Les ondes acoustiques

L'échographie est en fait basée sur l'émission et la réception d'ondes acoustiques. Physiquement, une onde acoustique est la propagation d'un petit déplacement de matière. La vitesse de déplacement de la matière et la vitesse de propagation de l'onde sont différentes. Pensez aux vagues qui se propagent à la surface d'un lac : l'eau ne se déplace pratiquement que verticalement (voir figure), alors que les vagues se propagent dans toutes les directions. Il en est de même avec les ondes acoustiques : localement, la matière se déplace un peu, mais ce déplacement se propage de proche en proche, ce qui constitue l'onde acoustique. La vitesse de propagation de l'onde dépend de plusieurs paramètres mais augmente globalement avec la rigidité du milieu.

Ainsi, les ondes acoustiques se propagent à une vitesse d'environ 340 mètres par seconde dans l'air, approximativement 1500 mètres par seconde dans l'eau et plus de 4000 mètres par seconde dans l'acier. Et dans le vide ? Comme il n'y a pas de matière, il ne peut pas y avoir d'onde acoustique ! Contrairement à ce qu'on voit dans les films de science-fiction, les explosions dans l'espace sont censées être silencieuses (si vous faites l'expérience un jour, prévenez-moi !).

La piezoélectricité

L'imagerie échographie a été permise grâce à la découverte d'un phénomène physique appelé piezoélectricité. Les matériaux dits piezoélectriques changent de volume lorsque on leur applique un courant électrique, et vice-versa. On peut ainsi créer un déplacement de matière lorsqu'on soumet un courant électrique à un tel matériau, et ce déplacement peut se propager sous la forme d'une onde acoustique. Inversement, on peut capter une onde acoustique lorsque celle-ci atteint un matériau piezoélectrique : cela lui fait changer de volume et donc créé un courant électrique. On fabrique donc des sondes appelés transducteurs ultrasonores qui appliquent ou mesurent le courant électrique sur un matériau piezoélectrique. Notez qu'il existe d'autres phénomènes reliant un déplacement mécanique à un courant électrique, rarement utilisés pour l'imagerie ultrasonore, mais ce sera l'objet d'un autre billet.

Finalement, les échographes sont surtout de gros appareils électriques reliés à un matériau piezoélectrique placé dans un support pratique à prendre en main. Et qui sont vendus de 10.000 à 200.000€.

L'émission et la réception d'ondes acoustiques pour former des images

Les ondes acoustiques sont donc émises par un transducteur ultrasonore. Dans certaines conditions, on peut faire en sorte que l'onde acoustique se propage à peu près en ligne droite. Lorsque l'onde acoustique rencontre un grand obstacle, une partie de l'onde continue de se propager dans le même sens, tandis qu'une autre est réfléchie et repart dans le sens opposé, comme un "écho". On peut alors capter l'onde réfléchie grâce au transducteur ultrasonore. Si on suppose que l'onde acoustique se propage toujours à la même vitesse, on peut en déduire la distance de l'obstacle par rapport au transducteur. On prend souvent l'exemple des dauphins ou des chauves souris qui utilisent ce principe pour sentir leur environnement.

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Un dauphin émet des ultrasons par un organe spécial situé dans sa tête. La réflexion des ultrasons sur les obstacles lui permet d'explorer son environnement par le son.

Ainsi, en mesurant le signal électrique capté par le transducteur ultrasonore, on peut en déduire la position des différents échos le long d'une ligne. Cette méthode, appelée "échographie mode A", est l'ancêtre de nos échographies actuelles, est n'est guère plus utilisée aujourd'hui.

Une amélioration a été apportée en regardant le signal électrique à plusieurs instants successifs. Au lieu d'afficher directement le signal capté, on convertit celui-ci en un ligne de niveau de couleur. En plaçant les lignes successives côte à côte, on peut voir le mouvement (ou l'absence de mouvement) des obstacles, ce qui permet de voir les battements du coeur, la contraction des artères ou des muscles... Cela constitue "l'échographie mode M" (comme Motion).

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Echographie "mode M" d'une ligne du coeur (source)

Mais l'échographie telle qu'on la connait est "l'échographie mode B" - B comme la suite de A, les scientifiques ne font pas preuves d'une grande imagination. Dans cette méthode, on convertit comme dans le mode M le signal électrique en une ligne de niveau de couleur, puis on déplace de côté le transducteur ultrasonore, ce qui permet d'avoir d'autres lignes d'échos. Avec plusieurs déplacements, on peut avoir toute une image des échos. Pour des raisons pratiques, on utilise un déplacement électronique plutôt que manuel, mais le principe est identique.

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Echographie "mode B" d'un foetus. source

Pour être exhaustif, citons "l'échographie mode C" - C comme la suite de B, vous aurez suivi. Cette technique fait des images transversales par rapport au mode B. Pour cela, on choisit une profondeur particulière, souvent la surface d'un organe. En balayant le milieu avec les ultrasons dans plusieurs directions, on peut voir les différentes profondeurs de la surface recherchée. On utilise parfois cette technique pour représenter en trois dimensions le visage d'un foetus.