Brevet FR2477723A1 — publié le 19810911

L'invention concerne une sonde d'échographie ultrasonore à lentille acoustique déformable, elle concerne également un échographe comportant une telle sonde. Dans l'art antérieur on utilise couramment des sondes à focalisation fixe, obtenue en donnant au transducteur piézo-électrique qui constitue l'or- gane émetteur-récepteur de la sonde, la forme d'une coupelle, ou encore en associant à un transducteur piézo-électrique plat une lentille acoustique. Dans cette technique, la profondeur de champ doit néces- sairement être relativement grande afin de pouvoir obtenir une étendue suffisante de la surface explorée. En effet, en échographie, l'image est formée à partir des points de l'objet situés dans un plan passant par l'axe de visée. Cela conduit à utiliser une ouverture numérique relativement faible et il en résulte que la tache focale est relativement large. Par ailleurs, dans le cas o l'on utilise une lentille acoustique du type constitué par une chambre contenant un liquide et dont une face est déformable, la distance focale n'est pas connue avec précision et les réglages éventuels sont délicats et très instables, compte tenu notamment des fuites de liquide et des effets de la température sur le volume du liquide. Une autre technique connue consiste dans l'u- tilisation de sondes annulaires à éléments transduc- teurs multiples, pour régler la focalisation en in- troduisant des retards réglables et différents entre chaque élément et les circuits d'émission et de réception. Cette technique fait l'objet du brevet français n0 73.41921 déposé le 22.11.73 par la demanderesse pour: "Appareil de sondage par impul- sions acoustiques avec focalisation variable du faisceau de sondage". La technologie de telles sondes devient très délicate dès que l'on désire obtenir de grandes ouvertures numériques, car le nombre d'éléments annu- laires crôtt en fonction de l'ouverture numérique désirée et le découplage mécanique entre les éléments devient rapidement très difficile à réaliser, tandis que les retards doivent prendre des valeurs considé- rables. Un premier but de l'invention est de permettre la réalisation d'une sonde à lentille acoustique déformable dont la distance focale pourra être réglée avec précision dans de larges limites et maintenue à des valeurs stables. A cet effet, la sonde suivant l'invention comporte et est caractérisée par un moyen de faire varier la pression du liquide sur la membrane en fonction d'un signal de commande; un moyen électro-acoustique de mesure de l'épaisseur de la lentille par réflexion d'impulsions ultrasonores; et un moyen de comparer le signal de mesure d'épais- seur engendré par ledit moyen électro-acoustique avec un signal représentatif d'une valeur de consigne pour engendrer un signal d'écart qui constitue ledit signal de commande. Un autre but de l'invention est la réalisa- tion d'une sonde à très grande ouverture numérique et à focalisation réglable, apte à permettre d'effec- tuer le compromis optimum entre la profondeur de champ et la résolution latérale. Suivant un mode d'exécution préféré, une telle sonde est caractérisée en ce que le transducteur prin- cipal comporte une pluralité d'éléments piézo-élec- triques électriquement isolés et acoustiquement indé- pendants les uns des autres, associés de façon à former une surface active commune qui constitue la première face de la lentille, que le récepteur prin- cipal associé audit transducteur soit relié à ses différents éléments par l'intermédiaire de circuits de pondération,de phase et d'amplitude réglables indépendamment les uns des autres et que des moyens sont prévus pour effectuer le réglage programmé de ces circuits et de ladite valeur de consigne. D'autres caractéristiques, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description détaillée ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 représente schématiquement un dis- positif d'échographie utilisant une sonde conforme à un premier mode d'exécution de l'invention et La figure 2 est une représentation schématique partielle d'un dispositif d'ectographie utilisant une sonde conforme à un second mode d'exécution. A la figure 1, on a représenté une sonde acoustique constituée par un transducteur céramique annulaire 