Principales artères de la circulation systémique

Principales artères de la circulation systémique

Ultrasons-Sang

Est vers le milieu du siècle dernier qu’il a été montré que dans le système cardiovasculaire, les ultrasons pouvaient permettre, de façon non invasive, d’établir un certain nombre de diagnostics médicaux. Vers les années 70, des progrès déterminants ont été réalisés tant au niveau de la compréhension des interactions ultrasons sang qu’au niveau de la caractérisation quantitative du sang. Ce furent Reid [1], Sigelmann [2] et Shung [3] les premiers à avoir travaillé sur la diffusion du sang. Afin de comprendre les différentes interactions mises en jeu lorsque les ultrasons se propagent dans le sang, une étude est faite dans ce chapitre sur le sang, les ultrasons et leurs interactions à travers l’effet Doppler. 1. Le sang : Le sang est un milieu composé de globules rouges, de globules blancs et de plaquettes en suspension dans le plasma (voir figure (1.1)). Différents types de macro-molécules de protéines incluant le fibrinogène, l’albumine et la globuline sont dissoutes dans le plasma. Les globules rouges (GR) ou érythrocytes ou hématies, dont la principale fonction est de transporter l’oxygène et le dioxide de carbone, sont des disques biconcaves dont l’épaisseur et le diamètre sont respectivement d’environ 2μm et 8μm.

Leur volume moyen est proche de 87μm3 et leur concentration est d’environ 5 milliards par cm3. L’hématocrite moyen H (rapport entre le volume occupé par les érythrocytes et le volume total du sang) est d’environ 45%chez l’homme adulte et d’environ 42% chez la femme. Notons que les globules rouges sont facilement déformables et que notamment pour circuler dans les artérioles, ils s’allongent. D’autre part, lorsque le taux de cisaillement (gradient de vitesse) devient inférieur à 10s_1, les globules rouges s’accolent pour former des rouleaux (comme une pile de pièce de monnaies), c’est l’agrégation des GR. Les globules blancs GB ou leucocytes, quant à eux, ont des formes et des tailles très disparates. Ils sont impliqués dans la protection du corps humain contre des substances étrangères et dans la production d’anticorps. Leur dimension variant entre 9 et 25μm indique qu’ils sont plus gros que les érythrocytes. Néanmoins leur concentration dans le sang normal qui est d’environ 8 mille cellules par cm3 est plus faible que celles des hématies. Les plaquettes responsables en partie de l’arrêt du saignement sont les éléments du sang les plus petits. Elles sont difformes et de dimension comprise entre 2 et 4μm. Leur concentration, de 250 à 500 millions de cellules par cm3, peut varier dans le système circulatoire humain.

Le système circulatoire humain, composé d’artères, de veines, d’artérioles, de veinules, de capillaires est responsable du transport de l’oxygène, de l’alimentation des organes et de l’évacuation des déchets. Pour acheminer le sang en différents endroits du circuit vasculaire, le coeur se contracte (phase de systole) et se dilate (phase de diastole). Cette pompe est composée de quatre chambres, les oreillettes droite et gauche et les ventricules droit et gauche. Le sang est éjecté du ventricule gauche à travers l’aorte et passe dans un grand nombre de branches de l’arbre artériel jusqu’ à atteindre les artérioles. Ces dernières fournissent un réseau microscopique de vaisseaux, de capillaires, où s’effectue l’échange de nourriture et de déchets entre le sang et les organes. Les capillaires s’assemblent en séries de veinules pour enfin former des veines qui ramènent le sang au coeur. C’est la circulation systémique. La circulation pulmonaire quant à elle amène le sang aux poumons. Le sang entre ensuite dans l’oreillette droite puis est éjecté par le ventricule droit vers les poumons pour être oxygéné. Enfin le sang est dirigé vers l’oreillette droite par la veine pulmonaire. La méthode la plus utilisée dans la pratique pour mesurer la vitesse de déplacement des globules gouges et par conséquent extraire d’autres paramètres d’intérêt diagnostic est d’exploiter l’effet Doppler basé sur les ultrasons.

