Brevet FR2556844A1 — publié le 19850621

-1- APPAREIL D;XAMYN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, et trouve une application es- sentielle dans l'exploration de tissus biologiques. Dans un tel appareil, des signaux ultrasonores sont émis en direction de la région à explorer et sont alors réfléchis soit principale.ment par les multiples centres diffuseurs dont ladite région est constituée soit egalement par les surfaces de transition entr-.,ilieux successifs d'impédances acoustiques différentes. Les échos ainsi formé.s sont reconvertis en signaux électriques dans un étage de réception qui assure un traitement approprié de ces sis gnazx, en particulier une correction de l'atténuation des ondes ultrasonores en fonction de la distance qu'elles ont parcouru dans les milie.x explorés. Un appareil d'exploration de ce type est décrit dans le 1 brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4057049 délivré le 8 novembre 1977 au nomr de la société cessionnaire National Research Develop- ne.it Corporatration, London, England. Comme indiqué en colonne 2, li- gnes 8 et suivantes de ce document, des signaux électriques sont éis par un générateur 1 vers un transducteur 2 qui les convertit en ondes ultrasonores de spectre déterminé se propageant dans la région à explorer. A la réception, les échos correspondant aux obs- tacles constitués par les centres diffuseurs rencontrés ou les sur- faces de transition entre milieux distincts sont à nouveau conver- tis par le transducteur en signaux électriques qui sont fournis à un amplificateur 4, puis à un dispositif de visualisation 7 après correction de l'atténuation ultrasonore en fonction du temps. On sait actuellement que cette atténuation ultrasonore est d'autant plus importante que la fréquence des signaux est plus élevée. il est donc prévu, selon le brevet cité, de prélever dans le spectre du signal reçu deux bandes de fréquence relativement -2- étroites et d'utiliser l'information locale recueillie dans ces bandes pour modifier la courbe de gain de l'amplificateur. Le but de l'invention est de proposer un appareil en- trant dans la m&me catégorie que celui décrit précédemment, c'est-à-dire dont le fonctionnement repose sur l'établissement d'une corrélation entre la fréquence du signal de réception et son amplitude, mais en utilisant ce principe d'une manière nouvelle. L'invention concerne à cet effet un appareil d'explo- ration de milieux par échographie ultrasonore comprenant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission de si- gnaux électriques convertis par le transducteur en ondes acous- tiques et à un étage de réception et de traitement des échos ultra- sonores apparaissant à la suite de la réflexion de ces ondes sur les obstacles rencontrés dans leur direction de propagation, cet étage de réception et de traitement comprenant lui-même essentiel- lement un amplificateur, un circuit de correction de gain en fonc- tion du temps et un circuit d'exploitation des résultats de l'exa- men échographique, caractérisé en ce que l'étage de réception et de traitement comprend également, en sortie de l'ensemble constitué par l'amplificateur et le circuit de correction de gain, des moyens de détermination de la fréquence instantanée et de l'énergie ins- tantanée de ce signal échographique, des moyens de pondération de la fréquence instantanée par l'énergie instantanée, et des moyens de correction de diffraction. La structure ainsi définie permet en effet, dans les différents modes de réalisation envisagés plus loin, d'obtenir, grâce à l'établissement d'une corrélation originale fréquence-éner- gie, une réduction de la variance affectant la fréquence des si- gnaux de réception des échographes ultrasonores. Les particularités de l'invention apparaîtront main- tenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexes, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - les figures la à lc fournissent une représentation de l'évolution temporelle du signal échographique reçu, de sa fré- quence instantanée, et de son énergie instantanée; -3- - la figure 2 représente un mode de réalisation de l'ap- pareil selon l'invention; - les figures 3 et 4 montrent deux variantes de l'étage de démodulation et de filtrage de la figure 2. Avant de décrire plus précisément cette invention, on rappellera qu'en échographie ultrasonore des milieux diffusants, le signal échographique reçu (figure la) résulte de l'interférence d'une multitude d'échos renvoyés par les obstacles rencontrés, ou centre diffuseurs. La nature interférentielle de ce signal écho- graphique reçu est la cause de variations locales de la fréquence