus de 12 000 éléments piézoélectriques soit 64 fois plus que celle encore utilisée à ce jour. L'émission se fait de manière successive sur chaque transducteur.

Les ultrasons sont envoyés dans un périmètre délimité (souvent trapézoïdal), et les échos enregistrés sont des signatures des obstacles qu'ils ont rencontrés. L'échogénicité est la plus ou moins grande aptitude d'un tissu à rétro diffuser les ultrasons.

La fréquence des ultrasons peut être modulée : augmenter la fréquence permet d'avoir un signal plus précis (et donc une image plus fine) mais l'ultrason est alors rapidement amorti dans l'organisme examiné et ne permet plus d'examiner les structures profondes. En pratique l'échographiste a, à sa disposition, plusieurs sondes avec des fréquences différentes :

• 1,5 à 4,5 Mhz en usage courant pour le secteur profond (abdomen et pelvis), avec une définition de l'ordre de quelques millimètres ;
• 5 Mhz pour les structures intermédiaires (cœur d'enfant par exemple), avec une résolution inférieure au millimètre ;
• 7 Mhz pour l'exploration des petites structures assez proches de la peau (artères ou veines) avec une résolution proche du dixième de millimètre ;
• de 10 Mhz à 18 Mhz plus par exemple pour l'étude, en recherche, de petits animaux, mais aussi, dans le domaine médical, pour l'imagerie superficielle (visant les structures proches de la peau).

Cette résolution dépend aussi de la forme de la structure examinée : elle est bien meilleure si elle est perpendiculaire au faisceau d'ultrasons que si elle est parallèle à ce dernier.

La fréquence de réception joue également sur la qualité de l'image : en mode fondamental le transducteur détecte les signaux de la même fréquence que celle de l'émission. En mode harmonique, il détecte les signaux d'une fréquence double (seconde harmonique) de celle de l'émission. L'avantage de ce dernier système est qu'il ne détecte essentiellement que les échos revenant dans le même sens que l'émission, écartant de fait les échos diffusés et rendant le signal beaucoup moins bruité. La détection non linéaire a une réponse particulière, elle ne réagit pas aux premiers centimètres après la sonde, ce qui permet de faciliter l'imagerie chez un patient en surpoids (dont la couche de graisse sous la peau complique le passage des ultrasons).

Le gel

À quoi sert le gel qu'applique le médecin ? Pour des raisons mécaniques, on considère que le contact entre la sonde et le ventre ne peut pas être parfait et qu'il existe donc une fine couche d'air entre la sonde et le ventre.

Les impédances acoustiques de l'air et de la peau (tissu biologique), en Pa.s/m, valent respectivement :

(à 20 °C) $Z_a={\rho }_a{c}_a=1,204\times 343,4=413,5$

(à 37 °C) $Z_p={\rho }_p{c}_p=1047\times 1570=164,4.10^4$

Elles permettent de calculer la valeur du coefficient de transmission T de l'interface air-peau :

Cette valeur est très faible et engendre donc une atténuation du signal importante entre l'émission et la réception des ultrasons par la sonde. C'est pour remédier à ce problème que le médecin applique un gel, dont l'impédance acoustique est proche de celle de la peau, pour obtenir une atténuation plus faible.

Le traitement du signal

L'électronique de l'échographe se charge d'amplifier et de traiter ces signaux afin de les convertir en signal vidéo. L'image se fait en niveaux de gris selon l'intensité de l'écho en retour.

Comment apparaissent les différents tissus de l'organisme ?

• Les liquides simples, dans lesquels il n'y a pas de particules en suspension, se contentent de laisser traverser les sons. Ils ne se signalent donc pas par des échos. Ils seront noirs sur l'écran (Structures hypoéchogènes)
• Les liquides avec particules, le sang, le mucus, renvoient de petits échos. Ils apparaîtront donc dans les tons de gris, plus ou moins homogènes.
• Les structures solides, l'os par exemple, renvoient mieux les échos. On verra donc une forme blanche avec une ombre derrière. Une exception cependant, la voûte crânienne, très fine et perpendiculaire aux échos, en laisse passer.
• Les tissus mous sont plus ou moins échogènes : le placenta est plus blanc que l'utérus, qui est plus blanc que les ovaires.
• Le gaz et l’air, sont comme l'os, très blanc.

