Brevet FR2566130A1 — publié le 19851220

256613O -1- APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant au moins un transducteur l ultrasonore d'émission et au moins un transducteur ultrasonore de récep- tion auxquels sont associés un étage d'émission pour l'émission répétée drondesultrasonores vers la région à explorer, un étage de réception constitué d'une voie de traitement des échos renvoyés vers le transduc- teur de réception par les obstacles rencontrés dans ladite région, et un étage de mémorisation et/ou de visualisation des informations délivrées par l'étage de réception. Cette invention trouve une application importante dans le domaine médical, pour l'examen de tissus biologiques et l'aide au diag- nostic qui peut en résulter, ainsi qu'éventuellement dans le domaine du contrôle non destructif de matériaux. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4395909 délivré le 2 août 1983 au nom de la société cessionnaire Imaging Associates décrit un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore qui comprend, comme indiqué sur la figure jointe audit brevet, des transducteurs d'émission ll et 14, des transducteurs de réception 12, un étage d'émis- sion composé d'un circuit 17 d'excitation des transducteurs d'émission et d'un circuit d'horloge 18, un étage de réception sous la forme d'une voie de traitement composée d'un convertisseur analogique-numérique 22, d'une mémoire 21, d'un circuit de traitement 23 et d'un circuit de commande 24, et un étage 25 de visualisation des informations délivrées par l'étage de réception. Dans cet appareil, les informations reçues par les transduc- teurs 12 traduisent à la fois des variations de vitesse ultrasonore, de densité, d'atténuation, et l'appareil est destiné à permettre, à partir d'une référence située dans le champ d'exploration ultrasonore et en exploitant lesdites informations reçues, l'obtention d'images syn- thétiques de bonne qualité. 2566130O -2- Le but de l'invention est de proposer un nouvel appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, utilisant exclusivement des informations représentatives du temps de vol des ondes ultrasonores pour assurer une analyse précise des milieux explorés grâce à l'obten- tion d'images donnant des indications sur la vitesse des ondes ultraso- nores dans ces milieux. L'invention concerne à cet effet un appareil tel que défini dans le préambule et caractérisé en ce que le transducteur d'émission est également récepteur et en ce que l'étage de réception comprend aussi une voie de traitement des signaux de sortie dudit transducteur d'émission- réception ainsi constitué et un soustracteur dont la sortie est reliée à une première entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation et dont les deux entrées reçoivent les signaux de sorties desdites voies représentatifs des temps de vol respectivement réel et théorique entre les transducteurs. La structure ainsi proposée consiste en un nouveau dispositif d'imagerie qui permet le stockage et/ou la visualisation (en mode de représentation de type A ou B) des variations de temps de vol des ondes ultrasonores, et donc des variations de vitesse ultrasonore dans les milieux explorés, qui constituent des informations très précieuses pour renseigner sur la nature de ces milieux. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples nonlimitatifs et dans lesquels: - les figures 1 et 2 montrent respectivement un premier exem- ple de réalisation, à un.seul transducteur de réception, de l'appareil selon l'invention et une variante de réalisation d'une partie de l'appa- reil de la figure 1 - la figure 3 montre un autre exemple de réalisation, à n transducteurs de réception, de l'appareil selon l'invention. En référence à la figure 1, l'appareil comprend, dans un premier mode de réalisation, un transducteur u]trasonore d'émission 10 et un transducteur ultrasonore de réception 20 dont les positions mutuelles sont parfaitement définies et connues. Au transducteur d'émission 10 est associé un étage d'émission 30 pour l'émission répétée d'ondes ultraso- nores vers la région à examiner. Au transducteur de réception.20 est -3associé un étage de réception 40 constitué d'une voie de traitement des échos renvoyés vers le transducteur de réception par les obstacles rencontrés dans ladite région, les informations délivrées par cette voie de traitement étant destinées à être envoyées vers un étage 60 de mémori- sation et/ou de visualisation. Conformément à l'invention, le transducteur d'émission 10 est également récepteur (et sera appelé transducteur d'émission-réception 10 dans la suite de la description) et l'étage de réception 40 précédé d'un circuit d'interface 35 pour éviter son aveuglement par l'étage d'émission 30 comprend donc aussi une vOie 200 de traitement des signaux de sortie de ce transducteur. La première voie de traitement 100 comprend en série un premier convertisseur analogique-numérique 110, une première mémoire et un premier circuit de traitement 130, tandis que la voie 200 de traitement des signaux de sortie du transducteur d'émission-réception 10 comprend en série un circuit de conversion analogique-numérique 210, un circuit de