Brevet FR2563918A1 — publié le 19851108

APPAREIL D'EXPLORATION DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention a trait à un appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultraso- nore, comportant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission pour assurer l'émission répétée de signaux ultrasonores, à un étage de réception pour assurer la réception des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, et à un dispositif de visualisation. Un appareil de ce type est décrit dans la demande-de brevet français n 81 19 585 déposée le 19 octobre 1981 par la demanderesse. Ledit appareil comprend, plus précisément, un dispositif de traitement des échos composé d'un premier et d'un deuxième circuit de traitement. Le premier circuit de traitement. est de type classique et est composé essen- tiellement d'un premier amplificateur des signaux présents sur l'électrode de sortie du transducteur, d'un dispositif de compensation de gain et du dispositif de visualisation. Le deuxième circuit de traitement, qui lui est associé en parallèle, comprend, lui, (a) un deuxième amplificateur également relié à l'électrode de sortie du transducteur, (b) en sortie de ce deuxième amplificateur, un ensemble de n voies en parallèle les unes sur les autres et comprenant chacune successivement un filtre passe- bande (l'ensemble des filtres ainsi prévus étanttel que leurs bandes passantes respectives sont jointives de façon à couvrir approximativement la bande passante du deuxième amplificateur) et un détecteur d'enveloppe (composé lui-même d'un redresseur et d'un filtre passe-bas à constante de temps réglable), (c) en sortie des n voies, un circuit utilisant les signaux de sorties de celles-ci pour évaluer un paramètre qui est un in- dicateur de dispersion des amplitudes des signaux de fréquence centrale de chaque voie et qui, simultanément, est en corrélation locale directe avec la pente moyenne (appelée coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore) de la courbe de variation de l'atténuation ultrasonore dans les tissus explorés en fonction de la fréquence, et (d) en sortie de ce 2 - circuit d'évaluation, un circuit de détermination de la valeur de ce coefficient à l'intérieur de chacune des zones délimitées dans les tissus explorés par les échos correspondant aux obstacles rencontrés, les si- gnaux de sortie de ce circuit de détermination assurant la modulation de l'image présentée sur le dispositif de visualisation. L'appareil répondant à cette structure est intéressant en ce qu'il permet l'obtention d'informations quantitatives, par évaluation locale d'un paramètre qui est en relation directe avec le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore, puis la visualisation directe des valeurs de ce coefficient en échographie de type A ou B. Les résul- tats obtenus avec cet appareil sont cependant entachés d'un bruit de mesure qui limite leur précision. Le but de l'invention est de proposer un appareil du type précisé en introduction, mais dans lequel ce bruit de mesure est éliminé ou fortement réduit. L'invention concerne à cet effet, plus précisémentun appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultra- sonore associé à un étage d'émission pour assurer l'émission répétée de signaux ultrasonores et à un étage de réception pour assurer la récep- tion des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, l'étage de réception comprenant un premier circuit de traitement des échos reçus composé essentiellement d'un premier amplificateur relié à l'électrode de sortie du transducteur, d'un dispositif de compensation de gain et d'un dispositif de visualisation en fonction du temps des positions des échos le long de la direction d'exploration et de leurs amplitudes, et, en parallèle sur ce premier circuit de traitement, un deuxième circuit de traitement composé en série d'un circuit de contrôle automatique de gain en fonction de la distance des échos et d'un circuit d'hétérodynage comprenant lui-même un oscillateur et un multiplieur, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend, en sortie du circuit d'hétérodynage, n voies en parallèle comprenant chacune en série un circuit de correction des effets de diffraction, un filtre de sélection d'une mince bande de fréquence comprise dans la bande passante du transducteur, un amplificateur logarithmique et un -3- diviseur dont la sortie est reliée à l'une des n entrées d'un circuit de détermination de valeur moyenne relié lui-même par sa sortie à une entrée du dispositif de visualisation, lesdites bandes de fréquences étant disjointes ou tout au moins non superposées. Dans le dispositif ainsi proposé, il est prévu de ne considé- rer, dans les spectres de fréquence instantanés successifs du signal de sortie du transducteur, que de minces tranches de fréquence et, plutôt que de déterminer le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore à partir du résultat de mesure dans l'une seulement de ces bandes de fréquence, d'effectuer une moyenne des résultats de mesure dans plusieurs de ces bandes. En effet, ces résultats de mesure sont affectés