Échographie médicale

Historique

En 1880, à Paris, les frères Jacques et Pierre Curie découvrent l’effet piézoélectrique. Ils constatent que certains matériaux cristallins, comme le quartz, génèrent une charge électrique lorsqu’ils subissent une contrainte mécanique ou une force externe, transformant ainsi l’énergie mécanique en énergie électrique. Inversement, lorsqu’une charge électrique est appliquée à un matériau cristallin, il émet de l’énergie mécanique sous forme d’ondes sonores. Le naufrage du Titanic en 1912 et le déclenchement de la Première Guerre mondiale en 1914 accélèrent les efforts pour détecter les icebergs dangereux et les sous-marins ennemis. À l’époque, le chercheur canadien Reginald Fessenden développe un appareil de télémétrie acoustique sous-marin capable de détecter un iceberg à trois kilomètres de distance. Cependant, comme il n’exploite pas l’effet piézoélectrique, il n’est pas adapté à la détection des sous-marins. En 1918, le physicien français Paul Langevin utilise l’effet piézoélectrique pour créer un dispositif de détection de sous-marins. Ce dispositif fonctionne grâce à un cristal de quartz qui émet et reçoit des signaux sonores à haute fréquence. Cette innovation donne naissance au sonar, un système de navigation et de mesure de distance par écho sonore, qui s’avère crucial dans la lutte contre la guerre sous-marine pendant la Deuxième Guerre mondiale. En exploitant l’effet piézoélectrique dans un dispositif qui émet et reçoit des ondes sonores, Langevin et son équipe jettent les bases du développement ultérieur des capteurs ultrasonores médicaux.

À la fin des années 1930 et dans les années 1940, de nombreux chercheurs de divers domaines s’intéressent à la capacité des ondes sonores à interagir avec différents tissus du corps à des fins diagnostiques. Ils étudient notamment le mouvement des valvules cardiaques et du cerveau. Ils se heurtent toutefois à un problème commun : la complexité de leurs idées dépasse celle de l’équipement à leur disposition. En 1949, le radiologiste américain Douglass Howry dirige une équipe qui met au point un échographe « maison ». On considère son travail de pionnier, ainsi que celui de Ian Donald, comme un précurseur direct des échographes d’aujourd’hui. Au milieu des années 1950, Ian Donald, un obstétricien de Glasgow, en Écosse, et Tom Brown, un collègue ingénieur, développent un échographe spécialement conçu pour l’examen des femmes enceintes, ce qui fait de Donald le « père de l’échographie obstétricale ». À la même époque, les ultrasons sont utilisés pour analyser les tumeurs du sein et du cerveau, ainsi que pour diagnostiquer le décollement de la rétine. Les travaux de ces pionniers, ainsi que ceux d’autres personnes, commencent à attirer l’attention de la communauté médicale, ce qui à son tour suscite l’intérêt commercial pour la fabrication et la vente d’échographes. Parallèlement, l’avancement de l’électronique numérique et de microprocesseurs puissants favorise la conception d’instruments de pointe et l’émergence d’un marché mondial de plusieurs milliards de dollars.

Physique sous-jacente

L’échographie médicale repose sur le principe fondamental de l’écho d’une impulsion sonore. C’est-à-dire qu’une impulsion sonore est émise dans une direction donnée, frappe une cible et revient à la source émettrice, où elle est enregistrée. Si la vitesse du son dans le milieu est connue, la distance par rapport à la cible peut être déterminée à partir du temps de déplacement aller-retour. L’écho doit être enregistré avant l’émission de l’impulsion suivante. On suppose que l’écho se propage en ligne droite, suivant la même trajectoire que le son émis.

Pour réaliser une échographie médicale, l’opérateur place un capteur ultrasonore sur la peau, après avoir appliqué une fine couche de gel pour éliminer les bulles d’air entre la peau et le capteur. Les éléments piézoélectriques du capteur émettent de courtes impulsions, ou salves, sonores qui se propagent dans les tissus corporels à une vitesse moyenne de 1 540 m/s. Le capteur reçoit les échos, et l’ordinateur de l’échographe les décrypte pour en évaluer l’intensité, la direction et le temps d’arrivée à la surface des tissus. En général, le capteur émet entre 1 000 et 10 000 impulsions sonores par seconde (fréquence de répétition des impulsions), ce qui permet de générer une représentation en deux dimensions de la région examinée en temps réel. En médecine, on utilise des fréquences ultrasonores comprises entre 2 et 15 millions de cycles par seconde (2 à 15 MHz). Les ondes sonores de basse fréquence pénètrent plus profondément dans le corps avant de subir une perte d’énergie. On emploie habituellement un capteur fonctionnant aux fréquences de 3 à 5 MHz pour explorer les organes situés en profondeur, tels que le foie ou les reins, et un capteur opérant à des fréquences de 7,5 à 10 MHz pour examiner les structures superficielles, telles que la glande thyroïde. En contrepartie, les ultrasons de basse fréquence produisent des images de moins bonne résolution et ne révèlent pas autant de détails fins que ceux de haute fréquence.