Les différents réglages

• La puissance d'émission est réglable mais ne joue que peu dans la qualité de l'image. Il faut théoriquement utiliser la puissance minimale acceptable afin d'éviter un échauffement des tissus examinés. En pratique courante ce risque est négligeable.
• La fréquence d'émission peut être modifiée dans les limites des spécifications de la sonde.
• Le gain à la réception peut être augmenté ou diminué globalement ou de manière variable, suivant la profondeur de la zone explorée (TGC pour time gain compensation).
• Différents filtres peuvent être réglés : compression…
• L'imagerie peut être basculée de mode fondamental en mode de seconde harmonique (abrégé en mode harmonique) permettant d'avoir une meilleure définition.
• Le faisceau d'ultrasons peut être focalisé (lentille acoustique par retard d'émission réglé électroniquement) à une plus ou moins grande profondeur (ne joue que peu sur la qualité de l'image).
• La zone d'intérêt de l'organe explorée peut être élargie, ou au contraire, rétrécie. Dans ce dernier cas, l'image a une meilleure définition.
• La cadence d'acquisition (en anglais frame rate) peut être réglée. Ce paramètre est peu important en cas d'organes fixes mais doit être sensiblement augmentée pour étudier la mobilité d'une structure (cœur).

La console de commande est munie d'un clavier permettant d'entrer les identifiants du patient et les commentaires. Elle permet d'accéder aux différents modes d'échographie et de doppler, ainsi qu'au traitement et au stockage des images. Elle permet également d'effectuer des mesures (distance, surface…) et différents calculs.

Visualisation des images

Elle se fait par l'intermédiaire d'un écran.

Différents modes sont disponibles :

• Le plus courant est le mode BD (pour bidimensionnel) : il s'agit d'une représentation en coupe de l'organe étudié, le plan de celui-ci étant déterminé par la position que donne l'examinateur à la sonde.
• Le mode Tm (pour time motion en anglais) représente l'évolution d'une ligne de tir (ordonnée) suivant le temps (abscisse). Ce mode permet d'évaluer précisément les structures mobiles (ventricule gauche pour le cœur, par exemple) et d'en évaluer la taille. Cette dernière dépend cependant étroitement du choix de la ligne de tir et reste donc très examinateur-dépendant.

À ces images en niveau de gris, peuvent être associées des données du doppler en couleur.

Stockage et distribution des images

Théoriquement, les données à stocker correspondent au film de la durée de l'examen (de quelques minutes à plus d'une demi-heure) ce qui pose encore problèmes quant à l'importance de la mémoire nécessaire. En pratique ne sont conservées que des images fixes ou de courtes boucles d'images. Le format est souvent propriétaire (avec un outil de conversion DICOM) ou fait de manière native en DICOM. Ce format, largement utilisé dans le domaine de l'imagerie médicale, permet de conserver dans un même document l'identifiant du patient, l'image et les caractéristiques de l'acquisition de cette dernière.

De manière simple, l'image sélectionnée est imprimée et jointe au compte rendu. Elle n'a dans ce cas qu'un rôle d'illustration, la qualité de la reproduction ne permettant en aucun cas de réévaluer, par exemple, un diagnostic.

L'image peut être également stockée de manière analogique sur une cassette vidéo, entraînant une dégradation sensible de la définition, mais permettant de conserver suffisamment d'informations pour pouvoir en tirer des renseignements a posteriori.

La manière récente, l'existence d'enregistreur de DVD en temps réel (en même temps) que la réalisation de l'examen permet de numériser plusieurs heures d'examens.

Les images (ou boucles d'images) peuvent être transmises de manière numérique, soit par CDrom, soit par réseau informatique.

