Brevet FR2543817A1 — publié le 19841012

Soide endoscopique de visualisation et d'échographie ultrasonore à balayage L'invention a pour objet une sonde endoscopique de visualisation et d'échographie ultrasonore et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine médical, constituée par l'obser- vation optique et en échographie des parois internes du corps humain, notamment de l'oesophage, de l'estomac et du duodenum. On utilise déjà largement des endoscopes optiques destinés à l'observation des parois internes du corps hu- main Ces endoscopes sont constitués par un long tuyau souple fixé à une extrémité sur une botte de commande com- prenant des organes de guidage, par câbles fins, d'un tronçon terminal rigide du tuyau La lumière est transmise depuis une source externe jusqu'à un émetteur, placé dans le tronçon terminal et destiné à illuminer la paroi, par des fibres optiques passant dans le tuyau L'image optique recueillie par un objectif situé à côté de l'émetteur est m transmise par fibres optiques jusqu'à un oeilleton de visée porté par la bolte. On a déjà proposé (EP-A-00 66 185) de compléter un tel endoscope par des moyens d'échotomographie des tissus et organes situés derrière les parois observées optiqueme nt. Pour cela, on implante un traducteur ultrasonore dans le tronçon terminal, à côté du système optique Les deux modes d'exploration sont complémentaires: l'image optique permet le guidage et la localisation du traducteur ultrasonore qui est utilisé pour fournir l'image acoustique Cette der- nière peut être de bonne qualité en utilisant des fréquences élevées, du fait de la faible profondeur à explorer et de l'absence d'interposition de tissus fortement absorbants entre le traducteur et l'organe. L'endoscope à échotomographie décrit dans le document EP-A-0066 185 utilise un seul traducteur, muni d'un système de balayage mécanique permettant de le faire osciller autour d'un axe confondu avec celui du tronçon terminal Cette technique présente, entre autres inconvénients, des diffi- 2 _ cultés de réalisation des pièces mécaniques en mouvement relatif et des difficultés de répérage du mouvement du traducteur Il en est de même lorsque ce dernier est fixe et que l'orientation du faisceau ultrasonore est modifiée à l'aide d'un miroir tournant. L'invention vise à fournir une sonde endoscopique de visualisation et d'échographie ultrasonore répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle fournit un grand champ angulaire acoustique sans mettre en oeuvre des pièces mobiles, une résolution élevée et une possibilité de guidage optique, tout en conservant des dimensions comparables à celles des sondes classiques Dans ce but, l'invention propose notamment une sonde endoscopique comprenant un organe tubulaire d'insertion dans une cavité à explorer, présentant une partie souple terminée par un tronçon terminal orientable à l'aide de moyens méca- niques de commande disposés à l'intérieur de la partie souple, des moyens optiques d'illumination et de retour D d'image et un traducteur électroacoustique ultrasonore porté par ledit tronçon, caractérisée en ce que le traduc- teur comprend un réseau linéaire courbe d'éléments piézo- électriques fixé dans -le tronçon, la convexité de la courbe étant dirigée vers l'extérieur, réseau associé à un circuit électronique d'excitation des éléments suivant une séquence de balayage sectoriel dans un champ angulaire présentant un recouvrement avec le champ de vision des moyens optiques. Le réseau linéaire sera généralement constitué par une seule ligne d'éléments piézo-électriques, le balayage sectoriel s'effectuant dans un plan passant par l'axe du tronçon terminal Le circuit électronique comportera généralement des moyens de retard électrique et/ou de déphasage permettant de réaliser non seulement un balayage électronique par excitation de groupes successifs d'élé- ments, mais aussi une focalisation à distance déterminée du réseau Au balayage sectoriel réalisé grâce à la forme convexe du réseau peut s'ajouter un balayage obtenu par modification de la répartition des phases