Brevet FR2516246A1 — publié le 19830513

SONDE ULTRASONORE A BALAYAGE MECANIQUE SECTORIEL La présente invention concerne une sonde ultrasonore à balay- age mécanique sectoriel Elle est particulièrement adaptée à l'examen échographique médical En particulier elle trouve appli- cation dans les examens réclamant de petites fenêtres d'accès. En examen ultrasonore, il est connu d'utiliser des sondes sectorielles pour émettre et/ou recevoir les ondes ultrasonores Ces sondes comportent un élément piézo-électrique, source et récepteur des ondes ultrasonores Un avantage particulier de certaines de ces sondes est de fournir un faisceau d'ultrasons, fin et bien directif, qui se répète indépendamment de l'angle qu'il occupe dans le secteur. L'élément piézo-électrique est mû mécaniquement dans un boitier couplé acoustiquement du corps en examen D'autres sondes sectorielles, qui utilisent des propriétés des ondes déphasées selon une analogie bien connue avec les antennes radar, n'ont pas cet avantage Par contre, elles évitent les problèmes mécaniques En effet, l'usage d'un moteur pour réaliser mécaniquement le change- ment d'orientation du faisceau entraine des problèmes de jeux mécaniques et de précision dans le repérage de la position angulaire du faisceau. Dans l'art antérieur, il est connu différents types de sondes mécaniques sectorielles Ces sonde peuvent être par exemple du type à miroir oscillant Un miroir, d'axe à 450 avec la direction de l'axe du faisceau ultrasonore émis par le transducteur, est pivoté autour de son axe, un secteur dans le plan normal à l'axe du faisceau étant ainsi engendré Un autre type de sonde mécanique comporte au moins deux transducteurs montés à distances égales sur une roue. La roue est mobile en rotation et passe devant un diaphragme dont l'ouverture correspond à l'ouverture du secteur de balayage La roue tourne à grande vitesse et comporte des moyens de commutation de façon à ce que seul le transducteur qui passe devant le diaphragme soit alimenté ou connecté à la chaîne de réception-émission Un 16246 troisième type de sondes comporte un bras au bout duquel le trans- ducteur est placé, des moyens moteurs permettent d'entretenir un mouvement pendulaire, l'origine du secteur étant alors au point de rotation du pendule. Un secteur de balayage est défini dans le plan d'examen Dans ce plan, entre deux droites sécantes à l'intersection desquelles est placée la sonde, un faisceau ultrasonore balaye le domaine limité par les deux droites Le faisceau admet un axe central qui prend donc, dans la durée du balayage du secteur, une succession de positions instantannées dans le secteur Le secteur admet un axe central qui peut être par exemple la bissectrice des deux droites qui le limitent L'ouverture du secteur est mesurée par l'angle séparant les deux droites limites. Dans un cas particulier, fréquemment rencontré, le faisceau ultrasonore n'est pas permanent pendant le balayage du secteur. Dans ce cas, la sonde travaille alternativement en émission et en réception A l'émission, la sonde est électriquement connectée à un générateur d'impulsions qui excitent la source d'ultrasons Cette sonde comporte un transducteur piézo-électrique qui transforme un signal électrique en un signal acoustique ici ultrasonique, puis la sonde est connectée sur un circuit récepteur des échos ultrasonores renvoyés par les obstacles rencontrés sur le trajet du faisceau. L'effet piézo-électrique étant réversible, le traducteur convertit les échos ultrasonores en signal électrique représentatif des obstacles rencontrés On obtient ainsi une information de la nature des obstacles rencontrés dans une direction d'émission Puis la sonde est à nouveau commutée sur son générateur d'impulsions et tournée dans une autre direction On appelle fréquence de répétition le nombre de directions le long desquelles un faisceau ultrasonore est émis et les échos reçus pendant une unité de temps. La présente invention permet d'améliorer les caractéristiques de sondes mécaniques En particulier, elle permet la réalisation d'une sonde de très petites drmensions Cette