Le système Doppler continu 

Historiquement, les systèmes Doppler à émission continue furent les premiers appareils ultrasonores à effet Doppler [5], [6], [7]. Ils utilisent habituellement deux transducteurs hémisphériques dans la même sonde, le premier étant destiné à émettre les ondes ultrasonores et le second à les recevoir (voir figure1.4). L’excitation du transducteur émetteur se fait de manière continue, par une onde sinusoïdale de fréquence fixe généralement comprise entre 2 et 10MHz suivant la profondeur d’exploration souhaitée. L’onde acoustique ainsi formée se propage dans les tissus du corps où elle est partiellement réfléchie par les différentes interfaces des organes qu’elle traverse et rétrodiffusée par les éléments figurés du sang. Les échos de retour en provenance des structures immobiles arrivent sur le transducteur récepteur avec la même fréquence que le signal émis. Bien qu’atténués les échos réfléchis par le sang en mouvement sont reçus avec une fréquence décalée par rapport à l’émission en raison de l’effet Doppler. Par conséquent les deux effets, source-fixe observateur-mobile et source-mobile observateur-fixe, introduits dans la section précédente, sont combinés puisque le faisceau ultrasonore est rétrodiffusé par les globules rouges en mouvement : les cibles mobiles agissent à la fois comme récepteurs pour la source et émetteurs pour le transducteur récepteur. La fréquence observée est donnée par :

La composante Doppler est obtenue après battement des signaux émis et reçus, et élimination par filtrage du terme somme. Ce même filtre a aussi pour fonction de supprimer les composantes basses fréquences comprises entre 0 et 800Hz, essentiellement dues aux mouvements des parois des vaisseaux. En ce qui concerne la fréquence d’émission, on la choisit généralement en fonction de la profondeur de la zone d’intérêt, car l’atténuation dans les tissus dépend fortement de la fréquence. De plus dans la majorité des cas, les fréquences Doppler sont audibles : les examens auditifs des “spectres Doppler” sont alors possibles. Non seulement l’écoute du signal permet de placer aisément le faisceau ultrasonore dans la zone d’intérêt mais surtout, elle permet aux bons opérateurs de diagnostiquer rapidement les anomalies de circulation (sténoses, thromboses, . . .).

Les fréquences ultrasonores basses sont bien adaptées à l’analyse des écoulements des vaisseaux profonds et à l’analyse des fortes vitesses d’éjection notamment pour des examens cardiaques. Pour les vaisseaux superficiels (vitesse faible et faible profondeur) les fréquences élevées (8 à 20MHz) sont mieux adaptées. Pour illustrer nos propos, des valeurs typiques couramment rencontrées sont présentées. Pour un angle θ = 45 degrés, une fréquence d’émission de 3MHz, une célérité des ultrasons de 1540m/s et pour une vitesse de sang circulant dans l’aorte abdominale d’environ 0:5m/s, le décalage de fréquence Doppler vaut environ 1400Hz. Les appareils à émission continue ne permettent pas de distinguer spatialement les signaux des différentes cibles, ce qui interdit toute étude du profil de vitesse d’un écoulement. D’autre part, dans le cas de vaisseaux proches les uns des autres, il est impossible de distinguer les composantes respectives de leurs signaux ; le système Doppler pulsée permet de lever ces limitations.