et/ou retards au cours de tirs successifs à partir d'un même-groupe d'éléments piézoélec- triques, suivant une technique comparable à celle utilisée dans les réseaux plans phases. La réalisation matérielle de la sonde pourra prendre des formes très différentes suivant l'application envisagée. On décrira par la suite, à titre d'exemples, des modes de réalisation destinés au domaine médical, mais une sonde du même genre peut être utilisée dans de nombreux domaines industriels, pour explorer des régions de machines ou d'installations inaccessibles sans démontage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de sondes qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'ac- compagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution générale d'une sonde suivant l'invention, en élévation et en coupe partielle, la Figure 2 montre, à grande échelle, l'émetteur de lumière et l'objectif porté p-ar le tronçon terminal de la sonde, vus suivant la direction de la flèche II des, Figures 1 et 3,. la Figure 3 est une vue à grande échelle du tronçon terminal de la sonde, en coupe suivant un plan passant par le plan de symétrie, la Figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV des Figures 1 et 3, les Figures 5, 6 et 7 sont des schémas destinés à faire apparaître des modes de balayage acoustique utilisables dans la mise en oeuvre de la sonde, - la Figure 8 est un synoptique montrant une consti-' tution possible de l'électronique de la sonde, les Figures 9, 10 et 11 sont des schémas montrant diverses variantes possibles de réalisation du tronçon ter- minal de la sonde. La sonde endoscopique qui sera maintenant décrite est notamment destinée à permettre l'étude d'organes et de zones du corps humain difficiles d'accès par voie externe, tels -4- que les artères coronaires, l'aorte descendante, le coeu-r droit, les oreillettes, les masses médiastinales, le pancreas, les voies biliaires basses et les vaisseaux diges- tifs. La sonde comprend un organe tubulaire d'insertion Il relié à une boîte 12 de commande et de connexion L'organe tubulaire 11 présente une partie souple 13 en forme de tuyau et un tronçon terminal 14 qui sera généralement rigide. La partie souple contient les différents conducteurs élec- triques et de lumière nécessaires pour alimenter les éléments qui se trouvent dans le tronçon terminal 14 Elle contient également des câbles fins 15 de guidage et d'orientation du tronçon terminal 14, câbles fixés deux à deux à leurs extrémités sur des anneaux 16 noyés dans la paroi de la par- tie souple, à proximité immédiate du tronçon terminal Ces câbles, au nombre de quatre dans le mode de réalisation illustré, sont reliés à des boutons de commande 17 portés par la boîte'12. La partie optique de la sonde comporte un objectif 18 et un émetteur de lumière 19 prévus sur le tronçon termi- nal 14 (Figure 2), sur une paroi oblique de façon à ce qu'ils soientécartés de la paroi et, comme on le verra plus loin, présentent un champ de vision ayant un recouvrement angulaire avec celui des moyens d'échographie L'objectif 18 est relié, par-un guide optique souple 20, contenu dans l'organe tubulaire 11 à un oeilleton d'observation 21. L'émetteur de lumière 19 qui, dans le mode de réalisation illus- tré, est de forme annulaire et entoure l'objectif 18, reçoit un flux lumineux provenant d'une source 22 par une fibre optique 23 qui suit successivement un tuyau 24 de raccorde- ment entre la source 22 et la boîte 12 et l'organe tubulaire 11. Les éléments de la sonde destinés à 1 exploration ultrasonore comprennent un traducteur ultrasonore 25 cons- tituant une partie de la paroi latérale du tronçon terminal rigide 14, un circuit imprimé 26 contenu dans ce tronçon terminal et des câbles électriques coaxiaux miniatures -27 reliant le circuit 26, à travers la boîte 12 et une gaine 2543817. - 28 à un coffret électronique 29 portant un écran de visuali- sation 30 et des boutons de mise en route et de réglage non représentés. L'élément essentiel du traducteur ultrasonore 25 est un réseau 31 de N éléments électro-acoustiques, disposés suivant