Brevet FR2502485A1 — publié le 19821001

Appareil d'exploration à sonde pour le diagnostic par ultrasons. L'invention concerne un appareil d'exploration à sonde pour le diagnostic par ultrasons dans lequel une sonde de diag- nostic par ultrasons peut être arbitrairement positionnée et la direction de son faisceau orientée de manière à pouvoir émettre un faisceau d'ultrasons vers un emplacement prescrit dans une direction visée. Pour produire un tomogramme d'un échantillon en utilisant un appareil de diagnostic par ultrasons, il est nécessaire de positionner de façon précise une sonde à ultrasons par rapport à la partie de l'échantillon à examiner. Ce positionnement comprend l'amenée de la sonde à l'endroit souhaité dans l'es- pace tridimensionnel, ainsi que le réglage de son orientation angulaire. Dans les applications pratiques, ceci est réalisé au moyen d'un appareil d'exploration à sonde pour le diag- nostic par ultrasons. Les appareils habituels d'exploration par sonde à ultrasons, ou scanners à ultrasons, comprennent une embase qui est placée à proximité du corps devant être examiné, ainsi qu'un dispo- sitif d'exploration dont une extrémité est portée par la base et dont l'autre extrémité porte la sonde de diagnostic à ultrasons. L'utilisateur de l'apnareil de diagnostic par ultrasons mlet en position la sonde de diagnostic par ultrasons en utilisant le dispositif d'exploration,puis il fait fonctionner l'appareil de Diagnostic pour afficher un tomogramme de l'échantillon examiné. Cependant, le scanner à sonde de diagnostic par ultrasons de l'art antérieur présente des inconvénients en ce qu'il ne peut pas être déplacé précisément jusqu'à un endroit choisi arbitrairement et y être mis en position, de manière à-faire face à l'échantillon à examiner, et il ne peut pas être dirigé precisément vers une direction de faisceau souhaitée quelconque. En outre, avec le scanner à sonde à ultrasorsselon l'art an- térieur, il n'a pas été possible d'obtenir des données sous forme de signaux représentatifs de la position et de la direc- tion du faisceau d'une sonde de diagnostic par ultrasons placée antérieurement dans une certaine position, de manière à pou- voir utiliser ces données pour accomplird'autres fonctions, par exemple la fonction consistant à produire des tomogrammes de la même coupe transversale du même échantillon à des mo- ments différents. Un but général de l'invention est en conséquence de fournir un appareil d'exploration à sonde pour le diagnostic par ultrasons, ou scanner à ultrasons, qui peut amener avec pré- cision une sonde de diagnostic à ultrasons en une position choisie arbitrairement et avec une direction de faisceau choisie arbitrairement, et qui peut fournir des signaux représentatifs de la position et de la direction du faisceau à une unité électronique de traitement de données. Ce but est atteint,selon l'invention, par un scanner à sonde de diagnostic par ultrasons comprenant un dispositif d'explo- ration à six articulations pouvant chacune pivoter dans un plan prédéterminé, ledit dispositif d'exploration étant por- té à une extrémité par une embase de scanner et une sonde de diagnostic par ultrasons étant fixée à l'autre extrémité, six détecteurs d'anglesétant associés respectivement aux six articulations pour détecter leurs positions angulaires. Une forme de réalisation de l'invention sera maintenant dé- crite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 montre la structure d'une forme de réalisation préférée d'appareil selon l'invention; la figure 2 est un schéma-bloc d'un appareil de diagnostic par ultrasons mettant en oeuvre la forme de réalisation mon- trée à la figure 1; et les figures 3 et 4 sont des épures servant à la description du calcul d'une position de la sonde 10 représentée à la figure 1. La figure 1 représente une forme de réalisation préférée de l'invention. Sur la figure est représentée une sonde à ultrasons 10 du type à exploration sectorielle qui, après avoir été amenée au-contact d'un échantillon devant être exa- miné (non représenté), est commandée par un appareil de diag- nostic (non représenté) de