Brevet FR2534707A1 — publié le 19840420

APPAREIL D'EXPLORATION DE Mf ILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention a trait à un appareil d'explora- tion de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultrasonore asso- cié a un étage d'émission pour assurer l'émission répétée de si- gnaux ultrasonores, à un étage de réception pour assurer la récep- tion des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, ét à un dispositif de visualisation. Un appareil de ce type est décrit dans la demande de brevet français no 81 19 585 déposée le 19 octobre 1981 par la de- manderesse et non encore publiée Ledit appareil comprend, plus précisément, un dispositif de traitement des échos composé d'un premier et d'un deuxième circuit de traitement Le premier circuit de traitement est de type classique et est composé essentiellement d'un premier amplificateur des signaux présents sur l'électrode de sortie du transducteur, d'un dispositif de compensation de gain et du dispositif de visualisation Le deuxième circuit de traitement, qui lui est associé en parallèle, comprend, lui, (a) un deuxième amplificateur également relié à l'électrode de sortie du transduc- teur, (b) en sortie de ce deuxième amplificateur, un ensemble de-n voies en parallèle les unes sur les autres et comprenant chacune successivement un filtre passe-bande (l'ensemble des filtres ainsi prévus étant tel que leurs bandes passantes respectives sont join- tives de façon à couvrir approximativement la bande passante du- deuxième amplificateur) et un détecteur d'enveloppe (composé lui-même d'un redresseur et d'un filtre passe-bas à constante de - temps réglable), (c) en sortie des N voies, un circuit utilisant les signaux de sortie de celles-ci pour évaluer un paramètre qui est un indicateur de dispersion des amplitudes des signaux de fréquence centrale de chaque voie et qui, simultanément, est en corrélation locale directe avec la pente moyenne (appelée coeffi- cient différentiel d'atténuation ultrasonore) de la courbe de va- riation de l'atténuation ultrasonore dans les tissus explorés en fonction de la fréquence, et (d) en sortie de ce circuit d'éva- luation, un circuit de détermination de la valeur de ce coefficient à l'intérieur de chacune des zones délimitées dans les tissus ex- plorés par les échos correspondant aux obstacles rencontrés, les signaux de sortie de ce circuit de détermination assurant la modu- lation de l'image présentée sur le dispositif de visualisation. L'appareil répondant à cette structure est intéressant en ce qu'il permet l'obtention d'informations quantitatives, par évaluation locale d'un paramètre qui est en relation directe avec le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore, puis la vi- sualisation directe des valeurs de ce coefficient en échographie de type A ou B La réalisation d'un tel appareil est cependant assez encombrante, notamment en raison de la présence de la batterie de n filtres, et, si cette réalisation est partiellement remplacée par un logiciel informatique, les calculs à effectuer sont relativement longs. Le but de l'invention est de proposer un appareil du type précisé en introduction, mais plus simple que la réalisation antérieure citée L'invention concerne à cet effet, plus précisé- ment un appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission pour assurer l'émission répétée de signaux ultrasonores et à un étage de récep- tion pour assurer la réception des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propaga- tion par les signaux émis, l'étage de réception comprenant un pre- mier circuit de traitement des échos reçus composé essentiellement d'un premier amplificateur relié à l'électrode de sortie du trans- ducteur, d'un dispositif de compensation de gain et d'un dispositif de visualisation en fonction du temps des positions des échos le long de la direction d'exploration et de leurs amplitudes, carac- térisé en ce que l'étage de réception comprend, en parallèle sur ce premier circuit de traitement, un deuxième circuit de traitement composé en série d'un circuit de contrôle automatique de gain en fonction de la distance des échos, d'un circuit de correction des effets de diffraction, d'un circuit de sélection d'une mince bande de fréquence comprise dans la bande passante du transducteur, d'un amplificateur logarithmique, et d'un diviseur dont la sortie est envoyée vers le dispositif de visualisation. Cette structure d'appareil est remarquable en ce qu'on ne considère plus, dans les spectres de fréquence instantanés suc- cessifs du signal de sortie du transducteur, que de minces tranches