Brevet FR2564977A1 — publié le 19851129

La présente invention concerne le domaine de la mesure des vitesses d'écoulement d'un flux et, plus particulièrement, celui de la mesure du flux sanguin dans les artères, en vue d'étudier la propagation de l'onde de flux et rechercher, par ce moyen, toute anomalie significative d'une perturbation d'écoulement due à une modification locale de la section de passage utile d'un vaisseau. Pour mesurer la vitesse d'un flux, deux techniques à base de vélocimétrie à effet Doppler sont connues. La technique dite à émission ultrasonore continue permet de mesurer la valeur de la vitesse moyenne de l'ensemble des particules en mouvement dans le champ ultrasonore défini par un faisceau émis. Pour disposer d'une image correspondant à un segment de vaisseau, il importe donc de prévoir des moyens permettant de déplacer successivement le faisceau pour explorer des tranches successives d'un segment de vaisseau et relever ainsi, tranche par tranche, la valeur de la vitesse moyenne. Le déplacement du faisceau peut être assurée mécaniquement ou électroniquement. Quels que soient les moyens utilisés pour ce faire, on conçoit que l'information correspondant à chaque tranche doit être mémorisée pendant toute la durée de l'exploration du segment de vaisseau considéré, afin de pouvoir ensuite utiliser l'ensemble des informations collectées pour reproduire une image du segment de vaisseau exploré. Cette image peut s'analyser alors comme étant une rétroprojection du plan du segment de vaisseau. On comprend qu'une telle technique ne permet pas d'obtenir une image en temps réel du flux sanguin et ne peut donc être pratiquement mise en oeuvre pour étudier l'onde de flux sanguin alors que cette onde connaît des variations notables au sein même d'un cycle cardiaque. La seconde technique, dite de vélocimétrie à effet Doppler par émission codée, pulsée ou pseudo-aléatoire, permet de relever au sein d'un faisceau ultrasonore les valeurs de vitesse en un certain nombre de points du faisceau. Pour obtenirune image d'un segment de vaisseau, il est nécessaire, comme précédemment, de déplacer le faisceau pour explorer le segment par tranches successives et disposer ainsi d'une matrice de points mémorisés pour former l'image. Ce déplacement peut être produit mécaniquement ou électroniquement, comme dans la technique précédente et comporte les mêmes inconvénients. Il doit être noté que, si la prem#ière technique permet d'obtenir une image pouvant être assimilée à une rétro-projection du segment de vaisseau exploré, la seconde fournit une image en coupe selon un plan formé par les différentes lignes d'exploration successives. Compte tenu du trajet non rectiligne suivi par les vaisseaux, on comprend que la seconde technique ne permet pas de disposer d'une image d'un segment de vaisseau de longueur suffisante. la demande de brevet française n0 81-10 833 concerne une technique de mesure en temps réel pour la visualisation des vitesses d'écoulement d'un flux en faisant intervenir n émissions pseudo-aléatoires, codées, indépendantes les unes des autres, qui sont appliquées simultanément à plusieurs groupes de transducteurs, de façon à émettre autant de faisceaux ultrasonores qu'il y a de groupes. Dans cette technique, les différents faisceaux ultrasonores sont sensiblement parallèles et permettent ainsi d'explorer simultanément plusieurs tranches parallèles d'un segment de vaisseau en disposant dans chaque tranche de la mesure de vitesse du flux en un certain nombre de points. On pourrait considérer que cette technique répond au problème posé, mais elle présente le meme inconvénient que ci-dessus concernant l'obtention d'une image en coupe au lieu d'une rétroprojection en plan. L'objet de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une nouvelle technique de mesure permettant, dans l'application à la mesure de la vitesse du sang dans les vaisseaux et, principalement, des artères, d'obtenir en temps réel une image rétroprojetée de l'évolution de l'onde de flux. Un autre objet de l'invention