manière à transmettre un faisceau d'ultrasons 100, dont l'écho est utilisé par l'appareil de diagnostic pour produire un tomogramme de l'échantillon. La sonde 10 est mise en position par un dispositif d'explo- ration comprenant une embase de scanner 12 placée à proxi- *mité de l'échantillon à examiner, et un dispositif 14 d'ex- ploration qui est porté à une extrémité par l'embase de scanner 12, et dont l'autre extrémité porte la sonde 10. Le dispositif d'exploration 14 comprend six articulations pouvant chacune pivoter dans un plan prédéterminé, et six détecteurs d'angle associés aux articulations. Un support 16 est monté de manière rotative sur le sommet de l'embase de scanner 12, et un manchon 16a,fixé.sur le support 16, maintient de manière pivotante une extrémité. d'un bras 18. A l'autre extrémité du bras 18 est montée à pivotement une extrémité d'un bras 20, dont l'autre extrémité porte un manchon 22 qui peut tourner par rapport à l'axe du bras 20. Sur une partie 22a d'accrochage du manchon 22, est montée à pivotement une tige de-support 24 de manière à pou- voir être orientée par rapport à l'axe d'une partie 22b for- mant embase, la sonde 10 étant montée rotative à l'extrémité de la tige de support 24. Comme mentionné plus haut, dans le scanner suivant cette forme de réalisation, le dispositif d'exploration 14 comprend six articulations pouvant chacune pivoter dans un plan prédéterminé. Au point de fixation du support 16 sur l'embase de scanner 12, est prévu un détecteur d'angle 26 qui détermine l'angle de rotation du support 16; au point de fixation du manchon l6a au bras 18, est prévu un détecteur d'angle 28 qui déter- mine l'angle de pivotement du bras 18; au point de fixation du bras 20 au bras 18, est prévu un détecteur d'angle 30 qui détecte l'angle de pivotermnt du bras 20; au point de fixation du manclon 22 au bras 20, est prévu un détecteur d'angle 32 qui détermine l'angle de rota- tion du manchon 22 au rnint de fixation de la tiqe de support 24 à la partie 22 d'accrochage, est placé un détecteur d'angle 34 qui mesure l'angle de rotation de la tige support 24: à l'extrémité saMmitale de la tige de support 24, est prévu un détecteur d'angle 36 qui détermine l'angle de rotation de la sonde 10. Les signaux provenant de chacun des détecteurs d'angles 26, 28, 30, 32, 34 et 36 sont fournis à l'appareil de diagnostic en tant qu'informations à l'égard de la position de la sonde 10 par rapport à l'embase de scanner 12. - La figure 2 montre un schéma-bloc de l'appareil de diagnostic par ultrasons mettant en oeuvre la forme de réalisation repré- sentée à la figure 2. L'appareil de diagnostic 38 comprend une unité 40 d'émission/réception qui émet et commande le fais- ceau 100 d'ultrasons de la sonde 10 et qui détecte les échos réfléchis grâce à la sonde 10, ainsi qu'un convertisseur 44 de balayage qui convertit les signaux détectés par l'unité d'émission/réception en des signaux d'images propres à être utilisés pour le balayage d'un écran d'affichage 42. L'appareil de diagnostic 38 comprend en outre un dispositif de traitement 46 qui traite les signaux angulaires provenant des détecteurs d'angles 26, 28, 30, 32, 34 et 36, pour obte- nir la position et la direction du faisceau de la sonde 10, et pour fournir les résultats traités au convertisseur de balayage 44. Des signaux de commande provenant d'un clavier 48 actionné par un utilisateur sont fournis au dispositif de traitement 46 et au convertisseur de balayage 44. Le dispositif de traitement 46 commence son opération de traitement à la réception des signaux de commande. A la réception de ces si- gnaux provenant du clavier 48 le convertisseur de balayage 44 reçoit les résultats traités par le dispositif de traitement 46, et fait fonctionner le dispositif d'affichage 42 de manière à afficher aussi bien la position que la direction du fais- ceau de la sonde 10, sous la forme de chiffres, de symboles ou d'une représentation graphique, et le tomogramme de l'échantillon examiné. Le dispositif de traitement 46 com- prend des moyens propres à enregistrer les résultats traités, c'est-à-dire des données indiquant