Brevet FR2323366A1 — publié le 19770408

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de visualisation vasculaire par ultra-sons, utilisant l'effet Doppler. La visualisation par ultra-sons des vaisseaux sanguins et de leurs anomalies (obstructions et occlusions notamment) présente un grand intérêt médical, du fait du caractère non traumatisant des techniques ultra-sonores. Il existe déjà de nombreux appareils commerciaux ou prototypes de visualisation vasculaire ultra-sonore transcutane, fonctionnant en ondes continues ou par impulsions. Ces appareils présentent des caractéris tiaues communes : un transducteur placé contre la peau émet des ultra-sons à fréquence déterminée. Les globules rouges en circulation réfléchissent lténergie ultra-sonore avec un décalage de fréquence.Ce décalage, qui constitue l'effet Doppler, est détecté pour divers temps de parcours et permet de localiser le vaisseau et éventuellement de mesurer la vitesse d'écoulement du sang et le diamètre effectif du vaisseau. Malheureusement, les procédés mis en oeuvre par les appareils actuels, qu'ils soient continus ou pulsés, présentent divers inconvénients. En particulier, la faible valeur du rapport signal/bruit et le fait que la vitesse de circulation dans un vaisseau, et notamment dans une artère, est variable dans le temps, ce qui se traduit par un signal Doppler également variable en un point d'observation donné, ne permettent d'obtenir des résultats exploitables qu'en temps différé, par accumulation d'un grand nombre de mesures. On a tenté d'écarter cet inconvénient en réalisant des appareils comportant un nombre de voies de mesure égal au nombre de points d'observation envisagé (points alignés dans la direction d'émission du transducteur d'ultra-sons et correspondant è des temps de parcours différents). Mais on arrive alors à un appareil extrêmement complexe et coûteux. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils fournissent une résolution élevée tout en permettant d'opérer pratiquement en temps réel et en n'exigeant aucun matériel relativement simple. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on émet des trains d'ondes ultra-sonores cohérentes à fréquence de répétition déterminée et on mélange le signal réfléchi avec un signal de référence à la fréquence des ultra-sons émis pour faire apparaitre un signal Doppler auton détecte pour divers temps de parcours des ultra-sons, caractérisé en ce qu'on soumet le signal Doppler à une détection à large bande, en ce qu'on soustrait, du signal détecté correspondant à chaque train émis, le signal détecté correspondant au train précédent, et en ce qu'on détermine le nombre de passages par unité de temps du signal de soustraction au-dessus d'un seuil déterminé, pour chacun desdits temps de parcours. Ce procédé ne permet pas de déterminer la vitesse d'écoulement, mais seulement la présence ou non d'un écoulement. Mais, en fait, dans la plupart des cas, ce renseignement est suffisant, étant donné qu'il permet de déceler les rétrécissements des vaisseaux. Le procédé peut être mis en oeuvre par des techniques analogiques ou numériques, la seconde solution semblant mieux se prêter à l'obtention d'une résolution élevée, comme on le verra plus loin La visualisation et l'affichage peuvent s'effectuer de façon classique, par exemple sur l'écran d'un oscillographe à mémoire, en faisant correspondre à chaaue temps de parcours une déflexion correspondante en X et en commandant le Wehnelt pour faire apparaître un point brillant chaque fois que le nombre de passages par unité de temps au-dessus du seuil dépasse une valeur déterminée. En déplaçant le transducteur sur la peau le long du vaisseau et en reproduisant ses déplacements sur l'écran de l'oscillographe, suivant la direction Y, on peut obtenir une visualisation directement exploitable, avec un temps d'examen très bref. Pour mettre en oeuvre ce procédé, on peut notamment utiliser un dispositif comportant : un générateur pulsé émettant des trains d'impulsions sinusoidales excitant un transducteur transcutané ; un mélangeur de signaux à la fréquence du géné- rateur et des