mémorisation 220, un circuit de sélection de distance 230 définissant la profondeur d'étude et un circuit de calcul de temps de vol 240. La cadence de conversion du convertisseur 110 et du circuit 210 correspond, dans l'exemple ici décrit, à une fréquence de 20 MHz. Les sorties du circuit de mémorisation 220 et du circuit de sélection de dis- tance 230 sont envoyées vers le premier circuit de traitement 130. En sortie des voies 100 et 200, il est prévu un soustracteur 500 dont la sortie est reliée à une entrée 560 de l'étage 60 de mémorisation et/ou de visualisation et dont les deux entrées reçoivent les signaux de sortie desdites voies 100 et 200, représentatifs des temps de vol respectivement réel et théorique entre les deux transducteurs. Le fonctionnement de la structure ainsi décrite est le sui- vant. A partir des signaux stockés en mémoire 220 après conversion dans le circuit 210, le circuit de sélection de distance 230 sélectionne dans le cas présent une cible ponctuelle -en fait le temps de vol correspon- dant entre cette cible et le transducteur d'émission-réception 10- sur l'axe de propagation des ondes ultrasonores. Le circuit de calcul 240 calcule alors la profondeur moyenne correspondante, dansl'hypothèse d'une vitesse ultrasonore constante, et en déduit dans cette même hypothèse le temps de vol théorique entre le transducteur d'émission-réception 10, la cible sélectionnée et le transducteur de réception 20. Dans la voie de traitement 100, le circuit de traitement 130 effectue des corrélations -4entre les signaux issus des mémoires 120 et 220 et opère la sélection de ceux des échos reçus par le transducteur 20 qui proviennent de la cibleponctuelle sélectionnée par le circuit 230 dans la voie 200. Cette sélection est permise par l'existence de la connexion entre la sortie du circuit 230 et l'entrée du circuit 130. Le circuit de traitement 130 délivre alors le temps de vol réel entre le transducteur d'émission- réception 10, la cible sélectionnée et le transducteur de réception 20. Le soustracteur 500 délivre ensuite, à partir des signaux de sorties des voies 100 et 200, un signal représentatif de la différence entre ces temps de vol théorique et réel. Ce signal de différence de temps de vol, qui est un indicateur des variations transversales de la vitesse u]tra- sonore dans le milieu exploré, est envoyé vers l'entrée 560 de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation qui permet, selon les nécessités, le stockage des résultats de mesure pour la ligne ainsi analysée ou leur visualisation en mode A. Si]'appareil est équipé d'une commande de ba- layage, il est possible alors de réaliser une acquisition de résultats ligne par ligne puis la représentation de ces résultats en mode B sur un écran dont le balayage en X correspond par exemple à la profondeur d'exa- ment et le balayage en Y au déplacement de l'appareil perpendiculairement ou transversalement à la direction d'examen. A l'appareil qui vient d'être ainsi décrit dans sa structure et son fonctionnement, il est possible d'adjoindre en parallèle une voie de traitement traditionnel, soit placée à l'entrée du circuit de conver- sion analogique-numérique 210 et comprenant alors un détecteur d'enve- loppe analogique (éventuellement, un amplificateur précède ce détecteur) dont la sortie est reliée à une autre entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation 60, soit placée en sortie du circuit 210 et com- prenant alors un détecteur d'enveloppe numérique dont la sortie est reliée à ladite autre entrée de l'étage 60. Dans le mode de réalisation qui a été décrit jusqu'à présent, le résultat de mesure pour chaque cible ponctuelle sélectionnée est une différence de temps de vol. Une variante de réalisation consiste à mettre en place des moyens pour obtenir non pas une telle différence, mais sa dérivée. Plus précisément (voir la figure 2), ce deuxième mode de réalisation prévoit, en plus des circuits précédemment cités, un circuit de soustraction 510 recevant sur une première entrée de signe 2566 1 30 - 5- déterminé, par exemple ici positive, directement la sortie du soustrac- teur 500, avec lequel il est donc en série, et sur une deuxième entrée de signe contraire cette même sortie du soustracteur 500 mais après tra- versée d'une mémoire-tampon 520 retardant au moins d'un coup d'horloge cette sortie. Le signal de différence ainsi obtenu est la dérivée de la différence de temps de vol et est fourni à l'entrée 560 de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation 60. Un perfectionnement de cette structure, conduisant à un troisième mode de réalisation (qui est celui représenté sur la figure 2), consiste à prévoir, en plus des circuits 510 et 520, un interrupteur 521 commandé par un circuit de sélection de paramètre 522. La présence de ces deux éléments supplémentaires permet de mettre, ou non, hors circuit la mémoire-tampon 520 et donc d'opérer avec des différences de temps de vol, ou avec des dérivéesde telles diffé- rences si l'on veut favoriser l'observation d'éventuelles variations locales de la vitesse ultrasonore. En principe, les transducteurs d'émission-réception et de réception 10 et 20 sont similaires. Dans