L'échographie tridimensionnelle

1 Introduction

2 L'acquisition du volume

3 Capteurs utilisés

3.1 Les sondes abdominales

3.2 Les sondes transrectales

3.3 Les sondes endovaginales

3.4 Les sondes endovaginales à balayage angulaires

3.5 Les sondes transoesophagiennes

3.6 Observations

4 Exploitation du volume

4.1 Les coupes triplans

4.2 La reconstruction du volume

5 Analyse thérapeutique de l'imagerie tridimensionnelle :

5.1 Gynécologie - obstétrique

5.2 Médecine interne

6 Conclusion

Le traitement de l'image

1 Architecture

1.1 Les paramètres importants de l'architecture

Les produits de contraste

1 Introduction

2 Variétés des produits de contraste

3 L'Echovist® de Schering

3.1 Présentation

3.2 Propriétés du produit

3.3 Apport de l'Echovist® à l'échocardiographie

3.4 Dispositions pratiques et légales

4 Le Levovist® de Schering

4.1 Présentation

4.2 Propriétés du produit

4.3 Apport de Levovist® à l'échographie

4.4 Dispositions pratiques et légales

5 L'imagerie harmonique

6 L'imagerie intermittente

7 Conclusion du chapitre

Conclusion

Bibliographie

L'échographie est un outil qui allie rapidité, facilité d'examen et un faible coût comparé aux autres techniques d'imagerie. Les spécialités médicales concernées sont multiples dès lors qu'il n'existe aucun obstacle anatomique ou physiologique à la propagation du faisceau ultrasonore.

Les premiers échographes apparus vers la fin des années soixante et fondés sur un balayage manuel ont fait place aujourd'hui à une nouvelle génération de produits.

Nous avons décidé de développer trois axes principaux concernant les dernières évolutions technologiques:

L'imagerie tridimensionnelle, car elle bénéficie en priorité du développement des architectures numériques et des puissances de calculs intégrées.

Les produits de contraste, qui sont des axes de recherches très actifs, et qui ouvrent de nouvelles voies dans les techniques d'imagerie échographique.

Le traitement de l'image échographique, en partant des nouvelles sondes mises sur le marché, jusqu'à l'exploitation des images en réseau, nous avons voulu donner un éclairage technique et scientifique sur l'exploitation de l'imagerie échographique.

L'ECHOGRAPHIE TRIDIMENSIONNELLE

1. Introduction :

L'imagerie tridimensionnelle ou volumique, est considérée aujourd'hui par la majorité des constructeurs d'échograhes comme l'un des axes principaux à développer.

Après avoir mis en place des programmes de recherches sur l'amélioration de la qualité image, et l'imagerie couleur, nous constatons un intérêt croissant des fabricants pour l' échographie 3 D.

Certains constructeurs proposent d'ores et déjà sur des appareils milieu de gamme des modules 3 D. Au cours des prochains la majorité des constructeurs proposeront, à n'en pas douter la technologie tridimensionnelle sur leurs équipements.

Il est à noter que si l'échographie 3 D va prendre une place grandissante comme outil de diagnostic, cette technique n'est pas récente (apparition de la notion d'imagerie 3 D en 1994 sur certains équipements), son développement a progressé lentement au rythme de l'évolution de l'informatique et du traitement des images.

Le principe de l'imagerie tridimensionnelle repose sur deux phases; la première concerne l'acquisition des données, la seconde traite de la reconstruction et de l'exploitation du volume. Le développement de l'échographie 3 D est lié à l'utilisation de logiciels de calculs de plus en plus performants et de plus en plus rapides.

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2. L'acquisition du volume :

Le temps d'acquisition des données nécessaires à la réalisation d'une échographie tridimensionnelle doit être le plus court possible, afin de minimiser les artefacts susceptibles d'être produits par les mouvements physiologiques; coeur, respiration, mouvements du foetus dans le cas de l'obstétrique.

L'acquisition du volume se fait soit avec des sondes spécifiques volumiques, soit avec des sondes classiques. Le volume est obtenu grâce à un balayage de plans de coupes 2 D classiques, jointifs.

Suivant les types de sondes utilisées, différentes techniques d'acquisitions peuvent être définies:

- Les sondes volumiques réalisent automatiquement un balayage de plan de coupes par déplacement mécanique de la tête de la sonde. Le volume à la forme d'une pyramide. Le temps de balayage varie de 3 à 10 secondes suivant l'importance du volume et de la qualité recherchée.

- On utilise également des sondes endovaginales, dans ce cas le balayage peut être soit rotatif dans l'axe de la sonde, soit angulaire.

- Pour l'obtention d'images tridimensionnelles en échocardiographie, deux types de sondes peuvent être utilisées; les sondes transthoraciques avec les caractéristiques spécifiques que nous venons de définir ci-dessus, mais également des sondes transoesophagiènnes composées d'un réseau d'éléments transducteurs rotatif, qui permet une évaluation diagnostique complète de la fonction cardiaque. L'acquisition se fait en incrémentant degré par degré, à partir d'un axe central de rotation, un volume au préalable bien défini. Ces sondes autorisent une étude complète de la structure du coeur et des flux sanguins.

Type d'acquisition en échocardiographie (9):

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3. Capteurs utilisés:

3.1 Les sondes abdominales:

Fréquences: 3.0, 5.0, 7/10 Mhz

L'acquisition du volume se fait suivant trois plans distincts. Le premier plan est obtenu par un balayage mécanique 2 D classique, le deuxième plan à partir d'un axe de rotation perpendiculaire au premier plan, le troisième plan à partir d'un algorithme tenant compte des deux premiers plans. Angle d'acquisition de l'image 2 D (angle d'examen): De 40 à 90° suivant les sondes

Angle de balayage: De 30 à 60 ° suivant les sondes. (12)

3.2 Les sondes transrectales :

Fréquences: 7/10 Mhz

Le principe d'acquisition du volume est le même que pour la sonde précédente.

Angle d'examen: 100 °

Angle de balayage: 140°, 115° ou 90°.(12)

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3.3 Les sondes endovaginales à balayage rotatif:

Fréquence: 7.5 Mhz

Le principe d'acquisition du volume est le même que pour les deux sondes précédentes.

Angle d'examen: 100°.

Angle de balayage: 180°. (12)

3.4 Les sondes endovaginales à balayage angulaire :

Fréquence: 5 à 8 Mhz

Le principe d'acquisition est le même que pour les sondes précédentes.