Le traitement informatisé de l'image

• Par interpolation d'une boucle d'images, prise avec une cadence d'acquisition rapide, on peut simuler une ligne Tm courbe.
• La reconnaissance automatisée des contours reste la pierre d'achoppement de l'échographie en 2005.
• L'imagerie paramétrique consiste à coder chaque pixel suivant des paramètres calculés sur l'image (évolution dans le temps, déphasage…). C'est un sujet encore en phase de recherche.
• L'imagerie tridimensionnelle, jusqu'au début de ce millénaire, était faite par superposition et interpolation de plusieurs images successives, faites suivant différents plans de coupe (soit de manière libre, soit à l'aide d'une sonde rotative). Le procédé est relativement aisé pour les organes fixes mais beaucoup plus complexes pour les organes mobiles (superposition de boucles d'images et non plus d'images simples). Actuellement, certains échographes sont munis de sondes dotées de capteurs-émetteurs, non plus disposées en ligne mais sous forme de matrice rectangulaire, permettant une acquisition tridimensionnelle directe. Les contraintes techniques et informatiques font cependant que l'image standard est alors sensiblement de moins bonne définition, tant spatiale que temporelle, et que le volume de l'organe directement visualisable reste réduit en taille.

Les différents types d'appareils

• Les appareils standards, bien que disposés sur des chariots à roulettes, sont destinés plutôt à être utilisés en poste fixe. Ils peuvent être connectés à un réseau, à une imprimante externe. Leur coût s'échelonne entre 50 000 et plus de 150 000 €.
• Des appareils plus petits sont conçus pour être utilisé au lit du patient. L'écran plat est de moindre qualité et ils ne disposent pas toujours de toutes les fonctionnalités. Ils fonctionnent sur secteur. Leur prix est inférieur à 100 000 €.
• Des échographes de la taille et du poids d'un PC portable ont été développés. L'imagerie est alors de bien moindre qualité et seules les fonctions de base sont disponibles. Ils ont le grand avantage d'être autonome pour leur alimentation. L'intérêt est surtout celui d'un "débrouillage" sur le terrain permettant de sélectionner les patients nécessitant des examens plus approfondis. Leur coût s'échelonne entre 10 000 et 15 000 €.

• Avantages :
• L'utilisation des ultrasons est quasiment sans danger : c'est la seule technique permettant d'avoir une image du fœtus avec une bonne innocuité. Il n' y a pas d'allergie ni de contre-indication à cet examen.
• Elle est indolore pour le patient. Elle ne nécessite, sauf exceptions, ni hospitalisation, ni anesthésie. Elle peut être répétée sans problème.
• L'échographie est une technique d'imagerie médicale relativement peu coûteuse : elle ne nécessite qu'un appareil et le prix des consommables peut être négligeable. L'examen est réalisé avec une seule personne (médecin ou manipulateur dans certains pays, comme aux États-Unis).
• L'échographe est mobile, permettant de réaliser l'examen au lit même d'un patient, dans une unité de réanimation par exemple.
• S'il est effectué par un médecin, le résultat est immédiat.
• C'est une des seules techniques d'imagerie en temps réel, avec laquelle on peut toujours compléter l'interrogatoire et l'examen clinique du patient en cours d'examen. Elle permet une grande précision diagnostique en des mains expertes et permet d'utiliser plusieurs modalité pour préciser une anomalie: 2D, 3D, reconstructions planaires, échographie de contraste, doppler pulsé ou couleur, élastographie, manoeuvres dynamiques.
• Lorsque l'échogénicité et la distance à l'organe le permettent, l'échographie posséde dans certains cas une résolution spatiale supérieure au scanner et à l'IRM
• Inconvénients :
• L'image manque parfois de netteté, jusqu'à être parfois inexploitable : c'est le problème de l'échogénéicité, faible en particulier en cas d'obésité.
• L'examen, et donc ses résultats, reste "examinateur-dépendant". Les mesures et la qualité des images dépendent beaucoup de la position de la sonde (plan de coupe), et donc, de l'habilité et de la compétence de l'examinateur. Ce positionnement manuel de la sonde varie d'un examen à l'autre et n'est pas connu a priori, ce qui rend complexe toute réinterprétation de l'examen et tout recalage avec une autre modalité d'imagerie médicale. Autrement dit, en cas de doute ou de discussion, l'examen doit être refait en totalité, idéalement par un autre examinateur.
• Le principal bruit qui vient perturber les images ultrasonores est le "speckle" (= "tavelure" en français) ou granularité (car l'image donne l'impression d'être formée de grains). Ce bruit est dû au fait que l'imagerie ultrasonore est une technique d'imagerie cohérente, ce qui autorise les interférences entre les ondes et donc cet aspect granuleux de l'image.

