Brevet FR2045853A1 — publié le 19710305

-n- 2045853 La présente invention concerne les transducteurs et, plus particulièrement, un transducteur ultrasonique pour usages médicaux. Dans les techniques utilisant les ultrasons pour les 5 recherch.es biologiques, on dispose de plusieurs types d'unités de recherche. La plupart d'entre elles sont du type que l'on maintient manuellement contre le corps, sont de construction volumineuse et ne.sont pas adaptées à la courbe du corps. Les dispositifs connus ne se prêtent pas pour la plupart 0 à être utilisés avec une manchette pneumatique ou mécanisme similaire pour déterminer au moyen des ultrasons la mesure indirecte des valeurs de la pression sanguine. En "bref, cette technique implique la détection du mouvement de la paroi de toute artère constrictible sous une pression d'occlusion externe, 5 au moyen d'une telle manchette pneumatique, durant la phase de transition rapide de la paroi de l'artère entre les configurations ouverte et fermée. On utilise un transducteur ultrasonique disposé sous la manchette, à proximité immédiate de la surface de la peau, pour transmettre et recevoir l'énergie ultrasonique 0 de l'intérieur d'un membre du corps. Cette technique, permet d'observer la pression sanguine systolique à partir de la pression de la manchette ou de la vessie externe au moment où l'artère initialement occluse commence d'abord à changer momentanément de forme d'une configuration fermée à une configuration ou-5 verte, et on peut observer la pression diastolique à partir de la pression de la manchette ou de la vessie au moment où l'artère cesse d'être occluse durant une partie quelconque du cycle cardiaque. On détermine de préférence de tels changements de position de la paroi artérielle en utilisant une technique ultra-0 sonique Doppler dans laquelle la fréquence de l'onde sonique réfléchie diffère de la fréquence fixe de l'onde émise en proportion de la vitesse d'une surface mobile qui est en l'espèce la paroi artérielle. L'onde sonique réfléchie est ainsi une onde modulée en fréquence selon la vitesse de la paroi artérielle. 5 On a trouvé après une étude considérable qu'il ne suffit pas de placer simplement un transducteur ultrasonique sous la manchette pour obtenir des données pour l'examen du mouvement de la paroi artérielle, du fait que l'extension longitudinale et 70 20346 ~2~ 2045853 latérale ainsi que la grosseur d'une artère, comme l'artère "brachiale du bras humain, varient d'un sujet à l'autre. De plus, la grosseur du diamètre du bras varie â'un sujet a l'autre. L'invention vise à fournir un ensemble transducteur ul-5 trasonique doimant des mesures sûres de la valeur de la pression sanguine pour Une large gamme de variations corporelles, corna e c'est le cas du diamètre du bras. À cette fin, l'invention a pour objet un ensemble ultrasonique comprenant un panneau flexible de circuit imprimé ayant une configuration courbe prédéterminée, 10 c® panneau servant simultanément pour supporter et fournir une connexion, électrique à un réseau d'éléments transducteurs. L'ensemble entier, y compris les lentilles des éléments transducteurs s est isolé électriquement pour empôchar tout transfert de QQiwaat au sujet. D'autres dispositions conformes à la présente "15 intention sont relatives à un agencement de lentilles encastré ©t à une matière céramique de lentille ayant des propriétés physiques similaires à celles des éléments transducteurs. Ces particularités et d'autres caractéristiques de 1'invention apparaîtront à la lumière de la description donnée ci-20 après en référence aux figures des dessins joints sur lesquels î la fig. 1 est une perspective d'un ensemble transducteur; la fig. 2 est une section droite de l'ensemble transducteur selon la ligne 2-2 de la fig. 1 ; la figo 3 est une section droite de l'ensemble transduc-25 teur selon la ligne 3-3 de la fig. "1 ; la fig» 4- est un diagramme de câblage schématique montrait les connexions du panneau de circuit imprimé; la fig. 5 est une vue de dessus de 1'eneemble transducteur après enlèvement du composé de conservation; 30 la fig. 6 est une section droite de l'ensemble transduc teur prise suivant la ligne 6-6 de la fig. 5; la fig. 7 illustre une variante de la portion lentille d'une unité de transducteur; la fig. 7a montre une section droite de la variante sui-35 vant la ligne 7a-7a de la fig. 7\ la fig. 8 est.une perspective d'une autre réalisation d'unité de transducteur; la fig. 9 est une section droite suivant la "ligne 9-9 de la fig. 8; 70 20346 -3- 2045853 la fig. 