Effets Biologiques des Ultrasons - Ultrasonographie Vasculaire
Effets Biologiques des Ultrasons - Ultrasonographie Vasculaire
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Michel Dauzat<br />
<strong>Effets</strong> <strong>Biologiques</strong><br />
<strong>des</strong> <strong>Ultrasons</strong><br />
(avec de nombreux emprunts aux<br />
autres enseignants du Diplôme Inter-<br />
Universitaire d’Echographie)<br />
Service d’Exploration & Médecine <strong>Vasculaire</strong> -<br />
CHU de Nîmes<br />
EA 2992 – UFR de Médecine de Montpellier –<br />
Site de Nîmes<br />
Nîmes - Décembre 2011
Rappel : les Unités du<br />
Système International (SI)
<strong>Effets</strong> <strong>Biologiques</strong><br />
<strong>des</strong> <strong>Ultrasons</strong><br />
• Une réalité (en situations expérimentales)<br />
• Une préoccupation du public<br />
• Un danger potentiel du fait de l’évolution<br />
technologique et du développement <strong>des</strong> usages<br />
thérapeutiques mais aussi « non cliniques »<br />
• Une responsabilité à assumer pour le praticien
Les effets observés (expérimentaux)<br />
• Echauffement tissulaire<br />
• Altérations endothéliales<br />
• Altérations biochimiques ou cellulaires<br />
• Tératogenèse…
Les effets recherchés (thérapeutiques)<br />
• Lithotritie<br />
• Traitement <strong>des</strong> calcifications tendineuses<br />
• Augmentation de la perméabilité cutanée<br />
(« sonoporation ») aux médicaments<br />
• Nécrose tissulaire (ablathermie) : « HIFU »<br />
(prostate, neurochirurgie…)
Données épidémiologiques<br />
Echographie fœtale :<br />
• Etu<strong>des</strong> randomisées : pas de différence significative de<br />
poids de naissance ou de taux de malformations ou<br />
déficits infantiles<br />
• Certaines pathologies<br />
plus fréquentes :<br />
biais de recrutement ?
Principaux <strong>Effets</strong> <strong>Biologiques</strong><br />
• <strong>Effets</strong> Thermiques<br />
(absorption par relaxation)<br />
• <strong>Effets</strong> Non-Thermiques (cavitation)<br />
Bulles : vide - gaz - vapeur
La Pression Acoustique Maximale<br />
I = P 2 /2ρC<br />
P = Pression Acoustique (kPa)<br />
ρ = Densité (kg/m 3 )<br />
C = Célérité <strong>des</strong> <strong>Ultrasons</strong><br />
Ex: f = 3 MHz; C = 1500 m.s -1 ; I = 40 mW.cm -2 → P = 2 atm<br />
Ex: f = 3 MHz; C = 1500 m.s -1 ; I = 10 W.cm -2 → P = 11 atm
L’intensité ultrasonore<br />
Fonction de l’amplitude et de la fréquence
L’Intensité Acoustique (I)<br />
I (mW.cm -2 )<br />
I SPTA Spatial Peak Temporal Average<br />
I SATA Spatial Average Temporal Average<br />
I SPPA Spatial Peak Peak Average
L’Intensité Acoustique (I)<br />
I (mW.cm -2 )<br />
I SPTA Spatial Peak Temporal Average<br />
I SATA Spatial Average Temporal Average<br />
I SPPA Spatial Peak Peak Average
L’Intensité Acoustique<br />
I (mW.cm -2 )<br />
I SPTA Spatial Peak Temporal Average<br />
I SATA Spatial Average Temporal Average<br />
I SPPA Spatial Peak Peak Average
L’Intensité Acoustique<br />
I (mW.cm -2 )<br />
SP Intensité dans la zone Focale<br />
SA Intensité au niveau de la Sonde<br />
I SPTA = I SATA x (SP/SA) = (TA/S) x (SP/SA)
I SPTA3<br />
Intensité Acoustique<br />
Pour un milieu d’absorption = 0,3 dB.cm -1<br />
I SPTA ≈ 3 x I SPTA3<br />
Intensité dans un milieu absorbant
Intensité Acoustique selon la modalité<br />
• Échographie mode B : Impulsions brèves et<br />
espacées :<br />
I SPTA 200 mw.cm -2 : Risque négligeable dans les<br />
conditions « normales » d’utilisation<br />
• Doppler couleur : I SPTA 450 mw.cm -2 : risque<br />
mo<strong>des</strong>te<br />
• Doppler à émission pulsée : impulsions longues,<br />
de forte puissance, dans un volume de mesure fixe<br />
le long d’un faisceau focalisé : I SPTA 1700 mw.cm -2<br />
: risque d’effets thermiques<br />
Risque plus important en Doppler Pulsé
Facteurs déterminants de l’effet<br />
Thermique<br />
• Intensité ultrasonore<br />
• Coefficient d’atténuation<br />
• Durée d’exposition<br />
• Convexion et Conduction
Facteurs déterminants de l’effet<br />
Thermique<br />
Elévation de température (dT),<br />
par unité de temps (dt)<br />
dT/dt = [µ I(x)/4,18] ρ c m<br />
= [(2,3/10) α I(x)/4,18] ρ c m<br />
α : Coefficient d’absorption<br />
I(x) : Puissance acoustique en x<br />
ρ : Masse volumique<br />
c m : Chaleur spécifique<br />
Avec ρ c m = 1 et α en dB/cm,<br />
on a : dT/dt = 0,5 x α x I
Facteurs déterminants de l’effet<br />
Exemple :<br />
α = 0,5 dB/cm<br />
I = 2 Watt/cm 2<br />
dt = 1 min<br />
Thermique<br />
dT = 0,05 x 0,5 x 2 x 60 = 3°C
Indice Thermique (T.I.)<br />
Rapport de la moyenne temporelle d’énergie acoustique de la<br />
source considérée (W O ) sur l’énergie acoustique nécessaire à<br />
l'élévation de la température du milieu de 1°C (W deg ) :<br />
T.I. = W O / W deg<br />
• W deg dépend de la fréquence ultrasonore et du coefficient<br />
d'absorption du milieu traversé.<br />
• Différents modèles pour estimer cet index au niveau <strong>des</strong><br />
tissus mou (T.I.S.) et de l'os (T.I.B.).<br />
L’os a le plus grand coefficient d’absorption et représente donc le<br />
tissu le plus fortement concerné par les effets thermiques.
