L'echographie Comment ça Marche
Comment ça Marche L'échographie
Il est regrettable que ni l'homme ni la femme ne soient transparents : le diagnostic médical en serait grandement facilité. Mais on peut remplacer les ondes lumineuses par des ondes sonores, qui traversent assez bien la peau, et enregistrer la série d'échos qui donnera assez fidèlement le profil des organes rencontrés.
Toutes les femmes enceintes connaissent l'échographie, laquelle donne une image assez vague et difficile à interpréter du futur bébé. Mais la même technique permet aussi de faire un cliché des reins ou de suivre les contractions cardiaques ; d'ailleurs, au départ, elle servait surtout à sonder les fonds marins plutôt que les courbes des reins. On l'utilisa ensuite en métallurgie pour déceler les pailles ou les criques dans la masse d'un métal, et ce n'est que vers 1975 qu'elle s'est répandue en médecine.
Echo + chrono = distance
Une « tranche » de bébé
De toute manière, le processus reste le même : lancer un top sonore, recueillir l'écho renvoyé par un obstacle, et mesurer le temps écoulé entre le départ et le retour. Sachant que la vitesse du son est de x m/s (340 dans l'air, 1 430 dans l'eau, 5 000 dans l'acier), le temps mis pour faire un aller et retour à une vitesse connue donne la distance séparant l'émetteur sonore de l'obstacle.
Il est d'ailleurs aisé de faire l'expérience en plein air avec, comme obstacle, une falaise, l'orée d'une forêt ou un groupe d'immeubles. Le plus commode est de se mettre à deux, l'un tenant un chrono au cinquième ou au dixième de seconde, et l'autre donnant le top sonore par un claquement des mains. Le chronométreur lance son appareil dès qu'il entend le claquement et l'arrête à l'instant où il entend l'écho. Telle est la base de l'échographie.
La mesure faite ainsi n'est pas d'une énorme précision, mais elle donne facilement un ordre de grandeur pour des distances supérieures à 200 m - le temps d'un aller et retour du son à 15 °C est de 1,2 s pour 200 m, de 1,75 s pour 300 m et de 2 s pour 340 m. Cette expérience va toutefois révéler très vite les difficultés auxquelles on s'est heurté lorqu'on a voulu affiner la précision de la mesure.
Pour commencer, l'écho est toujours faible ou très faible par rapport à l'intensité du top sonore de départ : les ondes sonores sont peu directives, elles s'étalent en rayonnant autour de l'émetteur, et leur énergie se dissipe vite à mesure qu'elles progressent. En second lieu, il est fréquent de recueillir plusieurs échos, car il est rare de n'avoir qu'un seul obstacle bien délimité : il suffit d'un bouquet d'arbres entre l'expérimentateur et la forêt pour qu'on ait déjà deux échos.
En montagne, où les sons se renvoient d'une paroi rocheuse à l'autre, un simple coup de marteau sur une bonne tôle va donner des échos multiples. Le premier écho revenu correspond bien sûr au premier obstacle rencontré, mais le second peut aussi bien être un reflet du premier écho sur une autre paroi que venir d'un obstacle plus lointain. Faire le tri entre tous les échos de retour demande un bon chronométrage et un moyen d'analyse très affiné, tenant compte à la fois de l'intensité et de la direction du signal réfléchi.
Sondage échographique
Si le principe est simple, son application l'est donc beaucoup moins. Aussi, le premier domaine qu'on ait exploré avec cette technique de sondage par échos a été le relevé de la profondeur en mer : en principe, il n'y a pas d'obstacles intermédiaires entre un bateau et le fond de la mer, et on ne recueille qu'un seul écho - il peut certes y avoir des poissons, mais un poisson se déplace, et en envoyant plusieurs signaux brefs on peut faire la différence entre les échos venus d'un banc de merlans ou de morues et ceux renvoyés par le fond.
Bien sûr, on n'envoie pas pour cela un matelot sonner la corne de brume au fond de la cale, tandis que le capitaine à demi-immergé attendrait l'écho, chrono garanti étanche en main et cornet acoustique à l'oreille. Les premiers essais remontent à 1919, et les oscillateurs électriques étaient déjà assez bien au point pour qu'on utilise un émetteur électroacoustique - à magnétostriction d'abord, à quartz ensuite.