signaux réfléchis, alimentant, par l'intermédiaire d'un détecteur, l'une des entrées d'un soustracteur directement et l'autre entrée par l'intermédiaire d'une liane a retard égale e la période d'émission des trains ; un dêclencheur de comparaison du signal provenant du soustracteur avec un seuil ajustable, rour différentes valeurs du temps de parcours :et des moyens de comptaqe du nombre de déclenchements sour chacun desdits temps de Darcours, sur un nombre déterminé de cycles successifs. La ligne à retard et le soustracteur peuvent être analogigues mais il est avantageux de convertir en numérique le signal sortant du détecteur. Dans ce cas, on peut utiliser, au lieu du soustracteur (qui peut être regardé comme un filtre d'élimination des échos fixes) un filtre numérique qui participe à l'amélioration du rapport signal/bruit en écartant les fréquences situées ors de la bande passante correspondant aux signaux significatifs (déterminés par les vitesses limites à détecter). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels:: - la figure 1 montre une famille de courbes représentatives de la fonction en fonction du rapport signal/bruit pour différentes valeurs d'un seuil de détection, - la figure 2 est un bloc diagramme de principe d'un dispositif constituant un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un schéma de principe d'un circuit pouvant être substitué à la fraction du circuit de la figure 2 contenue dans un cadre en trait mixte. Avant de donner une description d'un mode particulier de réalisation, il peut être utile de fournir quelques indications théoriques. Le procédé suivant l'invention fait apparaître le signal Doppler par détermination de la différence entre les signaux réfléchis correspondant à deux trains d'émission successifs, ces échos n'étant identiques que si le milieu réflectif est immobile. Cette technique, qui se rapproche de celle utilisée dans les radars à suppression d'écho fixe ou radars MTI, a l'inconvénient de fournir un signal qui, dans le cas présent, est noyé dans un bruit important et serait donc inutilisable en l'état en l'appliquant directement à des détecteu#rs de passage à zéro suivant la technologie classique. Les inventeurs ont trouvé qu'il est possible d'améliorer le rapport signal/bruit et d'arriver à un niveau satisfaisant en comparant le signal Doppler obtenu par soustraction avec un seuil convenablement choisi en fonction du niveau de bruit de fond. L'intérêt de cette solution ressort d'une évaluation théorique basée sur des approximations, mais que l'expérience a vérifiée. Si l'on suppose que le bruit de fond présente une répartition de Gauss et a une bande passante B et une valeur efficace le lenombre nb de passages par unité de temps au-dessus d'un seuil c de ce bruit est donné par la formule Si l'on rajoute à ce bruit un signal Doppler correspondant à une distribution de vitesse de faible amplitude, donc à bande de fréquence étroite, de fréquence quadratique moyenne P et de s valeur efficace qrs, le nombre de passages au-dessus de la valeur où S = ( r5 / a"b)2 , ctest-à-dire le rapport signal/bruit. Pour que la comparaison avec un seuil c f O permette d'améliorer la résolution, il faut que ns+b soit toujours supérieur à nb : en d'autres termes, il convient de déterminer s'il existe des valeurs de c pour lesquelles cette condition est remplie. Pour cela, il suffit de comparer le rapport nS+b/nb à s+b b l'unité et d'étudier l'influence de la fréquence du signal P5 et du rapport S (signal/bruit). b On a positive, la valeur minimale de ce rapport correspond à P5 = o. Les courbes représentatives des variations de la fonction I / nb min en fonction de S pour différentes valeurs de n s+b c/#b sont données sur la figure 1. Sur cette famille de courbes, les valeurs de c/#b pour lesquelles #s+b / n b est supérieur à 1 se trouvent à partir de cI#b = 2,5 pour S #compris entre - 20 et 40 dB. En fait, étant donné les fluctuations statistiques et le fait que le signal Doppler n'est pas à bande étroite (étant donné que la vitesse d'écoulement dans les vaisseaux, notamment dans les artères, est très variable en