Brevet FR2485738A1 — publié le 19811231

- 1 - L'invention se rapporte à un réseau de transduc- teurs piézo-électriques destiné à être utilisé dans un système d'imagerie ultrasonore, en particulier pour des applications au diagnostic médical et, plus précisément, à un réseau de transducteurs piézo-électriques du type des- tiné au balayage suivant un arc. Les réseaux de transducteurs ultrasonores sont classés, en général, dans les catégories suivantes: à balayage linéaire, à balayage sectoriel. Les réseaux du type à balayage linéaire traditionnels comprennent des transduc- teurs piézo-électriques au nombre de 256, qui sont disposés côte à cote linéairement et successivement. Un groupe de seize transducteurs est sélectivement excité par des impul- sions retardées engendrées par un circuit d'émission commun, de façon à émettre un faisceau ultrasonore focalisé. Le groupe sélectionné est successivement décalé à l'élément transducteur suivant pour décaler le faisceau linéairement jusqu'à la position suivante, si bien que l'énergie ultra- sonore effectue un balayage dans un format rectangulaire. Le système d'imagerie à balayage linéaire présente l'avan- tage de pouvoir maintenir à une valeur minimum la taille du dispositif par suite de la mise en commun des circuits d'- émission et de réception des différents transducteurs et l'avantage de fournir une information tomographique détail- 2S lée du champ rapproché. Toutefois, il présente l'inconvé- nient d'être incapable d'explorer des régions situées der- rière les cotes et l'inconvénient que le réseau de transduc- teurs est relativement encombrant pour sa manipulation. Les réseaux de transducteurs classiques du type sectoriel comprennent, de leur côté, habituellement trente deux éléments transducteurs dont chacun est associé avec son propre circuit d'émission et de réception. Le circuit d'émission dirige le faisceau ultrasonore suivant un format sectoriel en appliquant successivement des impulsions retar- dées aux transducteurs. Bien que le système de balayage sectoriel soit capable de donner une information tomogra- phique de la région située derrière les côtes, le circuit de commande est coûteux par suite du grand nombre d'éléments associés aux transducteurs et l'image en champ rapproché n'est pas satisfaisante pour les fins de diagnostic. L'invention a donc pour objet un réseau de trans- ducteurs piézo-électriques qui combine les avantages des types à balayage linéaire et à balayage sectoriel. Ce résultat est obtenu en constituant un réseau de transducteurs piézo-électriques sur un bâti ayant la forme convexe dans la direction de propagation de l'énergie ultrasonore. Le nombre des transducteurs est supérieur à celui d'un réseau du type à balayage sectoriel classique, mais plus petit que dans un réseau du type à balayage liné- aire classique. Une lentille acoustique plan-concave est liée au réseau de transducteurs incurvés, de manière qu'une surface d'entrée plane soit définie avec un sujet humain. La lentille acoustique est constituée en une matière ayant sensiblement la même impédance acoustique que celle du corps humain, mais ayant une caractéristique telle que l'énergie acoustique se propage dans la lentille à une vitesse infé- rieure à sa vitesse de propagation dans le corps humain. La lentille acoustique sert ainsi à faire diverger l'énergie ultrasonore transmise pour balayer avec succès les zones situées derrière les cotes, jusqu'ici inaccessibles au sys- tème d'imagerie à balayage linéaire classique, tout en con- servant l'avantage relatif aux détails d'exploration du champ rapproché. Le réseau de transducteurs est excité par un circuit de commande qui présente les avantages du circuit de commande du type du balayage linéaire en excitant des groupes successifs sélectionnés de transducteurs. De préférence, les transducteurs sont assemblés sur une couche d'adaptation d'impédance ayant une impédance acoustique plus élevée que celle de la lentille divergente. La couche d'adaptation d'impédance est liée à la lentille divergente pour transmettre l'énergie acoustique au corps humain avec un minimum de perte. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 est une vue en plan d'un réseau de - 3 transducteurs ultrasonores conforme à l'invention La figure 2 est une vue en coupe suivant 2-2 de la figure 1; - La figure 3 est une vue en coupe suivant 3-3 de la figure 1; La figure 4 est une vue en coupe suivant 4-4 de la figure 1; La figure 5 est un croquis représentant le faisceau divergent d'énergie acoustique émise par le réseau; et La figure 6 représente le circuit de commande d'- excitation du réseau de transducteurs de l'invention. Un réseau de transducteurs piézo-électriques con- forme à l'invention est, d'une manière générale, designé en 10 à la figure 1. Le réseau 10 comprend un bâti conduc- teur 11 rendu convexe dans la direction