de fréquence centrées sur la fréquence la plus appropriée pour l'analyse des milieux à examiner Si l'on cherche alors à exprimer la valeur de l'énergie dans cette bande de fréquence, comme cette valeur I est proportionnelle à E F O d ( f étant le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore, Fe la fréquence centrale de la bande sélectionnée, et d la distance des tissus), les courbes Id B = f(d) sont, si f et F sont constants, des droites dont les pentes moyennes reflètent directement -si les unités sont correctement choisies les valeurs d'atténuation ultrasonore. Les particularités et avantages de l'invention apparai- tront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limita- tifs et dans lesquels les figures 1 à 3 montrent trois exemples de réalisation de l'appareil d'exploration de milieux conforme à l'in- vention. L'appareil décrit en référence aux figures est dans le cas présent équipé d'une sonde unique constituant le support d'un transducteur ultrasonore 10 et permettant d'obtenir des échogra- phies de type A Il va sans dire que l'invention est applicable exactement de la même manière si l'on explore non plus seulement une ligne, mais toute une section plane des tissus soit à l'aide d'une sonde à déplacement manuel ou à déplacement mécanique angu- laire dit sectoriel, associée à un écran de visualisation du type radar, soit à l'aide d'une barrette linéaire de p-transducteurs ultrasonores définissant un même nombre p de directions d'ex- ploration parallèles dans les tissus à examiner et associée à un circuit de commutation du dispositif de traitement d'échos succes- sivement sur chaque transducteur ou groupe de transducteurs en fonctionnement, soit encore à l'aide d'une barrette de transduc- teurs dite à balayage électronique sectoriel, également associée à un circuit de commutation du dispositif de traitement ainsi qu'à un réseau de lignes à retard ou de déphaseurs. Le transducteur 10 est associé d'une part à un étage d'émission 50 destiné à permettre l'émission répétée de signaux ultrasonores par le transducteur dans une direction d'exploration quelconque à travers les tissus à examiner et d'autre part à un étage de réception destiné à assurer le traitement des échos ultra- sonores reçus par le transducteur et correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis Ces obstacles sont repérés sur les échogrammes par les échos de grande amplitude qui matérialisent les frontières en- tre tissus dont on cherche à déterminer les coefficients différen- tiels d'atténuation ultrasonore. D'une façon tout à fait classique, l'étage de réception comprend un premier circuit de traitement 100 des échos ultra- sonores reçus, composé d'un premier amplificateur 101 (qui est en fait un préamplificateur), d'un dispositif de compensation de gain 102 et d'un dispositif de visualisation 103 Le transducteur 10 est relié par son électrode de sortie à l'entrée de l'amplificateur 101, dont les signaux de sortie traversent le dispositif 102 assu- rant la compensation de l'amplitude des échos en fonction de la distance puis sont visualisés sur le dispositif 103, sous la forme d'une échographie de type A, sur un axe correspondant à la direc- tion principale de propagation du transducteur 10. Conformément à l'invention, l'étage de réception com- prend également un deuxième circuit de traitement 200, placé en parallèle sur le premier et composé à son tour des éléments sui- vants: (a) un circuit 210 de àontrôle automatique de gain en fonction de la distance des échos, prévu à la suite de l'électrode de sortie du transducteur 10; (b) un circuit 220 de correction des effets de diffraction; (c) un circuit 230 de sélection d'une bande de fréquence centrée sur la fréquence Fc correspondant à la puissance maximale du spectre du transducteur, composé d'un oscillateur 231, d'un multiplieur 232, et d'un filtre passe-bas 240 (d) un amplificateur logarithmique 250 (e) un diviseur 260. Le fonctionnement de cet étage est le suivant: une fois les corrections d'une part de gain en fonction du temps et d'autre part de diffraction effectuées, la bande de fréquence du signal ainsi obtenu en sortie du circuit 220 est ramenée en bande de base par mélange de ce signal dans le multiplieur 232 avec la sortie de l'oscillateur 231, puis filtrée dans le filtre passe-bas 240 L'in- tensité de l'énergie ultrasonore dans cette bande de fréquence étant proportionnelle, on l'a vu, à e f cd, il ne reste donc plus qu'à prévoir, en sortie du multiplieur_ 232, l'amplificateur' logarithmique 250 et le diviseur 260 par F c pour disposer en sortie de ce diviseur d'un