Brevet FR2487665A1 — publié le 19820205

L'invention se rapporte aux appareils d'échographie médicale comportant un traducteur ultrasonore agencé pour engendrer un faisceau qui effectue un balayage angulaire relativement rapide dans un plan d'examen et est transmis au milieu examiné par un liquide de couplage contenu dans une chambre. Elle concerne plus particulièrement une sonde d'échographie comportant un traducteur composé, d'une part, d'un boitier contenant le liquide de couplage et muni d'une fenôtre de passage du faisceau ultrasonore, dans lequel sont immergés un élément piézoelectrique en forme de disque, un organe moteur électrique et des moyens mécaniques de provoquer la déviation angulaire du faisceau en fonction de la position angulaire du rotor du moteur; d'autre part, d'un dispositif de reperage continu de la position angulaire du faisceau. Une telle sonde est destinée à l'échographie en temps réel, dans des applications, telles que la cardiologie, l'ophtalmologie et l'obstétrique, où le nombre d'images par secondes que l'appareil doit afficher est, par exemple, de l'ordre de 25 à 50 et où il importe de réaliser une sonde extrêmement légère, compacte, commode d'emploi, peu onéreuse et parfaitement fiable.Dans certaines de ces applications, il est intéressant de pouvoir faire travailler l'appareil, soit suivant le mode de représentation dit "type B", dans lequel la trace sur l'écran du faisceau électronique du tube cathodique de visualisation de l'image doit occuper, à chaque instant, une position homothetique de celle du faisceau ultrasonore dans le milieu examiné, soit suivant le mode de représentation dit "TM" ou "temps-mouvement", dans lequel, la sonde étant immobile, on visualise l'évolution en fonction du temps des structures examinées. Pour réaliser le mode de représentation "type B", il suffit que la sonde fournisse à chaque instant une information de position angulaire du faisceau ultrasonore : on connaît, en effet, des appareils d'échographie munis de moyens de commander convenablement la déviation du faisceau électronique à partir de cette information et l'invention ne porte pas sur de tels moyens. Dans le mode TM", l'appareil comporte normalement des moyens d'afficher, sur l'écran du tube cathodique, une ligne de surbrillance qui peut être déplacée sur l'écran pour l'amener sur une zone de l'image dont on désire observer le mouvement. Lorsque ce reperage a été effectué, le faisceau ultrasonore doit être amené dans la position angulaire correspondante et immobilisé dans cette position et des moyens doivent être prevus pour effectuer le déplacement angulaire approprié du faisceau. L'invention propose des moyens mécaniques particulibrement simples et avantageux de provoquer la déviation angulaire du faisceau ultrasonore. Elle a encore pour objet un dispositif de repérage de la position angulaire du faisceau ultrasonore, particulibrement apte à coopérer avec lesdits moyens de deviation. Elle a enfin pour objet un dispositif qui sera associe à la sonde, pour effectuer ledit déplacement angulaire du faisceau approprie au passage de l'appareil d'examen en mode TM, dispositif qui coopère avantageusement avec lesdits moyens de deviation. Suivant une particularité importante de l'invention, le traducteur ayant la forme d'un disque, l'organe moteur d'entraînement du traducteur possede un arbre dispose perpendiculairement à ladite fenêtre suivant un premier axe, lesdits moyens mécaniques comportent une biellette entraînée dans un mouvement conique autour dudit premier axe, par un organe de liaison mécanique audit arbre agencé pour autoriser la rotation de la biellette sur elle-même à l'exclusion de sa translation suivant sa propre direction, des moyens de réaliser un axe de rotation fixe du traducteur, ledit premier axe et ledit axe de rotation étant situes dans un même plan et perpendiculaires entre eux et une chape montée pivotante autour d'un axe solidaire du traducteur, passant par son centre et perpendiculaire audit axe de rotation, ladite chape comportant un étrier solidaire de l'extrémité de ladite biellette non liée audit arbre. D'autres