un arc de cercle de rayon R à convexité tournée vers l'exté- rieur A titre d'ordre de grandeur, on peut indiquer qu'une rangée de N = 64 à 104 éléments (plaquettes de matériau piézo- électrique) disposés suivant une seule rangée, suivant un arc de cercle de rayon R = 30 mm, avec une corde D = 30 mm, donnera des résultats satisfaisants La longueur de chaque élément, qui correspond à la largeur du traducteur, pourra être de 0,5 cm, la fréquence de résonance pouvant aller de à 10 M Hz. Les éléments piézo-électriques sont portés, de façon classique, par une masse 32 de matériau amortisseur destiné à absorber l'énergie émise par les éléments vers l'arrière et à amortir rapidement les vibrations de ces éléments, afin d'élargir la bande passante et d'optimiser la résolution axiale Sur la face avant du réseau d'éléments piézo-électri- ques est collée une lame adaptatrice 33,d'épaisseur égale au quart de la longueur d'onde des ultrasons dans le matériau qui la constitue Enfin, pour focaliser le faisceau acous- tique 34 émis par un groupe d'éléments 35 au cours d'un même tir, dans le sens transversal au p Lan de symétrie, une lentille acoustique 36 est collée sur la lame adaptatrice 33 On constitue avantageusement la lentille 36 d'un matériau dans lequel la vitesse de propagation est inférieure à la vitesse dans les tissus ( 1500 mis environ) On choisira par exemple un matériau dans lequel la vitesse de propagation est d'environ 1000 m/s -Ainsi, la focalisation est obtenue avec une forme convexe de la lentille acoustique 36 (Figure 4) La face externe de la lentille plan convexe sera très peu différente de la courbure du tronçon terminal 14 de l'endoscope, ce qui assure une bonne adaptation et un bon contact avec la paroi de la cavité à explorer. Le circuit imprimé 26, de faible dimension, permet d'éviter les problèmes de connexion directe de câbles co- axiaux sur les éléments du réseau 31 Les câbles coaxiaux -6- sont en effet reliés au circuit 26, connecté aux éléments par des fils minces et courts 37 qui transportent les im- pulsions électriques d'excitation des éléments piézo- électriques et ramènent les informations électriques d'écho. Le balayage électronique, faisant intervenir des groupes successifs d'éléments piézo-électriques du réseau 31, est réalisé par l'un quelconque des procédés actuelle- ment bien connus, en décalant pas à pas le groupe 35 d'éléments participant à un même tir La focalisation des faisceaux successifs 34 est également obtenue de façon en elle-même connue, éventuellement à profondeur variable, en utilisant un ensemble de retards tenant compte de la profondeur de focalisation à obtenir et de la courbure du réseau Grâce à la combinaison d'une focalisation électro- nique dans le sens du balayage et d'une focalisation acoustique dans le plan perpendiculaire, on peut arriver à une résolution élevée et à un champ beaucoup plus important qu'avec une barrette plane d'éléments piézo-électriques. Comme le montre la Figure 3, le système optique et le système d'échographie ultrasonore sont avantageusement disposés de façon que le champ optique et le champ acous- tique aient une région commune importante, dont l'étendue angulaire est proche de 800 dans le mode de réalisation illustré Ce recouvrement a l'intérêt-de permettre une visualisation optique de la paroi sur laquelle est appliqué le capteur acoustique et, donc, une vérification des condi- tions du contact, favorisé par ailleurs par la forme courbe du réseau Il faut en particulier remarquer que l'on peut appliquer de façon étroite le tronçon terminal contre la paroi en agissant sur les câbles de guidage 15. La Figure 5 montre que le balayage sectoriel avec un réseau linéaire courbe d'éléments électro-acoustiques se traduit par un écartement entre les lignes d'exploration successives 39 qui augmente avec la profondeur et peut devenir excessif à distance du traducteur Pour réduire cet écartement, qui est fonction du pas p de répartition des éléments 31, une solution consiste à effectuer plusieurs tirs successifs à partir du même groupe d'éléments 31, mais 7 - avec des répartitions de retard différentes pour effectuer un balayage avec un pas p/n (n étant égal à 2 ou 3) Ce procédé permet d'ajouter (n-1) lignes d'exploration, indi- quées en tirets sur la Figure 5, entre deux lignes normales d'exploration 39 adjacentes Comme le montre la Figure 6 dans le cas d'un groupe de six éléments électro-acoustiques 31 et de N = 3, on obtient une ligne d'exploration normale avec une répartition symétrique des retards et deux foca- lisations suivant des lignes additionnelles 40, symétriques par rapport à la ligne 39, avec des retards correspondant à deux ouvertures fictives 41 égales à A + 2 p Ce mode de n mise en oeuvre provoque une division de la cadence de répétition de l'image par n, mais cette réduction es t peu gênante pour les profondeurs d'exploration habituelles, ne dépassant pas 6 cm Ainsi, pour n = 3 et un traducteur comportant un réseau de 100 éléments 31, la cadence est de 60 images par Seconde pour une profondeur d'exploration de 4 cm, ce qui est très supérieur à la limite de scintil- lement, d'environ 24 images par seconde. On peut incliner le faisceau acoustique par rapport à la normale à l'élément médian La Figure 7 montre par exemple les lignes d'exploration terminales 47 du champ normal, ainsi que les limites d'exploration 48 avec une inclinaison + e et 49 avec une inclinaison -e La déflexion par voie-élec- tronique est obtenue de la même façon qu'avec un réseau plan phase, souvent désigné par L a formulation anglo-saxonne "phased array", 'à I'aide d'un choix de retards qui assurent la focalisation du faisceau, son inclinaison et la compensa- tion de la courbure du réseau. L'inclinaison électronique du faisceau peut être utilisée pour réaliser une focalisation au même point à partir de plusieurs groupes différents d'éléments électro- acoustiques, ce qui permet d'obtenir un balayage composé augmentant le nombre d'informations Une reconstitution par calculateur permet de mieux cerner les structures arrondies -8- qu'avec une information unique et enrichit considérablement l'image Avec un tel mode de balayage, l'image résultante résulte de la superposition ou de la combinaison de trois images correspondant respectivement aux champs 47-47, 48,48 a et 49 a-49 On peut naturellement arrêter le balayage électro-. nique sur un groupe donné d'éléments électro-acoustiques pour enregistrer le mouvement d'une structure, par exemple en cardiologie Cette même observation d'une zone fixe permet également de déterminer l-es écoulements, par exemple 1 'écou- lement sanguin, par détermination de l'effet Doppler, qui s'accomode particulièrement bien d'une incidence oblique telle que celle indiquée en 50. On ne décrira pas ici de façon détaillée l'électronique associée au traducteur 25, étant donné qu'elle peut prendre de nombreuses formes, et notamment celles déjà bien connues. On indiquera simplement, en faisant référence a la Figure 8, une constitution générale possible Cette électronique com- prend un module de commande 55 qui gère les chaînes d'émission et de réception. Dans la chaîne d'émission; un cadenceur 63 fournit, à intervalles réguliers, une impulsion qui est transmise à un dispositif 64 de stockage des retards correspondant à la focalisation recherchée Le dispositif 64 fournit les signaux d'excitation présentant des retards différents nécessaires pour la focalisation et, éventuellement, la formation des lignes d'exploration additionnelles Les signaux provenant du dispositif 64 sont aiguillés par le sélecteur 65 vers les entrées des circuits d'émission 66 dont les sorties délivrent des impulsions d'excitation, de niveau suffisant, aux x éléments électro-acoustiques simultanément excités, d'ordre N à n+x-1 Ce groupe d'éléments 35 émet un fais- ceau ultrasonore focalisé dans les tissus à étudier Lors de l'émission suivante, les x signaux sont transmis cette fois aux éléments n+ 1 jusqu'à (n+l)+(x-l) et ainsi de suite. A la réception, le processus est inversé:-les x signaux fournis par les x éléments électro-acoustiques 35 du groupe sélectionné par le module de sélection 57 sont