de propagation de l'énergie ultrasonore. Plusieurs transducteurs piézo-élec- triques allongés 12 sont successivement disposés sur le bâti 11 comme le montre la figure 2. Comme le montrent en détail les figures 3 et 4, chaque transducteur 12 comprend un élément piézo-électrique 20 disposé transversalement par rapport au bâti11 pour enjamber ses côtés latéraux pa- rallèles et relié à celui-ci par une matière adhésive ap- propriée. Sur les faces latérales supérieure et inférieure de l'élément piézo-électrique 20 sont disposées des élec- trodes, 21 et 22 respectivement. Les électrodes inférieures 22 sont électriquement reliées aux pièces latérales du bâti 11 par une colle conductrice 25, de manière que le bâti 11 serve d'électrode commune pour le réseau de transducteurs 10. Dans un mode d'exécution préféré, chaque élément piézo- électrique 20 est dimentionné, de telle manière que le rap- port entre sa largeur et son épaisseur détermine un mode de vibration d'expansion transversale au réseau 10. Avec ce mode de vibration on obtient une sensibilité élevée et des caractéristiques de largeur de bande excellentes. Dans un autre mode d'exécution préféré, chaque transducteur 12 com- prend un premier élément d'adaptation d'impédance 23 qui est relié à l'électrode inférieure 22. Des transducteurs 12 sont fixés à une seconde couche d'adaptation d'impédance ou - 4 - couche commune 24 qui s'étend le long du bâti.11 en con- tact avec les premiers éléments d'adaptation d'impédance 23. Une matière convenable pour les premiers éléments d'- adaptation d'impédance 23 est le cristal de roche, le verre ou le quartz fondu et une matière appropriée pour la seconde couche d'adaptation d'impédance 24 est une résine époxy. L'impédance acoustique des premiers éléments 23 est de pré- férence 2,5 à 9,5 fois plus grande que l'impédance acousti- que du corps humain et les valeurs d'impédance acoustique de la couche d'adaptation d'impédance commune 24 sont de préférence 1,6 à 2,7 fois supérieures à celles du corps humain. Suivant l'invention, une lentille acoustique diver- gente 30 ayant une structure générale plan-concave, est fixée à la couche 24, avec sa surface plane située en face du corps humain, pour définir une surface d'entrée pour l'énergie ultrasonore engendrée. La lentille acoustique 30 est formée de silicium ou d'un composé de silicium ayant sensiblement la même impédance acoustique que le corps hu- main, mais ayant une propriété acoustique telle que, dans la lentille 30, l'énergie acoustique se propage à une vi- tesse plus faible que dans le corps humain. Du fait de la croissance de la vitesse du son dans le corps humain, le faisceau ultrasonore incident est réfléchi de façon à s'- écarter de la normale au réseau 10 lorsqu'il entre en impact avec la surface d'entrée plane suivant un angle, par rap- port à cette surface, qu'illustre la figure 5 et, par con- séquent, le faisceau d'exploration se propage comme s'il était issu d'un point 31 plus rapproché du réseau 10 et non pas d'un point 32 qui est celui dont il serait issu si la lentille acoustique 30 n'était pas prévue. La quantité d'- information tomographique disponible à partir du réseau de transducteurs à balayage d'arc de l'invention est ainsi su- périeure à celle qui est disponible avec les réseaux du type à balayage linéaire classique. La surface d'entrée plane définie par la lentille acoustique 30 assure un con- tact intime avec le sujet humain, si bien que l'énergie acoustique ne subit aucune perte lors de son entrée dans le corps humain et de son retour du corps humain. On voit, d'après la figure 3, que la lentille acoustique 3 a de pré- férence une surface convexe vue dans la direction longitu- dinale du réseau, pour fournir une focalisation du faisceau dans une direction normale à la direction d'exploration. La figure 6, illustre un circuit de commande d'excitation du réseau de transducteurs 10. A titre illus- tratif, on a représenté des multiplexeurs analogiques 41-1 à 41-16 destinés au réseau 10 qui comprend les transducteurs #1 à # 128. Ces transducteurs sont répartis en seize sous- groupes de huit transducteurs chacun. Chaque multiplexeur analogique 41 est muni de huit bornes de sortie destinées à être connectées à ceux des transducteurs qui sont espacés de seize éléments, les bornes de sortie correspondantes des multiplexeurs étant respectivement connectées aux transduc- teurs adjacents de chaque groupe detransductèurs. Par exem- ple, les bornes de sortie#+ 1 des multiplexeurs 41-1 à 41-16 sont respectivement connectées aux transducteurs # 1 à # 16, les bornes de sortie."2 étant connectées respectivement aux transducteurs # 17 à -# 32, les bornes de sortie # 16 étant connectées respectivement aux transducteurs i 113 à h 128. Les compteurs 42-1 à 42-16 sont reliés aux entrées des multiplexeurs 41-1 à 41-16 respectivement, pour sélec- tionner