particularites, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle par un plan axial, d'une sonde conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention; La figure 2 représente schématiquement, vu en perspective, le mécanisme d'entraînement du traducteur; La figure 3 représente la liaison entre la biellette et son organe d'entraînement; La figure 4 est une vue de détail du traducteur et de la chape qui provoque son oscillation; La figure 5 représente le dispositif magnétique de rappel du moteur dans une position de reference;; La figure 6 est un schema des circuits du dispositif de repérage de la position angulaire du faisceau et du dispositif qui permet le déplacement angulaire du faisceau approprié au passage en mode TM, et La figure 7 représente une variante d'exécution du pont de mesure de la vitesse angulaire du moteur, que comporte ledit dispositif de repérage. Aux figures 1 et 2, on a représenté un traducteur constitue d'une pastille de céramique piézoélectrique 1 logée au voisinage d'une membrane 21 transparente aux ultrasons, dans un boitier 2 qui contient un liquide de couplage. Ce dernier est de préférence du type dans lequel la vitesse de propagation des ultrasons est plus faible que leur vitesse de propagation dans l'eau, par exemple certains liquides fluorés. Un tel liquide est inerte, ce qui permet d'utiliser un moteur immerge. Le boîtier 2 a la forme d'un cylindre allongé terminé par une partie tronconique dont l'extrémité est fermée par la membrane 21.0n a represente en 22 un câble de liaison electrique de la sonde ainsi constituée et les circuits d'emission et de reception que comporte l'appareil d'examen. On expliquera plus loin par quels moyens, propres a l'invention, l'utilisation d'un câble unique a été rendue possible. Unmoteur 3 est fixe au boitier au moyen d'un manchon 34 perce de canaux 340 qui permettent la circulation du liquide de couplage. Le traducteur 1 est entraîne en oscillation autour d'un axe 100, perpendiculaire au plan de la figure 1, au moyen du moteur 3 à très faible inertie, dont l'arbre 31 est disposé suivant l'axe du boîtier 2 et qui oscille par exemple de t 20 autour d'une position de référence définie par un systeme magnétique ou elastique,comme on I'expliquera dans la suite. Sur l'arbre 31 est monte un disque 32 perpendiculaire à l'axe du boîtier 1. Une biellette 33 est liée au disque 32, de la manière qui sera expliquée dans la suite, en un point périphérique 330 du disque 32; la biellette 33 coopere avec une chape 34 fixée à la pastille 1, de la manière qui sera expliquée plus loin. A la figure 3, on a représente la liaison entre le disque 32 et la biellette 33. On voit que la tête 331 de cette dernière est montée dans un roulement 332, si bien que le seul mouvement que puisse exécuter la biellette 33, par rapport au disque 32, est une rotation sur elle-même autour de son propre axe, à l'exclusion de toute translation paral lèle à cet axe. A la figure 4, on voit que la biellette 33 est fixee à la chape 34 en un point tel que l'axe de ladite biellette passe par le centre 0 du disque 1. La biellette effectue donc un mouvement conique autour de l'axe de symétrie du traducteur, lequel passe par 0 et se confond avec l'axe de l'arbre 31. Le demi-angle au sommet du cône sera par exemple de l'ordre de 450 La pastille de céramique 1 est fixée à la partie inferieure d'une bague 101 elle-même solidaire d'une coupelle de support 102. Les éléments 101 et 102 peuvent être en ma tière plastique et l'intervalle 103 entre la paroi latérale de la coupelle et la bague 101 sera avantageusement rempli de colle. Sur la paroi laterale de la coupelle sont montés, aux deux extrémités respectives du diamètre 104 (voir figure 2) de la pastille 1 perpendiculaire à l'axe 100, deux tourillons 105 - 106 (figures 2 et 4) qui coopèrent respectivement avec des roulements 107 - 108 dont la cage extérieure est solidarisée d'une part, de maniere non figurée, au boîtier 2 et, d'autre part, comme le montre la figure 4, aux extrémités de la chape 34. Il est évident que le seul mouvement que puisse executer le disque 1 est une oscillation alternative