Brevet FR2168538A1 — publié le 19730831

L'invention concerne un transducteur focalisé à ultrasons comportant un dispositif d'exploitation pour des signaux ultrasonores, provenant de parties déterminées d'un corps, et des moyens pour modifier la distance du foyer. Les transducteurs ultrasons de ce type sont utilisés par exemple en médecine pour la représentation de parois limites. Ils sont utilisés pour la réception d'un signal (écho) réfléchi par une paroi limite et détectent le temps de transit du signal respectivement reçu. Il est possible de déduire de ce temps de transit la position de parois limites ainsi que la position d'organes ou de parties du corps. Dans ce but, on connaît un dispositif dans lequel le transducteur à ultrasons possède une faible courbure et un foyer qui n'est pas nettement caractérisé. La caractérisation relativement peu accusée du foyer est nécessaire afin que le pouvoir de résolution ne décroisse pas trop fortement près des limites de la zone de profondeur d'exploration désirée. Une augmentation du pouvoir de résolution à proximité du foyer est possible lorsque ce dernier est plus nettement caractérisé. Mais dans ce cas le domaine d'exploration est plus étroit, ctest-à-dire que des signaux, qui sont réfléchis par des zones dont la distance au foyer dépasse une valeur déterminée, sont bien moins détectés et sont représentés avec un flou plus important.La caractérisation nette du foyer est donc choisie dans l'état de la technique de manière que le pouvoir de résolution en tout point du domaine d'exploration désiré soit encore situé à l'intérieur de limites prédéterminées, nécessaires pour une réception parfaite. Un transducteur focalisé à ultrasons peut également être utilisé pour la détermination de vitesses d'écoulement par exemple de la vitesse du flux sanguin dans un vaisseau sanguin, lorsque le décalage de fréquence apparaissant par suite de l'effet Doppler entre la fréquence émise et la fréquence reçue des impulsions ultrasonores est utilisé comme mesure de la vitesse d'écoulement du sang. Dans ce cas également on souhaite que le foyer du récepteur à ultrasons soit situé dans la zone, devant etre explorée, du corps réfléchissant les ondes ultrasonores. Afin que#diffé- rentes zones du corps puissent être explorées de cette façon, il est souhaitable que la distance du foyer, c'est-à-dire la distance du foyer au transducteur à ultrasons, puisse être modifiée. Pour modifier la distance du foyer d'un transducteur à ultrasons il est en principe possible d'utiliser une lentille acoustique connue, dont la distance focale peut être modifiée par exemple en faisant varier la pression d'un liquide remplissant ladite lentille. Cependant l'inconvénient réside dans le fait que la modification de la distance focale n'est pas possible avec une vitesse nécessaire pour tous les cas d'utilisation, et qu'il peut apparaitre #ur de telles lentilles des réflexions multiples qui faussent le résultat de l'examen. L'invention a pour but de créer un transducteur focalisé à ultrasons du type indiqué plus haut, dans lequel la distance du foyer peut Qtre modifiée rapidement d'une façon simple et dans lequel les moyens prévus pour modifier la position du foyer n'influencent pas les signaux reçus. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un nombre, correspondant au pouvoir de résolution désiré, d'éléments transducteurs disposés les uns à c8te des autres dans l'espace, pour les signaux ultrasonores,et qui sont raccordés au dispositif d'exploitation des signaux par l'intermédiaire d' organes à temps de transit pouvant etre commandés, et à l'aide d'un dispositif de commande pour les organes à temps de transit, au moyen duquel les signaux de sortie des éléments transducteurs peuvent être retardés dans le but d'obtenir la distance désirée pour le foyer.Selon l'objet de l'invention, à l'opposé de l'état de la technique, non seulement ce n'est pas un élément transducteur unique qui est prévu pour les signaux ultrasonores, mais au contraire un grand nombre de tels éléments transducteurs. Gracie à un retard approprié des signaux de sortie de ces éléments transduc Leurs il est possible de régler la distance du foyer. En réalisant une modification continue ou par paliers de ce retard il est possible d'obtenir également un déplacement du foyer pendant la réception. