Les ultrasons

Introduction

Historique : SPALLANZANI (1794) soupçonne l'existence des ultrasons en observant le vol des chauves-souris ; CURIE (1880) découvre la PIÉZO-ÉLECTRICITÉ, moyen de produire des ondes ultrasonores ; LANGEVIN (1ʳᵉ Guerre mondiale) l'applique à la détection des sous-marins ; DUSSIK (1942) réalise la première application médicale, pour la recherche d'une déviation des structures médianes intracrâniennes. Actuellement, l'échographie est devenue la suite logique de l'examen clinique, avec des applications majeures en gynéco-obstétrique, cardiologie, gastro-entérologie et urologie — et, en odontologie, via les détartreurs ultrasoniques. Après l'étude des rayons X et de l'imagerie qui en découle, ce chapitre change de nature de rayonnement : les ultrasons sont des ondes mécaniques, NON IONISANTES, ce qui explique leur totale innocuité reconnue. Nous verrons les bases physiques, les effets biologiques, puis les applications médicales des ultrasons.

I. Bases physiques des ultrasons

A. Nature de l'onde ultrasonore

• L'onde ultrasonore (US) est une onde de PRESSION, propagation d'énergie dans un milieu matériel élastique, SANS transport de matière (contrairement aux ondes électromagnétiques, les US nécessitent un support matériel).
• Deux types de mouvement des particules : ondes LONGITUDINALES (de compression, va-et-vient dans l'axe de propagation) — dominantes dans les liquides et tissus mous — et ondes TRANSVERSALES (de cisaillement, comme une corde de guitare) — présentes en plus dans les milieux solides (os).
• Classification des sons par fréquence : infrasons (0-20 Hz), sons audibles (20 Hz-20 kHz), ULTRASONS (20 kHz-1 GHz), hypersons (> 1 GHz). Les US diagnostiques utilisent 1 à 15 MHz.

B. Paramètres de l'onde US

• Célérité c (m/s) : dépend de la nature du milieu. Valeurs à retenir : air ≈ 340 m/s ; tissus mous ≈ 1540 m/s ; os ≈ 2100-4080 m/s.
• Impédance acoustique Z = ρ·c (kg/m²/s = rayl), traduisant l'aptitude d'un milieu à reprendre sa forme après déformation. Z faible pour l'air (425 rayls), élevée pour l'eau (1,48 × 10⁶ rayls), très élevée pour l'os.
• Longueur d'onde : λ = c/F. Exemple : pour c = 1500 m/s (tissus mous) et F = 7,5 MHz, λ = 0,2 mm — c'est l'ordre de grandeur des détails visibles dans le milieu.
• Intensité ultrasonore I = P₀²/(2ρc), exprimée en W/cm². Au-delà de I > 1 W/cm², des effets biologiques apparaissent.

C. Effet piézoélectrique — production et détection des US

• La piézo-électricité : apparition de charges électriques à la surface de certains cristaux (quartz, céramiques PZT) soumis à une contrainte mécanique (effet direct). Réciproquement, une différence de potentiel alternative déforme le cristal (effet indirect) — phénomène RÉVERSIBLE, d'où la dualité émission-réception de la sonde (transducteur).

• Production : un générateur délivre des impulsions électriques de haute fréquence à la céramique, excitée par courtes impulsions de 1 à 2 ms, répétées à intervalles réguliers.
• Recueil : les contraintes mécaniques de l'onde réfléchie (écho) font apparaître à la surface de la céramique une ddp de fréquence et d'intensité correspondant à l'écho reçu.

D. Atténuation du faisceau d'US

• L'atténuation = diminution de l'énergie transportée avec la distance, fonction de l'absorption, la réflexion, la réfraction et la diffusion.
• Absorption : loi de décroissance exponentielle I = I₀·e^(−αx), α étant le coefficient d'absorption. α = k·F² : l'absorption AUGMENTE avec le CARRÉ de la fréquence. α est ÉLEVÉ pour l'air et l'os — d'où la nécessité d'un gel de contact et la limite de pénétration à travers l'os.
• Réflexion à une interface acoustique (limite entre 2 milieux d'impédances différentes) : coefficient de réflexion R = Ir/Ii = (Z₁−Z₂)²/(Z₁+Z₂)². L'écho est d'autant plus important que Z₁ et Z₂ diffèrent.