autour de l'axe 100. Ce dernier est défini par deux tourillons 1001 et 1002 également fixés à la coupelle 102 et coopérant avec des paliers, non figurés, fixes au boîtier 2. L'axe 104 oscille lui-même dans le plan passant par O et perpendiculaire à l'axe 100 et la chape 34 ne peut elle-même qu'osciller autour des axes mobiles 104 et 33. En definitive, l'oscillation de la pastille 1, de l'ordre de + 20 à 25 par exemple, est obtenue uniquement à partir de mouvements de rotation, avec des organes ne présentant aucun jeu ou glissement. Il est évident que le disque 32 pourra être remplacé par une manivelle. Outre la fiabilité qui en résulte, ce dispositif présente l'avantage qu'il existe une liaison univoque entre les positions angulaires de l'arbre 31 et de la pastille 1, ce qui facilite le repérage de la deviation angulaire du faisceau émis. On notera, par ailleurs, que le dispositif est entièrement distribué autour de l'axe du moteur, ce qui permet la réalisation d'une sonde coaxiale, d'emploi particulièrement commode, notamment en cardiologie. A la figure 5, on a représente le disque 32 en vue de dessus et le boîtier 2 en coupe transversale. On voit que deux petits aimants 201 et 202 sont montés radialement sur la face intérieure du boitier 2, un peu au-dessus de la surface du disque. Ce dernier porte de son côte un aimant radial 320. Ces trois aimants sont aimantés dans des directions tangentielles par rapport à la périphérie du disque et disposes de manière telle que l'aimant 320 présente des surfaces polaires respectivement en regard de surfaces polaires des aimants 201 et 202, les pôles en regard étant de même signe. Il en résulte que, par effet de répulsion, 1'aimant 320 prendra, en l'absence d'entraînement par le moteur, une position d'équilibre entre les positions des aimants 201 et 202., à égale distance de ceux-ci s'ils sont identiques. L'angle que font entre elles les directions radiales des aimants 201 et 202 devra evidemment être un peu supérieur à l'angle d'oscillation de l'arbre 31. On définit ainsi une position angulaire de référence de l'arbre 31. On notera que ce dispositif de rappel magnétique (non représente à la figure 2 pour simplifier) pourrait, non seulement être monté sur un autre organe rotatif solidaire de l'arbre du moteur, mais encore être remplacé par un dispositif de rappel élastique par ressort, ou par tout autre moyen approprie. Il est toutefois particulierement simple et fiable. De même, le moteur pourrait être remplacé par un dispositif galvanometrique. La membrane 21 sera avantageusement, dans le cas où le liquide de couplage contenu dans le boitier est du type mentionne plus haut, de nature souple et associée à une deuxième membrane souple délimitant avec la première une chambre auxiliaire contenant de l'eau, comme décrit dans la demande de brevet déposée le même jour par le Demandeur , pour "Sonde d'échographie à balayage sectoriel comportant deux liquides de couplage". Toutefois, l'on pourra, dans certains cas, se passer de cette disposition et se contenter de garnir intérieurement la membrane 21 d'une matière absorbant les ultrasons, ayant pour effet de réduire les réflexions parasites au niveau de la membrane. A la figure 6, on a représenté un générateur 35 de dents de scie ou de signaux rectangulaires ayant par exemple une fréquence de recurrence de 100 Hz, destiné à fournir, à travers un amplificateur 84, une résistance 350 et-des inductances 351 et 352 de forte valeur (par ex. 100 mH) relies entre elles par un câble coaxial 6, le courant d'excitation du moteur 3. Celui-ci a été symbolisé par une force contre-electromotrice E, (qui sera proportionnelle à la vitesse) en serie avec une résistance 300 et une inductance 301. On a représenté en 4 l'émetteur d'impulsions (ayant une fréquence de récurrence par exemple comprise entre 2 et 5 MHz) et en 5 le récepteur que comporte l'appareil d'examen. Ces organes sont reliés à l'inductance 351, un condensateur 353, tandis que l'inductance 352 est reliée au traducteur 1 par un condensateur 354. La sortie du générateur 35 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un potentiomètre 