Il existe une interaction complexe entre les ondes ultrasonores et les tissus du corps qui dépend en grande partie de la composition des tissus. La capacité d’un matériau à transmettre les ultrasons s’appelle « impédance acoustique », et elle est liée à sa densité. Lorsqu’un son atteint la limite entre deux tissus d’impédance acoustique similaire, la majeure partie la traverse facilement et un faible écho est généré. En revanche, si l’impédance acoustique diffère grandement à la limite, la majeure partie du son sera réfléchie, créant ainsi un écho puissant. Sur l’image échographique, les échos puissants apparaissent en blanc, les échos faibles en nuances de gris et l’absence d’écho en noir. Cette présentation est appelée imagerie en mode B (mode luminosité) en temps réel et en niveaux de gris. Il s’agit du mode d’imagerie de base utilisé en échographie médicale.

Lorsque le faisceau ultrasonore frappe une limite à un angle oblique, il peut être réfracté ou dévié, et revenir au capteur avec un certain délai et selon une trajectoire différente de son axe d’émission. Ce phénomène « trompe » l’échographe en créant une fausse image, ou un artéfact. D’autres phénomènes physiques peuvent également générer des artéfacts, tous susceptibles d’induire en erreur un observateur insuffisamment formé et de conduire à un mauvais diagnostic.

Utilisations des ultrasons

L’échographie est largement utilisée en raison de sa portabilité, de son innocuité, de son coût abordable par rapport à la tomodensitométrie (TDM) et à l’imagerie par résonance magnétique (IRM), et parce qu’elle n’émet pas de rayonnements ionisants (rayons X). Cette dernière caractéristique la rend particulièrement adaptée à l’imagerie obstétricale. La Société des obstétriciens et gynécologues du Canada recommande que toutes les femmes enceintes subissent une échographie de datation entre 11 et 14 semaines après les dernières règles et une échographie morphologique entre 18 et 20 semaines de grossesse. Le fait qu’elle n’émette aucun rayonnement la rend également très utile pour l’évaluation des nouveau-nés et des jeunes enfants.

L’échographie permet d’examiner les organes abdominaux et pelviens, les seins, le cœur, les vaisseaux sanguins et les structures superficielles, telles que la glande thyroïde, les glandes salivaires, le scrotum, les ganglions lymphatiques, les ligaments et les tendons. Elle sert à guider les interventions, telles que les biopsies d’organes, le drainage d’abcès et autres prélèvements de liquides, la pose de cathéters dans les vaisseaux sanguins et les injections intra-articulaires. De petits capteurs ultrasonores peuvent être placés dans le rectum, le vagin, les vaisseaux sanguins, le cœur et le tube digestif pour des indications très précises. De manière générale, l’échographie se révèle peu utile pour l’examen des os et des structures remplies de gaz.

L’échographie Doppler évalue le flux sanguin dans le cœur, les artères et les veines. Lorsqu’un faisceau ultrasonore d’une fréquence connue frappe une cible en mouvement, telle que le sang qui circule, les échos renvoyés subissent un décalage de fréquence qui permet au dispositif de balayage de déterminer la vitesse et la direction du flux sanguin.

Le décalage de fréquence Doppler peut être représenté visuellement par des nuances de couleur, ce qui permet une évaluation rapide et en temps réel. L’appareil Doppler est souvent combiné à l’imagerie en mode B pour créer ce qu’on appelle l’« imagerie duplex ».

L’échographie cardiaque, ou échocardiographie, sert à évaluer le fonctionnement du cœur. L’échographie en mode M (mode mouvement) peut être combinée à l’imagerie standard en mode B pour évaluer le mouvement des structures à déplacement rapide, comme les valvules cardiaques et les parois des cavités du cœur. L’échographie tridimensionnelle (3D) est le rendu volumique des données ultrasonores; il ajoute de la profondeur à l’image bidimensionnelle conventionnelle. Elle peut notamment s’avérer utile pour dépister certaines anomalies congénitales chez le fœtus.

Contexte canadien

L’échographie constitue un élément essentiel de l’imagerie médicale au Canada. Plusieurs personnes ont participé à son évolution, mais on considère les docteurs Edward Lyons, Peter Cooperberg et Stephanie Wilson comme des pionniers en la matière, en recherche et en enseignement. Bien qu’elle offre de nombreux avantages, l’échographie médicale présente toutefois une limite importante : elle dépend fortement de l’opérateur. Le manque de formation, tant chez les médecins que chez les technologues en échographie, peut mener à de mauvais diagnostics. La plupart des médecins qui pratiquent l’échographie sont titulaires d’une certification du Collège royal des médecins et chirurgiens du Canada et ont suivi une formation avancée en échographie. Ils interprètent et communiquent les observations documentées par des technologues spécialisés en échographie. Au Canada, ces spécialistes ont généralement suivi un cursus théorique et pratique de plusieurs années dans un établissement d’enseignement agréé. Échographie Canada est l’organisme national qui fournit des lignes directrices en matière de pratique professionnelle et promeut l’excellence chez les échographistes.