Suivant l'organe examiné, le patient doit être à jeun ou non. Il est allongé sur une table d'examen et la sonde, recouverte d'un gel, est posée directement sur la peau en regard de la structure à visualiser.

Échographie gynécologique et obstétricale

Dans le cadre de la surveillance médicale de la grossesse, une échographie permet d'obtenir une image monochrome d'un fœtus à l'intérieur du ventre de sa mère. Bien que ce soit l'utilisation la plus connue de l'échographie, on utilise également cette technologie pour la détection des troubles d'organes internes (calculs, kystes, cancers).

Au Québec, depuis 2004, certaines cliniques de procréation et de suivi de grossesse offrent un service d'échographie en 3 dimensions qui permet une vision plus globale du fœtus.

Voir articles :

• Échographie gynécologique
• Échographie obstétrique

Echographie de l'appareil locomoteur

L'échographie permet une analyse détaillée des muscles, des tendons, des ligaments et des nerfs périphériques (en complément du bilan radiographique standard).

Échographie per-opératoire

La sonde peut être posée sur la peau ou directement en contact de l'organe. Dans ce dernier cas, la sonde est recouverte d'une enveloppe stérile.

Échographie vasculaire

L'examen est toujours couplé au doppler permettant d'analyser les flux sanguins.

Il existe des sondes fines pouvant être introduites directement dans le vaisseau à examiner (artère coronaire par exemple) et permettant l'analyse précise des parois de celui-ci. On parle alors d' échographie endo vasculaire.

Échographie cardiaque (ou échocardiographie)

L'examen du cœur comporte des difficultés car il est :

• mobile ;
• inséré dans la cage thoracique, au contact des poumons, ces deux structures (air et os) empêchant la transmission des ultrasons.

Échographie avec produit de contraste

Elastographie

Il existe aujourd'hui 2 modes principaux pour évaluer l'élasticité des tissus.

Elastographie par compression manuelle

Technique permettant l'étude de l'élasticité des tissus pour détecter des cancers notamment utilisée en sénologie. Technique commercialisée par Hitachi Medical Systems depuis 2002 (HI-RTE).

Elle consiste avec la sonde d'échographie à appliquer de légères pressions afin de soumettre les tissus sous jacents à une légère contrainte. Ces tissus vont se déformer sous l'effet de la contrainte, plus le tissu est élastique plus il se déforme, plus le tissu est rigide moins il se déforme. Cette mesure réalisée en temps réel permet d'évaluer simplement la rigidité relative des lésions et dans une certaine mesure leur malignité.

Elastographie par impulsion ultrasonore.

Dans ce cas la sonde échographique émet une onde focalisée (ARFI :Acoustic Radiation Force Impulse) permettant de déplacer très légèrement les tissus. L'image est alors fabriquée de façon identique à l'imagerie d'élasticité par compression manuelle. Cependant comme l'impulsion ultrasonore est parfaitement calibrée, l'image obtenue est plus reproductible. De même il est également possible d'évaluer quantitativement la rigidité tissulaire en mesurant la vitesse de l'onde de cisaillement générée par l'impulsion ultrasonore. Grâce à cette mesure il est possible d'évaluer le degré de fibrose hépatique que seule une ponction biopsie hépatique, extrèmement douloureuse, était jusqu'alors capable de mesurer. La société Siemens commercialise aujourd'hui 2 produits utilisant l'imagerie d'élasticité par compression manuelle : l'ACUSON ANTARES et ACUSON S2000 et un produit utilisant l'imagerie d'élasticité par impulsion ultrasonore : ACUSON S2000. La startup française Supersonic Imagine, base a Aix en Provence commercialise également un système d'imagerie quantitative de l'élasticité par force de radiation: AIXPLORER.