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 représente une installation dlémis- sion et de réception d'ultrasons comportant un transducteur à ultrasons conforme à l'invention. Les figures 2 à 4 représentent des vues à plusgalde échile iséIements transducteurs à ultrasons de l'installation représentée en figure 1. L'installation représentée en figure 1 comporte des éléments transducteurs à ultrasons 1 à 5, parmi lesquels les éléments transducteurs 1 à 4 sont disposés sur une calotte sphériquescus forme d'anneanKconcentriquqi tandis que l'élément transducteur 5 est situé au centre de cette calotte sphérique. Les éléments transducteurs 1 à 5 sont utilisés pour l'émission et la réception d'impulsions ultrasonores. Pour produire les impulsions ultrasonores, on utilise un émetteur 6 qui est accouplé par llin- termédiaire de transformateurs 7 à 11 d'impulsions d'émission aux éléments transducteurs 1 à 5 et est commandé par un générateur central 12 de cadence. Les éléments transducteurs 1 à 5 sont raccordés à des organes 13 à 17 à temps de transit; dont les sorties sont reliées à l'entrée d'un dispositif 18 d'exploitation des signaux.Ce dispositif 18 est commandé par le générateur 12 de cadence par l'intermédiaire d'un dispositif 19 d'équilibrage d'affaiblissement. L'installation représentée en figure 1 fonctionne suivant le procédé de réflexion d'impulsions. Le générateur 12 de cadence a pour effet que tous les transducteurs 1 à 5 émettent d'abord simultanément une impulsion d'émission ultrasonore qui est produite par ltémetteur 6. Cette impulsion d'émission ultrasonore traverse le corps devant être examiné et est réfléchie partiellement sur chaque paroi limite. A la fin de l'impulsion d'émission ultrasonore, le générateur 12 de cadence provoque le débranchement de llemet- teur 6 et la commutation sur la réception. Les meilleurs résultats de réception sont obtenus lorsque, dans le cas où une impulsion ultrasonore réfléchie par une paroi limite arrive sur les éléments transducteurs 1 à 5, le foyer de l'antEnne 20 à ultrasons, comportant les éléments transducteurs 1 à 5, est situé sur la paroi limite qui a réfléchi cette impulsion. Par conséquent lorsqu'un corps comportant plusieurs parois limites situées les unes der rière les autres doit entre examiné, la sensibilité la plus élevée de réception et le pouvoir de résolution maximal sont obtenus lorsque le foyer est déplacé en fonction de l'incidence des im pulsions ultrasonores réfléchies, clest-à-dire lorsque la distance du foyer est modifiée de façon correspondante. Une modification de la distance du foyer est possible dans le cas de l'exemple de réalisation présenté gracie au fait que les organes 13 à 17 å temps de transit sont influencés de façon correspondante par le dispositif de commande 21 en fonction de la modification désirée de la distance du foyer. Le dispositif de commande 21 est branché par le générateur 12 de cadence, par l'intermédiaire d'un dispositif de retardement 22, à la fin d'une impulsion d'émIssion ultrasonore et modifie les temps de transit des organes 13 à 17 à temps de transit pendant la réception de manière que le foyer se déplace depuis une position initiale 23, qui correspond à la première paroi limite de l'objet examiné ou de la surface examinée de la peau du patient, jusque une position finale 24 qui est déterminée par la forme géométrique de l'antenne 20 à ultrasons.Le foyer atteint la position finale 24 lorsque la dernière des impulsions ultrasonores réfléchie atteint l'antenne 20. Etant donné que chaque impulsion ultrasonore reçue parcourt deux fois le chemin entre -l-'antenne 20 et la paroi limite correspondante, le foyer doit être déplacé avec une vitesse égale à la moitié de la vitesse du son depuis sa position 23 jusque dans sa position 24 de manière qu'il s'approche toujours d'une paroi limite lorsque l'impulsion ultrasonore réfléchie par cette paroi limite atteint l'antenne 20. Dans ce cas on obtient la sensibilité et le pouvoir de résolution maxima. Lorsque la vitesse de déplacement du foyer s'écarte de la moitié de la vitesse du son dans le corps devant etre examiné, seule une partie des impulsions ultrasonores réfléchies est reçue avec la sensibilité maximale.Il en résulte que, lorsque le dispositif 18 d'exploitation des signaux a* par exemple un appareil de visualisation, on obvient une image nette d'une partie des parois limites et une image floue de l'autre partie de ces parois. Par rapport à une installation connue pour examiner un corps au moyen des ultrasons, dans laquelle on effectue la réception des impulsions ultrasonores réfléchies sur les parois limites, et on réalise à partir de là une image du corps traversé par le rayonnement sur un appareil de visualisation, et dans laquelle l'antenne à ultrasons possède un foyer fixe caractérisé seulement d'une façon peu précise et dont la réalisation dépend de la zone du corps devant entre examiné, l'installation conforme à la figure 1 offre les avantages suivants Le pouvoir de résolution est sensiblement amélioré dans les deux directions perpendiculaires au rayonnement central étant donnéqutii se produit une focalisation sensiblement plus fine dans les zones explorées à cause du foyer mobile caractérisé de façon fine. Gracie à cette focalisation fine accouplée, les signaux parasites et les réflexions multiples sont supprimés dans une large mesure. La profondeur de pénétration est accrue par rapport à l'état de la technique, en particulier lorsque le foyer déterminé : du point géométrique cotncîde avec la profondeur maximale devant être représentée. Les impulsions ultrasonores réfléchies sont captées à l'intérieur d'un angle solide plus important.Des positions obliques des surfaces réfléchissantes balayées par