355, en série avec une résistance 356. Un amplificateur différentiel 357 a sa sortie reliee, par l'intermédiaire d'une résistance 358, à l'entrée négative d'un amplificateur operationnel 359 dont l'entrée positive est reliée à la masse. La sortie de l'amplificateur 359 est reliee à son entre négative par l'intermédiaire d'un condensateur 360 sur lequel une résistance 361 est branchée en parallèle. La sortie de l'amplificateur 359 est, par ailleurs, reliée à l'électrode de commande du tube cathodique par l'intermédiaire d'un circuit qui sera decrit plus loin. Les entrées de l'amplificateur 357 sont connectees au curseur du potentiomètre 355 et, respectivement, au point commun entre la résistance 350 et l'inductance 351. Le courant à basse fréquence qui circule dans la résistance 350, les inductances 351 et 352 et les enroulements rotoriques du moteur, n'est évidemment transmis ni aux organes émetteur et récepteur 4 et 5 (il est bloqué par le condensateur 353), ni au traducteur 1 (condensateur 354). De même, le courant à haute fréquence qui est transmis de l'émetteur 4 au traducteur 1 et de ce dernier au récepteur 5, par les condensateurs 353 et 354 ne perturbe pas (selfs de choc 351 - 352) le trajet du courant à basse fréquence susvise. On voit que, dans le montage décrit, il en résulte finalement que la liaison entre le traducteur 1 et les circuits extérieurs peut se faire au moyen d'un câble coaxial unique. Le montage decrit sert à fournir, à la sortie de l'amplificateur operationnel 359 qui fonctionne en integrateur, une tension proportionnelle à la devitation angulaire O du moteur (donc du traducteur) par rapport à une position de référence, comme on va maintenant l'expliquer. Les resistances en série 355 et 356 d'une part, la resistance 350 en série avec l'impédance du moteur d'autre part, forment un pont dans une des diagonales duquel est branché l'amplificateur 357. (les selfs 351 et 352 ayant une impédance négligeable à 100 Hz). A l'équilibre du point, obtenu à l'arrêt du moteur, en ajustant convenablement le potentiomètre 355, il n'existe aucune tension aux bornes de l'amplificateur 357. La tension auxdites bornes est finalement, en fonctionnement, proportionnelle à la force contre-électromotrice E, elle-même proportionnelle à la vitesse du moteur.Par intégration, on obtient donc, à la sortie de l'amplificateur 359, une tension proportionnelle à la déviation angulaire e Pour obtenir un repérage absolu de la position angulaire, il faut, d'une part, qu'une position mécanique de référence de l'ensemble oscillant soit definie, d'autre part, que la tension de sortie de l'intégrateur 359 soit nulle en l'absence du signal d'entrée (c'est-à-dire lorsque le moteur est bloque). Le premier résultat est obtenu au moyen du système magnétique déjà décrit, qui rappelle l'arbre du moteur dans une position bien définie en l'absence de courant d'excitation. Le second résultat est obtenu au moyen du condensateur 360 et de la resistance 361. Le condensateur 360 se charge en presence d'une tension à l'entrée de l'amplificateur. En l'absence d'une telle tension, il se décharge progressivement à travers la résistance 361, si bien que la tension de sortie de l'amplificateur est, au bout d'un certain temps, remise au zéro. L'information de déviation angulaire est appliquee à un dispositif 7, connu en soi, qui reçoit par ailleurs, à son entrée 70, les signaux de synchronisation d'émission (provenant de la borne 40 de l'émetteur 4) et fournit, sur les organes de deviation X et Y du tube cathodique, des tensions en dents de scie d'amplitude instantanee proportionnelle à t sin O et à t cos e respectivement, t étant le temps. Deux commutateurs 71 permettent de substituer à ces tensions des tensions fournies par deux générateurs de balayage 72 73 respectivement. Le générateur 72 fournit un balayage lent de l'écran et le générateur 73, un balayage de type classique (dents de scie synchrones de l'émission, la borne 730 étant, à cet effet, reliée à la borne 40). La sortie de l'amplificateur-intégrateur 359 est appliquée par ailleurs à un amplificateur différentiel 8, monté en comparateur, dont