Angle d'examen: 40°, 50°, 70°, 90°, 110°, 130°.

Angle de balayage: 10°, 20°, 30°, 40°, 55°, 75°, 95°. (12)

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3.5 Les sondes trans-œsophagiennes :

Fréquences: 5.0 à 6.2 Mhz

L'acquisition du volume est obtenue grâce au balayage mécanique (rotation sur 180°) de 64 éléments transducteurs

Une commande lance l'acquisition d'un nombre de coupes , a partir d'un axe central de rotation. L'acquisition peut être synchronisée sur l'E.C.G ou un intervalle de temps ou s'effectuer sans synchronisme. Les paramètres définis pour chaque protocole d'acquisition peuvent être mémorisés dans un préréglage.

Angle d'examen: 90° à 110°

Angle de balayage: 180°

3.6 Observation :

On commence à voir apparaître chez certains constructeurs des sondes abdominales et transthoraciques du type Phased Array disposant de 128 ou 196 transducteurs. Ce type de sonde, ayant la forme d'une matrice de transducteurs associe à la fois les deux techniques de retard à l'excitation des transducteurs, et de balayage du faisceau ultrasonore suivant deux axes perpendiculaires.

Le développement de ces nouvelles sondes est bien évidement limité par le nombre de canaux, ou nombre de voies de traitement du signal de l'échographe.

Plus le nombre d'éléments transducteurs sera important, meilleure sera la résolution spatiale et meilleure sera la qualité de l'image.

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4. Exploitation du volume :

A partir du moment ou l'opérateur a défini le volume qui l'intéresse, différents modes de visualisation peuvent être possibles.

Il est important de rappeler les points suivants:

- De mauvaises images 2D donneront de mauvaises images 3D.

- Pour obtenir de bonnes images 3D, il faut avoir des images 2D très contrastées.

- Seule l'information ultrasonore contenue dans le volume sélectionné est uniquement visualisée.

- Le choix du volume sélectionné est déterminant pour un bon résultat.

4.1. Les coupes triplans :

Après un balayage de la zone à étudier par une sonde 3D, dont le temps d'acquisition varie de 3 à 10 secondes, l'opérateur a la possibilité de pratiquer des recoupes illimitées dans le bloc volumique ainsi acquis.

L'analyse de l'image multiplanaire permettant de régler les plans à volonté dans le volume. Les images peuvent être déplacées (mouvements transversaux) à l'intérieur du volume ou effectuer un mouvement de rotation autour des 3 axes, dans tous les plans.

Les plans définis sont toujours pris perpendiculairement les uns par rapport aux autres et peuvent être exploités séparément, quelles que soient les rotations exécutées. L'opérateur peut choisir d'étudier un seul plan sur les trois du volume. Certains algorithmes permettent une vue à l'intérieur des organes.

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Rotation du volume autour de l'axe X.(12)

Exploitation de trois plans pris séparément. (12)

Sections de 3 plans perpendiculaires (12) Vue à l'intérieur d'un organe (14)

Principales exploitations des coupes et volumes :

Utilisation de sondes abdominales (12) :

Utilisation de sondes transrectales (12) :

Utilisation de sondes endovaginales (12) :

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4.2 La reconstruction du volume:

Types d'algorithmes utilisés :

La visualisation de surface ou surfilage:

Consiste à la visualisation d'une surface. On joue sur les différents niveaux de gris de la surface. Différents algorithmes améliorent la restitution de la surface.

Visualisation en mode éclairé / caché.

Les structures proches de la sonde sont très lumineuses, les structures éloignées sont dans la pénombre. La mise en oeuvre d'un éclairage variable rehausse l'effet des images de surface.

Dans le mode surfilage et lumière, il est préférable de n'avoir que peu d'échos devant la zone évaluée. Si ce n'est pas le cas de petits échos seront pris en compte dans l'évaluation 3D.

Applications: Les surfaces recherchées doivent être cernées de peu d'échos (ex: corps dans le liquide).

Mode maximum: Les niveaux de gris maximum dans le volume sont visualisés. Dans ce mode, il faut veiller à ce que les échos d'artefacts (échos de répétitions) ne soient pas dans dans le volume sélectionné.

Application: Visualisation de structures osseuses

Mode minimum: Les niveaux de gris minimum dans le volume sont visualisés. Un algorithme permet de rehausser les échos faibles;

Application: Visualisation de vaisseaux et de cavités.

Mode rayon X : Visualisation du volume, comparable à un cliché radiologique.

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5. Analyse thérapeutique de l'imagerie tridimensionnelle :

5.1 Gynécologie - Obstétrique :

C'est dans les soins préventifs des grossesses à hauts risques que la sonographie 3D a rencontré son succès le plus spectaculaire. Ce sont tout particulièrement la détection anticipée des malformations foetales qui représente un progrès considérable des ultrasons 3D, facilitant ainsi le diagnostic de modifications pathologiques délicates, par exemple différents type de trisomie, des anomalies du cerveau et des organes foetaux, les défauts de la colonne vertébrale, un bec de lièvre, etc... La reconstruction tridimensionnelle de la face du foetus permet de mettre en évidence certaines anomalies.

Au premier trimestre de la grossesse, les images de l'embryon et de ses annexes sont aisément acquises à l'aide de la sonde vaginale.

Les volumes obtenus ont essentiellement un intérêt pédagogique à ce stade de l'analyse.

Au deuxième et troisième trimestre de la grossesse, l'échographie 3D prend toute son importance pour certains territoires foetaux.

Dans le cadre des anomalies faciales:

L'étude du morphotype, véritable carte identitaire du foetus, est pratiquée systématiquement en mode surfaçage de volume.

Les recoupes 3D de proche en proche, de la surface cutanée jusqu'au plan profond osseux, permettent l'analyse topographique précise des éventuels défauts osseux; ainsi palais - maxillaires, frontaux, os du nez et orbites peuvent être minutieusement décrits.

Échographie 3D.

Reconstruction de surface de la structure osseuse, large fente labio-palatine gauche associée à une pathologie de l'orbite gauche.

Échographie 3D, foetus avec dysmorphie faciale à 25 S.A

Dans les anomalies des membres:

L'exploration des membres du foetus est essentielle dans une approche diagnostique et pronostique complète, l'étude en surfaçage puis en technique par transparence permet de différencier les attitudes pathologiques telles que l'arthrogrypose, les anomalies de position des mains ou des pieds, de la trisomie 18 peuvent également être facilement repérées ().