10 est une vue en plan schématique de l'ensemble transducteur et d'une manchette occlusive appliquée au bras d'un suj et ; la fig. 11 est une section droite schématique suivant la 5 ligne 11-11 de la fig. 10, et la fig. 12 est une section droite longitudinale schématique d'une artère soumise à une pression d'occlusion externe. Les figs. 1 à 3 montrent une réalisation préférée d'un ensemble- transducteur ultrasonique 21 de la présente invention 10 comportant une surface définissant une cavité '22 contenant plusieurs lentilles exposées représentatives d'unités de transducteur 25-29 disposées à intervalles réguliers et aptes à disperser un faisceau guidé d'énergie ultrasonique et à recevoir l'énergie ultrasonique réfléchie, comme cela sera décrit plus com-15 plètement par la suite. L'ensemble transducteur comprend fondamentalement (figs. 2 et 3) un panneau flexible 24 de circuit imprimé supportant les unités ultrasoniques 25-29 qui comprennent chacune un élément transducteur 31» comme un cristal piézoélectrique, au moyen de 20 panneaux individuels 32 de support de transducteur. La lentille 30 de chaque unité de transducteur est fixée au cristal 31• Un composé de conservation flexible ou semi-flexible 33 sert à couvrir ou à encapsuler le panneau de circuit imprimé et les unités de transducteur ultrasonique, comme représenté, à l'ex-25 ception des lentilles 30 qui restent exposées. La surface de dessus plane définie par le composé de conservation est à fleur des surfaces supérieures des lentilles 30. Un câble 34- est relié électriquement à l'ensemble transducteur pour fournir l'énergie électrique et/ou extraire l'énergie électrique des cristaux 31• 30 La fig. 3 montre la configuration courbe normale prédé terminée donnée à l'ensemble transducteur, avant montage du cristal, afin d'assurer la flexion minimale à l'ensemble pour l'utilisation sur une portion courbe d'une surface corporelle. L'absence d'une telle configuration obligerait, lors de l'appli-35 cation avec pression de l'ensemble transducteur au corps, que cet ensemble passe d'une forme plate à une forme courbe pour épouser la courbure de la surface du corps à laquelle il est appliqué, modifiant sensiblement de ce fait la place des unités de 70 20346 -4- 2045853 transducteur 25-29 et altérant le diagramme de transfert d'énergie effectif* réduisant ainsi la sécurité de fonctionnement de l'ensemble en tant que dispositif d'entrée vers un système particulier quelconque. 5 La fig. 3 illustre aussi une série d'ouvertures ou d'é- videments 35 ménagés dans le composé de conservation entre les uni tés de transducteur. Un tel agencement physique sert à trois fins : réduire le court-circuit électronique, minimiser la contrainte sur la liaison entre les lentilles 30 et le composé de 10 conservation, et permettre aux espaces 35 ainsi qu'à la cavité 22 de retenir une pâte de couplage ultrasonique, pâte qui est utilisée normalement comme milieu intermédiaire quand l'énergie ultrasonique est appliquée à ou provient d'un sujet. Un schéma schématique du circuit de l'ensemble transduc-15 teur est représenté sur la fig. 4, dans laquelle un câble 34, comprenant une paire de fils blindés individuellement 36, 37» ou un seul câble coaxial (masse commune) est relié électriquement au panneau de circuit imprimé 24 ayant un dessin de circuit subdivisé sur chacune des portions avant et arrière 24* et 24" du 20 panneau. Sur la face avant 24* du panneau, les places des crie -taux récepteur et émetteur sont par coBuaoàité désignées respectivement ,par R et S. Sur la face avant 24* sont aussi formées des lignes 38 et 39 cle signal de potentiel auxquelles sont ren -pectivement reliés en série les cristaux récepteurs (E) des uiii.-25 tés de transducteur 25, 27 et 29, et les cristaux émetteurs ('!') des unités de transducteur 26, 28. Le dessin subdivisé est tel que les cristaux récepteurs et émetteurs sont séparés, ayant respectivement des lignes 41 et 43 de signaux de retour à la masbu, ou à masse commune, situées de chaque côté du panneau de circuit. 30 Les lignes de signal de masse 41 sont reliées de chaque côté par un conducteur 42 tandis que les lignes de signal de masse 43 sont reliées de chaque côté par un conducteur 44. Le fil de cable 3€>ést attaché à la ligne "chaude" de récepteur 38 tandis que son blindage est relié à la ligne de masse associée 41; a..-35 façon similaire, le fil de câble 37 est attaché à la ligne "chaude" d'émetteur 39 tandis que son blindage est relié à la ligne de masse associée 43. Bien que l'on ait montré des unités séparées d'émission. 