caractéristique permet de placer la sonde sur des fenêtres anatomiques étroites En effet, les ultra-sons sont arrêtés par les os et absorbés par les poches d'air. La construction d'une image doit donc être faite sur des fenêtres anatomiques ne comportant, ni poches d'air, ni os. C'est un autre avantage de la présente invention de fournir une sonde dont l'orientation angulaire est directement liée à un mouvement circulaire uniforme Cette caractéristique permet d'alléger les moyens de repérage angulaire de la position instan- tannée de l'axe central du faisceau ultrasonore. C'est un autre avantage selon l'invention que de permettre la construction d'une sonde qu'il est possible d'arrêter sur un angle de déviation quelconque à l'intérieur du secteur de balayage Dans une telle application, il est possible ainsi d'arrêter l'examen sur n'importe quelle position du secteur. Un autre avantage selon l'invention consiste en la possibilité de montage de traducteurs piézo-électriques de fréquences propres différentes Il est possible ainsi de monter et de démonter tout type de traducteur piézoélectrique Un autre avantage selon l'invention est de permettre des balayages sectoriels d'angle quelconque, le secteur pouvant avoir une ouverture comprise de quelques degrés autour de la normale, à 900 de part et d'autre de cette normale La fréquence de répétition peut être de l'ordre de 25 à 40 hertz. La sonde ultrasonore selon l'invention, du type à balayage mécanique sectoriel, comporte un élément traducteur monté sur un amortisseur de l'onde arrière, des moyens de couplage et d'adap- tation acoustiques, des moyens de connexion électrique Elle est caractérisée principalement par le fait qu'elle comporte, en outre, des moyens de transformation d'un mouvement circulaire permanent en un mouvement oscillatoire autour d'un pivot porteur des connexions électriques. D'autres éléments de l'invention seront expliqués à l'aide de la description et des figures qui sont: la figure 1: un schéma général de sondes selon l'invention, la figure 2: un schéma d'un premier mode de réalisation d'une sonde selon l'invention, la figure 3 une variante du premier mode de réalisation selon - l'invention, la figure 4 un deuxième mode de réalisation selon l'invention, la figure 5 un troisième mode de réalisation selon l'invention, la figure 6 une variante du troisième mode de réalisation selon l'invention, la figure 7 quatre diagrammes d'évolution des angles et des vitesses de deux sondes selon l'invention. A la figure 1, est représentée une sonde selon l'invention Elle comporte un élément traducteur 5 collé sur un amortisseur 1. L'amortisseur 1 a pour rôle d'absorber le rayonnement arrière de l'élément traducteur L'élément traducteur 5 porte aussi une lame d'adaptation quart d'onde 7, et une lentille acoustique 8 destinée à focaliser l'énergie ultrasonore Sur une droite passant par le barycentre de l'ensemble mobile 1-8 de la sonde, deux contacts pivotants formant axe-pivot 2 sont placés sur un support conducteur 3. Le support conducteur 3 a pour premier rôle de permettre un pivotement autour de l'axe passant par le barycentre de l'ensemble mobile de la sonde Son second rôle est d'assurer le transfert des signaux électriques à l'émission et à la réception entre un connecteur non représenté et le traducteur 5 Les connexions peuvent être constituées par des liaisons en spirale entre le pivot 2 et le support conducteur 3 Le pivot peut être posé sur un roulement à billes, non représenté, placé sur le support conducteur 3 Les connexions électriques sont alors reliées d'un côté sur le support conducteur au niveau du roulement à billes et l'autre extrémité sur l'une des faces métallisés de l'élément transducteur 5 A l'arrière de l'amortisseur 1, est placé un moyen 9 de transformation du mouvement rotatif permanent du moteur 10 en un mouvement oscillatoire alternatif de l'ensemble mobile de la sonde sur l'axe des pivots Un codeur de positions angulaires Il est placé sur l'arrière de l'amortisseur 1 Il est possible de réaliser d'une manière classique un asservissement en vitesse du moteur 