fonction du temps), il est nécessaire de prendre une marge de sécurité, Pour cela, on pourra adopter par exemple une valeur de c au moins égale a' Cb. I1 est encore intéressant de noter,s#ur la figure 1, que l'emploi d'un seuil se traduit toujours par un gain par rapport à la simple utilisation d'un dispositif de passage à zéro, correspondant à un seuil nul. Le dispositif dont le schéma de principe est donné en figure 3 est destiné à la détection des zones d'écoulement sanguin, notamment dans des artères à une profondeur ne dépassant pas 5 cm. Il va sans dire que la constitution donnée n'est qu'un exemple particulier et, surtout, les valeurs numériques adoptées sont susceptibles d'etre modifiées dans de larges limites. Le dispositif comporte un transducteur 10 placé sur la peau 11 et susceptible d'être déplacé dans la direction Y, parallèlement au vaisseau 12. Ce transducteur peut notamment être constitué par une pastille de quelques millimètres de diamètre, en céramique piézo-électrique. Le dispositif d'excitation de la céramique par des trains d'ondes comporte une horloge 13, a 4 MHz par exemple, fournissant sur sa sortie 14 un signal sinusoïdal continu, et une porte linéaire 15 interposée entre la sortie 14 et le transducteur 10. La porte 15 est ouverte par un cadenceur 16 avec une fréquence de répétition FR et pendant des intervalles de temps déterminés : la fréquence de répétition est par exemple de 15 KHz (correspondant à un intervalle entre les fronts de chaque train de 64 microsecondes) et chaque train a une durée de 1 microseconde et correspond à quatre alternances complètes du signal. Avec de telles valeurs, il est possible d'effectuer un repérage jusqu'# une profondeur de 4,8 cm environ, la vitesse des ultra-sons dans les milieux organiques étant de l'ordre de 1500mIs. Les signaux réfléchis sont dirigés vers un amplificateur à fréquence vidéo 17 qui les porte à un niveau comparable à celui du signal de sortie de l'horloge 13 constituant générateur. Les signaux provenant de l'horloge et ceux provenant de l'amplificateur 17 (amplificateur vidéo intégré de type classique) sont appliqués sur les deux entrées d'un mélangeur 18, constitué par un sommateur classique à deux transistors. Le signal de sortie du mélangeur est appliqué à un détecteur 19 qui doit présenter une bande passante importante pour assurer une bonne résolution longitudinale. Dans la pratique, une bande passante de 600 KHz est nécessaire pour arriver à une résolution longitudinale (dans la direction X sur la figure 2) correspondant à 1 microseconde, c'est-à-dire 0,75 mm. Etant donné que les signaux de sortie du détecteur 19 correspondant aux échos de deux trains successifs d'ultra-sons sont différents si les obstacles réfléchissants rencontrés (c'est-à-dire les globules rouges) se sont déplacés, on soustrait chaque signal de sortie du détecteur 19 du signal précédent retardé d'une durée égale à la période de récurence t/FR. Pour cela, on applique le signal de sortie du détecteur 19 à l'entrée 20 d'un soustracteur 21 directement, et à l'entrée 22 de ce soustracteur par l'intermédiaire d'une ligne 23 à retard 1/FR. Le soustracteur peut être constitué de façon simple par un sommateur précédé, sur une entrée, d'un inverseur à bande passante large. Ce soustracteur doit présenter une bande passante et une précision élevées (précision au moins égale à 10 - 3) étant donné l'importance du bruit, mais ces critères peuvent être remplis par des systèmes existants. Quant à la ligne à retard 23, elle peut être constituée par un tronçon de câble coaxial adapté de grande longueur, ou par une ligne à retard de télévision. Le signal de sortie du soustracteur 20 est applique à un comparateur-déclencheur 24 a échantillonnage. Ce comparateur reçoit, sur une entrée, le signal de sortie du soustracteur et, sur une autre entrée, un signal fourni par un générateur 25 de tension de seuil ajustable. L'échantillonnage s'effectue par exemple toutes les microseconde, ce oui correspond à des points séparés de 0,75 mm suivant la direction X. L'entrée de commande d'échantillonnage 26 du déclencheur est attaquée à partir