d'un bruit important, mais le signal de sortie obtenu apres réalisation de cette moyenne est nettement moins perturbé par le bruit de mesure et permet de déterminer le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore avec une précision bien meilleure. Cet effet technique n'est cependant obtenu que si lesdites bandes de fréquence ne sont pas superposées, une étude de la corrélation des bruits dans différentes bandes montrant que leur coefficient de corrélation n'est pratiquement nul que si lesdites bandes de fréquence sont disjointes ou au moins non superposées. Les particularités et avantages de l'invention apparaî- tront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels la figure 1 montre un exemple de réalisation de l'appareil d'exploration de milieux conforme à l'invention. L'apparail décrit en référence à cette figure est dans le cas présent équipé d'une sonde unique constituant le support d'un trans- ducteur ultrasonore 10 et permettant d'obtenir des échographies de type A. Il va sans dire que l'invention est applicable exactement de la même ma- nière si l'on explore non plus seulement une ligne, mais toute une sec- tion plane des tissus soit à l'aide d'une sonde à déplacement 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 p transducteurs ultrasonores définissant un même nombre p de directions d'exploration parallèles dans les tissus à examiner et associée a un cir- cuit de commutation du dispositif de traitement d'échos successivement sur chaque transducteur ou groupe de transducteurs en fonctionnement -4- soit encore à l'aide d'une barrette de transducteurs dite à balayage électronique sectoriel, également associée à un circuit de commutation du dispositif de traitement ainsi qu'à un réseau de lignes à retard ou de déphaseurs. Le transducteur 10 est associé d'une part à un étage d'émis- sion 50 destiné à permettre l'émission répétée de signaux ultrasonores par le transducteur dans une direction d'exploration quelconque à travers les tissus à examiner et d'autre part à un étage de réception destiné à assurer le traitement des échos ultrasonores reçus par le transducteur et correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis. Ces obstacles sont repérés sur les échogrammes par les échos de grande amplitude qui matérialisent les fron- tières entre tissus dont on cherche à déterminer les coefficients diffé- rentiels d'atténuation ultrasonore. D'une façon tout à fait classique, l'étage de réception com- prend un premier circuit de traitement des échos ultrasonores reçus, composé d'un premier amplificateur 101 (qui est en fait un préamplifica- teur), d'un dispositif de compensation de gain 102 et d'un dispositif de visualisation 103. Le transducteur 10 est relié par son électrode de sortie à l'entrée de l'amplificateur 101, dont les signaux de sortie tra- versent le dispositif 102 assurant la compensation de l'amplitude des échos en fonction de la distance puis sont visualisés sur le dispositif 103, sous la forme d'une échographie de type A, sur un axe correspondant à la direction principale de propagation du transducteur 10. L'étage de réception comprend égalementun deuxième circuit de traitement, placé en parallèle sur le premier et composé d'un circuit 210 de contrôle auto- matique de gain en fonction de la distance des échos, prévu à la suite de l'électrode de sortie du transducteur 10, et d'un circuit d'hétéro- dynage composé d'un oscillateur 231 et d'un multiplieur 232, puis, en sortie de ce circuit, de n voies en parallèle comprenant chacune en sé- rie un circuit 220 de correction des effets de diffraction, un filtre 240a à 240n de sélection d'une mince bandede fréquence comprise dans la bande passante du transducteur, un amplificateur logarithmique 250a à 250n et un diviseur 260a à 260n dont la sortie est reliée à l'une des n entrées d'un circuit 270 de détermination de valeur moyenne relié lui- même par sa sortie à l'entrée du dispositif de visualisation 103. Chaque diviseur 260i (i variant de a à n) divise son signal d'entrée par FC + AFi, o FC -5est la fréquence de l'oscillateur 231 et AL Fi la fréquence centrale de la bande de fréquence sélectionnée par le filtre 240i, cette fréquence FC + AFi étant donc la fréquence correspondant initialement au signal qui sortira de la voie i. Le fonctionnement de l'étage de réception est le suivant une fois la correction de gain en fonction du temps effectuée, la bande de fréquence du signal ainsi obtenu en sortie du circuit 210 est ramenée en bande de base par mélange de ce signal dans le multiplieur 232 avec la sortie de l'oscillateur 231, puis après correction des effets de diffrac- 0 tion filtrée dans les filtres passe-bande 240a à 240n des n voies. L'intensité de l'énergie ultrasonore dans la bande de fréquence corres- pondant à chacune de ces voies étant proportionnelle à e- (Fc + AFi)d o $ est le coefficient différentiel d'atténuation ultrasonore et d la distance des tissus, on dispose en sortie des n diviseurs de n signaux dont l'amplitude est en corrélation locale directe avec la pente moyennes de la courbe de variation de l'atténuation ultrasonore