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EFFETS BIOLOGIQUES DES US

Pourquoi les effets biologiques ?

• Parce qu’ils existent

• Parce que les ultrasons thérapeutiques se développent

• Pour répondre à la question: «Docteur, est ce dangereux ?»

• Pour connaître l’outil que l’on utilise et ainsi sa

responsabilité.

Effets biologiques des US

• Augmentation de la température des tissus

• Effets mécaniques :

– Cavitation => nécrose tissulaire: ablathermie – Lithotritie

– Traitement des calcifications tendineuses

• Altérations cellulaires et/ou biochimiques observées in vivo chez l’animal et in vitro

• Modification de la perméabilité cellulaire

• Effets tératogènes

US thérapeutiques : La lithotritie

f

z

x

US thérapeutiques : US focalisés de haute

intensité (HIFU)

Sonoporation

• Effet sur les membranes cellulaires :

– Perméabilité augmentée – Création de pores

– Utilisée pour faciliter la transfection ou la

pénétration de drogues

Épidémiologie des effets en imagerie

• Utilisation extensive des US depuis plus de 30 ans

• Etudes randomisées rigoureuses :

– Poids de naissance: pas de différence significative – Malformations, déficits infantiles : pas de différence

significative

• Articles avec biais de recrutement (plus de pathologies

observées mais population plus à risque de base)

Notion d’énergie déposée

• La puissance US :

– quantité d’énergie émise par le système et transférée au milieu par unité de temps

– exprimée en milliwatts (mW) / min

– proportionnelle au carré de l’amplitude :

• si la puissance est augmentée => l’amplitude est quadruplée

• L’intensité d’un faisceau US :

– correspond à la quantité d’énergie transmise par le faisceau – égale à la puissance émise par le système par unité de

surface (du faisceau) :

I = P/S (S : surface de section du faisceau)

– exprimée en mW/cm ²

L’intensité du faisceau US

=> l’intensité maximale d’un faisceau US se situe en région de focalisation

• Répartition spatiale de l’intensité

– dans la direction axiale :

– dans la direction latérale :

=> l’intensité maximale d’un faisceau

US se situe au centre du faisceau

Quantification de l’intensité du faisceau US

• Valeurs théoriques d’intensité :

– En fonction des variations spatiales :

• Intensité maximale au centre du faisceau : I

(spatial peak intensity)

• Intensité moyenne du faisceau : I

(spatial average intensity)

– En fonction des variations temporelles :

• Intensité maximale moyennée dans le temps : I

(temporal peak intensity)

• Intensité moyenne du pulse : I

(pulse average intensity)

• Intensité moyenne du faisceau : I

(temporal average intensity)

Quantification de l’intensité du faisceau US

• Valeurs d’intensité utilisées :

– Tiennent compte des variations spatiales et des variations temporelles :

• I _SPTA : spatial peak - temporal average intensity =

intensité au pic - moyennée dans le temps =>

paramètre d'exposition le plus utilisé (en w/cm²)

• I _SATA : spatial average - temporal average intensity =

intensité sur la section du faisceau - moyennée dans le temps

(en W)

• I _SPPA : spatial peak - pulse average intensity =

intensité au pic - moyenne du pulse (en w/cm²).

Quantification de l’intensité du faisceau US

• Valeurs d’intensité utilisées :

– Tiennent compte des variations spatiales et des variations temporelles :

• I _SPTP : spatial peak - temporal peak Intensity =

intensité au pic – au centre du faisceau =>

paramètre d'exposition le plus utilisé

• I _SATP : spatial average - temporal peak Intensity =

intensité sur la section du faisceau - au centre du faisceau

• I _SAPA : spatial average - pulse average Intensity =

intensité sur la section du faisceau - moyenne du pulse

L’intensité selon le mode US

• Mode B

– Délivre l’intensité la plus faible

• Doppler pulsé :

– Du fait de ses pulses longs, de la plus forte puissance à l’émission, et de la fixité de

l’échantillonnage, l’intensité moyenne délivrée est élevée

– Risque réel par effet thermique +++

• Doppler couleur :

– Délivre un niveau d’intensité intermédiaire

Mode Puissance I

moy.