10 avec le codeur de position Il. 16246 A la figure 2 est représenté un premier mode de réalisation de sonde selon l'invention Le moteur 10 porte un axe sur lequel est fixé une roue 12 L'axe 16 du moteur et de la roue 12 est aussi l'axe central 15 du secteur balayé par la sonde Cet axe central 15 passe donc par le barycentre de l'ensemble mobile 1-8 de la sonde Un levier 13 est fixé à la périphérie de la roue 12 animée d'un mouvement de rotation continue L'amortisseur arrière 1 de la sonde porte un profil de came en cloche 14 Les moyens de liaison de l'extrémité libre du levier 13 avec la came 14 peuvent être de natures différentes Dans le cas d'une liaison mécanique, le levier 13. à son extrémité libre engagé dans une rainure-glissière de la came- cloche 14 de façon à ce qu'elle reste constamment liée au profil de la came. Afin d'améliorer le glissement du levier 13 dans la rainure non représentée de la came 14, il est possible de fixer des moyens de roulement sur l'extrémité du levier 13 Ces moyens de roulement non représentés peuvent comporter un agent lubrifiant et/ou un roulement genre roulement à bille ou à aiguille Dans un autre mode d'exécution l'extrémité du levier 12 porte un aimant ou un électro- aimant qui exerce une action permanente et durable sur le bord de la came 14. Le bord de la came 14 porte une partie active magnétique qui peut être ou bien un pôle magnétique d'une polarité opposée à celle de l'aimant porté par le levier 13, ou bien une piste en un matériau magnétique comme du permalloy ou un acier au silicium Quand le levier 13 porte un électroaimant, il faut des moyens de connexion électrique sur le levier pour le courant de l'électro-aimant Les contacts qui prélèvent ce courant peuvent être du type à contact tournant sur piste circulaire statique Un balai sur chaque piste établi un contact permanent sur la piste portée de l'extérieur de la sonde à un potentiel convenable par le connecteur de sonde Le balai est mécaniquement lié au levier qui l'entraîne en rotation. Le profil, calculé d'une manière connue, de la came 14 permet que le secteur d'observation soit balayé entre deux droites limites 16246 avec une vitesse de balayage qui dépend de la vitesse de rotation du moteur mais aussi de la courbure du profil de la came Il est ainsi possible par exemple en réalisant des profils de cames comportant un plateau au milieu du secteur de ralentir le balayage du secteur et donc de permettre d'augmenter le nombre de faisceaux d'exploration localement dans le secteur sans toucher à la fréquence de répétition. L'intérêt d'un profil calculé de came 14 réside dans la posibilité de permettre d'éviter les pertes de contrôle de l'oscillation de l'équipage mobile En effet, dans un mouvement oscillatoire circulaire, un point du solide oscillant, hors de l'axe de rotation, décrit un arc de cercle Aux extrémités de l'arc de cercle, la vitesse du point s'annulle mais son accélération peut être très élevée. L'inertie de rotation fait que, pendant une fraction de temps, l'équipage mobile n'est plus controlé si on ne tient pas compte des inerties. D'autre part, le fait de rendre la vitesse de rotation aussi constante que possible permet d'obtenir un repérage angulaire aisé d'une part, et que la sonde puisse émettre en des positions angulaires fixes C'est un but de la présente invention de permettre un repérage facile sans nécessité absolue de réaliser une boucle d'asser- vissement en vitesse du moteur. En effet, dans les dispositifs de l'art antérieur, il est souvent placé un codeur de position instantannée sur la sonde Un comparateur du signal de position à une forme d'oscillation prédé- terminée fournit une indication à un circuit de commande de l'alimentation du moteur électrique de la sonde Ces dispositifs qui doivent être très rapides sont coûteux, augmentent la taille de la sonde et la dissipation d'énergie thermique Ces trois inconvénients sont anéantis dans la présente invention. En effet, le profil de la came est calculé de telle sorte que la vitesse de rotation instantannée de l'équipage mobile soit constante pendant un