transmis à des préamplificateurs 58, puisa un système de retard ou de 9- déphasage 59 et, enfin, à un circuit sommateur 60 Un amplificateur video 61 de gain réglable fournit à un moni- teur de visualisation 62 les signaux analogiques nécessaires. Un dispositif 56 sera généralement prévu pour corriger le gain en fonction de la profondeur d'exploration Cette correction de gain peut être effectuée par un circuit agis- sant sur les préamplificateurs 58 et commandé par le module 55. Le signal utile apparaissant à la sortie du sommateur 60 peut être également dirigé vers un dispositif 71 de mesure de l'effet Doppler, suivi d'un-analyseur de spectre 72 fonc- tionnant en temps réel et fournissant le-spectre de fréquence Doppler Ce même signal utile peut être traité dans, un dis- positif déterminant le mouvement en fonction du temps 69 is pour mémorisation sur un enregistreur 70. Comme on l'a indiqué plus haut, l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation La Figure 9 montre, en coupe longitudinale, la partie terminale de l'organe tubulaire Il d'un endoscope à tronçon terminal 2 D déformable, Ce tronçon terminal porte encore un traducteur ultrasonore constitué par un réseau courbe 31 d'éléments électroacoustiques recouvert par une lentille 36 mais lie réseau est placé à une distance d de l'extrémité de l'organe tubulaire 11 et le système optique, formé par l'objectif 18 et l'émetteur 19 et sur la tranche terminale du tronçon 140 Le tronçon de l'organe tubulaire 11 contenant le réseau d'éléments électro-acoustiques 31 est rigide, sur une longueur e Au contraire, la partie de longueur d, géné- ralement d'environ 8 cm, est flexible et orientable Le 3 m guidage peut ainsi être très souple, la partie rigide étant rejetée en arrière de la tranche terminale De plus, la visualisation optique de la zone de contact entre la face avant du traducteur et la paroi interne est possible lorsque le bout de l'organe tubulaire 11 est amené dans la position montrée en tirets sur la Figure 9. Dans une autre variante encore de réalisation, montrée en Figure 10, l'organe tubulaire 11 est en deux modules séparés et emboîtables SO et 81 Le module 80 est similaire - à un endoscope classique, muni d'un émetteur de lumière 82 et d'un objectif optique 83 sur sa tranche terminale Le module 81 porte une sonde acoustique 85 du même genre que celle représentée sur la Figure 3 Les câbles électriques 27 de connexion entre les éléments électroacoustiques du réseau et le coffret électronique associé (non représenté) sont répartis dans une gaine cylindrique mince et souple 86 dont le diamètre est légèrement supérieur à celui de l'endo- scope 80 et dont la longueur est au moins égale à celle du tuyau de l'endoscope. Dans la partie 87 du module 82, qui est accolée à la tranche terminale de la sonde acoustique 85, sont prévus deux miroirs 88 ayant une inclinaison telle qu'ils guident la lumière provenant de l'émetteur 82 vers l'exté- rieur, à travers la partie 87 Ces miroirs permettent également la vision de l'extérieur par l'objectif 83. Lorsqu'on veut effectuer une exploration écho- endoscopique, l'endoscope 83 est d'abord introduit dans la gaine 86 jusqu'à ce que les éléments optiques 82 et 83 soient en regard des miroirs de la partie 87, comme indiqué en traits mixtes sur la Figure 10 Le dispositif de guidage comportant les anneaux 16 permet d'orienter la tête d'écho- endoscope formée par la gaine 86, la sonde 85 et l'endoscope Le supplément de longueur imposé au tronçon terminal rigide par l'adjonction de la partie 87 est faible (moins d'un centimètre) et, à ce prix, on peut utiliser un endos- cope ordinaire, non modifié De plus, les modules 80 et 81 peuvent être employés séparément pour des examens échogra- phiques ou endoscopiques classiques. Le dispositif dont un fragment est montré en Figure 11 constitue une variante de celui de la Figure 10 Il com- prend encore un module endoscopique 80 et un module acoustique 81 formé d'une gai-nîe 86 et d'une sonde 85 Mais cette variante ne comporte plus la partie rigide munie de miroirs que l'on trouve sur la