Les lois relatives aux ondes sonores - et à la plupart des phénomènes vibratoires - montrent que la précision de la mesure dépend du rapport entre la longueur d'onde du son émis et la taille de l'obstacle à évaluer : il faut que les dimensions de l'objet soient grandes comparées à la longueur d'onde du signal émis.
Le son n'étant qu'une succession de pressions et de dépressions se succédant à fréquence constante dans un milieu qui peut être gazeux, liquide ou solide, la longueur d'onde d'une vibration sonore est la distance qui sépare deux maximums de pression, ou deux minimums de dépression. Cette longueur L est liée à la fréquence N et à la vitesse de propagation V par la relation très simple : V = N x L. La vitesse V u son dans l'eau étant de 1 435 m/s, la longueur d'onde de la note musicale La3 (440 Hz) est de 3,26 m.
En utilisant la note musicale La3 comme signal, on aurait donc une précision de l'ordre de quelques mètres. Avec un son un peu plus aigu, entre 2 000 et 3 000 Hz, la longueur d'onde tombe à 50 cm, et la mesure est un peu meilleure. On pourrait monter plus haut la fréquence pour affiner les résultats, mais on se heurte alors à un obstacle majeur : l'énergie acoustique se dissipe d'autant plus vite en traversant l'eau que le son est plus aigu. Autrement dit, la précision augmente, mais l'écho est de plus en plus faible.
Il faut dire aussi que s'ajoutent les phénomènes de réfraction et de diffraction. En effet, les ondes sonores sont soumises à des lois de réflexion et de réfraction qui sont identiques à celles concernant les ondes lumineuses : une onde sonore rencontrant un obstacle plat se réfléchit de telle manière que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Quand cette onde passe d'un milieu où sa vitesse est v à un autre milieu où sa vitesse est v', elle subit un changement de direction tel que le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est constant et égal au rapport v/v' des vitesses de propagation dans les deux milieux.
On reconnaît là les lois classiques propres aux rayons lumineux. La similitude ne s'arrête pas là ; ainsi, un obstacle étendu fait une ombre sonore si sa largeur est grande par rapport à la longueur d'onde - c'est l'exemple des murs anti-bruit bâtis le long des routes. Une ouverture, telle qu'un trou dans ce mur, se comporte un peu comme elle le ferait pour la lumière si la longueur d'onde du signal sonore est très petite par rapport à l'ouverture : le son continue à se propager à peu près en ligne droite à partir du trou.
Mais cet effet sensiblement directif s'estompe dès que la longueur d'onde du son est du même ordre de grandeur que le diamètre du trou, et elle cesse complètement si le trou est petit comparé à la longueur d'onde. Un son très aigu, par exemple 3 400 Hz, a dans l'air une longueur d'onde de 10 cm ; si ce son est émis derrière un mur sur lequel existe une porte faisant 1 m de large, donc dix fois plus grande que la longueur d'onde du signal sonore, cet effet est facilement perceptible : tant qu'on reste dans l'axe de la porte ouverte, on entend très bien le son émis, alors qu'on cesse pratiquement de le percevoir si on s'écarte nettement du faisceau délimité par cette porte.
Or, pour faire du sondage sonore, on a intérêt à avoir un signal assez directif, d'où la nécessité de recourir à des fréquences bien plus élevées encore qu'un son aigu : en pratique, on utilise le plus souvent des ultrasons allant jusqu'au mégahertz, et ce d'autant plus que, pour une même fréquence, la longueur d'onde augmente à mesure que le son va plus vite : un son de 1 000 Hz a une longueur d'onde de 0,34 m dans l'air, où il se propage à 340 m/s, mais de 1,43 m dans l'eau, où il va à 1 435 m/s, et de 5 m dans un bon acier parcouru à 5 000 m/s.
La fréquence de 1 000 Hz serait donc tout à fait valable pour évaluer des distances dans l'air avec une précision de l'ordre d'une demi-longueur d'onde, soit de 15 à 20 cm ; mais en fait cette technique n'est pas utilisée en géodésie, car le vent, dont la vitesse s'ajoute ou se retranche à celle des ondes, viendrait toujours fausser les mesures. En mer, il y a peu de mouvements verticaux des masses d'eau, et un son de 1 000 Hz convient pour faire des sondages de profondeur avec une précision voisine du mètre.