la position et la direc- \25 tion du faisceau de la sonde 10, et le convertisseur de bala- yage 44 peut être mis en oeuvre pour afficher la position et la direction du faisceau de la sonde 10 sur le dispositif d'affichage 42 en fournissant les données enregistrées du dispositif de traitement 46. Dans la description qui précède, chacune des articulations du dispositif d'exploration 14 peut être immobilisée dans un angle arbitraire, ou elle peut être libérée d'un tel état d'immobilisation. La structure de la forme de réalisation préférée de l'inven- tion est telle que décrite dans ce qui précède. Le fonction- nement de ce scanner va maintenant être décrit dans ce qui suit. L'utilisateur-déplace la sonde 10 jusqu'à une position sou- haitée par rapport à l'échantillon (par exemple un tissu) devant être examiné, et il immobilise chacune des articula- tions de telle manière que la direction du faisceau de la sonde puisse être dirigée vers l'échantillon. Après que le scanner a été réglé de cette manière, les données provenant des détecteurs d'angle sont fournies au dispositif de traitement 46 qui traite ces données de manière à déterminer et enregistrer la position et la direction du faisceau de la sonde 10. Cme mmentionné plus haut, étant donné que le système scanner 14 selon l'invention est équipé de six articulations, la position et la direction du faisceau de la sonde 10 peuvent être réglées librement et de façon sfre par rapport à l'échantillon à examiner. On va expliquer dans ce qui suit comment le scanner selon l'invention peut être utilisé pour obtenir des tomogrammes de la même coupe transversale du même échantillon à diffé- rents instants. L'opérateur utilise le clavier 48 pour extraire du dispositif de trai- tement 46 les données sur la position et la direction du faisceau de la sonde 10 au cours de l'opération tmozgraphique précédente, et pour fournir ces données au convertisseur de balayage 44. Il en ré- sulte que la position et la direction du faisceau de la sonde 10 pour l'opération tomographique précédente sont affichées par le dispositif d'affichage 42, sous la forme de chiffres, de symboles ou d'une représentation graphique. Ensuite, l'opérateur déplace la sonde 10 jusqu'à la position affichée par l'appareil de diagnostic à ultrasons, et il immobilise la sonde 10 dans la direction de faisceau affichée. Il fait alors fonctionner l'appareil de diagnostic à ultra- sons pour produire un tomogramme de la même coupe transver- sale que celui qui a été obtenu au cours de l'opération tomo- graphique précédente. Il en résulte que tous changements des caractéristiques de l'échantillon examiné peuvent être appré- ciés précisément. Comme mentionné plus haut, dans cette forme de réalisation, la sonde 10 à ultrasons peut être déplacée jusqu'à une posi- tion arbitraire et d i r i q é e dans une direction de fais- ceau arbitraire. La mise en position de la sonde peut ainsi être réalisée avec une grande précision. En outre, dans cette forme de réalisation, lorsque la posi- tion et la direction du faisceau de la sonde 10 à ultrasons pour une opération tomographique donnée sont déterminées à partir des informations sur la position fournie par les dé- tecteurs d'angles 26, 28, 30, 32, 34 et 36, et par le dispo- sitif de traitement 46, les résultats de cette détermination y étant enregistrés, il est possible de produire un tomogramme précédent de la mne partie de l'échantillon par une opération toeo- graphique ultérieure, rendant ainsi possible d'apprécier avec précision tous changements s'étant produits avec le temps dans l'échantillon. Dans cette forme de réalisation, le dispositif d'exploration 14 est équipé de six articulations.Chacune de ces articula- tions étant dotée de l'un des détecteurs d'angles 26, 28, 30, 32,34, 36, l'opération de traitement du dispositif 46 est sim- nlifiée et le temps de traitement correspondant est réduit. Il est connu que, du point de vue du coût, il est préférable d'utiliser un micro-calculateur en tant que dispositif dle trai- tement 46. Cependant, si le nombre d'articulations du dispo- sitif d'exploration 14 est de sept ou