dans les tissus explorés en fonction de la fréquence. Si l'on cherchait alors à exprimer la valeur de l'énergie dans chaque bande sélectionnée, comme cette valeur I est proportionnelle à e- (FC + AFi)d les courbes IdB = f(d) seraient, les deux autres paramètres étant supposés constants, des droites dont les pentes moyennes reflètent directement -si les unités sont correctement choisies- les valeurs d'atténuation ultrasonore. Si l'on choisit plutôt d'effectuer dans le circuit 270 une moyenne, éventuellement pondérée, par exemple par des coefficients tenant compte de l'énergie dans chaque bande de fréquence, de la sortie des n voies (ou de la sortie d'un certain nombre de ces voies), le signal de sortie du circuit 270 est aussi une droite dont la pente moyenne fournit une évaluation du coefficient 8, mais ce signal est beaucoup moins per- turbé par le bruit de mesure que chacun des signaux individuels de sortie des voies. On a donc pratiquement éliminé ou tout au moins très fortement réduit ce bruit. Les signaux de sortie du dispositif de compensation de gain 102 et du diviseur 260 modulent alors l'image présentée sur le dispositif de visualisation 103, de la façon suivante dans l'exemple ici décrit: l'image comprend d'une part l'échogramme classique de type A fourni par le premier circuit de traitement et envoyé sur une première voie Y1 du -6- dispositif 103, d'autre part une courbe en paliers affichée sur une deuxième voie Y2 de ce dispositif et représentant les différentes valeurs du coefficient d'atténuation ultrasonore entre les frontières définies par l'échogramme de la voie Y1 (ces frontières correspondent aux princi- paux obstacles rencontrés dans les tissus et sont donc matérialisées par les échos de grande amplitude de cet échogramme de la voie Y1). Le circuit 220 de correction des effets de diffraction est composé en général d'une mémoire 221 et de multiplieurs 222a à 222n. Cette mémoire, commandée par un circuit d'horloge 223, contient les signaux de correction nécessaires en fonction de la distance, qui doivent être envo- yés vers les multiplieurs 222a à 222n et dont les valeurs ont été préala- blement stockées à la suite d'une phase de calibration préliminaire. Pour cette phase de calibration, il suffit de prendre en compte, dans le cas d'un transducteur non focalisant, les réponses échographiques du trans- ducteur choisi lorsque celui-ci est placé en face d'un plan réflecteur métallique situé successivement à toutes les distances du transducteur correspondant aux profondeurs usuelles d'examen échographiques, ou, dans le cas le plus fréquemment rencontré d'un transducteur focalisant, les réponses échographiques obtenues par utilisation de fantômes dont on connaît parfaitement les caractéristiques ultrasonores, les réponses ainsi obtenues permettant l'introduction des coefficients de correction dans la mémoire 221, ici de type PROM. On précisera également qu'un circuit classique de contrôle automatique de gain comprend un amplificateur à gain variable 211, commandé par le circuit de commande de gain proprement dit 212. Pour la précision de la mesure d'énergie qui est effectuée conformément à l'in- vention, il est souhaitable d'immobiliser ce gain temporairement, le temps d'effectuer réellement la mesure, entre deux instants t1 et t2. Ce résultat est obtenu en prévoyant, dans le circuit 210 de contrôle automa- tique de gain, l'action d'une fenêtre temporelle pendant laquelle se pro- duit la suspension de la variation du gain de l'amplificateur. -7- REVENDICATION: i. Appareil d'exploration de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comportant au moins un trans- ducteur ultrasonore associé à un étage d'émission pour assurer l'émis- sion répétée de signaux ultrasonores et à un étage de réception pour assurer la réception des échos ultrasonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, l'étage de réception comprenant un premier circuit de traitement des échos reçus composé essentiellement d'un premier amplificateur re- lié à l'électrode de sortie du transducteur, d'un dispositif de compen- sation de gain et d'un dispositif de visualisation en fonction du temps des positions des échos le long de la direction d'exploration et de leurs amplitudes, et, en parallèle sur ce premier circuit de traitement, un deuxième circuit de traitement composé en série d'un circuit de con- trôle automatique de gain en fonction de la distance des échos et d'un circuit d'hétérodynage comprenant lui-même un oscillateur et un mul- tiplieur, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend, en sortie du circuit d'hétérodynage, n voies en parallèle comprenant cha- cune en série un circuit de correction des effets de diffraction, un filtre de sélection d'une mince bande de fréquence comprise dans la ban- de passante du transducteur, un amplificateur logarithmique et un divi- seur dont la sortie est reliée à l'une des n entrées d'un circuit de détermination de valeur moyenne relié lui-même par sa sortie à une en- trée du dispositif de visualisation, lesdites bandes de fréquence étant disjointes ou au moins non superposées.