Brevet FR2570838A1 — publié le 19860328

_-1 _ APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE AVEC FOCALISA- TION ANGULAIRE La présente invention concerne un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore avec focalisation angulaire variable, destiné notamment à être utilisé dans le domaine médical pour l'examen de tissus biologiques. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique déposé le 24 mai 1954 et délivré le 24 février 1959 sous le n0 2875355 au nom de la société cessionnaire Gulton Industries décrit, comme il apparaît notamment de la colonne 1, ligne 64, à la colonne 4, ligne 13, un transducteur ultra- sonore focalisant qui, pour permettre ladite focalisation, est composé de zones adjacentes polarisées de façon opposée. Les dimensions des zones sont choisies de façon que la succession des polarisations de signe opposé permette effectivement, selon le principe des réseaux zonés de Fresnel, un décalage moyen d'une demi-longueur d'onde entre les tra- jets ultrasonores à partir de deux zones successives, la focalisation ainsi obtenue étant de type sphérique (voir les figures 2 à 5 du brevet cité) ou cylindrique (voir la figure 15 de ce même document). La loi de phase correspondant à ce mode de polarisation est représentée sur la figure 1 de la présente demande. Cependant, comme on vient de le dire, l'instauration d'une telle loi de phase ne permet qu'une focalisation relativement approximative puisque le décalage d'une demilongueur d'onde n'est en réalité nécessaire qu'entre les positions centrales de deux zones successives de polarité opposée, les décalages entre les points situés entre ces positions centrales devant être infé- rieurs et varier de façon continue entre la valeur zéro et une demi-lon- gueur d'onde. Or, puisque toute une zone présente la même polarisation de signe donné et toute la zone adjacente la même polarisation de signe contraire, cette condition de progressivité des décalages n'est pas vérifiée. Cet inconvénient se manifeste de façon encore plus marquée lorsqu'on veut opérer une focalisation oblique. En effet, il est géomé- triquement évident que, plus l'obliquité du faisceau de focalisation est 2- prononcée par rapport à la normale au plan du ou des transducteurs uti- lisés, plus les conditions réelles de focalisation s'écartent de la focalisation optimale obtenue lorsque la condition de progressivité est vérifiée. Le but de l'invention est de proposer un appareil d'examen de milieux remédiant à cet inconvénient. L'invention concerne à cet effet un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant un réseau focalisant de n transducteurs ultrasonores associé à un étage d'émission pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers la région à explorer et à un étage de réception pour le traitement des échos reçus en retour, caractérisé en ce que: (A) les transducteurs ultrasonores sont réalisés en un matériau électrostrictif à polarisation non rémanente; (B) ladite polarisation est réalisée par l'intermédiaire d'un étage de polarisation composé des circuits suivants: (1) une source de p tensions continues de polarisa- tion; (2) un circuit de démultiplexage et d'aiguillage, composé de n démultiplexeurs recevant chacun d'une part les p tensions continues de polarisation et d'autre part une combinaison de m bits sélectionnant l'une desdites tensions, et fournissant ladite tension sélectionnée, par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation en série, au transducteur ultrasonore associé respectivement à ce démul- tiplexeur; (3) un circuit de détermination de loi de phase, composé d'un compteur, dont le nombre d'états correspond au moins au nombre de directions différentes dans lesquelles on veut opérer un exa- men avec focalisation des ondes ultrasonores, et d'une mémoire, destinée à fournir aux n démultiplexeurs, en réponse à un état quelconque du compteur, n combinaisons numériques respectives correspondant audit état et indiquant à chaque démultiplexeur celle des tensions continues qu'il doit sélectionner pour la polarisation du transducteur qui lui est associé; (4) un séquenceur comprenant essentiellement un cir- cuit d'horloge destiné à fixer la durée des périodes d'émission et de réception et le rythme de changement d'état du compteur. 