1, solidaire d'un bloc annulaire 2 destiné à l'armotissement des oscillations ultrasonores émises par le transducteur. La cavité cylindrique commune aux deux éléments annulaires concentriques 1 et 2 loge un transducteur céramique auxiliaire 3. L'ensem- ble est monté à l'intérieur d'un boîtier 4, dont la paroi arrière est munie d'orifices 41 -42 pour le passage des conducteurs de liaison avec les circuits du dispositif et dont la paroi avant est constituée par une membrane élastique 5 transparente aux ultrasons. La partie avant du boîtier jusqu'à un joint d'étanchéité 43 est remplie d'un liquide dans lequel les ultrasons se propagent à une vitesse Cl différente de la vitesse de propagation dans le milieu extérieur. Ce liquide forme, entre la surface d'émission des transducteurs 1 et 3 et la surface de la membrane 5, une lentille déformable qui, dans le mode d'exécution décrit, est du type plan-convexe. En prenant Ci Q C2, on obtient ainsi une Localisation des faisceaux émis par les deux transducteurs respectifs, en un point P situé à une distance F du plan des surfaces émettrices. La partie avant du boîtier 4 est réuni par une canalisation 6 à une capsule 7 terminée par une membrane élastique 71, sur laquelle agit un piston 8 commandé par un moteur électrique 9, par l'intermé- diaire d'un galet 10 coopérant avec une crémaillère 81 dont est munie la tige du piston. Les circuits électriques du dispositif comprennent: un générateur d'horloge 11 qui synchro- nise deux émetteurs d'impulsions 12 et 13 et un cir- cuit de mesure 14. L'émetteur 13 excite le transducteur 3 et les échos obtenus après réflexion des ultrasons émis sur la membrane 5 sont envoyés à un amplificateur 15 qui les transmet au circuit de mesure 14. Ce dernier est agencé pour fournir une tension continue proportion- nelle à l'intervalle de temps qui sépare l'émission de l'impulsion par le transducteur 3 de sa réflexion par la membrane, donc à la distance e entre le plan d'émission et le centre au sommet de la membrane. La réalisation du circuit de mesure 14 est à la portée de l'homme du métier. Il peut, par exemple, comprendre un générateur d'une tension en dents de scie, le début de la rampe de chaque dent de scie étant synchronisée sur la réception de l'écho, (am- plificateur 15); et un détecteur de crête fournissant la tension de crête de la rampe, laquelle est propor- tionnelle à sa durée. La sortie du circuit 14 est reliée à une entrée d'un amplificateur différentiel 16 dont l'autre entrée reçoit une tension continue de consigne fournie par un potentiomètre 17. La tension d'écart, présente à la sortie de l'amplificateur différentiel 16, com- mande le moteur 9, lequel est agencé, de façon connue en soi, pour effectuer une rotation d'amplitude propor- tionnelle à la tension de commande, dans un sens qui dépend du signe de cette tension. Le déplacement du piston dans un sens ou dans l'autre, aura pour effet de modifier la pression exercée sur la membrane par le liquide contenu dans la lentille déformable, donc la distance e. Or la dis- tance focale F dépend de l'épaisseur e de la lentille. On dispose donc d'un moyen de réglage e, donc de la distance focale F de la lentille. Ce réglage peut évidemment s'effectuer à distance:. En cas de variation de la température ambiante, de fuite de liquide, ou de variation accidentelle de la distance e, pour toute autre cause, la chaîne d'asservissement constituée par les organes 3, 15, 14, 16, 17, 9, 7, 6... maintient la distance e à la valeur de consigne choisie. L'émetteur d'impulsions 12 excite le trans- ducteur 1 et les échos résultant de la réflexion des ultrasons émis au sein du milieu examiné sont trans- mis, par un amplificateur 18, à un circuit classique de traitement et d'exploitation de l'information contenue dans ces échos. Il est évident que le moyen de faire varier la pression du liquide décrit et représenté à la fi- gure 1, pourrait faire l'objet de variante, le moteur pouvant par exemple commander un vérin de réglage de la pression exercée par le liquide. Les deux faces de la lentille pourraient être constituées par des membranes déformables et la distance entre les deux faces pourrait être mesurée ailleurs qu'au centre. On pourrait, par ailleurs, envisager, à titre de variante, de repérer