L'association pieds bots et hydrocéphalie imposera une analyse précise du tube neural.

Échographies 3D, fusions des doigts : mains en "moufle" (8).

Échographie 3D, attitude d'arthrogrypose (8).

Main botte radiale (8)

5.2 Médecine interne :

Cardiologie :

Les images tridimensionnelles (3D) du coeur accroissent les capacités diagnostiques qualitatives de l'échocardiographie.

Elles facilitent l'évaluation préopératoire des valvuloplasties ou des fermetures de communication interventriculaire ou encore l'appréciation de l'étendue des infarctus. Les images 3D permettent souvent d'apprécier plus précisément la cinétique pariétale segmentaire et la taille des anomalies.

Elles offrent une confirmation visuelle du volume des cavités cardiaques.

Échographies 3D, vues d'un coeur (15).

Abdomen - Organes superficiels :

L'affichage clair de la position relative des vaisseaux (ou d'autres points de repères) dans les structures pathologiques permet, en particulier, une organisation très détaillée de la chirurgie. Les possibilités volumétriques précises permettent une organisation exacte de la thérapie et des soins post-hospitaliers des patients en oncologie.

L'échographie 3D permet une nette amélioration dans les diagnostics des lésions hépatiques focalisées, des tumeurs primaires, des calculs biliaires, des voies biliaires, des reins et du pancréas. La détection de la quantité et de la position des calculs a été considérablement améliorée.

Échographie 3D, coupe vasculaire.

Urologie :

La prostate tout entière ainsi que les reins peuvent être analysés en une simple acquisition volumique. La différenciation de la structure à l'intérieur de chacun des organes a été améliorée.

Les mesures du volume de la prostate peuvent être réalisées de façon facile et simple.

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6. Conclusion :

Les praticiens utilisateurs de cette technologie, considèrent l'échographie 3D comme un complément indispensable à l'examen 2 D, au même titre que le Doppler couleur.

L'imagerie tridimensionnelle permet de préciser, d'affiner les diagnostics pas toujours évidents en échographie bidimensionelle. L'évolution se fera dans les prochaines années vers le trois 3D temps réel grâce à des sondes électroniques 3D de type matriciel et au Doppler couleur 3D permettant de visualiser l'arborisation spatiale des vaisseaux dans l'espace.

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LE TRAITEMENT DE L'IMAGE

1. Architecture :

1.1 Les paramètres d'importances de l'architecture:

La tendance actuelle est de disposer, hors étage d'entrée et affichage vidéo, de la fiabilité, de la reproductibilité et de la vitesse de traitement de la technologie numérique, éventuellement par l'implantation de composants ASIC (Application Specific Integrated Circuits).

Le Numérique :

La technologie digitale ouvre l'échographie à de nouvelles applications, jusqu'ici réservées à d'autres techniques d'imagerie. Elle peut ainsi servir à l'examen de la structure du musculo-squelette, et permettre au rhumatologue de suivre le mouvement d'une articulation douloureuse, elle offre également, (nous l'avons vu dans le chapitre précédent) la possibilité de présenter des images en trois dimensions.

Dans le traitement de l'image échographique, l'informatique tend à ce généralisée, la société A.T.L annonce des puissances de calcul très élevées (14 milliards d'opérations / seconde). Nous voyons apparaître des filtres numériques qui par l'intermédiaire d'un système d'intelligence artificielle permettent de conserver les informations pertinentes provenant du signal et d'éliminer tout ce qui est bruit et artefacts.
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L'analyse du signal:

Traitement au niveau de chaque canal de réception ou après sommation

 

Descriptif de l'analyse Analogique et Numérique du signal ultrasonore en réception. Traitement analogique conventionnel constitué d'un seul convertisseur A/N échantillonnant le signal après sommation de différentes lignes de réception. Exemple de traitement numérique actuel: un convertisseur A/N pour chaque ligne de réception avec une fréquence d'échantillonnage importante et un codage sur une dynamique plus élevée, lignes à retard et sommation numérique.

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Le nombre de canaux:

Le nombre de canaux (32, 64, 128, 256) qui correspond aux voies de traitement du signal, distinctes du nombre d'éléments piézo-électrique au niveau de la sonde et du nombre de lignes à l'intérieur de l'image. Le nombre total de canaux peut résulter d'une procédure de synthèse d'ouverture (n émissions-réceptions sur un nombre de canaux k)

Principe de la synthèse d' "Ouverture Synthetic Aperture".

Cette procédure permet d'augmenter la taille de l'ouverture d'informations (en particulier pour des distances focales plus importantes, pour la conservation du nombre F/D, F: distance focale, D: diamètre de l'ouverture). Deux émissions-réceptions sont réalisées successivement sur la moitié des éléments de la sonde, présentant l'avantage de gérer un faisceau plus fin (meilleures focalisation et réalisation) avec une synthèse des signaux reçus équivalente à l'ensemble des éléments de la sonde. Cette synthèse permet également de bénéficier d'un nombre de canaux double de celui implanté réellement en hardware. Technique analogue utilisée en imagerie radar.

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La capacité de traitement:

La capacité de traitement par le choix de plusieurs formateurs de faisceau ou d'architectures parallèles ("Dual Channel Processing - Siemens","Quad Signal Processing - Toshiba") permet d'accroître les voies d'analyse pour la cadence image, le nombre de lignes image, la gestion des modes mixtes si un seul faisceau est utilisé ().Les ressources informatiques sont donc multipliées.

 

Traitement Parallèle. Plusieurs analyses ( 2 voir 4 ) d'une même voie de réception et une seule émission.

Les sondes et transducteurs:

Les transducteurs:

Les transducteurs utilisés en échographie tirent leur propriété d'une piezo-électricité artificielle dite également induite.

Ce sont des céramiques ferroélectriques à base de titanate de baryum ou de titanate de plomb.

Ces substances "acquièrent " la propriété piézo-électrique lorsqu'elles sont portées à une température très élevée puis soumises à un refroidissement lent. le matériau présente alors un moment permanent de polarisation. Les dipôles élémentaires s'orientent dans la direction du champ électrique, quand on soumet deux faces à une d.d.p. Ces moments électriques créent une légère déformation du cristal.