rapport u rayon central de l'antenne à ultrasons ne jouent pratiquement aucun rle. L'installation représentée en figure 1 permet de former une image du corps, traversé par le rayonnement, avec un traitement instantané des données fonctionnement on-line ) étant donné qu'il n'est pas nécessaire de réaliser un traitement ultérieur des signaux. L'installation est donc insensible aux phénomènes de mouvements internes du corps. Suivant l'état de la technique, les échos ne sont exploités que du point de vue de leur direction et de leur temps de transit Par conséquent des échos parasites, qui apparaissent par suite de réflexions rmltiples dans la caractéristique de réception de l'antenne t ultrasons, sont également indiqués. Dans l'installation conforme S la figure 1, une telle indication ne se produit pas étant donné que le foyer de l'antenne se déplace en fonction de l'arrivée des échos utiles sur l'antenne.A cause de l'angle solide relatiioment important, à l'intérieur duquel une émission et une exploitation des impulsions ultrasonores réfléchies (échos) sont réalisées; il est possible de détecter également des surfaces limitEs qu sont situées derrière des objets qui affaiblissent relativement Cortoment le son > par exemple des nervures. L'antenne 20 de la figure 1 est constituée de manière que la position .t4 du foyer, qui correspond au foyer géométrique, est égale à la profondeur maximale de pénétration. On obtient entre autres de ce fait que l'accroissement du foyer de réception avec la profondeur est compensé par la réduction du diamètre de l'tmpulsion d'émission. Le poul7oJr de résolution est par conséquent approximativement constant dans l'ensemble de la zone de formation d'image. En modifiant les temps de transit des organes 13 à 17 à temps transit on obient le déplacement du foyer jusque dans sa position finale 24 avec une vitesse égale à la moitié de la vitesse du son. entant donné que la densité deénergie de l'impulsion d'émission augmente également par suite de la focalisation importante lorsque la profondeur augmente, une partie de l'affaiblissementdes ondes ultrasonores est déjà compensée dans le corps traversé par le rayonnement.La compensation résiduelle s'effectue de façon connue par une augmentation non linéaire de l'amplification dans le dispositif 18 d'exploitation des impulsions en fonction du déplacement du foyer, par l'intermédiaire du dispositif 19 d'équilibrage d'affaiblissement. Les temps de transit des organes 13 à 17 à temps de transit doivent pouvoir être modifiés de façon non échelonnée pour réaliser le déplacement du foyer dé l'antenne à ultrasons 20. Dans la pratique il suffit que la modification de ces temps tamr sit s'effectue suivant des paliers suffisamment petits. Le nombre de ces paliers est choisi en fonction du pouvoir de résolution désiré. Si le foyer de l'antenne à ultrasons 20 comme cela a été décrit, est toujours situé sur une paroi limite lorsqu'une impulsion ultrasonore réfléchie sur cette paroi atteint l'antenne 20, la sensibilité de cette antenne à ultrasons 20 est très grande et l'image formée des zones voisines de la paroi limite détectée de façon précise n'est que très mauvaise. Afin que des zones voisines soient également détectées, il peut être approprié de modifier le pouvoir de résolution par des moyens électroniques en prévoyant une possibilité de réglage de la distance séparant le foyer de l'antenne à ultrasons 20 de la position des paroi#s limites qui correspondent aux signaux ultrasonores arrivant à l'antenne à ultrasons 20. Cela peut ebtre avantageux par exemple dans le cas de la recherche orientée de parois limites déterminée. Sur les figures 2 et 3 on a représenté d'une façon plus précise l'antenne à ultrasons 20 de la figure 1. La fi- gure 2 montre une élévation latérale de la partie de l'antenne à ultrasons 20 comportant les transducteurs, vue du cOté convexe, tandisquelafigure 3 représente une coupe longitudinale de ladite antenne 20. Les éléments transducteurs 1 à 5 sont placés suivant une disposition annulaire sur la face convexe de l'antenne à ultrasons 20 en forme de calotte. Ces transducteurs sont constitués par un matériau piézoélectrique qui est relié à un corps 21 réalisant un affaiblissement. Sur la figure 2 on a représenté uniquement les deux éléments transducteurs 1 et 2. Les autres éléments transducteurs 3 à 5 sont disposés concentriquement par rapport aux éléments transducteurs 1 et 2.Les références 31 à 35 désignent les électrodes flectriquement actives de l'antenne à ultrasons 20. Deux transducteurs voisins quelconques sont séparés par un espace intercalaire. Les espaces intercalaires sont remplis par un matériau isolant du point de vue électrique et acoustique. Pour cela on peut utiliser le matériau du corps réalisant l1affai- blissement. L'électrode commune de masse 25 de l'antenne à ultrasons 20 est disposée sur la face concave des transducteurs 1 à 5. Dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 4 il est prévu un corps transducteur 26 en forme de calotte sphérique, sur la face