Brevet FR2552550A1 — publié le 19850329

APPAREIL D'EXPLORATION DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant une mosaïque de transducteurs ultrasonores associée à un étage d'émission prévu pour assurer une émission répétée de signaux ultrasonores, à un étage de réception prévu pour assurer la réception et le traitement des échos ultrasonores correspondant aux obstacles rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, et à un étage d'affichage des images ultrasonores reconstruites dans l'étage de réception. Si la vitesse de propagation ultrasonore dans un milieu à examiner était rigoureusement constante et si les systèmes mécaniques et électroniques de reproduction géométriques étaient parfaits, les échos provenant des mêmes obstacles se superposeraient exactement sur l'image, quelle que soit la direction de l'axe d'exploration. Cette condition n'est en fait jamais réalisée dans la pratique, et les variations de vitesse ultrasonore à l'intérieur du milieu examiné conduisent à des distorsions de propagation, d'autant plus importantes que l'on travaille à plus grande ouverture, et qutil faut donc corriger. Selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4252025 déposé le 30 juillet 1979 par D.E. Robinson et déllvré le 24 février 1981, il est connu, dans l'étage de réception d'un échographe, d'analyser les différences de position apparentes des échos correspondant au même obstacle à l'aide d'un dispositif d'intercorrélation comparant deux signaux obtenus dans deux positions d'exploration différentes et déterminant la position réelle dans laquelle les deux signaux sont le plus en accord l'un avec l'autre. Malheureusement, aucune indication concrète ntest fournie sur la réalisation pratique d'un tel étage de réception. Le but principal de l'invention est de proposer un appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore dont ltétage de réception assure de façon simple mais originale la correction des défauts de propagation dus à lthétérogénéité de la vitesse des ondes ultrasonores. L'invention concerne à eet effet un appareil tel que défini en introduction et caractérisé en ce que les transducteurs de la mosalque sont regroupés en 2n sous-fenêtres, n étant un entier positif, constituées chacune d'un groupe de transducteurs élémentaires adjacents et prévues pour que soit effectuée dans chacune d'elles une échographie sans correction d'une région des mi lieux explorés, en ce que ltetage de réception comprend successivement, à la suite d'un dispositif de foealisation synthétique et de balayage prévu en sortie de la mosaSque, 2n voies en parallh e comprenant chacune un dispositif de retard ajustable et une mémoire de stockage de ce retard et suivies d'un additionneur et d'un estimateur, la sortie de cet estimateur étant reliée à l'étage d'affichage, et en ce que L'étage de réception comprend également un dispositif de détermination des retards correctifs à envoyer sur chaque dispositif de retard, ce dispositif de détermination comprenant lui-meme 2n-1 circuits d'intercorrélation qui opèrent à l'aide de n bissections successives de ltouverture de la saSque et de façon à comparer dans une première étape de bissection, à l'aide du premier circuit dtintercorrélation, les deux groupes de transducteurs constitués respectivement des 2n-1 premières sous-fenêtres et des 2n 1 autres sous-fenêtres, puis à appliquer le même processus de bissection dans chacun des deux groupes ainsi constitués successivement, jusqu'à épuisement des circuits d'intercorrélation prévus. Les particularités de cette invention apparaissent de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemple et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique très simplifiée de l'appareil selon l'invention ; - la figure 2 montre de façon plus détaillée l'étage de réception de l'appareil de la figure 1 - la figure 3 montre la structure des circuits dtintercorrélation utilisés dans ltétage de réception de la figure 2. L'appareil selon l'invention comprend essentiellement, dans l'exemple de réalisation ici décrit, une mosalque rectangulaire 10 de transducteurs ultrasonores élémentaires, un étage 20 d'émission périodique de signaux ultrasonores, un étage 30 de réception et de traitement des échos ultrasonores correspondant aux obstacles rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, et un étage 40 d'affichage des images ultrasonores reconstruites dans