instantanée (figure lb) de ce signal. On peut alors observer, sur la figure le, l'existence de creux de modulation dont la position temporelle est liée à ces variations locales de la fréquence ins- tantanée, et l'invention va exploiter la corrélation entre ces creux d'énergie et ces variations de fréquence, afin de disposer d'une estimation plus sure de cette fréquence. L'appareil proposé comprend donc, dans l'exemple décrit sur la figure 2, une sonde unique constituant le support d'un transducteur ultrasonore 10 et permettant d'obtenir des échogra- phies de type A. Cependant il est manifeste que l'invention est également applicable si l'on explore non plus une ligne mais toute une section plane d'un milieu, soit à l'aide d'une sonde à dépla- cement manuel ou à déplacement mécanique angulaire dit sectoriel, associée à un écran de visualisation du type radar, soit à l'aide d'une barrette linéaire de transducteurs ultrasonores définissant un certain nombre de directions d'exploration et associée à un cir- cuit de commutation de l'étage de réception et de traitement des échos successivement sur chaque transducteur ou groupe de transduc- teurs déterminé, soit encore à l'aide d'une barrette de transduc- teurs dite à balayage électronique sectoriel, également associée à un circuit de commutation 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 20 destiné à permettre l'émission répétée d'ondes acous- tiques par le transducteur dans une direction quelconque à travers -4- le milieu à examiner et d'autre part à un étage de réception et de traitement 30. Cet étage 30 est destiné à permettre la réception et le traitement des échos ultrasonores reçus par le transducteur 10 et correspondant aux obstacles rencontrés dans leur direction de propagation par les ondes acoustiques. Lesdits obstacles peuvent être soit des surfaces de séparation entre milieux successifs d'im- pédances acoustiques différentes, soit les nombreux centres diffu- seurs que le milieu exploré peut contenir. On ne s'intéressera pas ici aux échos de grande amplitude qui matérialisent les frontières entre milieux mais seulement à l'action des centres diffuseurs, en limitant l'exploration utile à une zone comprise entre deux de ces frontières. L'étage de réception et de traitement 30 comprend, de façon tout à fait classique, un amplificateur à gain variable 40, un circuit de compensation de gain 50 assurant la commande du gain de cet amplificateur, et, dans le cas présent, un dispositif de visualisation 60 qui assure la visualisation des signaux traversant l'étage 30 sous la forme d'une échographie de type A, Sur un axe correspondant à la direction principale de propagation du trans- ducteur 10. L'étage 30 comprend également, conformément à l'inven- tion, entre les circuits 50 et 60, un étage 70 de démodulation et de filtrage du signal échographique, puis un étage de correction de la diffraction. L'étage 70 de démodulation et de filtrage comprend lui-même deux voies en parallèle 110 et 210: la première de ces voies comprend en série un circuit 120 de détermination de la fréquence instantanée du signal échographique (un tel circuit figure par exemple au catalogue de la société RCA sous la référence CA 3089 E), un multiplicateur 130 et un premier filtre passe-bas 140 dont la sortie est envoyée sur une première entrée d'un diviseur 90, tandis que la seconde voie comprend en série un circuit 220 de détermination de l'énergie instantanée du signal échographique (un tel circuit figure par exemple au catalogue de la société Motorola sous la référence MC 1496) et un deuxième filtre passebas 240 dont a sortie est envoyée sur la deuxième entrée du -5- diviseur 90 (les filtres 140 et 240 sont identiques). La sortie du circuit 220 est également envoyée sur la deuxième entrée du multi- plicateur 130 de la première voie (ce circuit 130 peut être par exemple le circuit MC 1494 du catalogue Motorola). Le fonctionnement de ce premier mode de réalisation de l'invention est le suivant. Comme le signal échographique a subi l'action du circuit de compensation de gain, son énergie moyenne est constante dans le temps, mais son énergie instantanée présente cependant, par rapport à cette valeur moyenne, des écarts locaux dont une étude plus approfondie a révélé qu'ils étaient en corré- lation avec les écarts locaux de la fréquence instantanée (ils in- diquent des valeurs aberrantes, comme on l'a précisé plus haut en liaison avec les figures la à lc) - à faible énergie, la variance sur la valeur de la fréquence instantanée est grande, alors qu'à forte énergie, cette valeur est plus proche de sa valeur espérée. De cette constatation résulte