Brevet FR2499348A1 — publié le 19820806

DISPOSITIF DE CALIBRATION DE TRANSDUCTEURS ULTRASONORES La présente invention concerne un dispositif de calibra- tion de transducteur ultrasonore, ou d'un appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore équipé d'un ou de plusieurs trans- ducteurs, par une méthode de mesure de la réflexion d'ondes de pression ultrasonore planes sur une cible sphérique rigide. On pensait jusqu'à présent que les appareils d'exploration de milieux aux ultrasons émettaient des puissances suffisamment faibles pour ne présenter aucun danger en échographie médicale vis-à-vis des patients. A la fois pour en effectuer la vérification (les appareils actuels sont souvent équipés non plus d'un seul transducteur, mais d'un réseau de transducteurs) et, d'une manière plus générale, pour permettre une mise au point plus précise des appareils destinés à four- nir des images d'un milieu par exploration de celui-ci aux ultrasons, il est de plus en plus important de disposer de méthodes de Icalibration précises de ces appareils, c'est-à-dire du ou des transducteurs qui leur sont incorporés. La communication "Calibration of imaging systems by means of spherical targets" effectuée par M. AUPHAN, R.H. COURSANT et C. MEQUIO au dixième "Symposium International d'Imagerie Médicale" qui s'est tenu à Cannes, en France, du 12 au 16 Octobre 1980, met bien en évidence, dans son introduction, les inconvénients des méthodes utili- sées actuellement (méthodes utilisant des hydrophones et ne permettant d'obtenir que la puissance totale transmise, alors que l'information la plus utile serait la connaissance de la pression acoustique en un point donné lors de l'émission du transducteur). Ce document propose en Ii'utre une nouvelle méthode de calibration de transducteur, par déter- mination de cette pression ultrasonore à la suite de calculs utilisant les échos recueillis après réflexion sur une petite bille rigide frap- pée par les ondes qu'émet le transducteur. Plus précisément, l'originalité de la méthode de calibra- tion proposée dans ce document ne réside pas dans l'utilisation spéci- fique d'une cible sphérique, utilisation qui avait déjà donné lieu à une analyse rigoureuse dans l'article "Reflection of a plane impulsive acoustic pressure wave by a rigid sphere" de M. AUPHAN et J. MATTHYS, paru dans la revue Journal of Sound and Vibration (1979, 66-2), pages 227 à 237, mais dans la manière, décrite ci-dessous, dont cette métho- de est mise en oeuvre. Les auteurs de ladite communication, ayant en effet constaté que le fil de suspension de la cible sphérique, aussi fin soit-il, suscite des échos d'amiplitude non négligeable qui perturbent les me- sures et calculs effectués sur les échos utiles, estiment que cette méthode ne peut pas être utilisée telle quelle et, après avoir renoncé également à l'utilisation de moyens de lévitation magnétique en raison de la complexité de mise en oeuvre de cette solution, proposent de recueillir les échos provenant d'une cible non plus immobile mais en chute libre dans le milieu liquide de propagation des ultrasons. L'ap- pareil de mise en oeuvre de cette méthode comprend un système de rete- nue de la bille sphérique, libérée au moment voulu par action d'un petit moteur électrique et suivie dans sa chute libre par les échos qu'elle renvoie vers le transducteur émettant de brèves impulsions à une fréquence de répétition. d'environ 1 kilohertz. Au cours de la chute, l'intervalle entre l'instant de l'impact sur la bille et le recueil de l'écho correspondant diminue. Un comparateur, qui détecte la valeur de cet intervalle, déclenche le fonctionnement d'un oscillos- cape à mémoire à l'instant o la trajectoire de la bille coupe l'axe du transducteur, les signaux ainsi enregistrés étant ensuite soumis aux calculs précisés en détail dans les documents cités plus haut. Cependant, l'appareil décrit dans la communication citée présente l'inconvénient suivant, à savoir qu'il subsiste une marge d'incertitude non négligeable sur la position réelle de la bille. En effet, l'ouverture du dispositif de retenue de la bille peut induire dans le milieu liquide de propagation des ultrasons des mouvements de t.rbulence suffisants pour dévier cette bille et faire en sorte que sa trajectoire ne soit plus celle qu'elle suivrait sous la seule action de la pesanteur. