Brevet FR2484179A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne une sonde ultrasonore à deux éléments transducteurs. Elle concerne plus particulièrement le do maine de l'imagerie ultrasonore. Il est connu dans l'art antérieur des sondes monoélément transducteur. L'élément transducteur unique est alors utilisé à l'émission et à la réception des ondes ultrasonores. Mais ses caractéristiques d'émission et de réception ne peuvent être simultanément convenables. I1 est aussi connu des sondes à deux éléments transducteurs dans lesquelles la fonction émission est dévolue à un élément transducteur bon émetteur et la fonction réception à un élément transducteur bon récepteur. Les deux éléments sont alors montés cate à cote par exemple par collage sur un adossement dans un corps de sonde. Mais de telles sondes, pour être convenablement utilisées, doivent être munies de milieux d'adaptation et de couplage en interface avec le corps à examiner. Pour porter remède à ces inconvénients de l'art antérieur, selon la présente invention; une sonde à deux éléments transducteurs, destinée à être connectée d'une part à une chaîne d'émission d'un signal HF, d'autre part à une chaîne de réception du signal acoustique, les deux éléments transducteurs étant réalisés l'un en une céramique piézoélectrique, l'autre en un matériau organique piézoélectrique : la céramique piézoélectrique constituant l'élément transducteur d'émission, le matériau organique constituant liélément transducteur de réception mais aussi d'adaptation à l'émission l'élément récepteur étant interposé entre l'élément émetteur et le corps à examiner. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un exemple de réalisation préféré décrit ci-après et des figures annexées qui sont: - la figure 1 un schéma de sonde à deux éléments selon l'art antérieur, - la figure 2 un schéma de sonde selon l'invention. En imagerie ultrasonore, l'usage de sondes à deux éléments transducteurs est connu. I1 consiste à placer les deux éléments côte à côte sur un support. Cette configuration est représentée figure 1, qui représente une telle sonde de l'art antérieur. Celle-ci comporte une enveloppe 1, un adossement 2, un élément transducteur récepteur 3, un élément transducteur émetteur 4, une lame d'adaptation 5, un milieu de couplage 6. La sonde est posée- sur le corps à examiner 7. Classiquement, la sonde est reliée à une chaîne d'émission du signal haute fréquence. Ce signal électrique excite les vibrations mécaniques de l'élément transducteur émetteur 4 par effet piézoélectrique à une fréquence f. Ce signal peut être alternatif, impulsionnel, etc. La sonde est aussi reliée à une chaîne de réception du signal acoustique par exemple à des fins de visualisation du corps à examiner. L'élement transducteur récepteur 3 reçoit les échos ultrasonores et les transforme en impulsions électriques par effet piézoélectrique. Ces impulsions électriques constituent le signal acoustique. Mais les transferts d'énergie entre la sonde et le corps examiné, subissent des pertes qui diminuent le rendement global de la sonde et donc la qualité de l'examen. Pour optimiser le rendement de la sonde, on doit réaliser d'une part une adaptation acoustique de la sonde au corps examiné et ceci en fonction de la fréquence de l'examen, d'autre part un couplage acoustique avec la surface du corps examiné en contact avec la sonde. En effet, à chaque changement de milieu, l'onde ultrasonore est en partie transmise, en partie réfléchie. Afin de réduire la partie d'énergie réfléchie, il convient de placer un gel de couplage acoustique entre la surface du corps et la sonde, le gel ayant une impédance acoustique la plus voisine possible de l'impédance acoutique du corps examiné. On évite en particulier la présence d'une lame d'air qui arrête presque complétement les ondes ultrasonores. D'autre part, pour amener le maximum d'énergie à la surface d'entrée du gel de couplage, il faut interposer entre les éléments transducteurs et le gel lui-même une lame dite quart d'onde, d'épaisseur e. De plus, son impédance acoustique Z doit être voisine de la valeur caractéristique: Zȃ=Z1 x Z2 oU Z1 est l'impédance acoustique du corps examiné et Z2 celle de l'élément transducteur devant lequel la lame quart d'onde d'impédance Za est placée. Si 1 est la longueur d'onde de l'onde ultrasonore transmise dans la lame d'adaptation, v la célérité de l'onde dans la lame et f la fréquence de l'onde ultrasonore, alors on a: 1 =T Il apparaît donc que l'épaisseur de la lame d'adaptation qui est: 1 varie avec la fréquence de l'onde ultrasonore. Selon les fréquences utilisées pour chaque examen, la lame d'adaptation doit donc être changée. Les éléments transducteurs de l'art antérieur sont