Si le champ électrique est alternatif, la céramique devient une source vibratoire. Un tel disque piézo-électrique, muni de deux électrodes de contact, constitue un transducteur d'ultrasons, qui fonctionne aussi bien comme émetteur de vibrations ultrasonores que comme récepteur.Les plus récents transducteurs se composent d'éléments en polycarbonates, appréciables par leur faible impédance acoustique avec les tissus. D'autres transducteurs dits à " haute densité ", en matériaux composites arrivent sur la marché. ces nouveaux matériaux sont en céramique composite La faible impédance acoustique des matériaux composites associée à la faible impédance électrique des céramiques permet de bénéficier de capacités de résonances importantes de l'ensemble.

Cela permet aux appareils de gérer des transducteurs à large large qui fonctionnent en émission et réception dans une gamme de fréquence très étendue.

L'utilisateur peut ainsi sélectionner les meilleurs paramètres de résolution et pénétration afin de réunir les conditions d'exploration diagnostiques les plus fiables. Les transducteurs à haute densité exploitent un nombre de lignes d'ultrasons élevé et augmentent le niveau de résolution en contraste des images.

Les sondes matricielles type Phased Array:

Alors que pour les sondes 2D à décalage de phase , le faisceau ultrasonore à une hauteur fixe, longueur et largeur réglables dynamiquement, les nouvelles sondes matricielles type Phased Array permettent un réglage en hauteur du faisceau ultrasonore et autorisent par la même un contrôle dynamique tridimensionnel.

En jouant sue le nombre de transducteurs de la sonde, on joue sur la taille du faisceau, celui-ci pouvant être plus étroit, donc plus homogène, en complément plus le nombre de canaux est grands et plus l'image est est riche est fouillée.

 

Plusieurs niveaux d'éléments permettent la focalisation dans la direction azimutale de même qu'elle se trouve réalisée aujourd'hui dans le plan image. Il en résulte une épaisseur du plan de coupe plus fine et une meilleure résolution en contraste au niveau de l'image.

Les sondes hautes fréquences:

L'ultrasonographie en très fréquence affine et précise les structures anatomiques et les pathologies associées déjà perceptibles en échographie traditionnelle. Ces fréquences sont particulièrement utilisées en vasculaire et en imagerie superficielle les hautes fréquences Doppler accroissent la sensibilité de détection des flux lents.La profondeur de pénétration est de l'ordre de 1 à 1,5 cm.

Nous voyons aujourd'hui, sur le marché des sondes à 20 Mhz. Un fabricant annonce d'ores et déjà la commercialisation de sondes à 30 Mhz dans les prochains mois.

Aujourd'hui, d'autres procédures spécifiques ont fait leur apparition comme la compensation de gain latérale, dont le rôle est de rehausser l'échogénicité des structures qui viennent se positionner de manière parallèle au faisceau. A citer également la puissance de calculs, par l'implantation en hardware de processeurs dédiés qui fournissent aux échographes haut de gamme de réels potentiels de station graphique.

La qualité de l'image résultante peut être décrite quant à elle en termes de résolution:

-axiale; liée aux caractéristiques de l'impulsion et à la fréquence d'échantillonnage.

- latérale; liée aux dimensions latérales du faisceau et au nombre de lignes.

- azimutale; liée à l'épaisseur du plan de coupe

- en contraste; liée au différences d'echogénicité
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Interface Utilisateur et DICOM:

L'affichage vidéo, la connectivité (périphériques, réseaux...) et l'interface utilisateur (ergonomie, logiciel d'utilisation) sont développés pour répondre aux besoins des utilisateurs. Des moniteurs à haute résolution sont intégrés, un standard DICOM de communication réseau est disponible sur les appareils haut de gamme et s'étend sur l'ensemble du marché, des préréglages utilisateurs permettent une utilisation aisée. De nombreuses procédures sont accessibles telles que les modes ciné et zoom ainsi que de nombreuses évaluations quantitatives.

Ce qu'il faut savoir sur DICOM :

Standard DICOM (Digital Imaging and Communication in Médecine):

Tout est parti des réseaux d'imagerie et de l'avènement du numérique sur les appareils d'imagerie.

En 1985, l'association NEMA (National Electrical Manufactures Association) a formé un groupe de travail avec les membres de l'ACC (Américan Collège of Cardiologie) afin de mettre au point un standard pour l'échange d'images et d'informations indépendamment de la marque de fabrication du matériel.

Le standard DICOM est le standard international pour l'imagerie médicale, qui défini les différents protocoles pour permettre l'échange d'images et de données entre constructeurs et équipements.

Le principal avantage pour l'utilisateur, et de pouvoir disposer d'un protocole lui permettant de connecter des appareils d'imagerie provenant de fournisseurs différents.

D'autre part, il serait très intéressant à la fois du point de vue du patient et du point de vue médical, de constituer un dossier numérisé.

DICOM 3 est le protocole adopté par les fabricants dans de l'imagerie fixe.

Les fabricants présentent sur le marché du matériel avec le label DICOM mais attention cela ne veut pas dire que l' INTEROPERABILITE de deux systèmes est assurée. Il n'existe pas de cohérence entre fournisseurs dans l'application de la norme DICOM.

Un programme Européen de mise en conformité DICOM des fabricants doit se mettre en place.

Lors de l'acquisition d'un équipement ,il est nécessaire d'être extrêmement prudent sur l'interprétation du label DICOM.

Si l'on souhaite mettre des équipements en réseau il est nécessaire de :

- Bien identifier ses besoins en fonction de l'équipement à connecter.

- Demander l'état de conformité DICOM de l'appareil que l'on souhaite acquérir.

-Vérifier que les appareils existant pourront récupérer effectivement les nouvelles images produites.

-Faire attention à la connectique et l'adressage du réseau.

-Faire des tests.

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LES PRODUITS DE CONTRASTE

1. Introduction :

L'échographie fait aujourd'hui partie des méthodes de diagnostic standard, notamment en cardiologie (échocardiographie) où elle occupe une place majeure. Cependant, compte tenu du manque d'échogénicité du sang, les recherches en échocardiologie se sont portées vers la découverte d'un produit de contraste permettant un contraste homogène et stable, reproductible et modulable.