ltétage 30. Le principe mis en oeuvre dans cet appareil est le suivant. Etant donné la largeur de ltouverture, très grande afin d'obtenir une résolution plus fine de l'image, on découpe cette ouverture en plusieurs sous-fenêtres constituées chacune d'un groupe de transducteurs élémentaires adjacents de la mosalque, puis l'on effectue dans chaque sous-fenêtre une échographie sans corrections d'une région de l'organe examiné. Les corrections à appliquer ne sont déterminées qu'ultérieurement en cherchant à rendre maximales les fonctions d'intercorrélation entre signaux échographiques correspondant à un même segment de droite QQ' (voir la figure 1), obtenues à partir de deux parties de 11 ouverture. Plus précisément, et pour ne pas avoir à traiter toutes les fonctions d'intercorrélation, on met à profit la partition de l'ouverture en un certain nombre de sous-fenêtres en opérant cette partition par bissections successives. On cherche alors l'intercor rélation entre deux groupes de sous-fenêtres, puis l'on applique des corrections identiques et de signe opposé aux sous-fenêtres de chaque groupe, les différentes corrections ainsi déterminées (dans l'exemple décrit plus loin d'une part des retards ou des avances et d'autre part des amplitudes) se cumulant pour une même sous-fenêtre de manière que le processus en pyramide de correction par bissections fournisse une correction particulière à chaque sous-fenêtre (dans l'exemple décrit, trois étapes successives de bissection vont être effectuées, mais il ne s'agit là en aucune sorte d'une limitation de l'invention). Dans le cas des retards ou avances, il va de soi que les corrections déterminées se superposent, dans l'appareil décrit plus en détail ci-dessous, aux retards individuels affectés à chaque transducteur élémentaire de la mosaïque 10 en raison du processus de focalisation. En effet, la plupart des appareils échographiques actuels explorent les différents points de l'image à reconstituer en focalisant sur ces points, en principe à l'rémission et à la réception. Cette focalisation est obtenue en additionnant les signaux fournis par chaque élément de la mosaïque et retardés d'une quantité convenable, ces signaux étant distincts selon le point balaye et pondérés par un facteur lié aux atténuations des tissus explorés et à l'apodisation souhaitée. Pour la simplicité de la mise en oeuvre du principe décrit ci-dessus, on formulera en outre deux suppositions, à savoir d'une part que les corrections à apporter conformément à l'invention et qui dépendent du point sur lequel on foealise sont considérées comme très voisines lorsque ces points sont voisins, ce qui entraîne que ces corrections varient lentement au cours du balayage de l'image et peuvent donc être réajustées -au fur et à mesure par un processus simple tel que des intercorrélations à deux voies visant à déterminer seulement dans quel sens les corrections doivent être modifie'es, et d'autre part que ces corrections sont très voisines pour deux éléments adjacents de la mosaïque, ce qui permet de ne les appliquer que par groupes d'éléments contigus, ou sous-fenêtres, qui pourront être en nombre limité, et d'eviter ainsi l'emploi d'un trop grand nombre de circuits de correction. Le principe étant ainsi défini, on peut considérer la partie ultrasonore de l'appareil conforme à l'invention comme décrite de façon simplifiée par la figure 1, sur laquelle on a repré senté la mosaïque 10 des transducteurs élémentaires couplée acoustiquement au milieu à explorer (à un moment déterminé de l'explora- tion, on focalise au point P situé sur le segment QQ', tous les transducteurs de la mosaïque étant-reliés électriquement à un ensemble de lignes à retard programmables et d'additionneurs) et de façon plus complète par la figure 2, expliquée de façon détaillée ci-dessous. Pour réaliser dans le cas présent trois étapes succes sives de bissection, les sorties de la mosalque 10 sont groupées en huit sous-fenetres 1 à 8 (pour n étapes de bissection, on pré voierait 2n sous-fenêtres), à chacune desquelles correspondent, après traversée d'un dispositif 50 de focalisation synthétique et de balayage, d'une part un dispositif de retard ajustable 61 à 68 et une mémoire 71 à 78 de stockage de ce retard2 puis d'autre part2 si l'on veut aussi corriger les défauts de propagation dus à l'hé- térogénéité de l'absorption des ondes ultrasonores, un multiplieur 161 à 168 et une mémoire 