Brevet FR2579763A1 — publié le 19861003

PHF 85/516 A5 PROCEDE ET APPAREIL D'EXPLORATION DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un procédé d'explo- ration de milieux par échographie ultrasonore, comprenant l'émission répétée de signaux ultrasonores par au moins un transducteur ultrasonore et la réception des échos ultra- sonores correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis. L'invention concerne également un appareil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, ledit appareil comportant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émis- sion pour assurer l'émission 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. Un tel appareil est utilisable par exemple dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux et pour l'ex- ploration de tissus biologiques. Une image échographique ultrasonore traditionnelle est obtenue par détection de l'enveloppe des échos engendrés dans les tissus par un faisceau d'ultrasons. Les échos les plus importants prenant naissance aux frontières des organes, ces images montrent principalement les contours de ces der- niers. Toutes les informations liées à la phase, et donc à la fréquence, du signal sont alors perdues. Or ces informations peuvent être reliées à de bons indicateurs de certaines patho- logies diffuses très difficiles à diagnostiquer par d'autres moyens. Un but de l'invention est de proposer un procédé d'examen de milieux par échographie ultrasonore dans lequel on s'attache à déterminer la dépendance en fréquence de la fonc- tion de diffusion du milieu examiné. - 2 - PHF 85/516 A5 A cet effet, le procédé selon l'invention est ca- ractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) mémorisation d'une ligne échographique; (b) pour une profondeur d'observation déterminée, détermination du spectre de puissance avec correction de l'ef- fet de la diffraction et de l'atténuation; (c) mémorisation et/ou représentation de la fonc- tion de diffusion du milieu exploré en fonction de la fré- quence; (d) renouvellement des opérations (b), (c) pour chaque profondeur souhaitée sur une ligne échographique déter- minée et des opérations (a), (b), (c) pour d'autres lignes 6chographiques. Par la mise en oeuvre de ce procédé, on parvient à évaluer de façon quantitative la fonction de diffusion du mi- lieu exploré, ce qui permet une caractérisation de ce milieu et la connaissance de son état pathologique. Un autre but de l'invention est de proposer un ap- pareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore permettant ladite mise en oeuvre. L'appareil selon l'invention est à cet effet ca- ractérisé en ce que ledit étage de réception comprend: (A) un étage de mémorisation de ligne échogra- phique, composé d'un convertisseur analogique-numérique et d'une mémoire numérique; (B) un étage de détermination de spectres de puis- sance, composé successivement d'un circuit de sélection de profondeur d'observation, d'un circuit de multiplication de la sortie de ce circuit de sélection par celle de l'étage de mé- morisation de ligne gchographique, d'un circuit de calcul de transformée de Fourier, d'un circuit de calcul du module au carré, d'un étage de correction de diffraction, et d'un étage de correction d'atténuation; (C) un étage de mémorisation et/ou de représen- tation de la fonction de diffusion du milieu exploré, composé - 3 - PHF 85/516 A5 d'un amplificateur logarithmique de la sortie de l'étage de détermination de spectres, et d'un circuit de traitement arithmétique qui permet la mémorisation, ou la représentation sur un dispositif de visualisation, de la fonction de diffu- sion du milieu exploré en fonction de la fréquence. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront de façon plus détaillée dans la description qui suit et dans les dessins annexes donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - la figure 1 montre un exemple de réalisation de l'appareil selon l'invention; - la figure 2 est une courbe qui met en évidence les résultats des opérations effectuées dans le cadre de l'in- vention par le circuit de traitement arithmétique de l'appa- reil de la figure 1. L'analyse, évoquée plus haut, de la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu examiné est réalisée par l'intermédiaire d'une comparaison de spectres moyens de puissance. On sait que l'expression d'un spectre moyen de puissance peut s'écrire, pour une fenêtre temporelle W à l'instant T SW(Tf) = IG(f) 2. U(f) 2. D(T,f). e-2 a(f)cT (1) Dans cette expression, IG(f)12 ne dépend que du signal d'émis- sion et des caractéristiques acoustiques et