L'histoire des produits de contraste débute au milieu des années 1960, lorsque Joyner observa pour la première fois le rehaussement des échos intracardiaques après l'injection d'une solution saline. En 1968, Gramiak et Shah publièrent le premier rapport sur contraste en échocardiographie : ils utilisèrent une solution de vert d'endocyanine lors d'injections intracardiaques. Le rehaussement observé était dû à de minuscules bulles d'air qui étaient introduites avec le produit. Les microbulles de gaz soumises à un champ ultrasonore ont plusieurs propriétés que l'on peut schématiser par le dessin ci-dessous, notons que ces comportements sont encore mal connus et peuvent constituer des sources d'information.

 

Effets des ultrasons sur une microbulle de gaz

2. Variétés des produits de contraste :

Depuis la découverte de Joyner, les cardiologues utilisèrent couramment pour la détection de shunts cardiaques des injections de solutions contenant des microbulles d'air, celles-ci sont produites par agitation ou sonification. Des chercheurs japonais ont utilisé le dioxyde de carbone (CO2) comme agent de contraste pour le foie.

Ils injectèrent le CO2 dans l'artère hépatique lors d'une angiographie viscérale. Cette technique appelée " échocarbographie " a donnée des résultats encourageants particulièrement pour la détection de lésions et de tumeurs. Mais son application clinique reste limitée du fait de sa nature invasive.

Le premier agent de contraste commercialement disponible est l'Echovist® (Schering, Berlin), composé de particules de galactose et de microbulles d'air. Le premier produit de contraste capable de résister au passage dans les capillaires pulmonaires est l'Albunex® (Molecular Biosystems, San Diego U.S.A.), composé de microbulles d'air entourées d'une protection d'albumine. Dans un contexte radiologique, le premier agent de contraste à fournir un rehaussement vasculaire cliniquement utile est le Levovist® (Schering), composé de particules de galactose et de microbulles d'air protégées par une couche d'acide palmitique. Cette couche protectrice permet aux microbulles de résister au passage dans les capillaires pulmonaires, de plus le Levovist® procure un rehaussement significatif (supérieur à 20 dB) des signaux Doppler.

Actuellement, plusieurs produits de contraste utilisant un gaz autre que l'air sont en développement ou en test clinique, citons les perfluorocarbones. L'avantage de ces gaz est qu'ils sont de meilleurs rehausseurs ultrasonores que l'air et sont moins soluble dans l'eau et le plasma. De plus, ils amplifient les signaux Doppler et ont une durée de vie in vivo plus longue : environ 10 minutes après l'injection d'un bolus.

Citons quelques exemples de ces agents de contraste en développement ou en test clinique que l'on dit de troisième génération : Echogen® et Optison® (Sonus Pharmaceuticals, Bothell, Washington, U.S.A.), Imagent® (Alliance, San Diego, U.S.A.), FSO69 (Molecular Biosystems),

MRX115 (ImaRx Pharmaceuticals, Tucson, U.S.A.), Sonovist® (Schering) et BR1 (Bracco, Milan). La plupart de ces produits sont non seulement des amplificateurs de signaux Doppler, mais ils rehaussent aussi le contraste des parenchymes des organes hautement vascularisés tels que les reins ou le foie.

La grande majorité des produits ci-dessus ne sont pas disponible en France ainsi qu'aux États Unis : en effet la FDA (Food and Drug Administration) ne l'a pas encore approuvée.

Lors d'une visioconférence dont le thème était les produits de contraste, le docteur Mark Monaghan : directeur du service de cardiologie du King's College Hospital (Londres) déclara :

" l'agent de contraste idéal doit être " :

- sans danger,

- stable (avant utilisation),

- avoir une longue persistance in vivo,

- composé de microbulles ou de microsphères,

- générateur de bon échos ultrasonores,

- simple à utiliser,

- bon marché.

Nous allons maintenant porter un intérêt plus particulier à deux produits de contraste l'Echovist® et le Levovist®, car seuls ces agents sont autorisés en France mais sous certaines conditions. Les deux chapitres suivant y sont consacré.

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3. L'Echovist® de Schering :

L'Echovist® est le premier produit de contraste mis à la disposition du corps médical par un laboratoire pharmaceutique. Le développement d'un produit de contraste spécifique à l'échographie a été entrepris par les laboratoires Schering avec une double optique :

- assurer une bonne tolérance grâce à la maîtrise de la fabrication de microparticules de galactose extrêmement soluble,

- permettre la reproductibilité et l'homogénéité du contraste obtenu.

3.1 Présentation :

L'Echovist® est une suspension préparée extemporanément à partir de deux composants :

- 1 flacon de 3 g de granulés constitués de particules de galactose,

- 1 flacon de solvant de 8.5 ml : solution aqueuse à 20% de galactose.

Les 8.5 ml de la solution de galactose à 20% sont prélevés à l'aide d'un dispositif de prélèvement fourni puis injectés dans le flacon contenant 3 g de granulés. La suspension est agitée immédiatement et vigoureusement pendant 5 secondes. On obtient alors une suspension laiteuse homogène composée de particules de galactose stabilisées et de microbulles. La suspension reconstituée conserve ses propriétés échogène pendant 5 minutes environ après sa préparation. Elle doit alors être injectée dans les minutes suivantes pour conserver un contraste de bonne qualité et reproductible.

3.2 Propriétés du produit :

La suspension d'Echovist® injectée en bolus par voie intraveineuse crée un contraste acoustique entre le sang et les tissus adjacents.

Le contraste échographique est dû à la dispersion dans le sang de fines bulles d'air. La production de ces fines bulles d'air repose sur la propriété des sucres à retenir de l'air dans le réseau cristallin et d'absorber de l'eau à leur surface.

Cette propriété est conservée si les cristaux sont réduits en microparticules : 99% des particules de granulé d'Echovist® ont une taille inférieure à 12 µm. La dispersion et la dissolution des microparticules de sucre dans un milieu approprié provoque la libération des fines bulles d'air.

La taille des microbulles formées n'est pas uniquement liée au procédé de fabrication du granulé mais est principalement liée au processus dynamique de formation lors de la dissolution des granulés. La répartition de la taille de ces bulles est parfaitement reproductible.

La concentration de microparticules dans la suspension règle la quantité de bulles d'air et détermine l'intensité du contraste.

En raison de la courte durée de vie intra-vasculaire des particules de galactose (quelques secondes) et des bulles d'air, le produit de contraste ne résiste pas au passage dans le flux sanguin pulmonaire. Aussi, après injection intraveineuse, seules les cavités cardiaques droites (oreillette et ventricule droits) sont donc normalement contrastées. L'effet de contraste au niveau du coeur gauche ne survient que dans des cas pathologiques de shunts.