la position de la membrane au moyen d'échos obtenus à partir des impulsions émises par le transducteur principal 1. Toutefois, le mode d'exécution décrit présente l'avantage de permettre un répérage particulièrement précis, effectué sur l'épaisseur maximum de la lentille. Si on le désire et à titre de variante, la fréquence d'émission pourra être indépendante de. îS celle de l'émission principale. La fréquence porteuse d'émission, c'est-à-dire la haute fréquence des oscil- lations de l'émetteur 13, pourra par exemple être de à 20 MHz, pour une fréquence d'émission de 3 à 5 MHz de l'émetteur 12. On notera que la focalisation obtenue au moyen du dispositif de la figure 1 n'est, en général, pas parfaite, surtout pour les fortes ouvertures relatives, du fait que, la membrane présentant une épaisseur uni- forme, elle prend, sous l'effet de la pression du liquide, la forme d'une calotte sphérique, alors que la forme idéale de focalisation est l'hyperboloide de révolution. Pour corriger les aberrations qui en résulte, on pourrait envisager d'utiliser une membrane d'épaisseur non uniforme, mais le calcul de la loi de variation d'épaisseur serait complexe et la correction ne serait rigoureusement que pour une focalisation donnée. Il est plus avantageux d'utiliser la variante de la figure 2, qui fait application, pour obtenir une correction, d'un transducteur à éléments multiples associé à des circuits de pondération de temps et d'amplitude indépendants, comme on va maintenant l'expliquer. On n'a représenté à la figure 2, que la partie des circuits du dispositif qui correspond au trans- ducteur principal, désigné par 100 et associé à la membrane 5 pour constituer une lentille. Le reste du dispositif est réalisé conformément à la figure 1, c'est-à-dire que le transducteur 100 est logé dans un boîtier et forme avec la membrane 5 une chambre remplie d'un liquide de couplage de façon à constituer une lentille convergente et que cette chambre est en communication avec un organe de réglage de la pression du liquide, lui-même asservi par des signaux fournis par un circuit de mesure de l'épaisseur de la lentille, circuit qui comporte un transducteur auxiliaire de mesure. A la figure 2, le dispositif complet de réglage de la forme de la lentille a été symbolisé par un rectangle 27, relié à la lentille 5 par une ligne en trait mixte. Dans la variante de la figure 2, le transduc- teur principal 100, est de préférence réalisé sous la forme d'une pluralité d'anneaux concentriques, par exemple une dizaine, tels que 101, 102, 103 électri- quement isolés les uns des autres, acoustiquement indépendants, tout en étant mécaniquement solidaires d'un même support, de façon que leurs surfaces actives soient dans un même plan qui constitue la face plane de la lentille. La description d'un tel transducteur à éléments multiples est donnée dans le brevet français susvisé. Le faisceau issu du tranducteur 100 est soit soumis à un balayage angulaire, soit par action direc- te sur le transducteur 100, soit par association du dispositif de commande de balayage avec un miroir oscillant, comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet français n0 77.35201 déposée le 23.11.77, par la demanderesse, pour: "Appareil d'exa- men échôgraphique à miroir oscillant destiné au diagnostic médical". On a symbolisé par un moteur 20 relié au trans- ducteur 100 par une ligne en trait mixte, et par un circuit 22 générateur d'une tension de commande appropriée, le dispositif de commande de balayage. L'ensemble (100 - 5) est immergé dans une chambre contenant un liquide de couplage tel que l'eau, choisi pour que la vitesse de propagation des ultrasons y soit telle, qu'il ne supprime pas l'effet de focalisation du faisceau par la lentille déforma- ble. On n'a figuré au dessin que la membrane souple 19, transparente aux ultrasons, qui ferme la chambre de couplage sur la face de sortie du faisceau. L'objet 0 à examiner, en i'occurence une par- tie du corps d'un patient, est appliqué contre la membrane 19, une pellicule de liquide de couplage étant de préférence interposée entre la peau et la membrane 19. Un générateur d'horloge 21 pilote un circuit de synchronisation 110 qui fournit, d'une part les impulsions de synchronisation nécessaires à l'émet- teur