plus, le dispositif de traitement 46 aura à réaliser un traitement d'une telle com- plexité que, si on utilise un microcalculateur, le temps de traitement serait si long qu'il diminuerait grandement les possibilités pratiques d'utilisation-de l'appareil de diag- nostic à ultrasons. Eu égard à ce qui précède, la forme de réalisation met en oeuvre seulement six articulations, chacune équipée d'un détecteur d'angle. De cette manière, le temps de traitement du calculateur est maintenu a- un minimum. Le traitement compliqué nécessaire pour déterminer la posi- tion de la sonde 10 dans l'espace à trois dimensions a un bien plus grand effet sur la vitesse de traitement du dispo- sitif 46 que le Drocessus nécessaire pour déterminer la direction du faisceau de la sonde. En fait, l'effet de ce dernier est si faible par rapport à celui du prermier qu'il peut être négligé. C'est pourquoi dans ce qui suit seules les équations du trai- tement visant à déterminer la position de la sonde 10 dans l'espace à trois dimensions, sont exposées. A la figure 3, les grandeurs des divers éléments et les an- gles du dispositif d'exploration dans la forme de réalisa- tion représentée à la figure 1, sont indiquées par des sym- boles. On considère un système de coordonnées rectangulaires X-Y-Z dont l'origine se trouve au point de fixation du bras 18 sur l'axe de rotation du support 16. Sur la figure 3, 8a est l'angle détecté par le détecteur ) d'angle 26; est l'angle détecté par le détecteur d'angle 28; d 2 est l'angle détecté par le détecteur d'angle 30; 63 est l'angle détecté par le détecteur d'angle 34; e% est l'an- gle détecté par le détecteur d'angle 32- O est l'angle détec- té par le détecteur d'angle 36; et 8 est l'angle secteur de la sonde 10. Sur la figure 3 également, L1 est la distance allant de l'articulation du bras 18 au support 16 jusqu'à l'articulation du bras 18 au bras 20; L2 est la distance allant de l'articulation du bras 20 au bras 18 jusqu'à l'articulation de l'attache 22 à la tige de support 24; L3 est la distance allant de l'articulation de l'attache 22 à la tige de support 24 jusqu'à l'extréiaité so.mnitale de la sonde 10; et P est l'extrémité sommitale de la sonde 10. A la figure 4, l'articulation de l'attache 22 avec la tige de support 24 est représentée à plus grande échelle. Les grandeurs L1, L2 et L3 sont fournies préalablement au dispositif de traitement 46. Les coordonnées Xp, Y et Zp de l'extrémité sommitale P sont fournies par les équations suivantes: X, = n(L3 in83 sin l)2 + {L3 V/l - 5in23 sin2' d X Cos (01+02+03)+LI cos 01 X +L O(o0 2)12 X in(+si L3sinO3sin0)........... (1) +L2cos(0î +02)}z2 Xsin(&+sin" /x Yr = /(L3s in03 sin)+ L/in0sin L1 03ineOD X cos (01+02+03) +Ll cos tl + L3 %/]-sinz'Osinz OB x L2 cos (1+02) } 2 x cos t + s -' cos (O+0a+03)+LlCOsOl+L2cos (02) X...... (2) V/ ô + y' Zr= Ls3/1-sint03sin20g Xsin(01+02+03)+LisinO +L2sin(Os+02) (3) Dans le dispositif de traitement 46 représenté à la figure 2, la position P de la sonde 10 peut être dobtenue en intro- duisant dans les équations (1), (2),(3) ci-dessus les valeurs précédemment fournies pour L1, L2 et L3 et les angles e0 ele2,e et e3 fournis par les détecteurs d'angles 26, 28, , 32 et 34. Les équations (1), (2), (3) mentionnées ci-dessus seront expliquées plus loin. A la figure 3, on considère que le système de coordonnées X-Y-Z est pivoté de O dans le plan X-Y, et l'on prend ce nouveau système de coordonnées comme système de coordonnées x, y, z. Dans chacun de ces systèmes de coordonnées, les équations suivantes sont valables: \r sû + Yri X sin(a+sn 2x+ Y+ Y = J + y x cos (0a + cos-' -) l0 t %/XZ + yp + 4 Zp = Zp Oh cherche tout d'abord les coordonnées du,point 2 dans le système de coordonnées x-y-z. A la figure 4, on désigne par Q l'intersection de L2 et L3, et on définit le système de coordonnées obtenu par déplacement de l'origine du système de coordonnées x-y-z, jusqu'au point Q. comme étant le sys- tème de coordonnées x'-y'-z'. Les coordonnées (x'. y'Yz') du point P sont alors données par les équatiens suivantes: z= L 2 sin 63 X sinO yp = L3 '/1-sin2 03 sin20 X Cos ( ++ 02+03) zr La / 1- sin 03 sin: PX si n ( Ol+ 8z'{+0) De ce qui précède, on tire que les relations existant entre xp, yp, zp et x'p, y'p, z'p sont les suivantes: y1 = y' + Li cos 01 + L2 cos ( 01 + 02) Zr = z+ LI sin Oil+ Lzsin(Ol+ z) On obtient donc en conséquence les équations suivantes: Xi = L3 Sin 03 X sin 0............... (4) y? = L3 \X 1 - sin2 83 sin' 0, x COS (01 + 02 + 03) + LicosOI + L2 cos(6d +02)..'