sens de parcours de l'oscillation Quand le sens s'inverse, la *esse change rapidement et continûment de signe et reprend la même valeur absolue De plus, de période en période, les carac- téristiques cinématiques de la s'onde se répètent indéfiniment. Une autre supériorité du dispositif selon l'invention est de permettre que pendant le changement de sens de l'oscillation, l'équipage mobile 1-8 est conservé sous contrôle du moteur puisque la liaison came 14 levier 13 est constante. Dans le cas o la liaison came 14 levier 13 est du type magnétique, qui a l'avantage de limiter les frottements et de permettre un ajustage plus grossier du profil de la came 14, un effet supplémentaire peut être offert Quand le champ magnétique de liaison est fourni par un électro- aimant, Paccélération du mouvement d'oscillation peut être controlé magnétiquement Quand l'angle d'orientation du traducteur est proche d'une des valeurs extrêmes correspondantes aux droites limites du secteur balayé, l'électro-aimant peut fournir une énergie pour contrebalancer l'énergie d'inertie Autrement dit, il faut fournir à Péquipage mobile une force de rappel qui tend à s'opposer à la force d'inertie Il faut augmenter localement l'accélération au changement du sens d'oscillation. A la figure 7, on a représenté quatre graphiques Le graphique 7-1 représente l'évolution de l'orientation angulaire m dans un cas idéal Le graphique 7-2 correspond à la vitesse angulaire dé en fonction du temps Les graphiques 7-3 et 7-4 représentent les dt mêmes grandeurs dans un cas réel de l'invention sans correction magnétique Le but de la correction magnétique est de rapprocher la réponse de la sonde réelle du cas idéal. Aux diagrammes 7-1 et 7-2, il est clair que la loio 4 > (t) est parfaitement linéaire Le changement de sens d'oscillation se fait aux demis périodes d'oscillations k T/2 successives Le repérage angulaire est précis et n'a pas besoin de capteur de position ni d'asservissement du moteur 10 en vitesse. Au diagrammes 7-3 et 7-4, on constate que cette situation n'est vraie réellement qu'en dehors des changements de sens d'oscillation Ainsi à l'instant O 16246 linéairement, la vitesse t décroit et s'annule à l'instant 2 dt T 2 puis reprend sa valeur nominale à -2 + r en ayant changé de signe A chaque changement de sens, pendant une durée de 2, la sonde est parfaitenient controlée grâce à la came, mais il est impossible d'émettre des faisceaux ultrasonores dans cette partie du secteur d'examen Pour améliorer cette situation, il faut augmenter la pente de la courbe C à t = k T c'est à dire à chaque dt 2 's ieàcau changement de sens d'oscillation Autrement dit, il faut diminuer accélération de l'équipage mobile 1-8 quand la vitesse décroit et l'augmenter quand la vitesse croît. Une solution à ce problème consiste à fournir une force électromagnétique pendant la durée de 25 (valant environ l Ous) sur Péquipage mobile Pour celà, dans un premier mode d'exécution, sur la piste amenée du courant à l'électro-aimant porté par le levier 13, il est prévu une connexion spéciale à un courant I de valeur- supérieure pour augmenter la force électromagnétique pendant la durée 2 Cet ainsi contrebalancer par attraction magnétique l'inertie mécanique de l'équipage mobile 1-8. A la figure 2, on a représenté ce mode de réalisation Sur cette figure, le boitier 40 est vu partiellement et en coupe sur une demi-circonférence Le support de piste 41 est un anneau isolant et acoustiquement neutre qui porte sur sa face supérieure une piste conductrice 43 qui est portée à un potentiel positif par l'inter- médiaire du connecteur de sonde non représenté La face inférieure du support 41 porte une piste conductrice 44 portée à un potentiel négatif pour le retour du courant de l'électro-aimant Un secteur de surcourant permet localement au passage de l'équipage mobile 1-8 sur le renversement de sens d'oscillation d'exercer une force d'attraction supplémentaire du levier 13 sur la came 14. A la figure 3 est représenté une variante de ce montage L'axe du moteur 10 comporte un levier coudé 17 qui décrit en permanance un