arrière duquel les électrodes actives 31 à 35 sont disposées sous la forme d'anneawcconcentriques. Le corps 21 qui réalise l'affaiblissement, permet de réduire l'influence réciproque des anneaux concentriques. Selon le cas il est judicieux de prévoir dans les parties intercalaires subsistant entre les anneaux, des rainures pour réaliser une meilleure séparation desdits anneaux et de remplir ces rainures avec le matériau d1affai- blissement, comme cela est représenté en figure 4. L'objet de l'invention a été décrit en liaison avec les figures 1 à 4 en référence au procédé de réflexion d'impulsions pour l'examen de corps à l'aide des ultrasons. Mais l'objet de l'invention peut toujours également être utilisé dans le cas où une focalisation du transducteur à ultrasons doit être réalisée et/ou la distance du foyer c'est-à-dire la distance du foyer -à- l'antenne à ultrasons, doit être modifiée.L'objet de l'invention peut être utilisé par exemple également pour la détermination de vitesses d'écoulement de fluide en déplacement à l'aide du décalage de fréquence apparaissant par suite de l'effet Doppler, lorsque l'antenne à ultrasons doit être adaptée à diffé rentes conditions, c'est-à-diredà différentes distances des vaisseaux dans lesquels les liquides circulent à l'intérieur du corps, par rapport à l'antenne à ultrasons. L'utilisation du dispositif selon l'invention est également possible en médecine pour l'examen de patients, et également dans d'autres domaines, par exemple pour l'essai non destructif de matériaux ou dans des études sur la propagation du son dans les milieux sous-marins. Dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 1 il est possible de supprimer également l'organe 13 à temps de transit étant donné qu'un retard échelonné des signaux de sortie, délivré par les transducteurs 2 à 5, par rapport aux signaux, qui sont produits par le transducteur 1 situé à la périphérie de la calotte sphérique, est suffisant. REVENDICATIONS 1. Transducteur focalisé à ultrasons comportant un dispositif d'exploitation des signaux ultrasonores, émis par des endroits déterminés d'un corps, et des moyens pour modifier la distance du foyer, caractérisé par le fait qu'il comporte un nombre, correspondant au pouvoir de résolution désiré, d'éléments transducteurs ( 1 à 5) disposés les uns à cOté des autres dans l'espace, qui sont raccordés par l'intermédiaire d'organes à temps de transit (13 à 17\susceptibles d'être commandés, au dispositif (18) d'exploitation des signaux, et un dispositif de commande (214 pour les organes-à temps de ta 9 à 178, à l'aide desquels les signaux de sortie des éléments transducteurs (1 à 5) peuvent être retardés en vue d'obtenir la distance désirée pour le foyer. 2. Transducteur à ultrasons suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments transducteurs (1 à 5) sont disposés sur une calotte sphérique dont le rayon de courbure correspond à la profondeur de pénétration maximale du transducteur à ultrasons. 3. Transducteur à ultrasons suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les éléments transducteurs (1 à 5) sont disposés sur 1n calotte sphérique sous la forme d'anneaux concentriques. 4. Transducteur à ultrasons suivant la revendication , comportant des cellules piézoélectriques servant d'éléments transducteurs, caractérisé-par le fait qu'une électrode commune de masse (25) est disposée sur la face concave des éléments transducteurs (1 à 5", disposés sur la calotte sphérique, et que des électrodes électriquement actives (31 à 35) sont disposées sur la face convexe desdits éléments transducteurs. 5. Transducteur à ultrasons suivant la revendica tion4, caractérisé par le fait qu'entre les électrodes actives et dans un corps de transducteur (26),constituant les éléments transducteurs (1 à 5), sont ménagées des rainures qui sont remplies par un matériau isolant du point de vue électrique et acoustique. 6. Transducteur à ultrasons suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, prévu pour explorer un corps suivant le procédé de réflexion d'impulsions, caractérisé par le fait que le dispositif de commande (21; réalise pendant la réception des échos correspondants à une impulsion d'émission, une modification telle du retard des signaux de sortie des éléments transducteurs (1 à 5~, que la distance du foyer se rapproche de la valeur maximale, correspondant à la profondeur maximale de pénétration, avec une vitesse égale à approximativement la moitié de la vitesse du son. 7. Transducteur à ultrasons suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les temps de transit des organes à temps de transit (13 à 17' peuvent etre modifiés par paliers par le dispositif de commande (2L:, le nombre des paliers étant choisi en fonction du pouvoir de résolution désiré. 8. Transducteurs à ultrasons suivant l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'une distance réglable est prévue entre le foyer et la position des surfaces située dans le corps et qui sont associées aux signaux ultrasonores arrivant dans le transducteur.