70 20346 -5- 2045853 et de réception dans une variante le long d'un axe longitudinal de la présente réalisation, on comprendra qu'il pourrait être opportun d'avoir des uni tés communes d'émission et de réception. Dans un tel cas, bien entendu, il suffit d'une seule ligne 5 "chaude" de potentiel sur la surface du panneau de circuit» Les figs 5 et 6 sont des vues de l'ensemble transducteur, abstraction faite du composé de conservation par encapsulage 33, dans lesquelles les lignes "chaudes" 58, 39 du récepteur et de l'émetteur sont "blindées par des éléments des "blindage fiï r*«-10 pectifs 45 et 45, comprenant chacun une couche d'isolation 47, telle du verre fibreux, habillée d'un revêtement de cuivre 48. Les éléments de blindage BF sont fixés par un agent de liaison 49 au panneau de circuit imprimé et sont représentés en recouvrement des lignes de masse adjacentes 41, 43. Le blindage RF 45 15 est mis à la masse à la ligne de masse 41 par une bande conductrice 51 tandis que de façon similaire Le blindage EF 46 est mis à la masse par une bande conductrice 52 à la ligne de masse 43. Le panneau de circuit imprimé est f ondamentalement un élément flexible non conducteur 53 fabriqué en verre fibreux ou 20 en une autre matière appropriée, et revêtu sur chaque côté d'une couche mince de matière conductrice comme le cuivre. Comme on peut le remarquer, ce panneau permet d'obtenir un bon contact électrique avec le cristal, même pour une flexion notable du panneau, ce qui améliore sa sécurité de fonctionnement. Avant de 25 monter les transducteurs, on applique des efforts mécaniques prédéterminés^our mettre le panneau en forme afin d'altérer le cuivre attaché à chacun de ses côtés, permettant au panneau de présenter normalement une configuration précourbée» Le composé de conservation 33, quand il est appliqué, aide à maintenir cette 30 configuration. Chaque unité de transducteur précédemment discutée est construite de façon similaire avec un cristal piézoélectrique tel que du titanate ou du zirconate de cuivre, ayant la résonance de fréquence désirée. Le cristal est plaqué sur chaque côté (non 35 représenté) d'un dépôt fin d'argent pour constituer un contact électrique avec les émetteurs et la masse électrique. La sous-face du cristal 31 est liée à un panneau 32 de doublage ou de support de transducteur pour assurer la protection du cristal 70 20346 -6- 2045853 contre toute possibilité de court-circuit électrique. Pour cette raison,, le panneau de support de transducteur est fait d'une matière non-conductrice comme le verre fibreux, sa sous-face métal lisée par une couche mince permettant au panneau de support d'-5 être soudé facilement au panneau de circuit imprimé. Le type de lentilles choisi pour être utilisé avec 1* cristal s'avère jouer un rôle important dans le fonctionnement général de l'ensemble transducteure La matière de lentille choisie doit être telle quelle ait des caractéristiques physiques 10 similaires à celles du cristal (matières piézoélectriques) pour réduire les effets de la tension et de la coafcrainte extérieur® y compris la dilatation thermique, qu'elle ait une vitesse ultra sonique élevée pour maintenir une déviation de faisceau appropri êe du cristal, et qu'elle agisse comme un bon isolant électrique 15 Le besoin d'une dilatation, thermique relativement semblable est nécessaire pour empêcher un effort excessif sur le cristal lorsque la température varie, e.n sorte qu'une bonne liaison soit Maintenue entre les deux éléments» Une vitesse ultrasonique élevée dans la lentille par rapport au tissu corporel procure la 20 diffusion de faisceau maximale désirée à l'interface de la lentille avec le tissu corporel. Après une recherche intensive, des lentilles de matière céramique et de verre se sont avérées remplir le mieux les fonctions désirées, l'alumine (A^Oj) s'est par exemple montrée très -désirable. Les avantages des lentilles 25 du type alumine sont notamment qu'elles sont résistantes mécaniquement, capables- d'être métallisées et chimiquement inertes en sorte qu'elles ne sont pas susceptibles aux gels de couplage ultrasonique, aux alcools ou aux agents de nettoyage similaire. I3ensemble global de transducteur, quand on l'applique 30 autour d'un bras et qu'on l'excite, diffuse un faisceau d'énergi ultrasonique en forme de pic comme on l'expliquera plus en détails ci-après.. Une configuration de lentille choisie pour atteindre ce but peut être le mieux observée sur les figs. 1, 3 et 5 s 70 20346 -7- 2045853 soniques plats est d'engendrer