La taille des particules contenues dans le granulé d'Echovist® ne peut provoquer d'embolie vasculaire, celle-ci est inférieure à 12 µm dans 99% des cas. L'étude in vivo du taux sanguin en galactose après administration intraveineuse d'Echovist® démontre que ces particules se dissolvent rapidement dans le courant sanguin avant de parvenir aux capillaires pulmonaires, ou du moins que leur taille est suffisamment négligeable pour leur permettre de traverser ces capillaires sans effet indésirable.

Après injection intraveineuse de la suspension, les microparticules se dissolvent rapidement en libérant les fines bulles d'air absorbées à leur surface. L'étude de la répartition de la taille des bulles d'air a monté que cette taille est du même ordre de grandeur que celle des cellules sanguines humaines (50% < 3.5 µm et 97% < 7µm), ce qui élimine le risque d'embolie.

Les microbulles gazeuses, bien qu'assez petites pour passer dans les capillaires, ne traversent pas le lit capillaire pulmonaire. Ceci est dû à la grande surface des capillaires pulmonaires, à la vitesse réduite du courant sanguin dans les poumons et à la faible stabilité des microbulles de gaz une fois isolées du plasma. C'est la raison pour laquelle l'Echovist® n'opacifie pas les cavités cardiaques gauches d'un patient sans shunt après administration intraveineuse.

Les effets indésirables sont occasionnels, le patient peut éprouver une sensation de chaleur ou de froid pendant l'injection, une sensation douloureuse sur le trajet veineux ou au site d'injection, ainsi que des sensations de courte durée : picotement, engourdissement, goût métallique ou vertige. La principale contre indication est la galactosémie.

3.3 Apport de l'Echovist® à l'échocardiographie de contraste :

L'Echovist®, injecté par voie intraveineuse, parvient au coeur droit par la circulation générale. En raison de la courte durée de vie intra-vasculaire des microparticules de galactose et des microbulles d'air, l'Echovist® ne passe pas dans le flux sanguin pulmonaire.

Aussi, après injection intraveineuse, seules les cavités cardiaques droites sont donc contrastées. L'effet de contraste au niveau du coeur gauche ne survient que dans des cas pathologiques.

Avec l'Echovist®, il est possible d'observer le flux sanguin en mode
TM ou bidimensionnel, ce qui peut être utile dans le diagnostique de toutes les pathologies hémodynamiques du coeur droit.

Aussi, la commission d'A.M.M. a reconnu l'Echovist® comme un produit de contraste pour échocardiographie droite permettant en particulier de rechercher :

- les shunts droit gauche,

- les connexions veineuses inhabituelles.

Deux essais dans plusieurs centres hospitaliers (à Besançon et Lariboisière à Paris) réalisés en ouvert sur 612 patients ont montré que, toutes cardiopathies droites confondues, l'amélioration portée au diagnostique par l'Echovist® a été supérieur à 70%. Ce diagnostic est encore meilleur en mode TM, ce dernier permettant de suivre et de mesurer les mouvements de structure anatomique.

3.4 Dispositions pratiques et légales :

État actuel : commercialisé

Numéro d'A.M.M. : 333041-3

Agrément collectivités

Lieu de délivrance : hôpitaux

Conservation (dans son conditionnement) : 36 mois

Régime : aucune liste

Prix pharmacien : 392 FHT

TVA : 2,10 %

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4. Le Levovist® de Schering :

Le Levovist® est le premier produit de contraste de troisième génération commercialisé en France. En effet, cet agent à la particularité de persister aux capillaires pulmonaires, ainsi il renforce le signal ultrasonore dans la circulation gauche.

4.1 Présentation :

Les produits de contraste échographiques appartiennent théoriquement à cinq catégories principales : bulles gazeuses libres, bulles gazeuses encapsulées, suspensions colloïdales (particules en suspension), émulsions et solutions aqueuses. En pratique, les agents constitués de microbulles libres ou encapsulées ont fourni jusqu'à présent les meilleurs résultats. Le Levovist® appartient à cette dernière catégorie : il se compose de microbulles d'air stabilisées par l'acide palmitique.

Le Levovist® se présente sous la forme de granules composés de microparticules de galactose associées à une très faible concentration d'un acide gras physiologique : l'acide palmitique. Les microbulles sont formées par la mise en suspension des granules de galactose dans de l'eau pour préparations injectables.

Lors de la préparation du Levovist® des microbulles situées dans les interstices entre les microparticules sont libérées par désagrégation des granules. Une partie des microparticules se dissout jusqu'à l'obtention de l'équilibre de solubilité, tandis que les particules restantes sont stabilisées par cet équilibre. L'air présent dans les interstices entre les microparticules produit une saturation gazeuse du compartiment liquide; le gaz en excès est alors libéré sous forme de très petites bulles, dont certaines demeurent fixées à la surface des microparticules non encore dissoutes.

Après une injection intraveineuse de Levovist®, les microbulles amplifient les échos renvoyés par l'ensemble des territoires vasculaires de l'organisme. Cette propriété dépend de deux facteurs principaux : la taille des microbulles (taille microscopique et homogène, de l'ordre de celle des cellules sanguines) et leur stabilité.

Des microbulles d'un diamètre inférieur à 10 µm sont suffisamment petites pour cheminer dans les capillaires pulmonaires, qui constituent pourtant un filtre très efficace. De ce fait, un produit de contraste échographique constituées de très petites bulles et injecté par voie intraveineuse peut atteindre le coeur gauche puis la circulation systémique, donc l'ensemble des territoires vasculaires de l'organisme.

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4.2 Propriétés du produit :

Dans la suspension de Levovist®, la plupart des microbulles (95 %) ont un diamètre inférieur à 10 µm, et 50 % d'entre elles sont inférieures à 3 µm. L'inclusion d'une faible quantité d'acide palmitique, acide gras physiologique, forme un film moléculaire autour des microbulles, ce qui les stabilise et diminue leur tension superficielle dans l'excipient aqueux. Un gramme de granules de Levovist® contient 999 mg de galactose et 1 mg d'acide palmitique.