.'''''.'''..'(5) Zp = L3 JI - sin2 03 sin2 Oa X sin (01i + 2 + 03) + Li sin Oi + I2 sin ( 01 + 02)..*-------....(6) Quand les équations (4), (5) et (6) sont exprimées dans le système de coordonnées X- Y-Z, on obtient les équations (1),..DTD: (2), (3) indiquées précédemment. On va maintenant décrire un cas dans lequel est appliquée une méthode d'exploration composite utilisant l'appareil d'exploration à sonde de diagnostic par ultrasons selon cette forme de réalisation. Un procédé d'exploration composite peut être défini de ma- nière générale comme un procédé dans lequel la position et la direction du faisceau de la sonde varient en fonction d'une combinaison de deux ou plusieurs procédés d'explora- tion simples, choisis parmi les procédés d'exploration li- néaires, circulaires, en arc, sectoriels et autres. Avec l'exploration composite, il est possible d'obtenir des tomo- graphes de haute qualité. Afin d'effectuer une exploration composite en utilisant la forme de réalisation représentée à la figure 1, trois articu- lations du dispositif d'articulation 14 sont immobilisées de sorte que l'exploration est réalisée par une combinaison d'ex- ploration mécanique par le dispositif d'exploration 14 et d'exploration sectorielle électronique par la sonde 10. A la figure 1, par exemple, quand sont immobilisés le support 16, l'attache 22 et la sonde 10, le dispositif d'ex- ploration 14 peut déplacer la sonde 10 suivant un lieu géo- métrique rectiligne prédéterminé, et diriger la sonde 10 dans une direction choisie arbitrairement. En conséquence, dans ce cas, l'exploration linéaire mécanique réalisée par le dispositif d'exploration 14, et l'exploration sectorielle électronique par la sonde 10, sont combinées pour réaliser l'exploration sectorielle composite. L'exploration composite étant réalisée, la position P et la direction du faisceau de la sonde 10 sont traitées par le dispositif de traitement 46, et le résultat est fourni au convertisseur de balayage 44.Le convertisseur Cie balayage 44 convertit- les- siçnau. onCu.latoires détectés par la partie 40 d'émission/réception, et le résul- tat traité provenant du dispositif 46,en signaux d'images. L'ensemble d'affichage 42 affiche un large tomogramme d'explo- ration sectorielle continue suivant la ligne d'exploration composite, et en même temps, la position et la direction du faisceau de la sonde peuvent aussi être indiquées. En consé- quence, la position de la sonde par rapport à l'image d'explo- ration composte peut être vue sur l'écran du dispositif d'af- fichage 42. Tel que cela ressort clairement de la description qui précède, conformément à l'invention, la sonde peut avantageusement être mise dans une position choisie arbitrairement et avec un an- gle de faisceau choisi également arbitrairement. En outre, suivant l'invention, lorsque la sonde a été mise en place dans la relation souhaitée avec l'échantillon à examiner, des données ind catives de cette position peuvent être dérivées du dispositif d'exploration et être utilisées pour alimenter l'appareil de diagnostic à ultrasons dans le- quel le dispositif d'exploration est employé avec des fonc- tions additionnelles. Revendication. Appareil d'exploration à sonde de diagnostic par ultrasons, ou scanner à ultrasons, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'exploration doté de six articulations pouvant chacune pivoter dans un plan prédéterminé, ledit dispositif d'exploration étant porté, à une de ses extrémités, par une embase, et étant doté à son autre extrémité d'une sonde à ultrasons qui lui est fixée, six détecteurs d'angle équipant chacun une desdites articulations du dispositif d'explora- tion pour détecter les positions angulaires de ces articulations.