réalisés dans deux grandes catégories de matériaux: - les matériaux cristallins purs comme les quartz et compo sites comme le métaniobate de plomb ou le titanate-zirconate de plomb dit PZT; - les matériaux organiques piézoélectriques comme le polyfluorure de vinylidène ou les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de polytétrafluoroéthylène. L'utilisation du polyfluorure de vinylidène, ou PVF2, comme transducteur acoustique est connu en soi. Mais le prodult obtenu avait des qualités particulièrement désavantageuses. Tout d'abord les procédés qui permettaient de l'obtenir nécessitaient un étirage qui faisait perdre la compliance mécanique du matériau PVF2 naturel. De plus, il était impossible d'obtenir une qualité homogène de transduction sur toute prétendue de l'élément. On ne pouvait pas non plus obtenir des épaisseurs quelconques. Enfin, les qualités émettrices du PVF2 sont peu élevées. Un nouveau procédé de fabrication a été mis au point et décrit en particulier dans les demandes de- brevet français 79/00200 et 79/15141 déposées au nom de la Société THOMSON-CSF. Ce procédé permet d'obtenir un matériau organique piézoélectrique par une unique opération de polarisation électrique. Un transducteur, par exemple PVF2, sera produit sous la forme d'un film dont les faces principales sont métallisées de façon à constituer les électrodes d'un condensateur de polarisation. L'anisotropie introduite dans le matériau est donc d'origine uniquement électrique. Le PVF2 est initialement pris sous forme non polaire et rendu pseudo-polaire par polarisation, un champ électrique étant crée par une-différence de potentiel appliquée aux bornes du condensateur formé par le film en PVF2 et ses faces métallisées. Il est aussi possible par ce procédé d'obtenir des transducteurs uniformément polarisés dans toute leur épaisseur. Les épaisseurs peuvent aussi être obtenues de grandeur quelconque avec une bonne précision. Les produits organiques de l'art antérieur, à mauvaise compliance, avaient une tendance à se rétracter ou à se recroqueviller car leur équilibre mécanique était fortement perturbé. Grâce au nouveau procédé cité ci-dessus il est possible de réaliser des transducteurs moulés dans une grande variété de formes: en disques plats, coupelles hémisphériques ou en lentilles avec diverses concavités, etc. Cette lattitude permet d'adapter l'invention à l'examen de surfaces très différentes. L'invention propose de disposer une sonde à deux éléments comme indiqué à la figure 2. Sur celle-ci la sonde comporte un corps 8, un adossement 9, un élément transducteur émetteur 10 et un élément transducteur récepteur 11. Enfin, un gel de couplage 12 est disposé en couche très mince (largement grossie sur le dessin de la figure) entre le corps examiné 13 et la sonde. Cette disposition est rendue particulièrement avantageuse en utilisant comme élément émetteur 10 une céramique piézo électrique comme PZT et comme élément récepteur 11 un film en PVF2 Ce film en PVF2 joue alors le rôle -de lame d'adaptation à l'émission - pour l'élément transducteur émetteur 10. En réception, il est placé directement sur le gel de couplage 12. Dans le cas de l'imagerie médicale, les impédance acoustiques du PVF2 et du corps humain sont de l'ordre de: 4 X 105g.cm-2. et de 1,5 iO5g.cm2.s1 L'impédance acoustique de l'élément transducteur émetteur 10 en PZT est de l'ordre de 30 165g.cm-2.s-1. Le montage des deux éléments transducteurs sur un adossement 9 aussi bien dans le cas de la sonde selon l'invention que dans le cas des sondes de l'art antérieur permet de réduire fortement les émissions d'ultrasons vers l'arrière de la sonde. Sur la figure 2, les électrodes des deux éléments transducteurs ont été représentées. Leurs polarisations dépendent des formes des signaux appliqués. Dans l'exemple de réalisation préféré, les électrodes de l'élément transducteur émetteur 10 sont: - l'électrode de masse 14, - l'électrode active 15, et celles de l'élément transducteur récepteur Il sont: - I'électrode de masse 16, - l'électrode active 17. Du point de vue technologique, ces électrodes peuvent être déposées sous vide sur les surfaces des éléments ou bien déposées par des procédés chimiques. Les deux éléments 10 et 11, avec leurs électrodes 14 à 17 sont collés par une colle d'épaisseur controlée. Les électrodes sont reliées de la façon suivante. Les masses électriques de l'élément transducteur récepteur 11 et de la chaîne de réception du signal acoustique sont reliées ensemble. De même, sont reliées les masses de l'élément transducteur émetteur 10 et de la chaîne d'émission. L'électrode de masse 16 de l'élément transducteur récepteur 11 est placée en contact avec le corps examiné 13 et l'électrode de masse 14 de