est de proposer une nouvelle technique de mesure qui puisse être mise en oeuvre simplement, pratiquement et rapidement, au moyen d'un appareil pouvant être produit à un prix de revient intéressant Pour atteindre les buts ci-dessus, l'objet de l'invention est caractérisé en ce que le procédé de mesure consiste à - utiliser un émetteur composé de n transducteurs à large bande passante, électriquement séparés, - générer un nombre m de tensions sinusoidales continues de fréquences différentes, - appliquer, simultanément, à chacun des n trans- ducteurs émetteurs l'une des m tensions sinu- soldates, afin de produire m faisceaux ultra sonores de fréquences différentes, - recueillir l'ensemble des signaux-échos refle- chis par la cible visée sur un récepteur compose de n transducteurs couplés aux transducteurs émetteurs et associés chacun à au moins une voie de traitement du si#nal-écho, - filtrer sur chaque voie le signal-écho reçu par un filtre passe-bas ne laissant passer que le domaine spectral de réception associé à la fréquence d'émission du transducteur émetteur couplé au transducteur récepteur considéré, - conformer le signal isolé recueilli et le di riger vers un fréquencemètre, - et alimenter un appareil de visualisation par un echantillonneur scrutant successivement les sorties des n fréquencemètres correspondant aux n transducteurs récepteurs. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est un schéma synoptique de l'appareil cDnforme à l'invention. Les fig. 2 et 3 sont des schémas représentant une caractéristique de l'objet de l'invention. La fig. 4 est un schéma synoptique illustrant une disposition élémentaire de l'appareil selon la fig. 1. Les fig. 5 et 6 sont des schémas mettant en évidence une caractéristique de ltun des éléments de 11 invention en relation avec les fig. 2 et 3. Les fig. 7 à 10 sont des vues schématiques illustrant des images de mesure de vitesses au moyen de 11 invention. Selon l'invention, le procédé et le dispositif proposent, pour mesurer en temps réel et obtenir une image des vitesses d'écoulement d'un flux, notamment sanguin à 11 intérieur d'un vaisseau 1, de mettre en oeuvre un émetteur 2 composé de n transducteurs- émetteurs 3 à large bande passante. Ces différents transducteurs 3 sont connectés chacun à un générateur 4 fournissant une tension sinusoidale continue de fréquence propre. A titre d'exemple, la fig. 1 montre un émetteur composé de huit transducteurs émetteurs 31 à 33 qui sont ainsi alimantés par huit générateurs oscillateurs 41 à 48. Les tensions fournies par les générateurs 4 à 48 sont appliquées simultanément aux transducteurs émetteurs correspondant 31 à 333 afin que ces derniers produisent autant de faisceaux ultrasonores Si à 5B paralleles venant se réfléchir sur les hématies du sang contenu dans le segment de vaisseau 1 devant être exploré l'émetteur 2 est complété par un récepteur 6 composé d'autant de transducteurs récepteurs 71 à 78 qu'il y a de transducteurs émetteurs 31 à 38 auxquels ils sont respectivement couplés, de façon à recueillir chacun le signal-écho du faisceau incident correspondant. Il doit être considéré que, dans certains cas de réalisation, les fonctions émission et réception peuvent aussi être assurées par un transducteur unique pour chaque faisceau. Selon une caractéristique de l'invention, les générateurs oscillateurs 41 à 48 sont choisis pour émettre des tensions continues ayant des fréquences différentes, séparées l'une de l'autre par un écart au moins égal à 4 % de la fréquence de base. Dans un exemple de réalisation, cet écart est choisi à 8 % d'une fréquence de base fixée à 5 MHz pour l'oscillateur 41. Ainsi, la fréquence d'émission du générateur oscillateur 42 est fixée à 5 MHz plus 40 KHz, et ainsi de suite. Ceci permet, comme illustré par la fig. 2, de séparer les différentes fréquences f1 à f8 d'un écart suffisant pour éviter le chevauchement ou le recouvrement des différents spectres Doppler S1 à S8 qui leur sont attachés et dont l'étalement est généralement compris entre plus ou moins 10 