Figure 10 En contrepartie, les éléments optiques 82 et 83 ne sont plus placés en bout de l'endoscope, mais latéralement sur une surface inclinée par rapport à l'axe du tuyau Ces éléments optiques se 11 - trouvent donc ainsi en regard d'une membrane 92 lorsque l'endoscope est introduit à fond dans la gaine 86 Au prix d'une légère modification d'un endoscope ordinaire, on évite la complication entraînée par l'adjonction des miroirs dans le cas de la Figure 10 L'invention est susceptible de nombreuses variantes encore de réalisation, tenant compte notamment de l'applica-, tion envisagée et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. 12 - REVENDICATIONS 1 Sonde en-doscopique comprenant un organe tubulaire destiné à être inséré dans une cavité a explorer, présentant une partie souple munie d'un tronçon terminal orientable à l'aide de moyens mécaniques de commande disposés à l'inté- rieur de la partie souple, des moyens optiques ( 18,19,20,23) d'illumination et de retour d'image, et un traducteur électro-acoustique ( 25) porté par ledit tronçon, caractérisé en ce que le traducteur ( 25) comprend un réseau linéaire courbe ( 31) d'éléments piézo-électriques fixés dans le tron- çon, la convexité de la courbe étant dirigée vers l'extérieur,, réseau associé à un circuit électronique d'excitation des éléments suivant une séquence de balayage sectoriel"dans un champ angulaire présentant un recouvrement avec le champ de vision des moyens optiques. 2 Sonde suivant la revendication'1, caractérisée en ce que le réseau linéaire est constitué par une seule ligne d'éléments piézo-électriques disposés de-façon à permettre un balayage sectoriel dans un plan passant par l'axe du tronçon terminal ( 14) - 3 Sonde suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit électronique comporte des moyens de retard électriques et/ou de déphasage, permettant de réali- ser un balayage électronique par excitation de groupes suc- cessifs d'éléments électro-acoustiques et une focalisation à distance déterminée du réseau. 4 Sonde suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le circuit électronique comporte des moyens de modi- fication de la répartition des phases et/ou retards au cours de tirs successifs à partir d'un même groupe d'éléments piézo-électriques, afin de réaliser des-explorations suivant des lignes additionnelles aux lignes normales aux éléments. Sonde suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens optiques sont disposés sur l'extrémité du tronçon terminal, flexible et orientable, au-delà dudit traducteur électro-acoustique. 6 Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce-qu'elle est constituée de deux 25438 17 13 - modules ( 80,81) dont l'un est constitué par un endoscope muni desdits moyens optiques, insérable dans une gaine 86 appartenant à l'autre module qui se termine par ledit tronçon terminal. 7 Sonde selon la revendication 6-, caractérisée en ce que l'émetteur de lumière ( 82) et l'objectif ( 83) de l'endoscope ( 80) sont disposés sur la tranche terminale de ce dernier et en ce que ledit tronçon terminal comporte des miroirs placés en arrière dudit traducteur et destinés à permettre l'observation à l'aide de l'endoscope. 8 Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'objectif ( 83) et l'émetteur optique ( 82) de l'endoscope sont placés à l'extrémité de l'endoscope; laté- ralement et sur une surface inclinée par rapport à l'axe de l'endoscope - 9 Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit tronçon terminal contient un circuit imprimé ( 26) relié par des fils fins de jonctions ( 37) aux éléments piézo-électriques du traduc- teur ( 25) et par des câbles coaxiaux miniatures à un coffret électronique relié à l'extrémité de l'organe tubu- laire éloignée du tronçon terminal. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le traducteur comporte une lentille acoustique convexe de focalisation dans le sens transversal au plan de symétrie de la sonde, constituée d'un matériau dans lequel la vitesse de propagation des ultrasons est inférieure à celle dans les tissus biologiques.