cercle autour de l'axe 18 du moteur L'axe central du faisceau est confondu avec l'axe 18 du moteur. A la figure 4 est représenté un autre mode de réalisation selon l'invention Le fond de l'amortisseur 1 de l'ensemble mobile de la sonde est plan Une came 19 de forme cylindrique et d'axe hori- zontal au plan de la figure est en contact permanent avec le fond de l'amortisseur Sur son axe, la came 19 porte une première roue 21 sur laquelle vient s'engrener une roue perpendiculaire 22 attachée à l'axe du moteur 10 Les roues 21 et 22 ainsi que la came 19 sont animées toutes les trois d'un mouvement de rotation permanent. L'axe central du secteur 15 est parallèle à l'axe du moteur 10 Il est possible d'ajouter un moyen de rappel qui permet de maintenir la condition de contact de la came 19 sur l'amortisseur 1. A la figure 5 est représenté un autre mode de réalisation selon l'invention L'amortisseur 1 porte sur sa face arrière en un point oscillant, une articulation 21 reliée à une articulation 22 par une biellette 20 L'articulation 22 est montée à l'extrémité diamétrale d'une came 23 fixée sur une articulation 230 elle même fixe par rapport à l'équipage mobile La came 23 est en forme d'anneau de cylindre creux et porte sur sa face intérieure une rainure dont la forme est calculée selon le principe de la came 14 des figures 2 ou 3. Cet anneau est une came mobile qui permet d'équilibrer le moment d'inertie de l'équipage mobile 1-8 Un levier coudé 24, comme il a été décrit figure 3, est fixé à l'axe central du moteur 10. L'axe coudé 24 comporte à son extrémité supérieure une partie horizontale qui reste constamment à l'intérieur de la fente rectiligne pratiquée dans la came 23 Le mouvement permanent de rotation du moteur est donc transformé par l'intermédiaire de la came 23 et du levier 20 en un mouvement alternatif d'oscillation autour des pivots pour l'équipage mobile. A la figure 6, une variante de la figure 5 est présentée. L'équipage mobile 1-8 a été tourné de 180 dans le plan de la figure de façon à ce que les mouvements de l'équipage mobile 1-8 et de la came 23 soient toujours en opposition Cette disposition permet d'équilibrer les moments des couples en particulier aux changements de sens des oscillations On évite ainsi une secousse sur l'équipage 16246 mobile à chaque oscillation. D'autre réalisations de la présente invention sont aussi protégées En particulier, il est possible d'utiliser la compensation magnétique aussi dans les sondes décrites figures 4 à 6. 16246 REVENDICATIONS 1 Sonde ultrasonore du type à balayage sectoriel mécanique comportant un élément traducteur ( 5), un amortisseur ( 1) de l'onde arrière, des moyens moteurs ( 10), des moyens de couplage et d'adaptation acoustiques (), des moyens de connexion électrique ( 2,3), et des moyens de transmission du mouvement des moyens moteurs ( 10) à la sonde ( 1-8), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de transformation ( 9) d'un mouvement circulaire permanent en un mouvement oscillatoire autour d'un axe-pivot ( 2). 2 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une came ( 14) reliée en permanence par des moyens de liaison aux moyens moteurs ( 10). 3 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une came ( 14), montée sur un amortisseur ( 1) de l'onde arrière émise par l'élément transducteur ( 5), dont le profil est déter- miné de manière à permettre un balayage d'un axe ( 16) du faisceau ultrasonore dans le secteur d'axe central ( 15), et en ce que la came ( 14) est balayée par un levier ( 13) qui porte des moyens de liaison en contact avec la came ( 14), le levier ( 13) étant porté par une roue ( 12) entraînée en rotation permanente par le moteur ( 10). 4 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, une came ( 14) montée sur un amortisseur ( 1) de l'onde arrière émise par l'élément transducteur ( 5), dont le profil est déter- miné de manière à permettre un balayage d'un axe ( 16) du faisceau ultrasonore dans le secteur d'axe central ( 15) et en ce que le moteur ( 10) porte un axe ( 18) confondu avec l'axe central ( 15) du secteur balayé sur lequel est fixé un levier coudé ( 17) dont l'extrémité porte des moyens de liaison avec la came ( 14). 