171 à 178 de stockage de coefficients correcteurs d'amplitude.Les signaux de sortie des circuits 161 à 168 sont envoyés vers un additionneur 80 dont la sortie est relie à un estimateur 90, suivi lui-meme de la mémoire d' image de l'étage d'affichage 40. L'estimateur 90 comprend par exemple un circuit redresseur suivi d'un filtre passe-bas pour obtenir l'enveloppe du signal.Il peut aussi etre précédé ou suivi d'un circuit de deconvolution par une fonction d'appareil incluant l'un ou plusieurs de certains paramètres tels le signal d'excitation des transducteurs élémentaires, la réponse acousto-électrique d'un transducteur élé- mentaire en réception, la réponse électro-acoustique d'un transducteur élémentaire en émission, ou encore la réponse de diffraction de la sous-fenêtre considérée au point vise Les corrections temporelles sont déterminées, confor mément à l'invention, à l'aide des sept circuits dtin tercorre'lation 101 à 107 représentés sur la figure 3.Le circuit 101 utilise' dans la première étape de bissection s'apparente (et de même pour les circuits 102 à 107) à un montage de filtrage adapté : il est formé de deux additionneurs 111 et 112 à quatre entrées recevant les signaux de sortie des sous-fenetres 1 à 4 et 5 à 8 respectivement, de deux circuits à retard variable T 113 et 114 tels que le retard +T soit appliqué par le circuit 113 et le retard -T par le circuit 114, de deux corrélateurs 115 et 116, et d'un soustracteur-integra- teur 117. Ce montage permet de déterminer les retards T1 à appliquer aux mémoires 71 à 74 et les retards T2 à appliquer aux mémoires 75 à 78 par une simple variation de T.En effet, on montre que, dans le circuit 101, le signal de sortie du soustracteur-intégrateur 117 s'annule pour une certaine valeur Tg de T et que les retards T1 et T2 sont alors déterminés par les expressions T1 = T0/2 et T2 = -T0/2. Il suffit donc de commander la variation de T jusqu'à ce que le signal de sortie du soustrac teur-intégrateur 117 s'annule. Selon le signe du signal obtenu, c'est par une augmentation ou au contraire par une diminution de la valeur du retard T que l'on obtient cette annulation du signal de sortie du circuit 117. Les corrélateurs mentionnés sont de type classique et sont décrits dans plusieurs ouvrages, par exemple dans "Méthodes et techniques de traitement du signal et applications aux mesures physiquesn, volume 2, chapitre XVIII, "Principaux corrélateurs élec troniquestly de J. Max et al., publié chez Masson (France). Lorsqu'on utilise également les circuits décrits pour des corrections d'amplitude, la valeur Tg ayant été déterminée comme indiqué, on détermine la valeur du signal de sortie pour une valeur TA de T telle que T A - To soit déterminé à l'avance, et soit identique pour tous les processus de bissection. Cette valeur du signal de sortie est alors normalisée puis stockée dans les mémoires 171 à 178. Les deux circuits 102 et 103 utilisés dans la deuxième étape de bissection comprennent de même chacun deux additionneurs 121,122 et 131,132 à deux entrées recevant les signaux de sortie des sous-fenêtres 1,3 et 2,4 pour les additionneurs 121,122 et des sorxsrrenêtres 5,7 et 6,8 pour les additionneurs 131,132, deux circuits à retard 123,124 et 133,134 respectivement, deux corrélateurs 125,126 et 135,136 respectivement, et un soustracteur-intégrateur, 127 et 137 respectivement, dont le signal de sortie agit de la même façon que précédemment. De la même manière, dans la troisième étape de bissection, les quatre circuits 104 à 107, dans lesquels des additionneurs ne sont pas nécessaires puisque ces circuits ne re çoivent sur chaque entrée que le signal de sortie d'une seule sous-fenetre, comprennent chacun deux circuits à retard, (143,144), (153,154), (163,164) et (173,174) respectivement, deux corrélateurs, (145,146), (155,156), (165, 166) et (175,176) respectivement, et un soustracteur-intégrateur, 147 à 177 respectivement, dont le signal de sortie agit là encore comme précédemment. Les corrections ainsi déterminées peuvent être appliqués sur les transducteurs aussi bien à l'démission qu'à la réception. Bien entendu, la présente-invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. On notera en particulier qu'il est préférable de prévoir un circuit de validation des circuits d'intercorrélation pour ne laisser parvenir, lors de la génération des retards correctifs et des coefficients correcteurs d'amplitude