L'obtention d'une image échographique 3D résulte de la succession de trois phases :

Ces trois phases seront détaillées après un rappel sur le principe général de l'imagerie ultrasonore (puisque l'échographie 3D est une image ultrasonore).

1 - Rappel sur l'imagerie ultrasonore

L'imagerie ultrasonore est une technique d'imagerie médicale qui s'est développée durant la première moitié du 20ème siècle. Elle est de nos jours totalement maîtrisée et très utilisée, notamment en obstétrique. Cette technique utilise les ondes sonores, de fréquences comprises entre 1 et 10 MHz, et leurs échos. Cette technique ressemble beaucoup à l'écholocalisation utilisée par les chauves-souris, les baleines et les dauphins ou encore le sonar des sous-marins. Cette technique se décompose comme suit.

Tout d'abord la station d'examens ultrasonores transmet des impulsions sonores de haute fréquence (de 1 à 10 MHz) à l'intérieur du corps du patient à l'aide d'une sonde. Ces impulsions sonores sont produites par un élément piézoélectrique qui se contracte puis vibre à sa fréquence de résonance car il est excité par un courant électrique. Puis les ondes sonores voyagent dans le corps du patient et finissent par rencontrer une frontière entre des tissus (par exemple, entre les tissus mous et les os ou alors entre les tissus mous et du fluide). Certaines de ces ondes sonores sont réfléchies en direction de la sonde, alors que d'autres voyagent plus loin jusqu'à ce qu'elles rencontrent une autre frontière et se réfléchissent à leur tour en direction de la sonde. Puis les ondes réfléchies sont détectées par la sonde (de la même façon qu'elles ont été émises) puis transmises au calculateur de la station de travail pour être traitées. Ainsi on peut calculer la distance entre la sonde et le tissu ou l'organe (frontière) en utilisant la vitesse du son dans l'eau (1500 m/s) et le temps entre l'émission d'une impulsion et de la réception de son écho (de l'ordre du millionième de seconde en général). Enfin sur l'écran, on peut voir les distances et les intensités des échos formant une image bidimensionnelle comme l'image ci-dessous.

Figure 1 - Echographie 2D

Pour des échographies typiques, des millions d'impulsions et d'échos sont envoyés et reçus chaque seconde. La sonde peut être déplacée le long de la surface du corps et orientée pour obtenir des vues diverses. Il existe évidemment des interactions destructrices (absorption et dispersion) entre les ondes sonores et les milieux qu'elles traversent. On peut y remédier en partie en dimensionnant correctement tous les composants de la console d'examen et en appliquant du gel sur la peau du patient pour empêcher l'atténuation dans l'air à la sortie de la sonde.

Note : On peut supposer qu'une onde sonore se propage dans tout le corps à la vitesse du son dans l'eau car le corps humain est composé majoritairement d'eau. De plus lorsqu'on mesure la célérité du son dans les différents types de tissus et organes, on s'aperçoit effectivement qu'elle est proche de 1500 m/s mis à part pour les poumons et l'os du crâne. Ainsi cette approximation n'est pas très fausse et facilite beaucoup les calculs.

2 - Acquisition du volume d'intérêt

Après la sélection d'une zone d'intérêt par l'opérateur en échographie 2D, l'acquisition du volume peut se faire, soit avec des sondes spécifiques volumiques, soit avec des sondes classiques.

Figure 2 - sonde classique	Figure 3 - sonde volumique

Les sondes volumiques réalisent automatiquement un balayage de la zone d'intérêt, grâce au déplacement mécanique du cristal. Le temps de balayage varie de 3 à 10 secondes en fonction de la taille de la zone d'intérêt explorée, et du nombre de plans de coupes désiré. Ce balayage peut être linéaire, angulaire, ou rotatif en fonction des sondes.

Figure 4 - linéaire	Figure 5 - angulaire	Figure 6 - rotatif

Avec des sondes classiques, le balayage se fait manuellement, à partir d'un échographe standard. La succession des plans de coupes ainsi obtenue, est enregistrée dans une unité informatique, attenante à l'échographe. La qualité de cette acquisition implique un balayage régulier et suffisamment lent de la zone d'intérêt, nécessitant une formation des opérateurs plus longue et plus fastidieuse qu'avec les sondes volumiques automatisées. Le balayage par une sonde classique peut être couplé à l'utilisation de capteurs fixés sur la sonde (capteurs à ultrasons, à infrarouges, à champ électromagnétique) permettant une reconnaissance exacte du positionnement spatial et de l'orientation de la sonde.