16246 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'est disposée en contact permanent avec la face arrière de l'amortiseur ( 1), entraînée en rotation permanente par un moteur électrique ( 10) et une paire d'engrenages ( 21, 22) montés respectivement sur l'axe du moteur ( 10) et l'axe de la came cylindrique ( 19) Une came cylindrique ( 19) sur la face arrière d'un amortisseur ( 1) de l'onde ultrasonore. 6 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un levier coudé ( 24) dont l'extrêmité libre est munie de moyens de liaison avec une came constituée d'une rainure pratiquée sur la face intérieure d'un anneau cylindrique ( 23) articulé sur un axe ( 230), fixé à un diamètre de l'anneau ( 23), le profil de la rainure étant déterminé de manière à transformer le mouvement de rotation permanent du moteur ( 10) en un mouvement oscillatoire transmis au traducteur ( 5) par l'intermédiaire de moyens de liaison ( 20-22) de l'équipage mobile ( 1-8) de la sonde à la came ( 23). 7 Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de liaison ( 20-22) de l'équipage mobile ( 1-8) de la sonde à la came ( 23)comprennent deux articulations ( 20-22) fixées respec- tivement en un point oscillant de l'équipage mobile ( 1-8) et en un point diamétralement opposé de l'articulation ( 230) de la came ( 23), les deux articulations ( 20, 22) étant reliées par une bielette ( 21). 8 Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de liaison ( 20-22) de l'équipage mobile ( 1-8) de la sonde à la came ( 23) sont reliés à deux cotés opposés de l'équipage mobile ( 1-8) et de la came ( 23) dans leurs oscillations. 9 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de liaison de la came ( 14) aux moyens moteurs ( 10) sont de type mécanique. 10 Sonde selon les revendications 3, 4, 6, 7 ou 9, caractérisée en ce que les moyens de liaison mécaniques comprennent des moyens de roulement disposés à l'extrémité libre du levier ( 13 ou 17). 11 Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens de roulement comportent un roulement à bille. 16246 12 Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens de roulement coopèrent avec un agent lubrifiant. 13 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de liaison de la came ( 14) avec les moyens sont de type magnétiques. 14 Sonde selon les revendications 3, 4, 6, 7 ou 13, caractérisée en ce que l'extrémité du levier ( 13, 17, ou 24) porte un aimant qui coopère avec une partie magnétique active disposée sur la face en regard de la came ( 1 ou 23). 15 Sonde selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'aimant porte par l'extrémité libre du levier ( 13, 17 ou 21) est un électro-aimant. 16 Sonde selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'électro-aimant est alimentée par des moyens de connexions électriques au connecteur de la sonde. 17 Sonde selon la revendication 16, caractérisée en ce que les moyens de connexion électrique comportent sur un support isolant de piste ( 41), une piste ( 43) portée à un potentiel donné par le connecteur de sonde et une piste ( 44) à un autre potentiel donné par le connecteur de sonde et des contacts glissants ( 45-46) fixés mécaniquement au levier, le support isolant de piste ( 41) étant porté par le boitier ( 40). 18 Sonde selon la revendication 15, caractérisée en ce que localement, les moyens de connexion électriques comportent des moyens de commutation sur un secteur ( 45) de surcourant. 19 Sonde selon les revendications 17 et 18, caractérisée en ce que les moyens de commutation sur un secteur de surcourant comportent en correspondance avec les parties du profil des cames en relation avec un changement de sens des secteurs de surcourant ( 42) électriquement isolés de la piste ( 43). Sonde selon la revendication 14, caractérisée en ce que la partie magnétique active de la came ( 1 ou 23) est un matériau à haute permittivité magnétique. 16246 21 Sonde selon la revendication 14, caractérisé en ce que la partie magnétique est un aimant.