La déterminants de la Cavitation<br />
• Fréquence<br />
• Intensité Acoustique<br />
• Température<br />
• Viscosité<br />
• Gaz dissous<br />
• Impuretés<br />
Facteurs favorisant la cavitation
Imagerie Harmonique et Produits de Contraste<br />
Selon l’indice mécanique (MI), le produit de contraste se comporte comme un<br />
simple renforçateur du signal, ou produit <strong>des</strong> harmoniques.
La Cavitation<br />
Seuil de cavitation en fonction de la fréquence et du<br />
diamètre initial <strong>des</strong> bulles de gaz
Les conséquences de la Cavitation<br />
• Micro-courants<br />
• Effondrement brutal <strong>des</strong> bulles :<br />
Vitesse supersonique<br />
Surpression 10 4 Atm<br />
Echauffement 2000°C<br />
⇒ Radicaux libres
Conséquences de la cavitation<br />
• Bases de l’ADN<br />
– Oxydation <strong>des</strong> bases puriques et pyrimidiques<br />
– Effet direct ou par radicaux libres<br />
• Molécules d’ADN<br />
– Oxydation<br />
– Ruptures simple/double brin<br />
• Cellules<br />
– Ruptures membranaires<br />
• Tissus<br />
– Élévation de température avec dégradation de la structure<br />
<strong>des</strong> protéines<br />
Principales interactions tissulaires
Le Risque de Cavitation<br />
M.I. = P /f 0,5<br />
P = Pression Acoustique (kPa)<br />
f = Fréquence (MHz)<br />
Indice Mécanique<br />
(cf. produits de contraste)
Le Risque de Cavitation<br />
Indice Mécanique
Recommandations Officielles
Recommandations Officielles<br />
• I SPTA : 100 mW/cm 2<br />
• I SATA : 10 mW/cm 2<br />
• I Max : 1 W/cm 2<br />
• I SPTA x T irr : 50 Joules/cm 2<br />
• Chaleur absorbée : 0,4 W/kg<br />
• Elévation de température : 1°C<br />
Valeurs maximales admises
Les limites admises d’exposition<br />
Valeurs extrêmes <strong>des</strong> paramètres d’exposition pour différentes applications
Les données d’exposition<br />
Class of equipment Acoustic I ISPTA ISPPA pm<br />
Power<br />
mW mW/cm 2 mW/cm 2 W/cm 2 Atm<br />
Manual Compound scanners 0.5-20 0.4-10 1 0-170 0.5-280 1.7-50<br />
Auto-sector scanners 9-20 7-15 6-30 25-100 1.7-27<br />
Sequential linear arrays 0.1-33 0.06-10 0.01-12 0.2-70 1.1-17<br />
Ophthalmic A-mode, B-mode 0.6-1 0. 3-5 20-34<br />
Ophthalmic real time 0.2-0.06 0.07-0.2 0.2-0.6<br />
Pulsed Doppler-cardiac 8-24 6-32 50-290 3-14<br />
CW Doppler-obstetrical 8-37 3-19 9-57<br />
CW Doppler fetal monitoring 5-32 3-20 9-80<br />
CW Doppler peripheral 6-105 38-840 110-2500<br />
Pulsed Doppler peripheral 6-10 87-175 350-700<br />
Valeurs extrêmes <strong>des</strong> paramètres d’exposition pour différents appareils
Recommandations Officielles<br />
Recommandations « AIUM Committee for Bioeffects »<br />
Indice Thermique (TI) < 1<br />
Indice Mécanique (MI) < 1<br />
• TI
Recommandations Officielles
Conclusions<br />
• L’exploration Doppler met en jeu <strong>des</strong> intensités acoustiques et<br />
<strong>des</strong> durée d’exposition plus importantes que l’échographie<br />
• Aucun effet néfaste lié à une exposition prolongée aux<br />
ultrasons n’a été mis en évidence à ce jour (ceci avec un recul<br />
d’une trentaine d’années)<br />
• Cependant et notamment dans le domaine de l’obstétrique<br />
une réserve de principe doit être maintenue<br />
• Il est indispensable que chaque constructeur soit capable de<br />
caractériser les puissances acoustiques délivrées par ses<br />
machines<br />
• L’utilisation <strong>des</strong> produits de contraste majore<br />
significativement le risque d’effets néfastes<br />
« ALARA » As Low As Reasonably Achievable »
Conclusions<br />
« ALARA » As Low As Reasonably Achievable »
Conclusions<br />
« ALARA » As Low As Reasonably Achievable »
Michel Dauzat<br />
<strong>Effets</strong> <strong>Biologiques</strong><br />
<strong>des</strong> <strong>Ultrasons</strong><br />
(avec de nombreux emprunts aux<br />
autres enseignants du Diplôme Inter-<br />
Universitaire d’Echographie)<br />
Service d’Exploration & Médecine <strong>Vasculaire</strong> -<br />
CHU de Nîmes<br />
EA 2992 – UFR de Médecine de Montpellier –<br />
Site de Nîmes<br />
Nîmes - Décembre 2011
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