• R ≈ 100 % entre air et tissus mous impose l'utilisation d'un GEL DE CONTACT entre la sonde et la peau, pour éliminer toute interface air-peau.
• Faisceau NON perpendiculaire à l'interface : le faisceau transmis est DÉVIÉ (réfracté), selon les lois de Descartes : αi = −αr (réflexion) et C₂·sinαt = C₁·sinαi (réfraction).
• Diffusion : les microstructures de l'organe (vaisseaux, fibres, globules rouges), de taille inférieure à λ, réémettent les US dans toutes les directions — c'est le SIGNAL ÉCHO (« grain » de l'image échographique).

II. Effets biologiques des ultrasons

• Effet THERMIQUE, par absorption d'énergie acoustique : d'autant plus important que le milieu est absorbant (destruction tissulaire, nécrose à forte intensité).
• Effet MÉCANIQUE, causé par la réflexion-réfraction aux interfaces et par le phénomène de CAVITATION (apparition de bulles de gaz à partir de gaz dissous ou de vapeur, sous l'effet des variations de pression).
• Conséquences cellulaires : fragmentation mécanique de l'ADN en solution, effet sur les ponts actine-myosine, THROMBOLYSE percutanée (dissolution de thrombus), SONOPORATION (création de pores membranaires modifiant la perméabilité cellulaire).
• Fait important : AUCUN effet cancérigène ni tératogène n'a été observé à ce jour. Néanmoins, l'opérateur doit optimiser les réglages au niveau le plus bas possible sans compromettre la qualité de l'examen.

III. Applications médicales des ultrasons

A. L'imagerie échographique

• Émission de trains d'ondes successifs par une sonde, enregistrement des échos (évite les interférences émission/réception). Choix de la fréquence selon la profondeur de l'organe : basses fréquences pour organes profonds (pancréas), hautes fréquences pour organes superficiels (thyroïde).

B. Modes d'échographie

C. Effet Doppler

• Déplacement d'un émetteur (ou d'un réflecteur) à la vitesse v par rapport au milieu → variation relative de fréquence : ΔF/F = v/c.
• Application à l'écoulement sanguin : les globules rouges en mouvement réfléchissent les US à une fréquence F' ≠ F. ΔF POSITIF quand le sang se rapproche de la sonde ; ΔF NÉGATIF quand il s'en éloigne — détermine ainsi le sens de l'écoulement sanguin.

D. Autres applications médicales

Conclusion

Les ultrasons sont des ondes mécaniques de pression, non ionisantes, produites et détectées grâce à l'effet piézoélectrique, réversible, qui confère à la sonde sa dualité émission-réception. Leur propagation dans les tissus est caractérisée par la célérité (fonction du milieu), l'impédance acoustique Z = ρc, et une atténuation croissante avec la distance et la fréquence, régie par l'absorption (I = I₀e^(−αx)), la réflexion-réfraction aux interfaces (coefficient R) et la diffusion sur les microstructures tissulaires — c'est cette dernière qui forme le « grain » caractéristique de l'image échographique. Leurs effets biologiques, thermiques et mécaniques (cavitation), restent sans effet cancérigène ni tératogène démontré, ce qui explique leur totale innocuité reconnue et leur emploi généralisé, en premier lieu en imagerie échographique (modes A, B, bidimensionnel, TM) et en Doppler pour l'étude des flux sanguins, mais aussi en thérapeutique (physiothérapie, lithotritie) et en odontologie (détartrage par cavitation). Cette innocuité contraste avec les rayonnements ionisants étudiés aux chapitres précédents, et clôt ainsi le grand ensemble des techniques d'imagerie médicale de ce cours, avant d'aborder, pour finir, le rayonnement laser.