l'élément transducteur émetteur 10 est collée sur l'adossement 9. L'ensemble décrit est placé dans le corps de sonde, réalisé en une matière rigide, électriquement isolant et transparente aux ondes ultrasonores. I1 est réalisable des films de PVF2 ou d'autres matériaux organiques piézoélectriques qui enrobent les électrodes après dépôt. Le collage est alors réalisé sur une matière inactive de l'élément transducteur récepteur 11. Une autre variante d'éxécution comporte le montage de l'élé- ment transducteur récepteur 11 avec ses électrodes 16 et 17 sur un culot avec un filetage intérieur que l'on visse sur un corps cylindrique à filetage extérieur qui -rte l'adossement 9 et l'élément transducteur émetteur 10. Le vissage serré permet de coller mécaniquement l'un sur l'autre les deux éléments transducteurs. La sonde selon l'invention peut être en particulier appliquée à des dispositifs comme des barettes multiéléments par exemple pour réaliser des sondes à balayage électronique. De tels dispositifs peuvent comprendre par exemple 256 sondes selon l'invention commandées par une électonique appropriée. L'électronique de commande est décrite par exemple dans les demandes de brevet français n" 79/05734 déposée le 6 mars 1979 ou le nO 73/41921 déposée le 22 novembre 1973 toutes deux au nom de la Compagnie Générale de Radiologie. Le transducteur récepteur 11, jouant aussi le rôle de lame d'adaptation à l'émission, est d'épaisseur fixée au quart de la longueur d'onde émise. Cette épaisseur dépend donc de la fréquence d'examen qui détermine la profondeur du champ d'examen. En fonction des applications, il faudra disposer de sondes spécialisées à des fréquences d'émission données dans la bande de 0,5 MHz à 20 MHz par exemple. La présente invention trouve aussi application en contrôle industriel. Le matériel à examiner peut alors être immergé dans l'eau dont l'impédance acoustique est proche de celle du corps humain ou dans l'huile. REVENDICATIONS 1. Sonde ultrasonore à deux éléments (10, 11) transducteurs pour l'examen d'un corps, destinée à être connectée d'une part à une chaîne d'émission d'un signal haute fréquence, d'autre part à une chaîne de réception du signal acoustique, caractérisée en ce que les deux éléments (10, 11) sont réalisés, l'un en une céramique piézoélectrique, l'autre en un matériau organique piézoélectrique, la céramique piézoélectrique constituant l'élément transducteur d'émission (10) et le matériau organique piézoélectrique constituant l'élément transducteur de réception (11) et d'adaptation à l'émission, l'élément récepteur (11) étant interposé entre l'élément émetteur (10) et le corps à examiner (13). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la céramique piézoélectrique est une céramique PZT et le matériau organique est un polymère piézoélectrique en film, d'impédance acoustique voisine du corps à examiner. 3. Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que le polymère piézoélectrique en film est un polyfluorure de vinylidène rendu piézoélectrique par la seule action d'un champ électrique orienté suivant la normale aux faces principales du film. 4. Sonde selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le matériau organique est réalisé sous forme d'un film d'épaisseur déterminée en fonction de la fréquence des impulsions électriques appliquées à l'élément transducteur émetteur (10). 5. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ltélément transducteur émetteur (10) est collé sur un adossement (9) destiné à réduire fortement les ondes ultrasonores en émission arrière. 6. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément transducteur récepteur (11) est lié à l'élément transducteur émetteur (10) par une fine couche de colle de faible viscosité. 7. Sonde - selon l'une des revendications précédentes, carac térisée en ce que chaque élément transducteur (10, 11) est constitué d'un élément actif, céramique ou matériau organique, dont les faces principales sont métallisées constituant des électrodes et en ce qu'une électrode (16) de l'élément transducteur récepteur (11) est en contact avec le corps examiné (13) et est placé au potentiel de la masse électrique d'une chaîne de réception du signal acoustique, l'électrode (14) de l'élément transducteur émetteur (10) collée à l'adossement (9) étant portée au potentiel de la masse électrique d'une chaîne d'émission du signal HF et les électrodes (15, 17) des faces des deux éléments (10, 11) étant accessibles respectivement sur une borne de sortie de la chaîne d'émission du signal HF et une borne d'entrée de la chaîne de réception du signal acoustique ultrasonore en retour. 8. Dispositif en barette comportant plusieurs sondes selon l'une des revendications précédentes.