un faisceau ultrasonique collima-té et puisque les lentilles ont une surface plate ou concave en longueur, la dispersion de l'énergie ultrasonique dans des directions perpendiculaire^ l'axe longitudinal de l'ensemble 5 transducteur est limitée à une section étroite du "bras. Une autre configuration de lentille spécialement conçue à cette fin est représentée sur les figs. 7 et 7a qui montrent des courbes convexes et concaves à l'intérieur d'une face enfoncée 54 d'une lentille. Un avantage de cette dernière réalisation 10 est de rétrécir encore davantage vers le bas l'énergie ultrasonique, suivant la longueur, en sorte que la largeur du faisceau ultrasonique tombant sur l'artère est réduit avec une concentration d'énergie accrue permettant une lecture plus précise du mouvement.artéri el. 15 Une variante de montage du cristal avec la lentille est illustrée sur les figs. 8 et 9 où la lentille électriquement non-conductrice 55 est pourvue d'une cavité rectangulaire 56 sur son côté arrière. La lentille 55 sert à loger le cristal 57 qui est enfoncé à l'intérieur du logement, lui permettant d'être es-20 pacé du panneau de circuit par tin élément isolant 58 tel qu'une matière silicone, une matière époxy ou autre matière appropriée. La surface périphérique autour du bord de dessous 59 du logement est soudée au panneau de circuit imprimé 24. Le contact électrique du cristal 57 avec le circuit du panneau est obtenu par 25 des rubans conducteurs 61 s'étendant à travers des ouvertures 62 du panneau de circuit imprimé et reliés au potentiel positif du circuit. Les figs. 10 et 11 illustrent la façon dont l'ensemble transducteur est utilisé en combinaison avec une manchette pneu-30 matique gonflable 63 (représentée en traits pointillés) placée autour d'un bras 64 pour la mise en oeuvre d'une technique ultrasonique pour mesurer des valeurs de pression sanguine. Comme déjà noté, cette technique implique l'utilisation de l'effet Doppler pour détecter le mouvement de paroi d'une artère, comme 35 l'artère brachiale, constrictible sous une pression d'occlusion externe durant la phase de transition rapide de la paroi artérielle entre les configurations ouverte et fermée. Ce mouvement d'ouverture et de fermeture se produit dans cette partie du bras 70 2Ô346 -8- 2045853 soumise à la manchette pneumatique. En conséquence, l'ensemble transducteur 21 à courbure prédéterminée est disposé entre la manchette et le bras, de façon que sa dimension longitudinale .soit logée autour du bras pour entourer partiellement sa circon-5 férence extérieure. Par suite de la configuration courbe prédéterminée et de la flexibilité du panneau de support du circuit imprimé, l'ensemble transducteur se conforme facilement avec une flexion mini maie à la surface arquée du bras autour duquel il est placé, 10 avec le minimum d'effort entre le panneau de circuit imprimé et les unités de transducteur ou la matière isolante de conservation liée, augmentant ainsi la sécurité de fonctionnement de l'unité comme un tout. La flexibilité du panneau de circuit imprimé permet des changements de sa courbure suivant la grosseur 15 du bras sur lequel il est monté. De plus, du fait que l'on évite la formation d'une protubérance en confinant les unités de trana ducteur à l'intérieur d'une cavité ou d'une poche 22 de l'ensemble transducteur, les propriétés occlusives de la manchette ne sont pas sensiblement affectées. En mime temps, la poche re-20 tient un gel de couplage ultrasonique inséré dans la poche poux maintenir un bon contact avec le bras, supprimant toute inquiétude quant au risque d'expulsion du gel vers l'extérieur lors de l'application de la pression de manchette* En guise de mesure de sécurité, le côté supérieur du 25 cristal est isolé du patient par la lentille céramique qui peut comprendre la configuration de logement spéciale représentée sur les figs. 8 et 9» le reste de l'ensemble transducteur étant conservé dans le produit de conservation non conducteur, assurant que les composants électriques ne peuvent pas venir en contact . 