Brevet FR2466164A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un transducteur ultraso- nore à sensibilité variable, ainsi qu'un dispositif d'émission- réception ultrasonore pour examen échographique à haute résolu- tion équipé de ce transducteur et un appareil d'examen échogra- phique par méthode ultrasonore comprenant ce dispositif. On sait en effet que la résolution latérale des appareils d'examen par échographie ultrasonore est limitée, lors de l'émis- sion dirigée d'un train de signaux ultrasonores, par la présence de lobes secondaires, sensiblement symétriques en général, entou- rant le lobe principal d'émission. L'existence de ces lobes con- duit à l'observation, sur l'image échographique finale, d'échos multiples de réception dont la direction ne correspond pas à la direction réelle de l'obstacle détecté par le lobe principal utile. La détection de l'obstacle est donc traduite, sur l'image échogra- phique, par une tache anormalement large, ce qui explique les li- mitations de ces appareils en matière de résolution. Une demande de brevet français non encore publiée, dé- posée le 4 Juillet 1979 par la Demanderesse sous le N0 79 17 379, décrit un circuit de traitement des signaux reçus par une mosaïque de transducteurs ultrasonores utilisée, en l'occurrence, en écho- graphie de type B (examens échographiques de plans contenant le faisceau émis). Cette mosaïque est une plaquette de matériau élec- trostrictif à polarisation non rémanente et comporte, sur une face, un premier jeu d'électrodes disposées en lignes reliées chacune à un circuit de polarisation et, sur l'autre face, un deuxième jeu d'électrodes disposées en colonnes et orientées transversalement aux électrodes de la première face. En exploitant le fait que ce matériau électrostrictif peut acquérir des états différents selon la polarisation à laquelle il est soumis, et notamment un état de sensibilité nulle en l'absence de polarisation et un état de sen- sibilité déterminée si une tension de polarisation déterminée lui est appliquée, la disposition de la mosaïque entraîne qu'à un ins- tant déterminé la connexion de sortie d'une électrode quelconque du deuxième jeu délivre exclusivement le signal reçu par le trans- ducteur situé à l'intersection de cette électrode et de celle des électrodes du premier jeu qui, conformément à une séquence de balayage choisie à volonté, est à cet instant polarisée. Le cir- cuit décrit dans ladite demande assure ensuite le traitement des signaux ainsi délivrés. 2 24661 65e Le but de l'invention est de proposer un transducteur ultrasonore réalisé en un matériau électrostrictif à polarisation non rémanente, mais de type nouveau et permettant d'améliorer considérablement la résolution latérale des dispositifs d'émission- réception ultrasonore pour examen échographique dans lesquels il est incorporé. L'invention concerne donc un transducteur caractérisé en ce qu'il comprend un élément transducteur destiné à vibrer en mode d'épdssseur et consistant en un disque de diamètre faible par rapport à son rayon de courbure et d'épaisseur égale à un nombre entier de fois le quart de la longueur d'onde associée à la fré- quence des signaux ultrasonores à émettre, une face de ce disque étant entièrement métallisée pour être reliée à un circuit élec- trique d'émission-réception des signaux ultrasonores et l'autre face étant également métallisée mais sous la forme d'une série d'é- lectrodes annulaires concentriques isolées les unes des autres par des zones annulaires non conductrices, ces électrodes étant des- tinées à être reliées à des circuits de polarisation respectifs qui délivrent des tensions réglables pour ajuster la sensibilité de la zone transductrice associée à l'électrode correspondante, et ladite structure d'élément transducteur plan ainsi constituée per- mettant d'imposer au transducteur un profil de courbe de sensibi- lité détermi* de façon à réduire ou éliminer les éventuels lobes secondaires présents à l'émission des signaux ultrasonores. En effet, un matériau électrostrictif à polarisation non rémanente permet de réaliser des transducteurs de sensibilité va- riable par simple commande de la tension de polarisation de ce matériau (le coefficient de couplage électromécanique est une fonction continue de la tension de polarisation). L'utilisation d'un transducteur ultrasonore se présentant sous la forme d'une mosaïque de transducteurs annulaires concentriques dont la sen- sibilité respective peut être ajustée par l'intermédiaire de cir- cuits de polarisation distincts permet alors d'obtenir une sur- face transductrice dont la fonction pupillaire est réglable à volonté (la pupille étant par définition le contour de référence à l'intérieur duquel on constate un certain état de vibration, la fonction pupillaire exprime la répartition de cet état sur la surface limitée par la pupille). Par ailleurs la directivité d'une onde ultrasonore est directement liée à la transformée de 