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de calibration résolvant de façon simple le problème de la suspension de la bille et évitant donc le recours à la solution dans laquelle cette bille est en mouvement de chute libre. L'invention concerne à cet effet un dispositif de calibra- tion de transducteur ultrasonore par la méthode de mesure de la réfle- xion d'ondes de pression ultrasonore planes sur une cible sphérique rigide, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un transducteur ultrasonore plan, dit de calibration (b) une plaque plane rigide appuyéepar un de ses bords contre la face avant du transducteur de calibration et disposée perpendicu- lairement à cette face avant, dans un plan de symétrie de ce transduc- teur afin de n'apporter aucune perturbation à la distribution des vi- tesses ultrasonores; (c) une bille rigide encastrée suivant l'un de ses plans diamétraux dans la plaque plane, de façon que son centre soit sur l'axe de symétrie du transducteur de calibration contenu dans ledit plan de symétrie; (d) une cuve remplie d'un liquide permettant la propagation des ondes ultrasonores et destinée à l'immersion des éléments prévus en (a), (b) et (c), ce liquide ayant une faible viscosité à la tempé- rature à laquelle est mis en oeuvre le dispositif de calibration (e) un dispositif d'émission et de réception des ondes ultrasonores; (f) un dispositif de traitement des résultats de mesure de la réflexion des ondes de pression ultrasonore planes sur la bille; et en ce que le transducteur ultrasonore à calibrer est éga- lement immergé dans la cuve et déplaçable de façon que, au cours des différentes mesures de calibration entreprises pour établir le dia- gramme de rayonnement de ce transducteur, les points o l'on veut ef- fectivement mesurer la pression ultrasonore puissent coïncider avec tout point situé dans la bille ou à son voisinage. Dans une variante de réalisation, le dispositif de calibra- tion selon l'invention est caractérisé en ce qu'il cormprend: (a) un transducteur ultrasonore plan, dit de calibration, de surface suffisamment grande pour qu'une impulsion émise par ce transducteur puisse être séparée en deux impulsions successives dis- tinctes, la première correspondant à la zone centrale du transducteur et étant assimilable à une onde plane, et la secondecorrespondant à la zone périphérique de ce transducteur; (b) une plaque plane rigide appuyée par un de ses bords contre la face avant du transducteur de calibration et disposée per- pendiculairement à cette face avant, dans un plan vis-à-vis duquel ladite séparation en deux impulsions successives distinctes soit effec- tive afin de n'apporter aucune perturbation À la distribution des vi- tesses ultrasonores de ladite onde plane émise par la zone centrale du transducteur; (c) une bille rigide encastrée suivant l'un de ses plans diamétraux dans la plaque plane, de façon que son centre soit contenu dans ledit plan occupé par la plaque; (d) une cuve remplie d'un liquide permettant la propagation des ondes ultrasonores et destinée à l'immersion des éléments prévus en (a), (b), et (c), ce liquide ayant une faible viscosité à la tempé- rature à laquelle est mis en oeuvre le dispositif de calibration (e) un dispositif d'émission et de réception des ondes ultrasonores; (f) un dispositif de traitement des résultats de mesure de la réflexion des ondes de pression ultrasonore planes sur la bille; et en ce que le transducteur ultrasonore à calibrer est éga- lement immergé dans la cuve et déplaçable de façon à ce que, au cours des différentes mesures de calibration entreprises pour établir le diagramme de rayonnement de ce transducteur, "espoints o l'on veut effectivement mesurer la pression ultrasonore puissent coïncider avec tout point situé dans la bille ou à son voisinage. Les solutions ainsi proposées permettent de retrouver tous les avantages et la simplicité d'un dispositif fixe, à la condition essentielle que le support de la cible sphérique, la plaque plane, soit disposé de façon à ne créer aucune perturbation de la distribu- tion des vitesses ultrasonores. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront plus précisément dans la description suivante et sur la figure unique annexée, qui représente un mode de réalisation possible du dispositif de calibration selon l'invention. Ce dispositif comprend un transducteur ultrasonore plan 1, dit de calibration, dont la surface est assez grande pour qu'une impul- sion émise par ce transducteur puisse être séparée en deux impulsions successives distinctes, la première correspondant à la zone centrale du transducteur 1 et étant assimilable à une onde plane émise par un transducteur se comportant comme un plan infini et la seconde corres- pondant à la zone périphérique de ce transducteur. Il comprend égale- ment une plaque plane rigide 2 appuyée par un de ses bords contre la face avant du transducteur; cette plaque est disposée perpendiculaire- ment à cette face avant, dans un plan vis-à-vis duquel ladite sépara- tion en deux impulsions successives distinctes soit effective afin de n'apporter aucune perturbation à la distribution des vitesses ultraso- nores de ladite onde plane émise par la partie centrale du transduc- teur 1. Du côté du transducteur 1, la partie inférieure de la plaque 2 se termine par un bord en forme de biseau extrêmement