la décision, conformément à l'inven- tion et comme indiqué sur la figure 2, de pondérer le signal f(t) traversant la première voie 110 par le signal e(t) traversant la deuxième voie 210 (ce qui revient à favoriser les fréquences aux- quelles correspond une énergie importante). par l'intermédiaire de la liaison établie entre la sortie du circuit 220 de détermination de l'énergie instantanée et la deuxième entrée du multiplicateur 130. Le signal corrigé de sortie du diviseur 90 est alors envoyé vers l'étage 80 de correction de diffraction prévu en sortie de l'étage 70. Cet étage de correction de diffraction comprend ici un convertisseur analogique-numérique 81 à m sorties numériques en- voyées vers une mémoire numérique 82, par exemple une mémoire morte programmable (en anglais, "programmable read-only memory", ou mé- moire PROM). Cette mémoire reçoit par ailleurs les n sorties numé- riques d'un compteur 83 commandé par un circuit d'horloge 84, lui-même déclenché par l'horloge de l'étage d'émission 20. L'étage de correction de diffraction est nécessaire dans le cas d'un échographe avec transducteur non focalisant et plus encore dans le cas d'un transducteur focalisant, pour assurer la compensation de l'effet de diffraction qui se produit du fait des dimensions du transducteur, qui ne sont pas infiniment petites, et qui fausse les indications fournies par l'étage 70 de démodulation et de filtrage. On montre que la correction de cet effet de diffraction n'est liée qu'à la valeur de la fréquence instantanée et à la dis- tance, c'est-à-dire au temps de parcours, et qu'elle est donc pos- sible par exemple en stockant dans la mémoire m x n valeurs de cor- rection obtenues par calibration préalable à partir de m valeurs de fréquence instantanée f(t) et de n valeurs de distance (en suppo- sant la vitesse des ondes ultrasonores constante dans la zone con- sidérée, les signaux délivrés par le compteur 83 sont proportion- nels aux distances parcourues par ces ondes). Pour cette phase de calibration, on prend ici en compte les réponses échographiques du transducteur lorsqu'il est placé en face de fantômes de milieux diffusants. Les réponses ainsi obtenues sont donc utilisées pour introduire dans la mémoire 82 les valeurs de correction de dif- fraction. Selon les cas, les valeurs ainsi délivrées par la mémoire en réponse à une des m valeurs de fréquence et une des n valeurs de temps de parcours peuvent être par exemple soit un coefficient par lequel il faut multiplier la valeur de fréquence à corriger (un multiplieur doit alors être prévu en sortie de la mémoire 82), soit un écart dont il faut ajouter la valeur algébrique à la valeur de fréquence à corriger (un sommateur est alors prévu en sortie de la mémoire 82), soit la valeur même de la fréquence corrigée; ces r - _. variantes sont équivalentes, au vu du résultat obtenu, et, bien entendu, non limitatives. Dans tous les cas, la sortie de l'étage de correction de diffraction quelle que soit celle des variantes considérées ci-dessus, s'effectue par l'intermédiaire d'un conver- tisseur numérique-analogique 85 qui est relié à l'entrée du dispo- sitif de visualisation 60. Dans une variante de réalisation de l'étage 30, il peut être prévu entre la fréquence et l'énergie instantanée une in- teraction autre que linéaire, par exemple en insérant juste -7- en sortie du circuit 220 de détermination d'énergie instantanée un circuit non linéaire, tel qu'un circuit à seuil, n'autorisant le passage du signal énergie instantanée que si la valeur de celui-ci atteint un seuil déterminé. Dans un deuxième mode de réalisation, l'appareil selon l'invention comprend les mêmes éléments que ceux représentés sur la figure 2, à l'exception de l'étage de démodulation et de filtrage du signal échographique et de l'étage de correction de diffraction, qui portent cette fois les références 470 et 480 par analogie avec celles de la figure 2. Cet étage modifié 470 de démodulation et de filtrage comprend maintenant (voir la figure 3) un convertisseur analo- gique-numérique 471 dont les sorties sont reliées aux entrées d'un circuit numérique 472 de calcul de la fréquence instantanée et de calcul de l'énergie instantanée aux instants successifs d'échantil- lonnage. Les valeurs de fréquence et d'énergie ainsi caleulées pé- riodiquement sont disponibles en sortie du circuit 472 sur deux voies 473 et 483 en parallèle. La première voie 473 comprend suc- cessivement un multiplicateur à commande numérique 475, dont la première entrée est donc reliée à la sortie en fréquence du circuit de calcul 472, et un additionneur 476 dont la sortie est reliée à l'étage 480 de correction