Pour préparer le Levovist®, on agite le flacon pendant 5 à 10 secondes après avoir ajouté un volume adéquat d'eau pour préparations injectables. La désagrégation des granules crée une suspension laiteuse de microparticules de galactose dans une solution saturée en galactose. On laisse ensuite la solution au repos pendant deux minutes. Après ce délai la suspension de Levovist® reste stable pendant environ 10 minutes.

Après injection dans le courant circulatoire, les microparticules du Levovist® se dissolvent rapidement et libèrent les microbulles absorbées à leur surface. Le volume total d'air par gramme de microparticules est inférieur à 100 µl.

Propriétés acoustiques :

Levovist® augmente l'échogénicité du sang de façon reproductible et dose-dépendante jusqu'à la dissolution complète des microparticules. L'amplification obtenue en mode Doppler est de l'ordre de 10 à 20 dB.

La solution de Levovist® ne modifie la vélocité du son dans les tissus que de façon mineure et non significative, ce qui est important, car des artefacts pourrait apparaître dans le cas contraire.

Comme dans les tissus, l'atténuation due aux produits de contraste échographiques à base de microbulles augmente avec la fréquence. Dans le cas du Levovist®, comme celui des autres agents à base de microbulles, l'atténuation est maximale à une certaine fréquence puis diminue aux fréquences supérieures.

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4.3 Apport de Levovist® à l'échographie :

Levovist® est un produit de contraste pour :

- l'échographie cardiaque en mode bidimensionnel. Il permet une opacification des cavités cardiaques droites après injection intraveineuse. Il permet de plus, grâce à son aptitude à franchir la circulation pulmonaire, une opacification des cavités cardiaques gauches. Ces propriétés peuvent être utilisées pour contribuer à l'étude de l'anatomie et du fonctionnement des structures cardiaques chez l'adulte et l'adolescent ayant une maladie cardiaque connue ou suspectée.

- l'échographie Doppler et vasculaire : il fournit une augmentation très significative de l'intensité des signaux Doppler dans les cavités cardiaques et dans les circulations périphériques et tissulaires. Cette propriété peut être utilisée chez les patients pour lesquels l'intensité du signal Doppler est insuffisante.

Intérêt du Levovist dans l'exploration des affections cérébrales par Doppler transcranien :

L'intérêt de Levovist dans l'exploration de la circulation cérébrale par Doppler transcranien a été évalué chez 86 patients dans quatre centres. Dans tous les cas, un premier examen n'avait pas permis un diagnostic certain en raison de la qualité insuffisante de l'image. L'injection intraveineuse a nettement amélioré l'aptitude diagnostique du Doppler transcranien. Globalement, l'amplification obtenue a réduit de 97 % à 2 % le pourcentage des cas de diagnostic impossible. Chez 96,6 % des patients, l'injection a entraîné une révision du diagnostic (confirmation ou exclusion d'une suspicion initiale, ou premier diagnostic). Après Levovist®, le degré de fiabilité diagnostique évalué par l'échographiste lui-même a fortement augmenté de 7 % à 88 %. La durée moyenne d'amplification des échos a été de 4,6 minutes.

On peut conclure que Levovist® améliore la fiabilité et la qualité du Doppler transcranien en amplifiant significativement les échos renvoyés par les vaisseaux intracraniens.

Intérêt du Levovist® dans l'exploration des sténoses de la carotide :

L'intérêt du Levovist® lors d'examens Doppler de sténose de la carotide a été évalué dans cinq centres chez 65 patients. Dans tous les cas, la qualité de l'examen initial avait été insuffisante pour autoriser un diagnostic certain. Globalement, l'amplification par Levovist® a réduit de 72 % à 2 % le pourcentage des examens ne permettant pas de porter un diagnostic. Le diagnostic a été possible dès la première injection dans 36 cas (86 %) de sténose significative (supérieure à 50 %). Il en a été de même dans 5 cas d'occlusion sur 6. Après Levovist®, la fiabilité diagnostique évaluée par l'échographiste lui-même a augmenté de 44 % à 92 %. La durée moyenne de l'amplification des échos a été de 3,8 minutes.

Levovist facilite l'examen Doppler des carotides internes et externes quand l'intensité des signaux est initialement insuffisante pour permettre des conclusions précises concernant par exemple le degré d'une sténose à retentissement hémodynamique, la différenciation entre une occlusion et une pseudo-occlusion ou le suivi d'un patient après une intervention.

Levovist® en échocardiographie :

En échocardiographie en mode B, Levovist® améliore la visualisation la visualisation de l'endocarde, ce qui facilite l'analyse de la motricité pariétale au repos et au cours d'une échographie de stress quand les conditions d'imagerie sont difficiles.

En échocardiographie Doppler, Levovist® améliore le rapport signal/bruit quand le flux sanguin est lent ou faible et facilite la détermination précise des shunts et des anomalies valvulaires. En améliorant les tracés Doppler obtenus par échographie transthoracique conventionnelle, l'emploi du Levovist® peut dispenser de la nécessité d'un recours à la voie transoesophagienne, modalité plus invasive.

De manière plus générale, le Levovist® permet l'amplification des échos dans les techniques suivantes : Doppler vasculaire, échocardiographie en mode B ainsi qu'en Doppler. Son utilisation permet dans la grande majorité des cas de confirmer un diagnostic incertain ou d'exclure le diagnostic initialement suspecté. Éventuellement, il permet la détermination du stade de la maladie ou la quantification du flux, alors que cela avait été antérieurement impossible.

4.4 Dispositions pratiques et légales :

État actuel : commercialisé

Numéro d'A.M.M. :

- 341438.6 : 2,5 g en flacon + 20 ml d'eau en ampoule

- 341439.6 : 4 g en flacon + 20 ml d'eau en ampoule

Non agréé collectivités

Conservation : 1 an à une température ne dépassant pas 30°C

Régime : liste II, non remboursé par la Sécurité Sociale

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5. Les techniques d'imagerie propres aux produits de contraste :

5.1 L'imagerie harmonique :

Le comportement des microbulles de gaz soumises à des ondes ultrasonores est un processus hautement complexe. A part de simples échos, une variété d'autres effets se présentent sous l'action des ultrasons : une résonance harmonique, l'éclatement des microbulles et des variations de pression ambiante. Les échos émis par une microbulle de gaz contiennent des harmoniques, l'amplitude de ces harmoniques est généralement inférieure à celle de l'écho fondamental. Quand le Levovist® est soumis à des ultrasons de fréquence 3 MHz, il ne produit pas seulement des échos de 3 MHz, mais aussi des échos à 6 MHz (second harmonique) ainsi qu'à d'autres fréquences supérieures.