257C838 -3- Dans l'appareil ainsi proposé, l'utilisation de transducteurs en matériau électrostrictif et la polarisation de ceux-ci à l'aide d'un étage de polarisation de structure originale permettent de réaliser une focalisation oblique très précise. En effet, la loi de phase théorique à laquelle correspondrait l'obtention exacte de réseaux zones de Fresnel, c'est-à-dire une focalisation parfaite avec l'exacte progressivité nécessaire des décalages entre transducteurs successifs, est représentée sur la figure 2. L'utilisation de l'étage de polarisa- tion selon l'invention permet alors d'imposer à chaque transducteur du réseau la sensibilité instantanée exacte qui convient pour reconstituer cette courbe de la figure 2, ou, plus exactement9 d'imposer à chaque transducteur une sensibilité d'autant plus voisine de celle qui est théoriquement nécessaire pour cette reconstitution que le nombre p de tensions continues de polarisations, positives ou négatives, fournies l par la source de tensions continues est plus élevé. Les particularités et avantages de l'invention apparaî- tront maintenant de façon plus détaillée dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont des courbes P = f(D) o P re- présente la phase et D la distance considérée à partir de la partie cen- trale du réseau de transducteurs, montrant respectivement une loi de phase simplifiée qui permet une obtention approximative de réseaux zones de Fresnel à l'aide d'un réseau de transducteurs à deux états de polarisa- tion, et la loi de phase théorique qui en permet l'obtention exacte; - la figure 3 montre un exemple de réalisation de l'appareil selon l'invention, - les figures 4a à 4d sont des diagrammes temporels montrant respectivement l'allure du signal périodique (tension électrique) définissant la cadence des cyclesd'émission-réception, l'allure du signal périodique retardé réellement fourni au générateur d'excitation électri- que des transducteurs, l'allure du signal périodique fixant la durée de l'émission dans le cycle d'émission-réception, et l'allure de la tension électrique aux bornes de l'un des transducteurs ultrasonores dans le cas d'un changement de polarité et donc de phase à l'instant dit t3 257C838 -4- - la figure 5 montre l'allure de la loi de phase qui peut être obtenue si l'on dispose de cinq tensions continues de polarisation possibles; - la figure 6 montre un exemple de démultiplexeur dans ce cas d'une loi de phase à cinq états de polarisation possibles. L'appareil selon l'invention comprend, en référence à la figure 3, d'une part un réseau de n transducteurs ultrasonores, par exemple 32 ou 64, disposés sous la forme d'une barrette linéaire d'élé- ments transducteurs parallélépipédiques et réalisés en un matériau élec- trostrictif à polarisation (ferroélectrique) non rémanente (c'est-à-dire un matériau dont la sensibilité de transduction est directement liée à la valeur de tension de polarisation qui lui est appliquée et s'annule en même temps que celle-ci), par exemple des céramiques dopées de niobate de plomb et de magnésium telles que celles décrites dans l'article de S.J. Jang et al., IEEE Ferroelectrics Symposium, vol.27, 1980, pp. 31-34. L'appareil comprend également un étage d'émission 100, composé d'un générateur d'excitation électrique 101 et d'une diode 102 en série avec celui-ci pour placer ledit étage d'émission sous haute im- pédance par rapport aux éléments transducteurs, n condensateurs 200a à 200n en parallèle interposés entre la sortie de l'étage d'émission et chacun des n transducteurs, et un étage de réception 300, composé d'un sommateur 301 recevant les n signaux de réception délivrés par les n transducteurs et d'un circuit classique de traitement CPC de signal écho- graphique comprenant ici par exemple un amplificateur, un circuit de con- trôle automatique de gain, et un dispositif de mémorisation et/ou de visualisation. Des commutateurs 400a à 400n placés entre la sortie de l'étage d'émission 100, les condensateurs 200a à 200n et les n entrées du sommateur 301 de l'étage de réception, permettent la séparation des étages d'émission et de réception, ces commutateurs basculant au rythme du signal périodique de la figure 4c décrite ci-après, et évitent no- tamment l'aveuglement de l'étage de réception par l'étage d'émission. L'appareil comprend enfin, selon l'invention, un étage de polarisation composé d'une source de tensions de polarisation 501, d'un circuit de démultiplexage et d'aiguillage 502, d'un circuit de détermi- nation de la loi de phase 503, et d'un séquenceur 520. La source 501 de tensions de polarisation est capable de délivrer p tensions continues de 5- polarisation distinctes, positives ou négatives, correspondant aux p états possibles de polarisation que l'on veut imposer aux n transducteurs électrostrictifs. Dans la description qui suit, par souci de simplifica- tion des figures, on supposera qu'il y a seulement