principal 12-, d'autre part, des impulsions de commande du circuit 22, lequel est agencé pour ali- menter le moteur 20 de façon telle que le faisceau d'ultrasons émis par le transducteur 100 soit soumis, à chaque cycle d'émission, -à un balayage angulaire suivant un angle déterminé. La réalisation d'un tel circuit est décrite dans la demande de brevet susvisée. Le circuit de synchronisation 110 fournit encore, par l'intermédiaire d'un bus 111, des instruc- tions à un circuit 23 agencé pour fournir des signaux de programmation de lignes à retard telles que 241 à 243 et de pré-amplificateurs à gain programmable tels que 251 à 253. Enfin, il fournit au dispositif 27 un signal de réglage de l'effet principal de focalisa-. tion. Les lignes à retard, à raison d'une par élément annulaire du transducteur 100, transmettent à ces éléments les signaux fournis par l'émetteur 12, à travers des cellules anti-retour symbolisées par des petits rectangles 2410, 2420 et 2430. Ces cellules constituées, comme on l'a expliqué dans la demande de brevet susvisée, par des diodes montées tête-bêche, empêchent l'application des signaux d'émission aux pré-amplificateurs 251 à 253, et réciproquement, l'ap- plication des signaux d'iodes à l'émetteur 12. Les pré-amplificateurs 251 à 253, en nombre égal à celui des éléments annulaires du transducteur , ont leurs sorties reliées à l'entrée d'un ampli- ficateur-sommiateur de réception 180, dont la sortie est reliée à une mémoire 26. En fonctionnement, les signaux issus de l'é- metteur principal 12 étant appliqués aux éléments respectifs du transducteur 100 avec des retards diffé- rents et, éventuellement, une pondération d'amplitude convenablement programmés par le circuit 23, il en résulte un premier effet de focalisation programmable du faisceau ultrasonore émis par le transducteur 100. Ces retards à l'émission peuvent éventuellement être omis. A la réception, les signaux d'échos subissent également des-retards pondérés dans les lignes à retard et, en outre, une pondération d'amplitude dans les préamplificateurs 251 à 253. On a pu montrer que cette pondération d'amplitude permet, d'une part, d'améliorer la forme du diagramme de réception, en réduisant ses lobes secondaires, d'autre part, de modifier l'ouverture relative du transducteur 100, pour changer le rapport entre le profondeur de champ 1 et le diamètre de la tache focale d. d et i sont liés par la relation d2/1 = f.k, f étant la fréquence d'émission. Il en résulte que, si l'on veut avoir une image très nette (d faible), la profondeur de champ sera très réduite, et réciproque- ment. On peut alors avoir intérêt à effectuer un pre- mier examen global avec une grande profondeur (mais une faible netteté), afin d'obtenir une vue d'ensem- ble de l'objet, pour revenir ensuite sur une zone intéressante, en choisissant d'avoir une faible pro- fondeur de champ, mais une grande netteté. Ces résultats sont obtenus, très simplement à l'aide du dispositif décrit, en modifiant le programme de régalge des gains des pré-amplificateurs 251 à 253 et le réglage du dispositif 27. En ce qui concerne le programme de réglage des lignes à retard, il convient de faire observer qu'il n'est destinéqu'à réaliser une simple correc- tion des aberrations de l'effet de focalisation prin- cipal, lequel est fourni, comme dans le mode d'exécu-- tion de la figure 1, par la lentille déformable et le circuit 17 qui lui est associé. On aurait p songer à réaliser entièrement l'effet de focalisation au moyen du transducteur à éléments multiples 100 associé aux lignes à retard 241 à 243. Toutefois, lorsque pour une ouverture relative du transducteur 100 de l'ordre de 0,5, cette solution 1l conduit à la réalisation d'un transducteur comportant au moins une centaine d'éléments et à l'application de retards importants. C'est pourquoi le dispositif décrit propose d'effectuer le réglage principal au moyen d'une lentille déformable associée à un circuit d'asservissement de la position de la membrane qu'elle comporte et d'utiliser le transducteur à éléments multiples uniquement pour obtenir des variations fai- bles destinées à corriger les aberrations de la lentille déformable. Un petit nombre d'éléments est alors suffisant et le transducteur 100 est facile à-réaliser. -Le