l'une des huit bornes de sortie des multiplexeurs associés en réponse à des signaux de sortie fournis indivi- duellement à partir d'un registre à décalage 43, lui-même connecté de manière à recevoir un signal d'horloge d'une source d'horloge 44. Les compteurs 42-1 à 42-16 sont remplis toutes les seize impulsions d'horloge et remis auzéro par un compteur de remise à zéro 45 en réponse à chaque 128ème impulsion d'horloge. En réponse à l'impulsion d'horloge #1, tous les compteurs sont conditionnés de manière que les bornes de sortie # 1 de tous les multiplexeurs soient acti- vées, de façon à coupler leurs entrées aux transducteurs #1 à f 16. Cette condition est maintenue pendant un inter- valle d'horloge tel qu'à l'arrivée d'une impulsion d'hor- loge e 2 les transducteurs $f 2 à # 17 soient sélectionnés. Par conséquent, un groupe de seize transducteurs successifs - 6 - est décalé d'un rang vers l'élément transducteur suivant en réponse à chaque impulsion d'horloge. Aux entrées des multiplexeurs 41-1 à 41-16 sont connectées une unité compensatrice 46 et une unité récep- trice 49. L'unité 46 reçoit ses signaux d'entrée d'un mul- tiplexeur de retard de focalisation 47 qui comprend essen- tiellement une pluralité d'éléments de retard variables con- nectés successivement. Ces éléments de retard introduisent un intervalle de retard chacun leur tour dans une impulsion d'émission fournie par un générateur d'impulsions 48. Les transducteurs d'un groupe sélectionné donné sont excités par des impulsions retardées successives, de façon que l'- énergie ultrasonore focalisée soit disposée angulairement d'un coté de la normale au réseau 10. Les degrés de retard sont variables en réponse à l'impulsion d'horloge émanant de la source 44, pour défléchir successivement le faisceau ultrasonore émis de chaque coté de la normale au réseau. L'amplitude des impulsions retardées est amplifiée avec un gain différent par l'unité compensatrice 46, pour compenser l'affaiblissement différent de l'énergie ultrasonore dû aux différentes longueurs de parcours de la lentille acoustique , si bien que l'énergie ultrasonore est émise avec une intensité constante indépendamment des angles de commande. Les connexions aux transducteurs sélectionnés à partir des multiplexeurs sont maintenues jusqu'à l'arrivée de l'impul- sion d'horloge suivante, pour permettre aux échos qui re- viennent de différents tissus du sujet humain d'être reçus par les mêmes transducteurs, pour leur conversion en signaux électriques qui sont appliqués à l'unité réceptrice 49. Les signaux d'échos reçus sont traités de manière à donner une représentation tomographique suivant le format d'un arc sur une unité d'affichage non figurée. -7 REVENDICATIONS 1- Réseau de transducteurs ultrasonores comprenant une pluralité de transducteurs piézo-électriques allongés (12) successivement disposés pour définir une surface de rayonnement d'énergie généralement convexe (11) et une len- tille acoustique divergente (30) reliée à ladite surface de rayonnement convexe pour faire diverger l'énergie acoustique émise par lesdits transducteurs. 2- Réseau de transducteurs ultrasonores suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille di- vergente a une forme générale plan-convexe, sa surface con- cave étant fixée à la surface de rayonnement convexe pour définir une surface plane d'entrée d'énergie. 3- Réseau de transducteurs ultrasonores suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite lentille divergente a une surface convexe vue dans la direction lon- gitudinaie dudit réseau, pour fournir une focalisation de l'énergie acoustique dans une direction normale à celle de l'exploration. 4- Réseau de transducteurs ultrasonores suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite len- tille acoustique comprend une matière ayant sensiblement la même impédance acoustique que celle du corps humain et ayant une caractéristique telle que, dans ladite lentille, l'éner- gie ultrasonore se propage à plus faible vitesse que dans le corps humain. - Réseau de transducteurs ultrasonores suivant l'une des revendications 1 e. 4, caractérisé en ce que cha- cun desdits transducteurs piézo-électriques-comprend un élé- ment piézo-électrique (20) et un élément d'adaptation d'im- pédance (23) fixé audit élément piézo-électrique et comprend en outre une couche d'adaptation d'impédance (24) fixée entre lesdits éléments adaptateurs d'impédance des transduc- teurs et ladite lentille divergente, ladite couche d'adapta- tion d'impédance ayant une impédance acoustique plus faible que celle desdits éléments adaptateurs d'impédance. 6- Réseau de transducteurs ultrasonores suivant la -8- revendication 5, caractérisé en ce que chacun desdits élé- ments adaptateurs d'impédance et ladite couche d'adaptation d'impédance ont une impédance acoustique supérieure à celle du corps humain.