La succession des plans de coupes ainsi acquis (que ce soit par les sondes classiques ou par les sondes volumiques) est chargée dans la mémoire de la station de travail pour être exploitée.

3 - Constitution de la matrice volumique

L'objectif de la constitution d'une matrice volumique 3D est de transformer une succession de plans de coupes en une matrice cohérente et calibrée [4].

Schématiquement, celle-ci se présente sous la forme d'un parallélépipède dont l'image d'acquisition élémentaire constitue les axes X et Y, et dont l'empilement des images d'acquisition constitue l'axe Z.

Figure 7 - Acquisition

Le calibrage de l'axe Z est réalisé automatiquement en cas d'acquisition par une sonde volumique motorisée, ou par une sonde couplée à un capteur.

Elle doit être réalisée manuellement lorsque l'acquisition s'est faite à main levée. Le système crée alors une matrice volumique cohérente, soit par interpolation de plans de coupes supplémentaires, soit en supprimant certains plans de coupes initiaux, permettant le calibrage de l'axe des Z par rapport à celui des axes X, Y.

Cette matrice volumique est alors stockée en mémoire afin d'y être exploitée.

4 - Exploitation du volume

On peut exploiter de différentes manières cette matrice volumique en fonction de ce qu'on veut faire avec. Ici je parlerai de quatre types d'exploitation différents.

L'analyse multi-plans : (figure 8) il s'agit probablement du mode d'exploration le plus intéressant autorisé par l'échographie 3D. Il permet en effet d'obtenir des plans de coupes arbitrairement définis par l'utilisateur. En effet, puisque l'utilisateur dispose d'une matrice volumique définie en chaque voxel, il peut visualiser tous les plans de coupe de cette matrice volumique qu'il désire. En pratique, ce mode de visualisation est constitué de trois plans orthogonaux qui peuvent être déplacés par l'utilisateur. A l'écran s'affichent les coupes de ces trois plans avec la matrice volumique, ainsi qu'une schématisation symbolique de ces plans de coupe permettant à l'utilisateur de se repérer dans le volume de la matrice. Ce mode de visualisation permet à l'utilisateur d'obtenir des plans de coupes impossibles à obtenir lors d'une échographie 2D. Par exemple, il peut visualiser des plans de coupe perpendiculaires à l'axe du faisceau ultrasonore.

Le rendu surfacique : (figure 9) ce mode d'exploitation était le symbole de l'échographie 3D à ses débuts. Il consiste à sélectionner et visualiser une surface entourée de structures liquides. On extrait l'organe d'intérêt de son environnement en sélectionnant un paramètre de seuil. Puis à l'aide d'algorithmes informatiques, on habille la surface de cette zone d'intérêt par un modèle d'éclairage et d'ombrage. Ainsi l'utilisateur obtient une " représentation 3D " de la zone qui l'intéresse. Ainsi il peut facilement apprécier la face ou les extrémités d'un fœtus.

Le rendu par transparence : (figure 10) la matrice volumique peut être vue en transparence, c'est le mode rayon X où toutes les informations contenues dans le bloc sont réunies en un même plan comme sur un cliché radiologique. En fonction de l'intensité de chaque voxel, on peut attribuer des propriétés de transparence aux différents éléments de la matrice 3D. Ceci permet d'extraire soit les échos les plus denses, permettant ainsi une visualisation des structures osseuses, soit à l'inverse, les zones anéchogènes pour la reconstruction des organes remplis de liquide. C'est le mode qui me semble le moins intéressant puisqu'on obtient des images de moins bonnes qualités que celles obtenues par rayons X.

Le rendu en mode couleur : (figure 11) on peut utiliser les informations doppler obtenues lors du balayage et qui sont inclues dans le volume. Ainsi l'utilisateur peut reconstruire les arbres vasculaires du patient qui sont caractérisés par des valeurs d'intensité ou par leur vélocité.

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