la sortie attaque, par l'intermédiaire d'un condensateur 80, un amplificateur 81 qui attaque lui-même l'électrode de commande de luminosité Z du tube cathodique. L'autre entrée de l'amplificateur 81 est reliée à la sortie 50 du récepteur 5 par l'intermédiaire d'une résistance 51, tandis que l'autre entrée de l'amplificateur 8 est reliee au curseur d'un potentiomètre 82 aux bornes duquel est appliquée une tension continue. Ledit curseur est, par ailleurs, relié à la masse par l'interme- diaire d'un potentiomètre 83, dont le curseur est relié à l'entrée de l'amplificateur 84 par l'intermédiaire d'un commutateur 85.L'autre entrée de l'amplificateur 84 est reliée à un génerateur 35 par l'intermédiaire d'un commutateur 86 et sa sortie attaque les enroulements du moteur 3. Lorsque le commutateur 86 est ferme et le commutateur 85 ouvert, la tension appliquée au moteur est celle fournie par le générateur 35 et le moteur effectue un mouvement oscillant comme indiqué plus haut. A ce moment, les commutateurs 70 et 71 sont dans la position indiquée "B" au dessin, si bien que l'écran du tube cathodique est balayé selon le mode B. Le comparateur 8 compare la tension continue Koo prelevée sur le potentiomètre 82 à la tension Ke prélevée à la sortie de l'intégrateur 359 et superposé, l'informa- tion video appliquée à l'électrode Z, un signal rectangulaire à chaque fois que K6 = K60. Il en résulte que, pour une position angulaire determinée du faisceau ultrasonore, une ligne de surbrillance est affichée sur l'écran. Lorsqu'on désire observer, selon le mode TM, une structure particulière en mouvement visualisée sur l'écran, on règle le potentiomètre 82 jusqu'à amener la ligne de surbrillance sur ladite structure. A ce moment, l'on commute les commutateurs 70-7185 et 86. Il en resulte, d'une part, que l'écran est balayé, de façon connue en soi, selon le mode de représentation TM, d'autre part, que le moteur n'est plus excité que par une tension continue KK1 60 , K1 étant un coefficient de proportionnalité qui dépend du réglage du potentiometre 83. Cette tension engendre un couple moteur qui fait tourner le rotor du moteur d'un certain angle, jusqu'à équilibre avec le couple de rappel déterminé par le dispositif magnetique décrit ci-dessus. Le reglage du potentiometre 83 a éte effec tue par le constructeur de façon telle que cette position d'équilibre corresponde précisemment à celle de la ligne de surbrillance definie ci-dessus. Il en résulte que la sonde s'immobilise dans ladite position. On appréciera que le passage du mode B en mode TM est ainsi obtenu de manière simple, grâce au fait que le dispositif d'entrainement du traducteur possède un couple de rappel dans une position de référence. A la figure 7, on a représente une variante du pont de mesure de la vitesse de rotation du moteur qui fait partie du circuit de la figure 6. La résistance 355 de la figure 6 est remplacée, dans cette variante, par un amplificateur à gain variable, en série avec la résistance 356, et dont le gain est commande par une tension continue issue d'un demodu- lateur synchrone 365, après filtrage par une cellule à resis- tance 366 et capacité 367.Le démodulateur synchrone 367 reçoit, d'une part la sortie de l'amplificateur differentiel 367 du pont, d'autre part, une tension à 1000 Hz par exemple appliquée à la borne 362.Cette dernière tension, de préférence de fréquence suffisamment élevée pour ne pas entraîner le moteur, est également appliquée, par l'intermédiaire d'un condensateur 363, au point commun entre la résistance 350 et 1'entrée de l'amplificateur 364. Les inductances 351 à 352, qui ne jouent aucun rôle dans l'équilibre du pont, n'ont pas été représentées pour simplifier le dessin. Il est évident qu'à 1000 Hz, le pont doit être équilibré, même si le moteur est en marche, puisqu'il n'engendre aucune force contre-électromotrice à cette fréquence. Le demodulateur 365, de type connu en soi, engendre une tension continue proportionnelle en amplitude et en signe au signal résiduel à 1000 Hz qui sort de l'amplificateur 357 lorsque le pont n'est pas équilibré à 1000 Hz (par exemple, à cause d'un changement de sonde). Cette tension continue modifie le gain de l'amplificateur 364 dans un sens propre à réaliser le re-equilibrage automatique du pont. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées aux dispositifs décrits et représentés, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Sonde d'échographie comportant un traducteur composé d'un boitier contenant le liquide de couplage et muni d'une fenêtre de passage du faisceau ultrasonore, dans lequel sont immergés un élément piezoélectrique en forme de disque, un organe moteur électrique et des moyens mécaniques de provoquer la déviation angulaire du faisceau en fonction de la position angulaire du rotor du moteur, caractérisée en ce que l'organe moteur d'entrainement du traducteur possedant un arbre (31) dispose perpendiculairement à ladite fenêtre (21) suivant un premier axe, lesdits moyens mécaniques comportent une biellette (33) entrainée dans un mouvement conique autour dudit premier axe, par un organe (32) de liaison mécanique de ladite biellette audit arbre, agence pour autoriser la rotation de la biellette sur elle-même à l'exclusion de sa translation suivant sa propre direction, des moyens (1001 - 1002) de réaliser un axe de rotation fixe du traducteur, ledit premier axe et ledit axe de rotation étant situés dans un même plan et perpendiculaires entre eux et une chape montée pivotante autour d'un axe (105-106) solidaire du traducteur, passant par son centre et perpendiculaire audit axe de rotation, ladite chape comportant un étrier (34) solidaire de l'extrémité de ladite biellette non liée audit arbre. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de liaison mécanique comprend un disque (32) perpendiculaire audit arbre (31) et solidaire dudit arbre et un roulement (331-332) dans lequel est montée la tête de la biellette (33), ledit disque (32) étant muni d'un aimant (320) qui coopère avec des aimants fixes (201-202) de manière à constituer un couple de rappel de l'équipage mobile vers une position d'équilibre. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre un dispositif de reperage continu de la position du faisceau ultra-sonore, caractérisée en ce que ledit dispositif comporte un pont de mesure (355-356,350 E)de la force contreélectromotrice engendrée par ledit organe moteur, lequel posté de une position ou mécanique de référence définie par un cout ple de rappel et des moyens (39) d'intégrer le signal de mesure contenu, lesdits moyens etant agencés (résistance 361condensateur 360) pour que leur signal de sortie soit nul lorsque ledit organe moteur n'est pas en mouvement. 4. Sonde selon la revendication 3, caractérisée par des moyens (condensateurs 353 et 354) d'empêcher la transmission du courant à basse frequence (générateur 35) d'excitation du moteur vers les organes émetteur (4) et récepteur (5) de l'appareil d'examen et vers le traducteur (1) et par des moyens (inductances 351 et 352) d'empêcher la transmission du courant à haute fréquence d'emission et de recep- tion vers ledit pont de mesure, afin de permettre la liaison de la sonde aux organes extérieurs au moyen d'un câble coaxial unique (6). 5. Sonde selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que ledit pont de mesure comprend un amplificateur à gain variable (364) commandé par un démodulateur synchrone (365) qui reçoit d'une part, ledit signal de sortie du pont, d'autre part, une tension de frequence suffisamment élevée pour ne pas etre susceptible d'entraîner le moteur, ladite tension étant appliquée au pont. 6. Sonde selon l'une des revendications 3 à 5, comportant des moyens (8-82) de prélever une tension proportionnelle audit signal de sortie, de la comparer à une tension continue réglable et d'engendrer, lors de la coincidence, un signal de commande de surbrillance destine au tube cathodique de l'appareil d'examen et des moyens (83-85-86) d'appliquer au moteur une tension proportionnelle à ladite tension continue, qui se substitue au courant normal d'excitation du moteur pour provoquer son arrêt dans une position angulaire qui correspond à celle définie par ledit signal de commande de surbrillance.