(mW/cm²)

Risque potentiel

B + 200

sûr

DC ++ 450

petite boîte couleur

DP +++ 1700

Niveaux d’exposition maximum

Application Avant 1991 Intensité maximale

I

Après 1991 Intensité maximale

I

Imagerie du fœtus

94 720

Cœur 430 720

Vaisseaux périphériques

720 720

Œil 17 50

Recommandations de la FDA

Effet thermique

• Dans un milieu absorbant, l'énergie mécanique est convertie en chaleur, engendrant ainsi des effets thermiques

• Ces effets sont proportionnels :

– à l'intensité ultrasonore – à la durée de l'exposition – à la fréquence utilisée

– au coefficient d’atténuation du tissu :

• plus élevé dans l’os que dans les tissus mous

• Un échauffement est aussi observé à la surface du

transducteur : échauffement possible en échographie endo-vaginale

(attention an cas de grossesse 1

trimestre)

Indice Thermique

• Correspond au rapport de la puissance émise sur la puissance nécessaire à l’élévation de la température du milieu de 1° :

TI = W / W _deg

– W

dépend de la fréquence et du coefficient d'absorption du milieu – IT de 1 : la puissance est susceptible d’élever la température de 1°

– IT de 2 : la puissance est doublée…

• Différents modèles de calcul utilisés pour estimer la valeur de cet index au niveau des tissus mous ou de l'os :

– ITs : IT appliqué aux tissus mous

– ITb : IT appliqué à l’os (plus approprié à l’examen du fœtus)

Effet mécanique

• Le passage des ultrasons dans un milieu induit localement des variations de pression instantanées.

• La variation maximale de pression exercée localement +P ou -P (kpa) est directement liées à l'intensité I (mW/cm ² ) de l'onde ultrasonore générée par la sonde:

P ² = I ^x 2gc

g : densité du milieu; c : célérité des ultrasons dans le milieu

Effets mécaniques

• Effets de cavitation :

– Les variations de pression peuvent provoquer la formation de microbulles dans les tissus qui peuvent grossir, osciller voire se rompre.

– Ces effets peuvent conduire à la destruction des tissus (ablation,

lithotritie)

Index mécanique

• L’IM traduit un risque de production d’effet de cavitation

• Il est défini comme la pression de raréfaction maximale (pression

négative) (en MPa), divisée par racine carrée de la fréquence (MHz):

IM = P / √ f

• Environnement tissulaire non pris en compte dans la formule

• Gamme d’IM utilisé : 0,05 à 1,9

• Recommandations de la FDA :

– IM jusqu’à 1.9 pour toutes les applications

– sauf pour l’œil : IM maxi de 0,23

Ces deux index (MI-TI) ne sont pas des valeurs absolues mais représentent

des approximations du risque d’induire un effet biologique

Index mécanique

Principe ALARA

• Le principe de précaution est maintenant dévolu à l’opérateur

• Il appartient à tout opérateur de contrôler régulièrement les niveaux d’IT et d’IM et d’optimiser les réglages pour les maintenir à un niveau « le plus bas possible » sans compromettre la valeur diagnostique de l’acte.

• Principe ALARA = limiter les intensités et les durées

d’examen

Recommandations

Sociétés Site web

World federation for US in medicine and biology

(WFUMB)

www.wfumb.org

European federation of societies for US in medicine and biology

(EFSUMB)

www.efsumb.org

British medical US society (BMUS)

www.bmus.org

American Institute of US in medicine (AIUM)

www.aium.org

Contrôle des paramètres

• Puissance à l’émission :

– Optimisée par les constructeurs au sein des pré-réglages – Réduite pour les programmes « obstétrique »

– Ne l’augmenter qu’en cas de nécessité

• Mode ultrasonore :

– N’utiliser le Doppler qu’en cas de nécessité – Éviter le doppler sur l’embryon

– Limiter la durée d’échantillonnage en doppler pulsé

• Temps d’exposition :

– Doit être aussi court que possible

Recommandations de la BMUS

Effet biologique Action

MI > 0,3 Possibilité d’effets mineurs dans le poumon ou le TD du fœtus

Réduire le temps d’examen

MI > 0,7 Risque théorique de cavitation Réduire le temps d’examen

TI > 0,7 Risque d’échauffement augmenté Réduire le temps d’exposition de l’embryon et du fœtus

TI > 1 Risque d’échauffement augmenté Pas d’examen oculaire

Réduire le temps d’exposition de l’embryon et du fœtus

TI > 3 Risque d’échauffement significatif Pas d’examen de l’embryon et du fœtus