par le processus en pyramide par bissections successives, que les signaux correspondant au segment QQ' qui appartient au voisinage du point P. Par ailleurs, ltétage de réception de l'appareil selon l'invention peut opérer de deux façons distinctes : soit traiter les informations ultrasonores au fur et à mesure qu'elles sont fournies par la mosalque, soit opérer en temps différé, par mise en mémoire des signaux émis et reçus par la mosalque puis reconstitution des estimateurs de focalisation synthétique à partir de ces signaux dûment corrigés. On notera enfin qu'il est souvent avantageux de remplacer des circuits analogiques par des circuits numériques, ce qui est réalisable ici dans ltétage 30, ou même d'associer à ces circuits des moyens de traitement informatiques, avec mise en mémoire des informations provenant des huit sous-fenêtres. REVENDICATIONS : 1. Appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant une mosaïque de transducteurs ultrasonores associée à un étage d'émission prévu pour assurer une émission répétée de signaux ultrasonores, à un étage de réception prévu pour assurer la réception et le traitement des échos ultrasonores correspondant aux obstacles rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, et à un étage d'affichage des images ultrasonores reconstruites dans ltétage de réception, caractérisé en ce que les transducteurs de la mosaïque sont regroupés en 2n sous-fenètres, n étant un entier positif, constituées chacune d'un groupe de transducteurs élémentaires adjacents et prévues pour que soit effectuée dans chacune d'elles une échographie sans corrections d'une région des milieux explorés, en ce que ltétage de réception comprend successivement, à la suite d'un dispositif de focalisation synthétique et de balayage prévu en sortie de la mosaïque, 2n voies en parallèle comprenant chacune un dispositif de retard ajustable et une mémoire de stockage de ce retard et suivies d'un additionneur et d'un estimateur, la sortie de cet estimateur étant reliée à ltétage d'affichage, et en ce que 1 'étage de réception comprend également un dispositif de détermina- tion des retards correctifs à envoyer sur chaque dispositif de retard, ce dispositif de détermination comprenant lui-même 2n -1 circuits d'intercorrélation qui opèrent à l'aide de n bissections successives de 1 'ouverture de la mosaïque et de façon à comparer dans une première étape de bissection, à l'aide du premier circuit d'intercorrélation, les deux groupes de transducteurs constitués respectivement des 2n-1 premières sous-fenêtres et des 2n 1 autres sous-fenêtres, puis à appliquer le même processus de bissection dans chacun dés deux groupes ainsi constitués successivement, jusqu'à épuisement des circuits d'intercorrélation prévus. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 2n voies en parallèle de l'étage de réception comprennent chacune un multiplieur et une mémoire de stockage de coefficients correcteurs d'amplitude et en ce que le dispositif de détermination de retards de cet étage est également un dispositif de détermination des coefficients correcteurs d'amplitude à appliquer sur chaque multiplieur. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'estimateur comprend un circuit redresseur suivi d'un filtre passe-bas. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'estimateur comprend également, en série avec le circuit redresseur et le filtre, un circuit de déconvolution. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les circuits d'intercorrélation comprennent chacun, à l'exception des 2n-1 circuits d'intercorrélation utilisés au cours de la nième et dernière étape de bissection et pour lesquels des additionneurs ne sont pas nécessaires, deux additionneurs, deux circuits à retard, deux corrélateurs, et un soustracteur-intégrateur, la sortie du premier additionneur étant reliée directement au premier corrélateur et par l'intermédiaire du premier circuit à retard au deuxième corrélateur, la sortie du des xième additionneur étant reliée directement au deuxième corrélateur et par l'intermédiaire du deuxième circuit à retard au premier cor rélateur, les sorties des premier et deuxième corrélateurs étant reliées aux entrées respectives du soustracteur-intégrateur, et les sorties du soustracteur-intégrateur étant envoyées vers les mémoires respectivement de stockage de retards et/ou de stockage de coefficients correcteurs d'amplitude.