30 avec le patient. Le panneau support protège aussi la sous-face du cristal d'un court-circuit électrique. Le fonctionnement doi*ensemble transducteur sera décrit maintenant. En service, on applique l'ensemble transducteur autour 35 du bras sous une manchette pneumatique 63, comme cela est représenté sur les figs. 10 et 11. Lorsque l'on augmente la pression à l'intérieur de la manchette, il ne se produit qu'une flexion minimale de l'ensemble transducteur, quelle que soit la grosseur 70 20346 -9- 2045853 du bras et ceci pour une large gamme de grosseurs de braB, du fait de la configuration courbe prédéterminée initiale de l'ensemble. En excitant les cristaux 31 des unités d'émission 26 et 5 28 par une source oscillante appropriée au moyen du câble 34, on engendre une énergie ultrasonique qui est guidée par les lentilles 30 pour irradier dans le bras un faisceau de type prédéterminé, comme illustré sur les figs. 10 et 11, lequel est étroit en 65 le long d'un premier plan et étalé en 66 le long d'un se-10 cond plan perpendiculaire au premier. Avec une telle configuration de faisceau, il est probable qu'avec un placement initial de l'ensemble transducteur sur le bras, le faisceau couvrira facilement l'artère, réduisant de ce fait le caractère critique de l'emplacement du transducteur. L'espacement entre les uni tés 15 individuelles de transducteur 25-29 est choisi d'après l'étendue de faisceau disponible pour assurer un recouvrement de faisceau approprié près de la surface des lentilles. Les réflexions de l'énergie ultrasonique illuminant l'artère sont alors détectées par les unités réceptrices 25, 27 et 29. 20 L'avantage de la configuration de faisceau étroite peut être facilement compris en référence à la fig. 12 qui montre que cette disposition réduit l'erreur en détectant le mouvement de l'artère depuis la paroi occluse partiellement 67 par opposition à la portion occluse 68 qui se déplace à une vitesse relative-25 ment grande, permettant ainsi de détecter davantage de signaux Doppler distincts. Bien entendu, on comprendra que le nombre des unités de transducteur à mettre en oeuvre dépend de la grosseur relative des cristaux et de la surface du bras à couvrir. Dans le cas 30 particulier discuté ci-dessus, on trouve qu'un recouvrement minimal de trois quarts de l'air interne d'un bras moyen est tout à fait satisfaisant. 70 20346 -10- 2045853 - REVENDICATIONS - 1 - Ensemble transducteur ultrasonique. pour usage sur un corps humain ou animal, caractérisé en ce qu'il.comprend : un moyen de circuit imprimé qui,est élastique autour d'un axe trans- 5 versai et s'étend longitudinalement pour définir un axe longitudinal perpendiculaire à l'axe transversal, ce moyen de circuit imprimé étant formé pour présenter normalement une configuration courbe afin de minimiser la flexion de l'ensemble transducteur pour des surfaces corporelles de formes variées; plusieurs mo-10 yens transducteurs ultrasoniques, et des moyens pour relier électriquement et supporter chacun des moyens transducteurs sur le moyen de circuit imprimé en relation d'espacement lé long de son axe longitudinal. 2 - Ensemble transducteur selon la revendication 1, ca-15 ractérisé en ce que chacun des moyens transducteurs ultrasoni- ques comprend un élément transducteur ultrasonique et line lentille distincte isolée électriquement fixée à l'élément transducteur. 3 - Ensemble transducteur selon la revendication 2, ca-20 ractérisé en ce que le moyen de circuit imprimé comprend un composé d'isolation électrique flexible pour conserver le moyen de circuit imprimé et les éléments transducteurs ultrasoniques, et une cavité allongée définie par ledit composé et dans laquelle sont exposées les lentilles. 25 4- - Ensemble transducteur selon la revendication 3, ca ractérisé en ce que ledit composé forme une surface de dessus plane autour de la cavité et en ce que la surface supérieure des lentilles est sensiblement à fleur de cette surface plane. 5 - Ensemble transducteur selon la revendication 2, ca-' 30 ractérisé en ce que l'élément ultrasonique est une matière piézoélectrique et en ce que la lentille est en céramique de dilatation semblable à celle de l'élément ultrasonique concerné et de vitesse ultrasonique relativement élevée par rapport au tissu corporel. 35 6 - Ensemble transducteur selon la revendication 5» ca ractérisé en ce que la-céramique est en alumine (A^O^). 7 - Ensemble transducteur selon la revendication 5 ou 6, 70 20346 -11- 2045853 caractérisé en ce que la lentille céramique définit un logement ayant une ouverture dans laquelle est contenu l'élément ultrasonique. 8 - Ensemble ultrasonique selon la revendication 3, ca-5 ractérisé en ce que les moyens transducteurs comprennent des moyens d'isolation électrique liés au moyen de circuit imprimé pour supporter l'élément transducteur. 9 - Ensemble transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille a une forme convexe autour d'un 10 axe parallèle audit axe transversal et une forme concave autour d'un axe parallèle audit axe longitudinal.