En revanche, ce même son est complètement inadapté pour faire des mesures dans l'acier, car les pièces à tester n'ont guère plus de quelques décimètres d'épaisseur : une longueur d'onde de 5 m ne pourrait fournir le moindre renseignement. Mais, à 10 mégahertz, la longueur d'onde descend au demi-millimètre, ce qui permet de repérer une crique ou une paille dans la masse du métal : toute discontinuité donne un écho, et cet écho arrivera avant celui correspondant à la face opposée de la pièce.
Mais, à 5 000 m/s, un aller et retour sur une distance allant du décimètre au mètre dure quelques millionièmes de seconde. Pour mesurer des intervalles aussi brefs, il faut des circuits oscillants dont la période soit encore plus petite et donc la fréquence - l'inverse de la période - très élevée. Sans l'électronique, le sondage par ultrasons ne pourrait exister.
L'émetteur est un quartz lié à un circuit intégré, le récepteur n'est autre que le même quartz (l'effet piézoélectrique est réversible) dont les signaux électriques de retour vont transiter par une autre branche du même circuit. Et ce signal va commander l'intensité du spot d'un écran vidéo, ce qui dispense de mesurer le temps : on procède par affichage direct ; sachant que le pinceau d'électrons qui balaye le tube cathodique va du haut en bas de l'écran en une fraction de seconde, que l'on peut ajuster à volonté entre le millième et le millionième, la distance parcourue sur l'écran par le spot donnera directement la profondeur d'où revient l'écho.
Il devient alors possible de ne plus se limiter à une simple mesure de profondeur en un point et de tracer le profil des obstacles rencontrés par le faisceau sonore : il suffit que ce faisceau balaye le terrain de long en large pour que sur l'écran se dessine le relief rencontré par le signal. Ce relief peut être celui des fonds marins sous un navire, mais aussi les contours d'une soudure entre deux métaux différents ou des discontinuités au sein d'un mélange de liquides.
Notons que la courbe qui va se dessiner sur l'écran cathodique ne représente que le profil d'une tranche de l'objet sondé par ultrasons : c'est une coupe, et non une image représentant des volumes, comme une photographie ou un tableau.
Précisons aussi qu'il y a écho du signal sonore dès que le train d'ondes passe d'un milieu dans un autre, même peu différent : par exemple, une pièce de fer soudée sur une pièce de bronze constitue une transition entre deux milieux différents, bien qu'il s'agisse de métal dans les deux cas. Mais la vitesse du son n'est pas la même dans le cuivre et dans l'acier, et il y a donc réfraction et réflexion des ondes sonores à l'interface des deux métaux. Il en est de même à la limite entre deux liquides ne se mélangeant pas, comme l'eau et l'huile : l'échographie médicale repose justement sur ce fait.
Les organes animaux sont faits de substances renfermant eau et graisse en proportions variables et séparées par des membranes bien délimitées. Pour une onde sonore envoyée à travers la peau, il y a donc changement de milieu et réflexion à chaque fois. Sur l'écran, on va alors voir se dessiner le profil des organes sondés, exactement comme si on en avait une « tranche » devant les yeux. Certes, l'image donnée est beaucoup moins nette que si on avait vraiment prélevé une partie de l'organe, mais, en contrepartie, le grand avantage de l'échographie par ultrasons est de n'occasionner aucune lésion : il s'agit de ce qu'on nomme dans l'industrie un test non destructif.
En pratique, la tête de sondage affecte la forme d'un cylindre que l'on promène sur le ventre de la femme enceinte. Dans ce cylindre tournent quatre pastilles piézoélectriques (quartz ou céramique) montées en croix autour d'un axe ; dans son mouvement de rotation, chaque pastille balaye donc en éventail une tranche du corps, et les échos de retour dessinent sur l'écran un profil de cette tranche.
Les impulsions sont très brèves - chaque train d'ondes ultrasonores dure moins d'un millionième de seconde -, et l'opérateur surveille sur l'écran le dessin correspondant à la tranche étudiée. La vérité oblige à dire qu'il faut un oeil très entraîné pour discerner les pattes d'un bébé dans ce dessin aux courbes molles et estompées. Mais un praticien averti arrive à très bien voir l'organe dans ces contours un peu flous, et il y repère toute anomalie aussi aisément qu'un chef d'orchestre décèle une fausse note dans un concert.
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