de l'horloge 14 par l'intermédiaire d'une porte 35 que le cadenceur 16 ouvre pendant l'intervalle de temps qui sépare émission de deux trains d'impulsions successifs et un diviseur par quatre 36 qui réalise également une mise en forme. Chaque fois que le déclencheur 24 constate que le siqnal de sortie du soustracteur est sup~rieur au seuil 25, il émet une impulsion vers une batterie de compteurs 27, l'aiguillage tant effectué également par le signal de sortie du diviseur 36. On peut prévoir 64 points d'échantillonnage, correspondant a 64 compteurs à 16 positions binaires (4 chiffres binaires). Le dispositif dont le schéma est donné en figure 2 est prévu pour effectuer une visualisation sur l'écran d'un oscillographe à mémoire 28, sous forme d'une série de points brillants indiquant les zones où un écoulement a été. détecté. Dans ce but, il comporte une mémoire-tampon 29 dans laquelle le contenu des compteurs 27 est transféré è l'issue d'une séquence d'accumulation de résultats dans les compteurs 27 : l'expérience a montré que des résultats significatifs sont obtenus à l'issue de 1500 auscultations successives, c'est-à-dire l'émission de 1500 trains d'ultra-sons. Le transducteur 10 est alors déplacé d'un pas dans la direction Y et, pendant la séquence suivante d'auscultations, le contenu de la mémoire-tampon 29 est exploité. Cette exploitation peut s'effectuer en explorant, à vitesse lente, la mémoire 29 par un multiplexeur 30 qui reçoit es signaux provenant de l'horloge 13 par l'intermédiaire d'un diviseur 31. Chaque fois que le multiplexeur 30 explore une position de la mémoire-tampon 29, il applique, par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique 32, un signal déterminé aux plaques de défection dans la direction X de l'oscillographe 28. En même temps, le contenu de la position mémoire correspondante est comparé à un seuil, déterminé expérimentalement par un comparateur 33. Si le contenu de la position mémoire est sup#rieur au seuil, le comparateur 33 émet, sur sa sortie 34, un signal qui est appliqué au Wehnelt de l'oscillographe, de façon à provoquer l'illumination d'un point correspondant sur l'écran. Une fois. terminée la séquence suivante d'auscultations le contenu des compteurs27 transféré dans la mémoire-tampon 29 et celle-ci est explorée pour effectuer un nouvel affichage, mais cette fois avec une déflection différente dans la direction Y : les moyens permettant de réaliser cette déflection pour reproduire le déplacement du transducteur 10 dans la direction Y n'ont pas à être décrits ici, étant donné qu'ils sont classiques. On pourra notamment en trouver une description dans les com#te-rendus-des colloques de l'Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, 7 - Il octobre 1974, Vol 34, Paris. Le dispositif qui vient d'être décrit utilise un traitement analogique des signaux jusqu'au niveau de la mémorisation. Dans -la variante illustrée en figure 3, l'élimination des échos fixes est effectuée par voie numérique. Dans ce but, le signal de sortie du détecteur 19 est appliqué à un convertisseur analogiquenumérique rapide (par exemple convertisseur DATEL G 10 B 24 à dix chiffres binaires Le signal de sortie de ce convertisseur attaque directement l'une des entrées 20a d'un soustracteur numérique 21a et, par l'intermédiaire d'une ligne à retard 23a, l'autre entrée 22a du soustracteur. La ligne à retard peut être constituée par une simple mémoire à accès rapide balayée en synchronisme à partir du signal fourni par l'horloge 13. Le soustracteur numérique 21a attaque le déclencheur 24a dont le seuil est fourni par un générateur de seuil numérique 25a, par exemple à clavier. Le soustracteur 21a peut être remplacé par un filtre numérique travaillant en parallèle pour chacun des temps de transit, de façon à améliorer la résolution du système. Le dispositif de la figure 3 présente, sur celui de la figure 2, l'avantage de permettre une réalisation plus facile de la ligne à retard, qui doit être non dispersive. De plus, il permet d'améliorer le filtrage et donc de mieux faire appa raitre le signal Doppler, au prix d'une légère augmentation