KHz chacun. La fig. 2 montre les spectres Doppler S1 à S8 reçus, par exemple, par le transducteur récepteur 71 en raison de l'émission simultanée des fréquences d'émission f1 à t8 par les transducteurs 31 à 38. Cette figure fait apparaître l'influence décroissante des spectres Doppler, en relation avec la distance séparant le transducteur récepteur 71 des transducteurs successifs 72 à 78. La fig 3 montre les spectres Doppler S3 à S8 reçus par le transducteur récepteur 73 en raison de l'émission simultanée des fréquences f1 à f8 par les transducteurs émetteurs 31 à 38. La comparaison avec la fig 2 permet de considérer l'influence des autres transducteurs en fonction de leur position et de leur éloignement. Puisque les différents transducteurs récepteurs 71 à sont influencés par les signaux-échos en retour simultanés correspondant aux fréquences d'émission appliquées simultanément aux transducteurs émetteurs 31 à 3s, on comprend qu'il convient de pouvoir isoler pour chaque récepteur le signal-écho correspondant exac tersent au faisceau ultrasonore originel lui ayant donné naissance par réflexion sur les particules du sang et les parois du vaisseau. A cet effet, l'invention préconise de mettre en oeuvre dans la voie de traitement 81 à 88 attachée à chaque transducteur récepteur 7, un filtre capable d'éliminer tous les signaux échos ne correspondant pas au faisceau ultrasonore émis par le transducteur émetteur auquel il est couplé. La fig. 4 montre une voie de traitement 8 comprenant, pour un couple de transducteurs émetteur 3 et récepteur 7, un amplificateur 9 dont la sortie est reliée, de même que celle du générateur oscillateur correspondant 4, à l'entrée d'un multiplieur 10. La voie de traitement 8 comprend également un filtre passe-haut 11 destiné à filtrer les signaux correspondant aux échos de parois, ainsi qu'un conformateur à seuil 12 branché sur un fréquencemetre 13. Les fréquencemetres 13 des différentes voies sont reliés à un échantillonneur scrutateur 14 commun alimentant un moyen de visualisation 15. La fig. 4 montre que la voie 8 peut être double et comporter une branche 8a lorsque le vélocimètre attaché àchaque couple de transducteurs 3 et 7 est conçu pour fournir, en plus du signal de fréquence, une information correspondant au sens de 1 écoulement. Selon l'invention, le filtrage est assuré en interposant un filtre 16 entre le multiplieur 10 et le filtre passe-haut 11. Le filtre 16 est du type passe-bas de façon à ne laisser subsister, pour le traitement par la voie considérée, que le signal correspondant au spectre Doppler S affecté à cette voie. A partir de la fig. 2, les signaux échos traités par le multiplieur 10 sont, ainsi que cela est connu dans la mesure par effet Doppler, translatés, de manière à faire correspondre la fré- quence considérée avec l'origine, comme cela est illustré par les fig. 5 et 6 s'analysant par comparaison avec les figures. Ces figures permettent de constater que, dans le cas de prise en compte du signal-écho correspondant aux transducteurs récepteurs 71 et 73 respectivement, il convient donc de prendre en charge, pour la voie 81-le spectre Doppler S1 et pour la voie 83 le spectre Doppler S3, le spectre Doppler S1, sans laisser passer les fréquences parasites correspondant aux spectres Doppler des fréquences adjacentes.Le filtre 16 est conçu de maniere à laisser passer un domaine spectral correspondant à la surface definie par le tracé T qui doit être déterminé pour introduire une atténuation telle que le spectre Doppler S2 correspondant à la fréquence f2 c fl pour la voie 81 et S4 + S2 correspondant aux fréquences f4 -f3 et f8 - f2 pour que la voie 83 soit occultée. A cet effet, selon l'invention, le filtre 16 de chaque voie 8 est d'un type capable d'introduire une atténuation minimale de 80 décibels entre le domaine spectral S à retenir et le domaine spectral le plus proche. En relation avec l'écart de fréquence, chaque filtre selon l'invention est choisi du type ButterWorth d'ordre 7. Par les moyens ci-deasus, chaque voie 8 assure la