signal dont l'amplitude est en corréla- tion locale directe avec la pente moyenne S de la courbe de varia- tion de l'atténuation ultrasonore dans les tissus explorés en fonc- tion de la fréquence (cette pente ê étant appelée coefficient dif- férentiel d'atténuation ultrasonore) On notera que la fréquence Fe est choisie soit égale à la fréquence du spectre du transduc- teur correspondant à la puissance maximale pouvant être délivrée par celui-ci, soit égale à une fréquence plus faible que celle cor- respondant à cette puissance maximale, afin de tenir compte du com- portement des tissus examinés en filtre passe-bas. Les signaux de sortie du dispositif de compensation de gain 102 et du diviseur 260 modulent alors l'image présentée sur le dispositif de visualisation 103, de la façon suivante dans l'exem- ple ici décrit: l'image comprend d'une part l'échogramme classique de type A fourni par le premier circuit de traitement et envoyé sur une première voie Y 1 du dispositif 103, d'autre part une courbe en paliers affichée sur une deuxième voie Y et représentant les différentes valeurs du coefficient d'atténuation ultrasonore entre les frontières définies par l'échogramme de la voie Y 1 (ces fron- tières correspondent aux principaux obstacles rencontrés dans les tissus et sont donc matérialisées par les échos de grande amplitude de cet échogramme de la voie Y 1). Le circuit 220 de correction des effets de diffraction est composé en général d'une mémoire 221 et d'un multiplieur 222. Cette mémoire, commandée par un circuit d'horloge 223, contient les signaux de correction nécessaires en fonction de la distance, qui doivent être envoyés vers le multiplieur 222 et dont les valeurs ont été préalablement stockées à la suite d'une phase de calibra- tion préliminaire Pour cette phase de calibration, il suffit de prendre en compte, dans le cas d'un transducteur non focalisant, les réponses échographiques du transducteur choisi lorsque celui-ci est placé en face d'un plan réflecteur métallique situé successive- ment à toutes les distances du transducteur correspondant aux pro- fondeurs usuelles d'examen échographiques, ou, dans le cas le plus fréquemment rencontré d'un transducteur focalisant, les réponses échographiques obtenues par utilisation de fantômes dont on connaît parfaitement les caractéristiques ultrasonores, les réponses ainsi obtenues permettant l'introduction des coefficients de correction dans la mémoire 221, ici de type PROM. Un circuit classique de contrôle automatique de gain comprend un amplificateur à gain variable, 211, commandé par le circuit de commande de gain proprement dit 212 Pour la précision de la mesure d'énergie qui est effectuée conformément à l'inven- tion, il est souhaitable d'immobiliser ce gain temporairement, le temps d'effectuer réellement la mesure, entre deux instants t 1 et t 2 Ce résultat est obtenu en prévoyant dans le circuit 210 de contrôle automatique de gain l'action d'une fenêtre temporelle, pendant laquelle se produit la suspension de la variation du gain de l'amplificateur. Pour neutraliser cette variation de gain, on peut égale- ment ne pas modifier le circuit 210, mais agir a posteriori soit en prévoyant (voir la figure 2) de soustraire du signal d'entrée du diviseur 260, dans le soustracteur 214, après traversée d'un deu- xième amplificateur logarithmique 213, un signal proportionnel au signal de sortie du circuit de commande de gain 212, soit en utilisant deux fréquences distinctes Fe et Fe (voir la figure 3) Dans ce dernier cas, il fautpalors évoir en sortie du circuit 210 de contrôle automatique de gain deux voies identiques en parallèle comprenant chacune un circuit 311 ou 321 de correction des effets de diffraction (si nécessaire seulement), un circuit 312 ou 322 de sélection d'une bande de fréquence Fc ou Fe respectivement, et un amplificateur logarithmique 314 ou 324 dont les sorties sont respectivement reliées aux entrées du soustracteur 214 Le diviseur 260 est dans ce cas un diviseur par F - F 2 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et repré- sentés, à partir desquels d'autres variantes peuvent être proposées sand pour cela sortir du cadre de l'invention En particulier, lorsque le transducteur 10 et son spectre sont connus à l'avance, le montage peut être simplifié en prévoyant à la place du circuit 230 un simple filtre passe-bande dont la bande passante est centrée sur Fe, choisie dans les mêmes conditions que précédemment Cette solution est plus économique que les précédentes, mais chaque montage ne correspond qu'à un seul transducteur bien déterminé. REVENDICATIONS 1 Appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultrasonore ( 10) associé à un étage d'émission ( 50) pour assurer l'émission répétée de signaux ultrasonores et à un étage de réception pour assurer la réception des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direc- tion de propagation par les signaux émis, l'étage de réception com- prenant un premier circuit de traitement ( 100) des échos reçus com- posé essentiellement d'un premier amplificateur ( 101) relié à l'électrode de sortie du transducteur, d'un dispositif de compensation de gain ( 102) et d'un dispositif ( 103) de visuali- sation en fonction du temps des positions des échos le long de la direction d'exploration et de leurs amplitudes, caractérisé en ce que l'étage de réception comprend, en parallèle sur ce premier cir- cuit de traitement ( 100), un deuxième circuit de traitement ( 200) composé en série d'un circuit ( 210) de contrôle automatique de gain en fonction de la distance des échos, d'un circuit ( 220) de cor- rection des effets de diffraction, d'un circuit ( 230) de sélection d'une mince bande de fréquence comprise dans la bande passante du transducteur, d'un amplificateur logarithmique ( 250), et d'un divi- seur ( 260) dont la sortie est envoyée vers le dispositif de visua- lisation. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 230) de sélection de bande de fréquence comprend un oscillateur ( 231), à la fréquence F du spectre du transducteur c correspondant à la puissance maximale pouvant être délivrée par celui-ci, un multiplieur ( 232), recevant sur ses entrées respecti- vement la sortie du circuit ( 220) de correction des effets de dif- fraction et la sortie de l'oscillateur ( 231), et un filtre passe-bas ( 240) recevant la sortie du multiplieur ( 232) et relié à. l'entrée de l'amplificateur logarithmique ( 250). 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lé circuit ( 230) de sélection de bande de fréquence comprend un oscillateur ( 231), à une fréquence F du spectre du transducteur c correspondant à une puissance inférieure à la puissance maximale pouvant être délivrée par celui-ci, un multiplieur ( 232), recevant sur ses entrées respectivement la sortie du circuit ( 220) de cor- rection des effets de diffraction et la sortie de l'oscillateur ( 231), et un filtre passe-bas ( 240 Y recevant la sortie du multiplieur ( 232) et relié à l'entrée de l'amplificateur loga- rithmique ( 250). 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 230) de sélection de bande de fréquence est un filtre passe-bande de fréquence centrale Fc égale à la fréquence du spectre du transducteur qui correspond à la puissance maximale pouvant être délivrée par celui-ci. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 230) de sélection de bande de fréquence est un filtre passe-bande de fréquence centrale F égale à une fréquence du c spectre du transducteur qui correspond à une puissance inférieure à la puissance maximale pouvant être délivrée par celui-ci. 6 Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caracté- risé en ce que le circuit ( 210) de contr 8 le automatique de gain comprend des moyens pour générer une fenêtre temporelle pendant laquelle est suspendue la variation de gain. 7 Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caracté- risé en ce que le circuit ( 210) de contrôle automatique de gain comprend un amplificateur à gain variable ( 211) commandé par un circuit de commande de gain ( 212), et en ce que l'appareil com- prend, entre l'amplificateur logarithmique ( 250) et le diviseur ( 260), un soustracteur ( 214) recevant sur son entrée positive la sortie de l'amplificateur logarithmique et sur son entrée négative la sortie d'un deuxième amplificateur logarithmique ( 213) dont l"entrée est reliée à la sortie du clrcuit de commande de gain ( 212). 8 Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caracté- riaé en ce qu'il comprend, en sortie du circuit ( 210) de contrôle automatique de gain, deux voies identiques en parallèle comprenant chacune un circuit ( 311) et ( 321) de correction des effets de dif- fraction, un circuit ( 312) et ( 322) de sélection d'une mince bande de fréquence centrée chacune sur une fréquence distincte F et c 1 F comprise dans la bande passante du transducteur, et un am- plificateur logarithmique ( 314) et ( 324) dont les sorties sont re- liées l'une à l'entrée positive d'un soustracteur ( 214) et l'autre à l'entrée négative de ce soustracteur, le diviseur ( 260) présent entre la sortie du soustracteur et l'entrée de la voie Y 2 du dis- positif de visualisation étant un diviseur par F F 2 Fcl c 2