de diffraction (semblable à l'étage 80 précédemment décrit, à cette exception près que son convertisseur analogique-nLmérique d'entrée 81 n'est plus nécessaire, l'étage précédent fournissant maintenant déjà des informations sous forme numérique). La deuxième voie 483 comprend un circuit d'évaluation de coefficients qui est une mémoire morte 484 de type PROM déli- vrant d'une part un coefficient a envoyé sur la deuxième entrée du multiplicateur 475 et d'autre part le coefficient complémentaire b = 1-a envoyé en tant que deuxième entrée vers un multiplicateur à commande numérique 485, la première entrée de ce multiplicateur 485 étant constituée par la sortie de l'additionneur 476 après traver- sée par celle-ci d'un circuit à retard 486. Si l'on appelle respectivement fc(tN_) et fc(tN) les valeurs de la fréquence instantanée aux instants d'échantillon- nage tN_1 et tN après pondération de celle-ci par l'énergie et -8- f(tN_1) et f(tN) ces valeurs avant pondération, l'expression de f (tNN est, selon le schéma adopté sur la figure 3, donnée par: fc(tN) = a f (tN) + b fc(tN_1) (2) Les essais réalisés par la demanderesse ont montré qu'une pondéra- tion efficace était obtenue pour un coefficient. a égal à e/e+1 (o e(t) représente l'énergie instantanée). L'expression (2) peut aussi être mise sous la forme équivalente: fc(tN) = a f(tN) + (1-a) f(tN_) f(t)c c _-1) ou encore fc(tN) = fc(tN_ + a (f(tN) fc (tN1)) (3) A cette expression (3) correspond un troisième mode de réalisation de l'appareil selon l'invention dans lequel seul l'étage de démo- dulation et de filtrage diffère par rapport aux réalisations déjà décrites. Seul est donc représenté, sur la figure 4, cet étage mo- difié, référencé 570. Cet étage 570 de démodulation et de filtrage comprend un convertisseur analogique-numérique 571 dont les sorties sont re- liées conmme précédemment aux entrées d'un circuit numérique 572 de calcul de la fréquence instantanée et de l'énergie instantanée (aux instants successifs d'échantillonnage). Les valeurs de fréquence et d'énergie calculées dans ce circuit sont disponibles sur deux voies 573 et 583 en parallèle, dont la première comprend successivement un soustracteur 574, un multiplicateur 575, un additionneur 576 et un circuit à retard 577, et dont la seconde contient une mémoire morte 584 de type PROM. Le soustracteur 574 reçoit d'une part la sortie en fréquence du circuit de calcul 572 et d'autre part la sortie, retardée dans le circuit 577, de l'additionneur 576 et À délivre le signal f(tN) - fc (tN1) qui est envoyé vers la première entrée du multiplicateur 575, dont la deuxième entrée reçoit le coefficient a fourni par la mémoire 584 en fonction de la valeur de l'énergie à l'entrée de cette mémoire. La sortie a |f(tN) - fc(tNl 1) du multiplicateur 575 est envoyée vers l'additionneur 576, qui reçoit également en entrée sa propre -9- sortie retardée dans le circuit 577 et délivre le signal f (tN) égal à fc(tN) + a Lf(tN) f(tNl-) Ce signal fc (tN) est retardé dans le circuit 577 et constitue alors d'une part le signal qui est renvoyé vers l'additionneur 576 et vers le soustracteur 57411 et d'autre part le signal de sortie de l'étage 570, envoyé vers l'entrée de l'étage 580 de correction de diffraction; cet étage 580 est identique à l'étage 480, lui-même semnblable à l'étage 80, mise à part l'absence du convertisseur analogique-numérique d'entrée 81. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentes, à partir desquels des variantes peuvent encore être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, on a bien vu, à la luiere des exemples précédents, que l'invention consistait, dans ses grandes lignes, à moduler le filtrage de l'information en fré- quence par l'information en énergie. Dans une de ses formes les plus snimples, la réalisation de l'invention peut donc aussi être assurée par un circuit RC en série avec la voie fréquence instan- tanée, la voie énergie instantanée étant reliée à la borne de ré- glage de la résistance R réglable et la sortie du circuit étant prise aux bornes du condensateur C. -10- REVENDICATIONS: 1. Appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore comprenant au moins un transducteur ultrasonore (10) associé à un étage (20) d'émission de signaux électriques convertis par le transducteur en ondes acoustiques et à un étage (30) de réception et de traitement des échos ultrasonores apparaissant à la suite de la réflexion de ces ondes sur les obstacles rencontrés dans leur direction de propagation, cet étage de réception et de traitement comprenant lui-mkme essentiellement un amplificateur, un circuit de correction de gain en fonction du temps et un circuit d'exploitation des résultats de l'examen échographique, caractérisé en ce que l'étage de réception et de traitement comprend également, en sortie de l'ensemble constitué par l'amplificateur et le circuit de correction de gain, des moyens de détermination de la fréquence instantanée et de l'énergie instantanée de ce signal échographique, des moyens de pondération de la fréquence instantanée par l'énergie instantanée, et des moyens de correction de diffraction. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que: (A) les moyens de détermination de fréquence instantanée et d'énergie instantanée comprennent, dans une première et une deuxième voie en parallèle (110) et (210), respectivement un circuit (120) de détermination de fréquence instantanée et un cir- cuit (220) de détermination d'énergie instantanée; (B) les moyens de pondération de la fréquence instan- tanée par l'énergie instantanée comprennent, en série dans ladite premiere voie (110), un multiplicateur (130), dont la premiere en- trée est reliée à la sortie du circuit (120) de détermination de fréquence instantanée, et un premier filtre passe-bas (140) dont la sortie est reliée à la première entrée d'un diviseur (90) et, dans ladite deuxième voie (210), un deuxième filtre passe-bas (240) identique au premier et dont l'entrée est reliée d'une part à la sortie du circuit (220) de détermination d'énergie instantanée et d'autre part à la deuxième entrée du multiplicateur (130) et dont la sortie est reliée à la deuxième entrée du diviseur (90); -11- (C) les moyens de correction de diffraction comprennent un convertisseur analogique-numérique (81) à m sorties numériques, un compteur (83) à n sorties numériques commandé par un circuit d'horloge (84), une mémoire numérique (82) de stockage de m x n valeurs de correction, et, en sortie de cette mémoire, un conver- tisseur numerique-analogique (85) dont la sortie délivre les si- gnaux corrigés des effets de diffraction et destines au circuit d'exploitation des résultats de l'examen échographique. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de correction de diffraction conprennent également un circuit d'addition algébrique inséré entre la mémoire (82) et le convertisseur numériqueanalogique (85) et relié également à la sortie du convertisseur analogique-numérique (81) pour ajouter à la valeur de fréquence à corriger présente sur cette sortie la valeur de correction stockée en mémoire sous forme d'écart algébrique 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les imoyens de correction de diffraction comprennent également un circuit de multiplication inséré entre la mémoire (82) et le convertisseur numérique-algébrique (85) et relié également à la sortie du convertisseur analogique-numérique (81) pour multiplier la valeur de fréquence à corriger présente sur cette sortie par la valeur de correction stockée en mémoire sous forme de coefficient. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'il comprend, en sortie du circuit de compensation de gain, un convertisseur analogique-nunérique (471), un circuit numérique (472) de calcul de la fréquence instantanée et de l'énergie instantanée dont les sorties sont disponibles sur deux voies (473) et (>!83) en parallèle comprenant la premiere successivement un premier multiplicateur à commande numéerique (475) et un additionneur (476) et la deuxième une memoire (484) délivrant un coefficient numlérique a envoyé vers le praemier multiplicateur (475) et le coefficient complémentaire b = i-a envoyé en tant que deuxibme entrée vers un deuxième multiplicateur à commande numérique (485) dont la première entrée reçoit la sortie de l'additionneur (476) par l'intermédiaire d'un circuit a retard 486), cette sortie de l'additionneur (476) étant également envoyée vers l'entrée des moyens de correction de diffraction. -12- 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en sortie du circuit de comparaison de gain, un convertisseur analogique-numérique (571), un circuit numérique (572) de calcul de la fréquernce instantanée et de l'énergie instantanée dont les sorties sont disponibles sur deux voies (573) et (583) en parallèle comprenant la première successivement un soustracteur (574), un multiplicateur (575), un additionneur (576) et un circuit à retard (577) dont la sortie est renvoyée en tant que deuxième entrée vers le soustracteur et vers l'additionneur, et la seconde une mémoire (584) délivrant un coefficient numérique a envoyé vers la deuxième entrée du multiplicateur, la sortie du circuit à retard (577) étant également envoyée vers l'entrée des moyens de correction de diffraction.