se- lection et le traitement du signal écho correspondant exactement au faisceau ultrasonore émis par l'émetteur couplé au transducteur récepteur considéré et fournit ainsi, après filtrage des signaux parasites dus aux échos de paroi et mise en forme, un signal directement utilisable par l'intermediaire du fréquencemàtre pour alors menter les moyens de visualisation i5 Puisque les différents transducteurs émetteurs 31 à 37 émettent ainsi simultanément des émissionsultrasonores à des fréquences différentes, mais que les voies de traitement attachées aux transducteurs récepteurs sont à même de ne prendre en compte pour le traitement que le signal-écho correspondant au faisceau émetteur auquel il est affecté, il devient possible de disposer, en temps réel de l'ensemble des signaux-échos qui permettent ainsi de posséder une information globale de mesure des vitesses moyennes-dans les tranches du segment 1 correspondsnt aux faisceaux 51 à Cette information globale permet ainsi de disposer d'une image entemps réel de l'onde de flux pour obtenir9 par exem- ple, dans le cas où la barrette de transducteurs 3 et 7 est placée selon l'axe du segment de vaisseau, huit lignes continues L1 à L8 visualisant l'écoulement du flux dans les huit tranches successives du segment de vaisseau comme illustre par la fig. 7, dans laquelle l'abscisse représente l'échelle de temps t. La fig. 8 représente une autre possibilité de wisun sation dans laquelle liabscisse représente l'échelle de l#espace. Dans ce cas, la visualisation est obtenue par une représentation à base d'échelle de gris ou de pseudo-couleurs. Cette figure illustre un exemple selon lequel les huit vitesses d'écoulement locales sont sensiblement identiques, ce qui correspond à un segment de vaisseau sensiblement constant. Par contre, la fig. 9 illustre un exemple selon lequel les vitesses s'accroissent d'une tranche à l'autre, ce qui correspond à un segment de vaisseau dont la section diminue dans le sens d'écoulement du flux. Lorsque l'émetteur 2 est composé d'une ou plusieurs barrettes disposées perpendiculairement à l'axe du segment de vaisseau, il devient possible de visualiser la présence ou l'absence d'un flux et d'obtenir, comme cela est illustré par la fig. 10, une rétroprojection en plan du segment visé. Selon le nombre de transducteurs émetteurs 3 composant 11 émetteur 2, il est possible de considérer que l'influence parasite des émissions simultanées peut être négligée à partir du mo- ment où elles sont suffisamment distantes d'un transducteur récepteur donné. En pratique, tel est le cas lorsque les transducteurs sont séparés d'un intervalle correspondant à huit ou dix transducteurs juxtaposés. Dans un tel cas, pour faciliter la construction de l'appareil, il devient possible de mettre en oeuvre n transducteurs émetteurs et de générer un nombre de fréquences différentes m inférieur au nombre n. Dans un tel cas, la même fréquence peut alors être appliquée à deux transducteurs émetteurs dont les transducteurs récepteurs sont séparés par un nombre de transducteurs intermédiaires égal à m - 2. Pour faciliter la construction de 11 émetteur 2 et du récepteur 6, il est possible, au sens de l'invention, de constituer les différents transducteurs à partir d'une plaque piézoélectrique, telle qu'en zirconate de baryum, à large bande passante qui est sectionnée ou tronçonnée en autant de plaquettes élémentaires qui ont ainsi toutes les mêmes caractéristiques physiques. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure en temps réel pour la visualisation des vitesses d'écoulement d'un flux en mettant en oeuvre un vélocimètre ultrasonore à effet Doppler, caractérisé en ce qu'on - utilise un émetteur composé de n transduc teurs à large bande passante, électriquement séparés, - génère un nombre m de tensions sinusoidales continues de fréquences différentes, - applique, simultanément, à chacun des n trans ducteurs émetteurs l'une des m tensions sinu soldates, afin de produire m faisceaux ultra sonores de fréquences différentes, - recueille l'ensemble des signaux-échos réflé chis par la cible visée sur un récepteur com posé de n transducteurs couplés aux transduc teurs émetteurs et associés chacun à au moins une voie de traitement du signal-écho, - filtre sur chaque voie le signal-écho reçu par un filtre passe-bas ne laissant passer que le domaine spectral de réception associé à la fréquence d'émission du transducteur émetteur couplé au transducteur récepteur considéré, - conforme le signal isolé recueilli et le di rige vers un fréqtiencemètre, - et alimente un appareil de visualisation par un échantillonneur scrutant successivement les sorties des n fréquencemètres correspondant aux n transducteurs récepteurs. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couple transducteur émetteur - transducteur récepteur est associé à deux voies de mesure fournissant une information relative à la fréquence et au sens de l'écoulement et en ce que chacune des voies comprend un filtre passe-bas. 3 - Procédé selon la revendication 19 caractérisé en ce qu'on utilise, pour chaque voie de traitement des signaux-échos recueillis, un filtre passe-bas introduisant une atténuation minimale de 80 décibels entre le domaine spectral associé au signal Doppler recherché et les autres domaines spectraux. 4 - Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les fréquences des émissions ultrasonores sont séparées l'une de l'autre par un écart au moins égal à 4 Z de la fréquence de base et en ce que les filtres passe-bas sont alors respectivement d'ordre 7. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence de base est 5 MHz. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un émetteur composé de n transducteurs et en ce qu'on génère un nombre d'émissions m égal à n. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un émetteur composé de n transducteurs et en ce qu'on génère un nombre d'émissions m différent de n et en ce que deux transducteurs récepteurs recevant une même fréquence d'émission sont séparés l'un de l'autre par un nombre de transducteurs récepteurs égal à m moins 2. 8 - Appareil de mesure en temps réel pour la visualisation des vitesses d'ecoulement d'un flux en mettant en oeuvre un vélocimetre ultrasonore à effet Doppler, du type comprenant au moins un oscillateur (4), un émetteur et un récepteur composés de transducteurs séparés, au moins une voie de traitement (8) associée à chacun des transducteurs récepteurs et comprenant un amplificateur haute fréquence (9), un multiplieur (10), un filtre passe-haut (11), un conformateur (12) et un fréquencemetre (13) raccordé à un échantillonneur scrutateur (14) précédant un moyen de visualisation (15), caractérisé en ce qu'il comprend - n transducteurs émetteurs et récepteurs (3 et 7) à large bande passante, - m oscillateurs (4) produisant des tensions si nusoidales continues de fréquences différentes qui sont appliquées, simultanément, chacune à un transducteur émetteur, - un filtre passe-bas (16) interposé sur chaque voie de traitement entre le multiplieur et le filtre passe-haut. 9 - Appareil de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque filtre passe-bas introduit une atténuation minimale de 80 décibels entre le domaine spectral associée au signal Doppler recherché et les autres domaines spectraux 10 - Appareil de mesure selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend des oscillateurs produisant des tensions sinusoidales continues dont les fréquences sont séparées les unes des autres par un écart au moins égal à 4 Z de la fréquence de base et en ce que les filtres passe-bas sont d'ordre 7. il - Appareil de mesure selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu il comprend un émetteur composé de n transducteurs, un groupe générateur émettant un nombre de tensions m différent de n et en ce qu'il comprend n transducteurs récepteurs agencés de telle façon que deux transducteurs récepteurs couplés a deux transducteurs émettant des ondes ultrasonores de même fréquence, sont sépares l'un de l'autre par un nombre de transducteurs récep- teurs égal à n moins 2,