Les ultrasons constituent la partie supérieure du spectre des ondes acoustiques au-delà de la zone d'audibilité de l'oreille humaine (20 kHz). Au-delà de 150 MHz, on les appelle "les hypersons" ; ce domaine semble prometteur pour certaines applications industrielles et dans le secteur du Génie Biologique et Médical, l'utilisation concernant 1 a microscopie acoustique (ou ultrasonore). Les fréquences utilisées en médecine se situent entre 1 et 15 MHz environ.

Contrairement aux ondes électromagnétiques correspondant à ces longueurs d'ondes (ondes hertziennes millimétriques et infrarouges), les ondes ultrasonores se propagent en faisceaux de forme complexe dont la diffraction dépend fortement du milieu de propagation.

Les ultrasons se propagent dans la matière, donc dans la matière vivante, et peuvent transporter des densités d'énergie importantes .

Dans les principales applications des ultrasons pour le diagnostic en médecine, le problème consiste à produire ces ultrasons (émission), à les transmettre dans la matière vivante (propagation) et à les détecter après transmission (réception), afin d'en extraire une information sur le milieu traversé.

Les propriétés générales des ondes sonores et ultrasonores sont supposées connues et nous ne rappellerons que celles qui sont fondamentales dans la compréhension de l'échographie.

La célérité des ondes ultrasonores dépend du milieu traversé, elle est de 330 m/s dans l'air, de 1500 m/s environ dans l'eau et donc dans les milieux biologiques, 3000 à 4000 m/s dans l'os.

Interactions avec la matière

Atténuation

Les ultrasons interagissent avec la matière par des transferts d'énergie (échauffement), par réflexion et par diffusion. L'ensemble de ces phénomènes fait que un faisceau ultrasonore sera atténué après la traversée d'un milieu, selon une loi de type exponentielle.

L'énergie ultrasonore absorbée dans une épaisseur dx est proportionnelle à dx, car elle est proportionnelle au volume. De plus, pour un volume donné, elle est aussi proportionnelle a la densité d'énergie, donc a l'intensité ultrasonore de l'onde, tant que les phénomènes mis en cause sont linéaires.

Ainsi pour une onde plane d'intensité sonore I, la variation d'intensité ultrasonore dl à la traversée d'une épaisseur dx est :

proportionnelle à dx

proportionnelle à I

dépend du matériau traversé.

Le rapport, pouvant varier dans de grandes proportions, il est généralement exprimé en dB.

Dans les tissus biologiques, on peut admettre que l'atténuation moyenne est voisine de 1 dB/cm/MHz, bien que variant suivant le tissu.

Par exemple, après la traversée de 10 cm de tissu d'une onde de 2MHz, l'atténuation sera de 20 dB (7100). Si un écho se produit à ce moment, l'onde réfléchie arribera à la sonde après avoir parcouru 10 cm de plus, soit 20 dB de plus, soit, en tout, 40 dB.

Il faudra donc que le système permette de corriger cette atténuation par amplification. De plus, cette amplification devra dépendre de l'atténuation subie par chaque écho comme nous le verrons plus loin.

Une donnée fondamentale est donc à retenir :

Plus une onde US est de fréquence élevée, plus elle sera atténuée en

profondeur.

D'où, pour explorer des structures profondes, on utilisera des ultrasons de fréquence plus faible que pour explorer des organes superficiels.

Un autre paramètre rentre en ligne de compte, la résolution.

La résolution d'un système d'imagerie peut être considérée comme étant la plus petite distance entre deux points distincts discernables par la système. Elle est directement reliée à la longueur d'onde de l'onde utilisée et est au maximum égale à celle-ci, en général de l'ordre de 2 à 4 fois celle-ci. Par exemple, pour une onde de 3 MHz, de 0,5 mm de longueur d'onde dans l'eau, la résolution sera de 1,5 mm environ. Si F est de 9 Mhz, la résolution théorique sera donc 3 fois meilleure.

Plus une onde ultrasonore est de fréquence élevée, meilleure est la résolution de l'image mais plus grande est l'atténuation (d'où la profondeur exploitable) et vice versa.

Donc il faut trouver un compromis pour chaque organe.

Corrections d'atténuation en fonction de l'épaisseur de tissu traversée, réalisée par un amplificateur à gain variable dans le temps.

Réflexion

Une interface est la limite entre deux milieux de nature différente.

La réflexion sur une interface est d'autant plus grande que les différences d'impédance entre les deux milieux est grande.

Pour la minimiser entre la peau et la sonde, on utilise un gel de couplage. C'est grâce à la réflexion (écho) que l'on peut réaliser des images avec les ultrasons.