la réalité, il peut être inté- ressant d'avoir prévu un transducteur d'émission-réception 10 dont la fré- quence de résonance est supérieure à celle du transducteur de réception 20. En effet, comme les milieux explorés par les ondes ultrasonores ont un effet de filtre passe-bas, le fonctionnement du transducteur de réception devient ainsi optimal, si du moins l'écart entre lesdites fréquences de résonance est judicieusement choisi. I1 est avantageux, également, d'uti- liser un transducteur d'émission-réception 10 qui soit focalisant, car ce choix permet alors de sélectionner exactement les cibles ponctuelles se trouvant sur l'axe de propagation principal de celui-ci, pour éviter des erreurs de parallaxe. On peut aussi prévoir une focalisation synthétique à l'émission, ce qui est intéressant notamment en contrôle destructif de matériaux. Le transducteur de réception 20 est alors, à cet effet, égale- ment émetteur et relié à l'étage d'émission 30 par l'intermédiaire d'un circuit à retard destiné à appliquer à ce transducteur une loi de retard variable. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et représentés et à partir desquels d'autres variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. -6- L'invention peut, en particulier, être généralisée au cas o plusieurs transducteurs de réception sont répartis symétriquement autour du transducteur d'émission-réception 10. L'appareil d'examen comprend, dans ce quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 3, n transducteurs de réception identiques 20, 20b, 20c,..., 20i, n, n voies identiques 100, lOOb, lOOc,..., lOOi,..., lOCn de trai- tement des échos renvoyés vers ces transducteurs de réception par les obstacles rencontrés dans la région à explorer, et n soustracteurs iden- tiques 500, 500b, 500c,..., 500i,..., 500n. Les n premières entrées de ces n soustracteurs reçoivent le signal de sortie des n voies corres- pondantes 100 à 100n, leurs n deuxièmes entrées reçoivent le signal de sortie de n circuits de calcul de temps de vol 240, 240b, 240c,..., 240i,. , 240n placés en parallèle en sortie du circuit de sélection de..DTD: distance 230 de la voie de traitement 200, et un additionneur 600 effec- tue la somme des signaux de sortie de ces soustracteurs qui est ensuite envoyée sur l'entrée 560 de l'étage 60. Comme précédemment, il est possible et avantageux d'équi- per l'appareil de n circuits de soustraction 510 à 510n, de n mémoires- tampon 520 à 520n, de n interrupteurs 521 à 521n et de n circuits de sélection de paramètre 522 à 522n pour travailler au choix avec des différences de temps de vol ou avec des dérivées de telles différences. Dans l'un ou l'autre cas, le fait d'avoir prévu plusieurs transducteurs de réception (et les voies de traitement correspondantes) permet par moyennage de s'affranchir des perturbations éventuellement engendrées par l'anisotropie du milieu. Il est possible également de prévoir non pas un simple additionneur effectuant une somme de différences de temps de vol (ou de dérivées de différences de temps de vol) mais un opé- rateur faisant appel à un estimateur plus complexe, par exemple un opé- rateur évaluant la dérivée de la somme des différences de temps de vol. Une variante de réalisation consiste aussi à prévoir juste avant l'ad- ditionneur 600 un circuit de sélection de l'une ou de plusieurs des voies de traitement 100 à lOOn, afin de pouvoir, par des sélections successives, comparer par exemple des variations de vitesse selon des directions différentes. Enfin,'la focalisation synthétique à l'émission prévue dans le cas d'un seul transducteur de réception peut aussi être mise en oeuvre dans le cas o il est prévu n transducteurs de réception 20, b, 20c,..., 20n. Ces transducteurs sont alors également émetteurs,et les 2566 130 --7-- n transducteurs émetteurs-récepteurs ainsi constitués et le transdueteur d'émission-réception 10 sont reliés à l'étage d'émission 30 par l'inter- médiaire de (n+l) circuits à retard, destinés à permettre ladite focalisa- Lion synthétique pour une profondeur moyenne donnée sur l'axe du transduc- teur d'émission-réception 10. Des circuits d'interface (en nombre n--l) peuvent être prévus comme précédemment pour éviter l'aveuglement de l'étage de réception par l'étage d'émission. -8- REVENDICATIONS 1. Appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant au moins un transducteur ultrasonore d'émission et au moins un transducteur ultrasonore de réception auxquels sont associés un étage d'émission pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers la région à explorer, un étage de réception constitué d'une voie de traitement des échos renvoyés vers le transducteur de réception par les obstacles ren- contrés dans ladite région, et un étage de mémorisation et/ou de visua- lisation des informations délivrées par l'étage de réception, caractérisé en ce que le transducteur d'émission est également récepteur et en ce que l'étage de réception comprend aussi une voie de traitement des si- gnaux de sortie dudit transducteur d'émission-réception ainsi constitué et un soustracteur dont la sortie est reliée à une première entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation et dont les deux entrées reçoivent les signaux de sorties desdites voies représentatifs des temps de vol respectivement réel et théorique entre les transducteurs. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel la pre- mière voie de traitement comprend en série un premier convertisseur analogique-numérique, une première mémoire et un premier circuit de trai- tement, caractérisé en ce que la voie de traitement des signaux de sortie du transducteur d'émission-réception comprend en série un circuit de conversion analogique-numérique, un circuit de mémorisation, un cir- cuit de sélection de distance, et un circuit de calcul de temps de vol, les sorties du circuit de mémorisation et du circuit de sélection de distance étant envoyées vers le premier circuit de traitement. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend à l'entrée du circuit de conversion analogique-numérique une voie de traitement traditionnel comprenant elle-même au moins un détec- teur d'enveloppe analogique dont la sortie est reliée à une deuxième entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en sortie du circuit de conversion analogique-numérique une voie de traitement traditionnel comprenant elle-même au moins un détecteur d'enveloppe numérique dont la sortie est reliée à une deuxième entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation. 5. Appareil selon l'une des revendications 2 à 4, caractéri- sé en ce qu'il est équipé d'une commande de balayage permettant une 6 6 1 30 -9- acquisition de résultats ligne par ligne puis la représentation bidimensionnelle de ces résultats. 6. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en série avec le soustracteur un circuit de sous- traction recevant sur une première entrée de signe déterminé directement la sortie dudit premier soustracteur et, sur sa deuxième entrée de signe contraire, également ladite sortie du premier soustracteur mais par l'in- termédiaire d'une mémoire-tampon, la sortie de ce circuit de soustrac- tion étant reliée à la première entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en série avec la mémoire-tampon, un interrupteur commandé par un sélecteur de paramètre. 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la fréquence de résonance du transducteur d'émission-réception est supérieure à celle du transducteur de réception. 9. Appareil selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le transducteur d'émission-réception est focalisant. 10. Appareil selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le transducteur de réception est relié à l'étage d'émission par l'intermédiaire d'un circuit à retard destiné à appliquer à ce trans- ducteur une loi de retard variable pour effectuer une focalisation syn- thétique à l'émission. il. Appareil selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend n transducteurs de réception, en ce que l'étage de réception comprend n voies identiques de traitement des échos renvoyés vers les transducteurs de réception correspondants par les obstacles rencontrés dans la région à explorer, en ce que sont prévus n soustrac- teurs, dont les n premières entrées reçoivent le signal de sortie des n voies correspondantes de traitement, et dont les n deuxièmes entrées reçoivent le signal de sortie de n circuits de calcul de temps de vol pla- cés en parallèle en sortie du circuit de sélection de distance dans la voie de traitement des signaux de sortie du transducteur d'émission-récep- tion, et en ce que les n sorties desdits soustracteurs sont reliées aux n entrées correspondantes d'un additionneur dont la sortie est reliée à la première entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation. 66130 -10- 12. Appareil selon la re vendication 11, c aracté- risé en ce qu'il comprend juste avant l'additionneur un circuit de sé- lection de l'une des n voies de traitement, la sortie de ce circuit de sélection étant reliée à la première entrée de l'étage de mémorisation et/ou de visualisation. 13. Appareil selon l'une des revendications 11 et 12, carac- térisé en ce qu'il comprend en série avec chaque soustracteur un circuit de soustraction recevant sur sa première entrée de signe déterminé direc- tement la sortie dudit soustracteur correspondant et, sur sa deuxième entrée de signe contraire, également ladite sortie du soustracteur cor- respondant mais par l'intermédiaire d'une mémoire-tampon, les n sorties desdits circuits de soustraction étant reliées aux n entrées correspon- dantes de l'additionneur ou du circuit de sélection. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend, en série avec chaque mémoire-tampon, un interrupteur corres- pondant, l'ensemble de ces interrupteurs étant commandé par un sélecteur de paramètre. 15. Appareil selon l'une des revendications 2 à 14, caracté- risé en ce que le ou les transducteurs de réception sont également émetteurs et en ce que les transducteurs émetteurs-récepteurs ainsi constitués et le transducteur d'émission-réception sont reliés à l'étage d'émission par l'intermédiaire de (n+l) circuits à retard destinés à permettre une focalisation synthétique pour une profondeur moyennedonnée sur l'axe du transducteur d'émission-réception.