3 24661 64 Fourier de la fonction pupillaire du transducteur qui émet cette onde, et la transformée de Fourier d'une courbe dite de Gauss (ou gaussienne) est également une gaussienne. Si donc la fonction pupillaire du transducteur selon l'invention est une gaussienne, son diagramme de directivité est également une gaussienne et ne présente pratiquement plus de lobes secondaires (au moins en zone de Fraunhofer, ou de champ éloigné). Cette suppression des lobes secondaires, ou apodisation, est obtenue si la fonction pupillaire de la mosaïque de transducteurs annulaires concentriques est une gaussienne, c'est-à-dire si le profil de la courbe de sensibilité de cette mosaïque le long d'un diamètre du transducteur en forme de disque a la forme d'une courbe de Gauss, ou en constitue une bonne approximation. L'apo- disation ainsi réalisée est d'autant meilleure que la discrétisation radiale réalisée à l'aide de la structure selon l'invention est plus fine. En outre, cette structure est de diamètre plus faible que les dispositifs annulaires connus permettant d'effectuer une focalisation synthétique. D'autres particularités et avantages de l'invention seront mieux compris en se référant à la description qui suit et aux des- sins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels - la figure 1 est une vue de la face arrière du trans- ducteur ultrasonore selon l'invention (c'est-à-dire de la face qui porte les électrodes annulaires); - la figure 2 montre le profil de courbe de sensibilité - en l'occurxence une courbe de Gauss - que l'on peut obtenir avec un transducteur ultrasonore ayant une structure telle que repré- sentée sur la figure 1 et - la figure 3 montre un schéma de dispositif d'émission- réception ultrasonore pour examen échographique à haute résolution équipé du transducteur représenté sur la figure 1. Le transducteur ultrasonore décrit en se référant aux figures 1 à 3 consiste en un disque plan circulaire 1 réalisé en un matériau électrostrictif à polarisation non rémanente (par exemple en sulfate de triglycine ou TGS, qui présente une zone électrostrictive exploitable relativement étroite au voisinage de son point de Curie, ou en certains titanates zirconates mixtes de calcium ou de baryum qui présentent une plage électrostrictive plus large) et d'épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux à émettre (cette fréquence 4 2466164 peut être comprise,selon les applications, entre 1 et 10 mégahertz environ). La face avant 2a de ce disque est entièrement métal- lisée, tandis que l'autre face 2b est également métallisée mais sous la forme d'une série d'électrodes annulaires concentriques E1 à En isolées les unes des autres par des zones annulaires I2 à In non conductrices. Le choix d'un disque plan circulaire ne constitue pas, bien entendu, une limitation de l'invention, qui concerne tout transducteur ultrasonore comprenant, comme élément transducteur, un disque de diamètre faible par rapport à son rayon de courbure (c'est-à-dire une sorte de calotte sphérique) et d'épaisseur égale à un nombre entier de fois le quart de la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux ultrasonores à émettre. Le cas du disque plan d'épaisseur égale à la moitié de cette longueur d'onde n'est qu'un exemple particulier d'un tel élément transducteur. L'élément transducteur plan ainsi réalisé, qui constitue en fait une mosaïque de transducteurs annulaires concentriques, est, dans l'exemple ici décrit, incorporé à un dispositif d'émis- sion-réception ultrasonore pour examen échographique à haute ré- solution. Ce dispositif comprend (voir la figure 3), en plus du transducteur ultrasonore décrit ci-dessus, un circuit électrique d'émission-réception de signaux ultrasonores, relié à la face en- tièrement métallisée 2a du transducteur et comprenant un générateur d'excitation électrique 3 et une chaîne de réception CR de signaux échographiques, et des circuits de polarisation CP1 à CP., reliés respectivement à chacune des électrodes E1 à E de l'autre face 2b du transducteur. Les valeurs des différentes tensions de polari- sation fournies aux n électrodes par les n circuits de polarisa- tion sont choisies de façon que le transducteur plan complet pré- sente sur l'un quelconque de ses diamètres une fonction de sensi- bilité gaussienne, ou quasi-gaussienne, c'est-à-dire de façon que le profil moyen de cette courbe de sensibilité ait la forme d'une courbe de Gauss dont le maximum coïncide avec le centre de l'élec- trode centrale E1, ou constitue une bonne approximation de cette courbe; la figure 2 montre comment les différents paliers de sensibilité correspondant à chaque électrode (les électrodes sont au nombre de 17 dans le cas illustré sur cette figure) reconsti- tuent une bonne approximation d'une courbe de Gauss, représentée en traits interrompus. On remarquera bien que la loi de réparti- tion des tensions de polarisation doit tenir compte de la répar- tition des aires des électrodes E1 à E (si la largeur des élec- 2466164 trodes est constante, leurs aires sont en effet de plus en plus importantes au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre du transducteur plan). Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, à partir duquel d'autres variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. On peut notamment obtenir un effet de renforcement de la sensibilité et de l'amortissement du transducteur selon l'in- vention en découplant mécaniquement chaque électrode annulaire des électrodes voisines pour en faire un transducteur élémentaire indépendant, et en équipant la face avant 2a d'une ou de plusieurs couches interférentielles d'épaisseurs égales à un nombre entier de fois le quart de la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux ultrasonores à émettre. Une étude détaillée des carac- téristiques et des avantages de ces couches est effectuée dans l'article "The design of efficient broad-band piezoelectric trans- ducers" (C.S. Desilets, J.D. Fraser et G.S. Kino) paru dans la revue IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, volume SU-25, n 3, Mai 1978, pages 115 à 125. Le découplage mécanique qui fa- vorise la mise en place de ces couches et qui est destiné, en fait, à empêcher la vibration de la matière dont sont constituées les zones annulaires isolantes I2 à In, peut être assuré par exemple par un rainurage circulaire pratiqué dans ces zones, à peu près parallèlement à leurs bords et sur toute ou une partie de l'épais- seur du disque 1. Il est à noter également que les circuits de polarisa- tion CP1 à CPn représentés sur la figure 3 peuvent être, si néces- saire, incorporés dans le boltier même du transducteur ultrasonore selon l'invention. Les condensateurs CD à CDn prévus à leurs bornes sont indispensables pour assurer le découplage haute fré- quence des n électrodes annulaires; la capacité de ces condensa- teurs est nettement plus élevée que celle des condensateurs formés par chaque électrode annulaire et la partie de face 2a métallisée qui est en regard de cette électrode, et par exemple égale à 1 na- nofarad environ, pour des capacités d'électrodes comprises entre et 20 picofarads approximativement. On doit enfin préciser que tout appareil d'examen écho- graphique par méthode ultrasonore comprenant un dispositif d'émis- sion-réception ultrasonore tel que décrit ci-dessus entre dans le cadre de l'invention. 6 2466164 REVENDICATIONS 1.. Transducteur ultrasonore réalisé en un matériau élec- trostrictif à polarisation non rémanente, caractérisé en ce qu'il comprend un élément transducteur destiné à vibrer en mode d'é- paisseur et consistant en un disque de diamètre faible par rapport à son rayon de courbure et d'épaisseur égale à un nombre entier de fois le quart de la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux ultrasonores à émettre, une face de ce disque étant entièrement métallisée pour être reliée à un circuit électrique d'émission-réception des signaux ultrasonores et l'autre face étant également métallisée mais sous la forme d'une série d'élec- trodes annulaires concentriques isolées les unes des autres par des zones annulaires non conductrices, ces électrodes étant des- tinées à être reliées à des circuits de polarisation respectifs qui délivrent des tensions réglables pour ajuster la sensibilité de la zone transductrice associée à l'électrode correspondante, et ladite structure d'élément transducteur ainsi constituée permettant d'imposer au transducteur un profil de courbe de sen- sibilité déterminé de façon à réduire ou éliminer les éventuels lobes secondaires présents à l'émission des signaux ultrasonores. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un rainurage sensiblement parallèle aux bords des zones annulaires non conductrices est pratiqué dans au moins une partie de l'épaisseur de ces zones pour assurer le découplage mécanique de chaque électrode annulaire par rapport aux électrodes voisines. 3. Dispositif d'émission-réception ultrasonore pour examen échographique à haute résolution, caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur ultrasonore selon l'une des revendica- tions 1 et 2, ainsi qu'un circuit électrique d'émission-réception de signaux ultrasonores relié à la face avant entièrement métal- lisée de ce transducteur et des circuits de polarisation reliés respectivement à chacune des électrodes annulaires concentriques de l'autre face du transducteur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les circuits de polarisation de chaque électrode sont réglés de façon que le profil moyen de la courbe de sensibilité de ce transducteur en suivant un diamètre du disque soit celui d'une courbe de Gauss dont le maximum coïncide avec le centre de l'électrode centrale. 7 2466164 5. Appareil d'examen échographique par méthode ultraso- nore, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'émission- réception selon l'une des revendications 3 et 4.