deux états possibles de polarisation, correspondant par exemple à deux tensions de polarisa- tion de +500 volts et de -500 volts, mais l'invention-s'applique de fa- çon identique lorsqu'on impose aux n transducteurs une loi de phase à p états, pour permettre une focalisation plus précise comme on l'a vu plus haut. Le circuit de démultiplexage et d'aiguillage 502 comprend n démultiplexeurs 502a à 502n, qui reçoivent chacun d'une part les p tensions de polarisation possibles (dans l'exemple décrit, p = 2, et les démultiplexeurs se réduisent alors à de simples commutateurs) fournies par la source 501 et d'autre part une combinaison de m bits fixant pour le transducteur électrostrictif concerné celle des p tensions continues de polarisation qu'il va recevoir et fixant aussi par conséquent la sen- sibilité de ce transducteur. Si p = 2, il suffit que m = 1 pour exprimer deux états possibles; si p = 3 ou p = 4, m = 2 permet d'exprimer les trois, ou quatre, états correspondants, et ainsi de suite. Le circuit de démultiplexage et d'aiguillage 502 prévoit en sortie des n démultiplexeurs 502a à 502 n un nombre égal de résistances 512a à 512n à l'entrée des n branches menant aux n transducteurs (dans l'exemple décrit, la valeur de ces n résistances de polarisation a été choisie égale à 1000 ohms environ). Le circuit 503 de détermination de la loi de phase permet de fixer l'obliquité du faisceau de focalisation et la combinaison de m bits sélectionnant la tension de polarisation imposée distinctement à chacunde ces transducteurs. Cette combinaison numérique associée à la loi de phase correspondant à l'obliquité recherchée est délivrée par une mémoire 521, par exemple de type ROM ou PROM, préalablement chargée avec les valeurs correspondant à la meilleure expression possible de ladite loi de phase, compte tenu du nombre de tensions de polarisation distinctes fournies par la source 501. Cette mémoire est reliée à un compteur 522 dont le nombre d'états est le nombre d'obliquités différentes voulu, par exemple 128, et dont l'entrée est à son tour commandée par un circuit d'horloge 523, délivrant le signal représenté sur la fiqure 4a: la période d1 du signal périodique ainsi délivré correspond à la -6- durée d'un cycle d'émission-réception ultrasonore pour une obliquité déterminée. Ce circuit d'horloge 523 fait partie du séquenceur 520 et commande non seulement le compteur 522 mais aussi, dans le séquenceur, des circuits à retard 601 et 602. Le circuit à retard 601, placé entre le circuit d'horloge 523 et le générateur d'excitation électrique 101, apporte au signal de la figure 4a un retard T1 (voir sur la figure 4b le nouveau signal ainsi engendré) qui correspond au temps de récupération nécessaire pour déclencher l'émission d'ondes ultrasonores lorsque la polarisation des transducteurs est effective. Le circuit à retard 602 fixe la durée d2 de fonctionnement en mode émetteur. L'impulsion de durée correspondante, représentée sur la figure 4c, et de période de répétition égale à celle des impulsions de durée d1 de la figure 4a (par exemple 1 milliseconde dans l'exemple considéré) est délivrée par une bascule bistable 603 dont les entrées sont l'une reliée directement à la sortie du circuit d'horloge 523, par exemple pour la venue au niveau supérieur de l'impulsion, et l'autre reliée à cette même sortie mais par l'inter- médiaire du circuit à retard 602 pour le basculement inverse (le retour au niveau inférieur de l'impulsion dans l'exemple considéré). C'est ce signal périodique de la figure 4c qui est envoyé vers les commutateurs 400a à 400n insérés entre les étages d'émission et de réception 100 et 300, afin d'assurer la commande automatique du fonctionnement de l'appa- reil d'examen en mode d'émission ou en mode de réception. La figure 4d montre l'allure de la tension électrique aux bornes d'un transducteur, dans le cas d'une loi de phase à deux états concrétisée par l'existence de deux tensions de polarisation possibles. On a mis en évidence sur cette figure 4d le temps de retard T1, corres- pondant au temps de récupération nécessaire avant le déclenchement effec- tif de l'émission d'ondes ultrasonores, la durée d1 d'un cycle d'émission- réception, et la durée d2 du fonctionnement en mode émetteur, et on a fait apparaître sur le signal électrique d'excitation des échos en pro- venance de la structure examinée. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté à partir duquel des varian- tes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. -7- En particulier, on a vu que l'invention, décrite par souci de -simplifi- cation pour une loi de phase à deux états, était applicable dans le cas tout à fait général d'une loi à p états, et cette application va être succintement présentée ci-dessous. La loi de phase théorique à laquelle correspondrait une foca- lisation parfaite a été représentée sur la figure 2 et sa traduction analytique est donnée par l'expression y: cos ax2 o a = r/(X.f) (A étant la longueur d'onde associée à la fréquence des ondes ultraso- nores engendrées, c'est-à-dire à la fréquence de travail des transduc- teurs, et f étant la distance focale). Une loi de phase à p états consti- tue une approximation d'autant meilleure de cette loi théorique que p est plus élevé, et permet donc de réduire d'autant mieux l'effet des foyers harmoniques. Si l'on choisit par exemple p = 5, la courbe de la figure 1 devient une courbe du type de celle de la figure 5. Les circuits de l'étage de réception sont alors naturellement un peu plus complexes que dans l'exemple précédemment décrit. D'une part, la source de tensions de polarisation doit maintenant délivrer quatre tensions continues V, V/2, V/2, -V, la tension nulle à laquelle correspond le cinquième état de polarisation étant obtenue par simple mise à la masse. D'autre part le mot mémoire correspondant à un état quelconque de polarisation et trans- mis de la mémoire 521 à l'un quelconque 502i des démultiplexeurs est plus long, ce qui implique une capacité mémoire plus importante. On pourra pour cinq états choisir par exemple des mots de 3 bits: 000 pour V, 001 pour V/2, 010 pour 0 volt, 011 pour -V/2, 100 pour -V, les n mots adressés respectivement à chacun des n démultiplexeurs 502a à 502 n du circuit de démultiplexage et d'aiguillage 502 étant choisis parmi ces cinq expressions,et le triplet binaire ABC constituant ces mots étant adressé à chaque démultiplexeur selon le schéma de la figure 6. On notera aussi le fait suivant, à savoir que, plus l'obli- quité du faisceau de focalisation est prononcée, plus les ondes ultra- sonores émises par deux transducteurs distincts du réseau arrivent décalées dans le temps l'une par rapport à-l'autre en un point de foca- lisation quelconque situé sur le trajet du faisceau. Il en résulte que, pendant toute demi-période d1 o la tension observée sur la figure 4d correspond à un-même état déterminé de polarisation, le signal d'excita- tion monochromatique (ou quasi-monochromatique) émis doit l'être pen- dant une durée d3 suffisante pour que le signal émis par le tranducteur 257C838 le plus proche du point de focalisation et donc arrivé le premier en ce point soit encore présent en ce même point lorsqu'arrive à son tour le signal émis par le transducteur le plus éloigné. L'existence de la focalisation est à cette condition. 257C838 -9- REVENDICATION: 1. Appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant un réseau focalisant de n transducteurs ultrasonores associé à un étage d'émission (100) pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers la région à explorer et à un étage de réception (300) pour le trai- tement des échos reçus en retour, caractérisé en ce que: (A) les transducteurs ultrasonores (a, b, c,...,i,..., n-l, n) sont réalisés en un matériau électrostrictif à polarisation non rémanente; (B) ladite polarisation est réalisée par l'intermédiaire d'un étage de polarisation composé des circuits suivants: (1) une source (501) de p tensions continues de polarisation; (2) un circuit de démultiplexage et d'aiguillage (502), composé de n démultiplexeurs (502a) à (502n) recevant chacun d'une part les p tensions continues de polarisation et d'autre part une combinaison de m bits sélectionnant l'une desdites tensions, et fournissant ladite tension sélectionnée, par l'intermédiaire d'une ré- sistance de polarisation en série (512a) à (512n), au transducteur ultra- sonore associé respectivement à ce démultiplexeur; (3) un circuit de détermination de loi de phase (503), composé d'un compteur (522), dont le nombre d'états correspond au moins au nombre de directions différentes dans lesquelles on veut opérer un examen avec focalisation des ondes ultrasonores, et d'une mémoire (521), destinée à fournir aux n démultiplexeurs, en réponse à un état quelconque du compteur, n combinaisons numériques respectives correspondant audit état et indiquant à chaque démultiplexeur celle des tensions continues qu'il doit sélectionner pour la polarisation du transducteur qui lui est associé; (4) un%équenceur (520), comprenant essentielle- ment un circuit d'horloge (523) destiné à fixer la durée des périodes d'émission et de réception et le rythme de changement d'état du compteur.