circuit 23 permet de modifier les programmes de réglage des retards, des gains, de la valeur de consigne imposée par le circuit 27, de la vitesse et de l'amplitude du balayage imposés par le circuit 21, en fonction de l'application envisagée. Il est possible de l'agencer pour obtenir plusieurs réglages successifs de la focalisation correspondant à l'obtention d'images successives de plusieurs zones distinctes de l'objet à examiner, le passage d'une zone à l'autre pouvant être obtenu très rapidement, plusieurs fois par seconde, et de façon automatique. Les signaux d'échos seront alors inscrits dans des zones distinctes de la mémoire 26, en vue de leur exploitation globale, donc de la formation d'une image unique au point à toutes les profondeurs. Les circuits de pondération de temps et d'am- plitude permettent également de déplacer, dans une plage limitée, la position de la tache focale autour d'une valeur moyenne et, éventuellement, de réaliser dans cette zone, à la réception, une focalisation dynamique telle que décrite dans le brevet 73.41921. REVENDICATIONS 1. Sonde d'échographie ultrasonore à lentille acoustique déformable comportant un transducteur piézo- électrique principal (1) associé à une lentille acous- tique constituée par une chambre remplie d'un liquide et ayant une première face délimitée par la face active du transducteur (1) et une seconde face courbe consti- tuée par une membrane (5) déformable, caractérisée par un moyen (7) de faire varier la pression du liquide sur la membrane (5) en fonction d'un signal de com- mande; un moyen électro-acoustique (3) de mesure de l'épaisseur de la lentille par réflexion d'impulsions ultrasonores; et un moyen (16) de comparer le signal de mesure d'épaisseur engendré par ledit moyen (3) électro-acoustique avec un-signal représentatif d'une valeur de consigne pour engendrer un signal d'écart qui constitue ledit signal de commande. 2. Sonde selon la revendication Y, caractérisée en ce que ledit transducteur (1) est annulaire et que ledit moyen électro-acoustique comprend un transduc- teur (3) piézo-électrique auxiliaire logé dans l'ori- fice central du transducteur principal (1) et un émet- teur auxiliaire (13) d'impilsions ultrasonores, asso- cié à un récepteur d'échos (14, 15) fournissant un signal de mesure de l'épaisseur de la lentille en son sommet. - 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce que ledit moyen de faire varier la pression comprend une capsule (7) en communication avec ladite chambre et fermée par une membrane élas- tique (5) sur laquelle agit un piston (8) commandé par un moteur (9) électrique par l'intermédiaire d'un galet (10) coopérant avec une crémaillère (81) dont est munie la tige du piston. 4. Sonde selon la revendication 2 ou 3, carac- térisée en ce que ledit émetteur auxiliaire (13) a une fréquence porteuse sensiblement plus élevée que la fréquence porteuse d'excitation du transducteur prin- cipal (1). 5. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit transducteur principal comporte une pluralité d'éléments piézo-électriques (100, 101, 102, 103) électriquement isolés et acous- tiquement indépendants les uns des autres, associés de façon à former une surface active commune qui cons- titue la première face de la lentille, que le récep- teur principal associé audit transducteur soit relié à ses différents éléments par l'intermédiaire de circuits de pondération (251, 253) de phase et d'am- plitudes réglables indépendamment les uns des autres et que des moyens (23) sont prévus pour effectuer le réglage programmé de ces circuits et de ladite valeur de consigne. 6. Sonde suivant la revendication 5, carac- térisée en ce que lesdits éléments piézo-électriques sont annulaires. 7. Sonde selon la revendication 5 ou 6, carac- térisée en ce que ledit moyen (23) de réglage program- mé est agencé pour obtenir successivement une plura- lité de valeurs de la distance de focalisation et de la profondeur de champ de la sonde et une pluralité cor- respondante de zones successives de balayage de l'objet exploré, un organe de mémoire (26) étant prévu pour enregistrer les résultats de l'examen dans lesdites zones successives. 8.Echographe caractérisé en ce qu'il comporte une sonde selon l'une des revendications précédentes.