Les nouveaux transducteurs ont la possibilité de réceptionner les échos de fréquence supérieure à celle de l'émission : le second harmonique. Ces échos issus des microbulles sont traités de manière préférentielle, au détriment des échos tissulaires qui sont partiellement supprimés : cette technique est appelée imagerie du second harmonique. Le résultat (pas le principe) obtenu est comparable à la soustraction d'image numérique en angiographie. L'imagerie harmonique est exploitable aussi bien en mode B qu'en Doppler.

En mode B, les zones tissulaires rehaussées à l'aide de microbulles apparaissent relativement brillantes, et une grande partie des vaisseaux sont très rehaussés (hyper-échogène) alors que l'arrière plan est relativement sombre (hypo-échogène). Cette technique est particulièrement utile pour contraster de fins vaisseaux, par exemple dans l'examen de l'irrigation du myocarde. De même, l'imagerie du second harmonique peut être utilisée pour contraster le parenchyme d'organes tels que les reins ou le foie qui ne permet pas d'obtenir une image significative en mode B conventionnel.

En mode Doppler harmonique, la quantité d'artefacts est considérablement réduite. Ceci est très utile dans l'examen de tissus en mouvement tel que le myocarde ou le lobe gauche du foie surtout en Doppler puissance où de tel artefact sont un véritable problème.

L'imagerie harmonique n'est pas sans problème à résoudre, l'amplitude du second harmonique de la plupart des agents à base de microbulles est inférieure à celle du fondamental. Dans le cas du Levovist®, l'amplitude du pic du second harmonique est 13 dB en dessous du pic fondamental. La génération d'images échographiques de haute qualité à partir des harmoniques n'est pas une simple tâche, cela requière de la part des constructeurs une intensification des efforts en matière de recherche et développement.

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5.2 L'imagerie intermittente :

Sous l'effet des ultrasons, à des énergies et des fréquences de diagnostic, il arrive que les microbulles de gaz des produits de contraste éclatent. On a donc développé récemment l'imagerie intermittente afin de palier à ce problème qui provoque une décroissance dans le temps des effets de contraste. Cette technique a pour objectif de réduire la sollicitation aux ultrasons des microbulles, mais la conséquence est une diminution de la cadence des images. Il y a donc dans ce cas un compromis a trouvé en la cadence et la durée de vie du produit de contraste.

Remarque : ce phénomène d'éclatement des microbulles gazeuses est particulièrement intéressant pour des applications thérapeutiques. En effet, il est possible d'utiliser les microbulles comme " véhicule à médicament " et à l'aide des ultrasons provoquer l'éclatement des microbulles. Cela permet de délivrer très localement la substance active. Mais cette technique n'est qu'au stade de recherche, il faudra encore patienter avant de savoir, si son application clinique est envisageable.

Conclusion :

Les agents de contraste échographiques apparaissent comme la plus importante innovation depuis l'avènement du Doppler couleur. Ils procurent aux ultrasons une nouvelle dimension fonctionnelle et un grand nombre d'applications prometteuses comme l'angiographie. Dès qu'ils seront largement disponibles, et que les constructeurs proposeront des échographes de moyenne gamme capable d'exploiter leurs propriétés, ces produits risquent de s'intégrer rapidement aux techniques d'imagerie ultrasonores.

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CONCLUSION

Incontestablement, le marché de la fabrication et de la commercialisation de systèmes d'échographes, à destination d'un nombre grandissant de spécialistes, captive un maximum d'industriels du monde médical, mais également d'entreprises issues du monde informatique. Son utilisation constitue de fait la base même d'un diagnostic dans la plupart des domaines de médecine spécialisée (radiologie, obstétrique, cardiologie, vasculaire etc).

Les avancées technologiques en matière de traitement du signal sont l'une des composantes majeures de l'évolution de l'échographie. La technologie digitale offre en effet une meilleure résolution spatiale, la possibilité de présenter des images en trois dimensions, ouvrant la voie à des applications autrefois réservées à d'autres techniques d'imagerie.

La vitesse d'analyse du signal ainsi que les puissances de calculs informatiques vont continuer à jouer un rôle important dans la conception des appareils. Ces développements vont conduire à l'apparition sur le marché d'appareils compacts (voir portables) et polyvalents.

Au niveau fondamental, la compréhension et la gestion de l'interaction des ultrasons avec les milieux biologiques représentent l'autre voie principale des avancées réalisées. Elles ont permis la concrétisation de modes d'investigation comme le Doppler énergie, et le développement actuel de recherches en technologie de faisceau et produits de contrastes.

Il ne faut pas non plus tomber dans un optimisme béat et ce n'est pas par ce que l'on pourra bénéficier d'appareillage à la pointe de la technologie que la qualité du diagnostic sera meilleure. La formation de l'utilisateur est primordiale. La création d'une image échographique est le support de son interprétation; or si l'interprétation peut être contrôlée, la création d'une image ultrasonore est affaire d'apprentissage...

L'échographie est devenue en raison de sa facilité et la quantité d'informations rapidement disponibles un examen prescrit en priorité dans de nombreuses spécialités. La qualité de ces informations, principal bénéficiaire de l'évolution des technologies lui permet désormais de devenir une modalité de référence tant sur le plan du diagnostic, que du pronostic et des choix thérapeutiques.

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• (1) Européan Médical Imaging - N°1 Novembre 1997
• (2) Diagnostic Imaging Europe - Novembre 1997
• (3) Echovist - Echocardiographie de Contraste - Dossier technique - Schering
• (4) Monographie - Levovist - Schering
• (5) Levovist - Brochure technique
• (6) Angiology, The journal of vascular Diseases - Volume 47, Number 7, July 1996
• (7) Medical and Biological Engineering and Computing - Vol.35 1997 September - World Congress on Medical Physic
• (8) F.Guis, R.Frydman - Échographie Obstétricale - De l'image à la thérapeutique
• (9) Advances in ultrasound - Techniques and instrumentation - Edited by Peter N.T Wells
• (10) Léandre Pourcelot - Dynamique Cardio-Vasculaire Foetale et Néo-natale - Échographie Dopller - Mass
• (11) Diagnostic ultrasonics - Principles and uses of instruments - W.N Mc Dicken - Third Edition

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