de la complexité. Quel que soit le mode de réalisation adopté, il permet d'obtenir, avec 1500 auscultations pour chaque position du transducteur 10, une image en un temps très bref (0,4 seconde pour chaque position). Le dispositif se prête évidemment à de nombreuses variantes : par exemple il est possible, au lieu d'effectuer une visualisation sous forme d'un réseau de points, d'afficher, suivant une série de lignes parallèles à la direction OX, le nombre d'impulsions accumulées par les compteurs 27. Il va sans dire que cette variante, ainsi plus généralement que toutes celles restant dans le cadre des équivalences, est couverte par le présent brevet. REVENDICATIONS 1. Procédé de visualisation vasculaire par ultra-sons, utilisant l'effet Doppler, suivant lequel on émet des trains d'ondes ultra-sonores cohérentes à fréquence de répétition déterminée et on mélange le signal réfléchi avec un signal de référence à la fréquence des ultra-sons émis pour faire apparaître un signal Doppler qu'on détecte pour divers temps de parcours des ultra-sons, caractérisé en ce qu'on soumet le signal Doppler à une détection à large bande, en ce qu'on soustrait, du signal détecté correspondant à chaque train émis, le signal détecté correspondant au train précédent, et en ce qu'on détermine le nombre de passages par unité de temps du signal de soustraction au-dessus d'un seuil déterminé, pour chacun desdits temps de parcours. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on donne au seuil une valeur au moins égale à 2,5 fois, et avantageusement 3 fois, le niveau du bruit de fond. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on visualise les zones d'écoulement du sang dans le vaisseau sous forme de points alignés sur un écran correspondant chacun à un desdits temps de parcours et illuminés lorsque le nombre de passages au-dessus du seuil dépasse une valeur déterminée au bout d'une séquence d'un nombre déterminé d'auscultations. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce au'on déplace le transducteur d'un pas sur la peau, dans la direction du vaisseau, à l'issue de chaque séquence, et en ce qu'on visualise l'écoulement pour la nouvelle position sous forme d'une série de points à côté des précédents. 5. Dispositif de visualisation vasculaire par ultra-sons, comprenant : un générateur pulsé émettant des trains d'impulsions excitant un transducteur transcutané ; un mélangeur recevant d'une part des signaux à la fréquence du générateur et, d'autre part, les signaux dûs aux ultra-sons réfléchis et alimentant, par l'intermédiaire d'un détecteur à large bande, un circuit d'extraction du signal Doppler, caractérisé-en ce que ce circuit d'extraction comprend un soustracteur dont les entrées sont alimentées par le détecteur, l'une directement, l'autre, par l'intermédiaire d'une ligne à retard égale à la période d'émission des trains, un déclencheur comparant le signal provenant du soustracteur avec un seuil ajustable, pour différentes valeurs du temps de parcours des ultra-sons, et des moyens de comptage du nombre de déclenchements pour chacun desdits temps de parcours sur le nombre déterminé de cycles successifs d'exploration. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la ligne à retard et le soustracteur sont analogiques. 7. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'un convertisseur analogique-numérique est interposé entre le détecteur et le soustracteur, et en ce que la ligne à retard et le soustracteur sont numériques. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le soustracteur est constitué par un filtre de fréquences numérique. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens de comptage sont associés à une mémoire-tampon, des moyens étant prévus pour transférer le contenu des moyens de comptage dans la mémoire tampon à l'issue de chaque cycle et pour exploiter le contenu de la mémoire-tampon pendant le cycle suivant d'exploration. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, destiné à la visualisation de l'écoulement dans les artères, caractérisé en ce que le détecteur a une bande passante d'au moins 600 kHz.