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Table des matières

RESUME
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre 1 : Ultrasons-Sang
Introduction
1.Le sang.
2.Les ultrasons
2.1.Quelques rappels
2.2.L’effet Doppler
2.3 Les systèmes de mesure
2.3.A- Le système Doppler continu
2.3.B- Le système Doppler pulsé
3.Estimation d’erreur dans le calcul de la vélocité :
Conclusion
Bibliographie
Liste des figures
Chapitre 2 : Ultrasons-Sténoses
Introduction
1 Principales artères de la circulation systémique
1.1 L’aorte
1.2 Les artères carotides
2 L’athérosclérose et la sténose artérielle
2.1 Paramètres géométriques des sténoses
2.2 Le degré de rétrécissement d’une sténose
2.3 Diagnostic de la sténose
2.4 Traitements de la sténose
3.L’écoulement du sang dans les artères
3.1- Ecoulement du sang dans les artères à hautes résistances d’aval
3.1.1-Systole
3.1.2-Reflux post-systolique
3.1.3-Flux antérograde diastolique
3.1.4-Onde dicrote
3.2-Ecoulement du sang dans les artères à basse résistances d’aval
3.2.1-Systole
3.2.2-Diastole
3.3-Ecoulement du sang dans les artères pathologiques
3.3.1-Les signes directs
3.3.1.A- L’accélération
3.3.1.B-Turbulances
3.3.2-Les signes indirects
3.3.2.A- En amont de la sténose
3.3.2.B- En aval de la sténose
Conclusion
Bibliographie
Liste des figures
Chapitre 3: Instrumentation : description hardware et software
Introduction
1.Architecture hardware de la chaîne d’acquisition
1.1. Description de l’appareil ultrasonore BIDI 1
1.2. Description de la carte son
2.Architecture software de la chaîne d’acquisition sous MATLAB
2.1. Etapes de l’acquisition sous MATLAB
2.2. Exemples des signaux doppler acquis
Conclusion
Bibliographie
Liste de figures
Chapitre 4 : Analyse spectrale du signal Doppler par la transformée De Fourier fenêtrée
Introduction
1.Les transformations mathématiques
2.Les inconvénients de la Transformée de Fourier
3.Transformée de Fourrier fenêtrée STFT
3.1. Principe
3.2. Algorithme STFT
3.3. Analyse continue par Gaborettes
3.3.1 Les Gaborettes unidimensionnelles
3.3.2 Le cas multdimentionnel
3.4. Approche discrète de la STFT
3.5. Les différents types de fenêtres
3.5.1. Fenêtre à dynamique de basse gamme
3.5.2. Fenêtre à dynamique de haute gamme
3.5.3. Fenêtre à dynamique de gamme modérée
4.Les limites de la STFT
5.Application des STFT sur les signaux Doppler
5.1 Choix de la fenêtre d’observation
5.2. Cas de la fenêtre rectangulaire
5.3. Cas de la fenêtre hamming
5.4. Cas de la fenêtre hanning
Discussion des résultats et Conclusion
Bibliographie
Liste des figures
Chapitre 5: Analyse du signal doppler par la transformée en ondelettes
Introduction
1.Rappel théorique sur l’analyse par Ondelettes (WT (Wavelet Transform))
2.La transformée en ondelette continue CWT (Continuous Wavelet Transform)
3.La Transformée en ondelette discrète DWT (Discrete Wavelet Transform)
3.1. Principe de décomposition en bancs de filtres
3.1.1. Décomposition en bandes de fréquences à plusieurs niveaux
3.1.2. Reconstruction à partir de la décomposition
3.2. La décomposition en ondelettes
3.3. Décomposition en paquets d’ondelettes
4.Application de l’analyse en paquets d’ondelettes aux signaux Doppler
4.1. Utilisation de la fenêtre de « HAAR »
4.2. Utilisation de la fenêtre de « db5 »
4.3. Utilisation de la fenêtre de Symlets« sym2
4.4. Utilisation de la fenêtre de « Meyer »
Conclusion
Bibliographie
Liste des figures
Chapitre 6 : Détection des enveloppes fréquentielles et calcul du SBI
Introduction
1.Détection des enveloppes fréquentielles par la méthode paramétrique AR-P (auto-régressif d’ordre P)
1.1. Concept d’un processus auto-régressif (AR
1.2. Estimation de la matrice de covariance
1.3. Relation entre paramètre du modèle et covariance pour un AR-P
1.4. Estimation des paramètres d’un modèle AR-P
1.4.1. Calcul direct par inversion de la matrice de covariance
1.4.2. Algorithme de levinson
1.5. Choix du nombre de coefficient du filtre (ordre du modèle
1.6. Application des filtres autorégressifs sur les sonogrammes
1.7. Filtrage des enveloppes par un filtre moyenneur
1.8. Calcul de l’index d’élargissement spectral (SBI
4.Etude d’un cas pathologique
Conclusion
Bibliographie
Liste des figures
Conclusion générale

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