mince (voir la figure), cette forme allant en s'élargissant au fur et à mesure qu'on s'éloigne du transducteur. Une telle disposition améliore l'isolation ultrasonore entre les propagations d'onde de part et d'autre de la plaque 2, en évitant un retour des ondes vers le transducteur et un risque de perturbation de la propagation au-dessus de la plaque 2; cette isolation peut être, éventuellement, encore accrue en recouvrant la partie inférieure de la plaque d'un matériau absorbeat les ondes ultrasonores. A la partie supérieure de la plaque 2, une bille sphéri- que 3 est encastrée suivant l'un de ses plans diamétraux, de façon que son centre soit dans ledit plan occupé par la plaque 2 (puisque les demiespaces situés de part et d'autre de la plaque 2 sont maintenant indépendants, il suffit en fait d'appliquer une demi-sphère sur la plaque 2 pour conduire au même résultat). Cette bille 3 est réalisée en un matériau apparaissant comme rigide en comparaison du milieu li- quide de propagation, cette disposition simplifiant les calculs effec- tués à partir des résultats de mesures obtenus lors de la mise en oeuvre de la méthode de calibration. Une cuve 4 remplie d'un liquide de faible viscosité à la température à laquelle est mise en oeuvre le dispositif de calibration -de l'eau par exemple- permet de réaliser l'immersion de l'ensemble formé par le transducteur 1, la plaque2 et la bille 3. Un transducteur5, le transducteur à calibrer, est également placé dans la cuve, de façon que les surfaces respectives des faces avant de ce transducteur 5 à calibrer et du transducteur 1 de calibration soient, dans le cas pré- sent, orthogonales; ce transducteur 5 est déplaçable de façon à ce que, au cours des différentes mesures de calibration entreprises pour établir le diagramme de rayonnement de ce transducteur, les points o l'on veut effectivement mesurer la pression ultrasonore puissent coïncider avec tout point situé dans la bille 3 ou à son voisinage. Ces transducteurs 1 et 5 sont reliés à un dispositif 6 d'émission et de réception d'ondes ultrasonores, lui-même relié à un dispositif 7 de traitement des résul- tats de mesure. La méthode de calibration ne sera pas décrite en détail, puisqu'elle ne fait pas directement l'objet de l'invention et qu'elle est en outre décrite dans la communication déjà citée, à la publication de laquelle on se reportera, et notamment, en pages4 à 6, au paragraphe "Solution as a series in the time domain". On rappellera simplement qu'elle fait appel à des développements en série de Taylor autour de la bille 3, développements dont on ne conserve qu'un certain nombre de termes, d'autant plus faible que la bille est plus petite (dans la pratique, le diamètre de la bille est au plus égal à environ onze fois la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux ultrasonores, mais ce choix ne constitue pas, bien entendu, une limitation de la pré- sente invention). L'étude de ces développements montre qu'en général trois termes seulement sont à déterminer dont l'un est même nul lorsque les surfaces des transducteurs 1 et 5 sont orthogonales comme dans l'exemple ici décrit, Dans ce dernier cas, il suffit donc d'effectuer quatre mesures de pression ultrasonore pour déterminer ces deux termes: (a) une première mesure avec émission par le transducteur de calibra- tion 1, et réception par ce même transducteur des échos renvoyés vers lui par la bille 3; (b) en appelant zz' un axe-perpendiculaire à la surface du transducteur de calibration, trois mesures avec émission par le transducteur à calibrer 5, pour trois positions très voisines (xo, yo, zo) , (xo, yo, zo + dz), (xo, yo,zo- dz) de ce transducteur, Et réception par le transducteur de calibration 1 des échos renvoyés vers celui-ci par la bille 3. Ce sont les résultats de ces quatre mesures qui sont pris en charge par le dispositif de traitement 7. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ici décrit et représenté, à partir duquel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention, et notamment celle dans laquelle aucune condition n'est imposée au transducteur plan 1; dans ce cas, la plaque 2 est disposée toujours perpendiculairement à la face avant du transducteur 1, mais dans un plan de symétrie de ce transducteur afin de n'apporter aucune perturbation à la distribution des vitesses ultrasonores. Le centre de la bille 3 encastrée dans la plaque 2 doit alors se trouver sur l'axe de symétrie du transducteur de calibration 1 contenu dans ledit plan de symétrie. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention permet non seulement la calibration d'un transducteur mais, naturellement, celle de tout appareil d'exploration de milieux par échographie ultra- sonore équipé d'un ou de plusieurs transducteurs ultrasonores. On notera enfin que l'utilisation d'un liquide à faible viscosité simpli- fie les calculs, mais que, si cette condition n'est pas respectée, cette viscosité pourra, de toute façon, être simulée dans les calculs. BEVENDICATIONS: 1. Dispositif de calibration de transducteur ultrasonore par la méthode de mesure de la réflexion d'ondes de pression ultrasonore planes sur une cible sphérique rigide, caractérisé en ce qu'il com- prend: (a) un transducteur ultrasonore plan (1), dit de calibra- tion; (b) une plaque plane rigide (2) appuyée par un de ses bords contre la face avant du transducteur de calibration (1) et dispo- sée perpendiculairement à cette face avant, dans un plan de symétrie de ce transducteur afin de n'apporter aucune perturbation à la distri- bution des vitesses ultrasonores; (c) une bille rigide (3) encastrée suivant l'un de ses plans diamétraux dans la plaque plane (2), de façon que son centre soit sur l'axe de symétrie du transducteur de calibration (1) contenu dans ledit plan de symétrie; (d) une cuve (4) remplie d'un liquide permettant la pro- pagation des ondes ultrasonores et destinée à l'immersion des éléments (1) à (3) prévus en (a), (b) et (c), ce liquide ayant une faible visco- sité à la température à laquelle est mis en oeuvre le dispositif de calibration; (el un dispositif (6) d'émission et de réception des ondes ultrasonores; (f) un dispositif (7) de traitement des résultats de me- sure de la réflexion des ondes de pression ultrasonore planes sur la bille (3); et en ce que le transducteur ultrasonore (5) à calibrer est également immergé dans la cuve (4) et déplaçable de façon que, au cours des différentes mesures de calibration entreprises pour éta- blir le diagramme de rayonnement de ce transducteur (5), les points o l'on veut effectivement mesurer la pression ultrasonore puissent colncider avec tout point situé dans la bille (3) ou à son voisinage. 2. Dispositif de calibration de transducteur ultrasonore par la méthode de mesure de la réflexion d'ondes de pression ultraso- nore planes sur une cible sphérique rigide, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un transducteur ultrasonore plan (1), dit de calibra- tion, de surface suffisamment grande pour qu'une impulsion émise par ce transducteur puisse être séparée en deux impulsions successives distinctes, la première correspondant à la zone centrale du transduc- teur (1) et étant assimilable à une onde plane, et la seconde corres- pondant à la zone périphérique de ce transducteur; (b) une plaque plane rigide (2) appuyée par un de ses bords contre la face avant du transducteur de calibration (1) et disposée perpendiculairement à cette face avant, dans un plan vis-à-vis duquel ladite séparation en deux impulsions successives distinctes soit effec- tive afin de n'apporter aucune perturbation à la distribution des vi- tesses ultrasonores de ladite onde plane émise par la zone centrale du transducteur (1); (c) une bille rigide (3) encastrée suivant l'un de ses plans diamétraux dans la plaque plane (2), de façon que son centre soit contenu dans ledit plan occupé par la plaque (2); (d) une cuve (4) remplie d'un liquide permettant la propa- gation des ondes ultrasonores et destinée à l'immersion des éléments (1) à (3) prévus en (a), (b) et (c), ce liquide ayant une faible visco- sité à la température à laquelle est miss en oeuvre le dispositif de calibration; (e) un dispositif (6) d'émission et de réception des ondes ultrasonores; (f) un dispositif (7) de traitement des résultats de me- sure de la réflexion des ondes de pression ultrasonore planes sur la bille (3); et en ce que le transducteur ultrasonore (5) à calibrer est également immergé dans la cuve (4) et déplaçable de façon à ce que, au cours des différentes mesures de calibration entreprises pour éta- blir le diagramme de rayonnement de ce transducteur (5), les points o l'on veut effectivement mesurerla pression ultrasonore puissent coïncider avec tout point situé dans la bille (3) ou à son voisinage. 3. Dispositif de calibration selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque (2) se termine, du côté du transducteur (1), et du côté de cette plaque qui est opposé à celui o se trouve le transducteur (5) à calibrer, par un bord en forme de biseau. 4. Dispositif de calibration selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le côté de la plaque (2) qui est opposé à celui o se trouve le transducteur (5) à calibrer est recouvert d'un matériau absorbant les ondes ultrasonores. 5. Dispositif de calibration selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces respectives des faces avant du transducteur (5) à calibrer et du transducteur de calibration (1) sont orthogonales. 6. Dispositif de calibration selon l'une des revendications 1 à 5 et prévu pour la calibration d'un appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore équipé d'un ou de plusieurs trans- ducteurs ultrasonores. -.