électriques du transducteur, D(T,f) traduit l'effet de filtrage dû à la dif- fraction, t(f) et c expriment respectivement l'atténuation et la vitesse des ondes ultrasonores dans le milieu examiné, et U(f) est la fonction de diffusion du milieu. De l'expression (1), on déduit: U(f) 2 = Sw(Tf) /(IG(f)12.D(T,f).e-2a(f)cT) (2) - 4 - PHF 85/516 A5- L'appareil proposé conformément à l'invention per- met d'obtenir une détermination de IU(f)12, puis d'en déduire la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion. Cet appareil, représenté sur la figure 1, est dans le cas présent équipé d'une sonde unique constituant le support d'un trans- ducteur ultrasonore 10 et permettant d'obtenir des échogra- phies de type A de milieux tels que des tissus biologiques. Il va sans dire que l'invention est applicable exactement de la même manière si l'on explore non plus seulement une ligne, mais toute une section plane des tissus soit à l'aide d'une sonde à déplacement manuel ou à déplacement mécanique angu- laire dit sectoriel, associée à un écran de visualisation du type radar, soit à l'aide d'une barrette linéaire de p trans- ducteurs ultrasonores définissant un même nombre p de direc- tions d'exploration parallèles dans le milieu à examiner et associée à un circuit de commutation du dispositif de trai- tement d'échos successivement sur chaque transducteur ou grou- pe de transducteurs en fonctionnement, 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 re- tard ou de d9phaseurs. Le transducteur 10 est associé d'une part à un étage d'émission 20 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 qui correspondent aux obstacles principaux rencontrés dans leurs directions de propagation par les signaux émis. Ces obs- tacles peuvent être repérés sur les échogrammes par les échos de grande amplitude qui matérialisent les frontières entre tissus dont on cherche à déterminer les coefficients différen- tiels d'atténuation ultrasonore. Cette association est en gg- ngral réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de sélection 2 5 7 9 7 63 - 5 - PHF 85/516 A5 alternative 40 assurant la liaison exclusive soit de l'étage d'émission, soit de l'étage de réception, avec le transduc- teur, un tel circuit de sélection étant mentionné par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 139 834. Ce cir- cuit 40 évite la dégradation des signaux émis sous l'influence des signaux de réception ou, alternativement, l'aveuglement des signaux reçus par les signaux d'émission. Dans le mode de réalisation décrit, l'étage de ré- ception comprend en série d'une part un circuit 100 de m9mori- sation d'une ligne échographique (de type A) d'autre part un circuit de traitement 200, et enfin un circuit 300 de détermi- nation de la dépendance en fréquence. Le circuit 100 comprend successivement un convertisseur analogique-numgrique 101, pi- loté par un circuit d'horloge 125 lui-même commandé par l'hor- loge de l'étage d'émission, et une mémoire numérique 102. Le circuit 200 comprend successivement un circuit de sélection temporelle 202, un circuit 203 de calcul de transformée de Fourier, un circuit 204 de calcul du module au carré pour le calcul du spectre de puissance, un circuit de correction de diffraction, et un circuit de correction de l'atténuation. Le circuit 202 est ici un circuit de multiplication de la sortie de la mémoire 102 par un signal en forme de créneau consti- tuant une fenêtre temporelle dont la position est déterminée par un circuit 201 de sélection de temps de vol, le temps de vol ainsi sélectionné correspondant par exemple au flanc avant du signal en forme de créneau. On notera que la -slection de temps de vol équivaut à une sélection de profondeur d'obser- vation dans le milieu exploré. Le circuit de correction de diffraction est un circuit de division 205 qui reçoit sur une première entrée le signal de sortie du circuit 204 de calcul du module au carré et sur une deuxième entrée un signal de division dit de cor- rection de diffraction délivré par une mémoire 250. La mémoire 250 est commandée par le circuit d'horloge 125 lui-même dé- clenche par l'horloge de l'étage d'émission, et est reliée - 6 - PHF 85/516 A5 également à la sortie du circuit 201 de sélection de temps de vol. Cette mémoire 250 est soit une mémoire morte program- mable, de type PROM par exemple, soit une mémoire à accès aléatoire, et est chargée de la façon suivante, que le trans- ducteur soit de type focalisant ou non. On opère la sélection d'une tranche du milieu à examiner située à l'avant de ce mi- lieu par rapport à l'appareil et à une distance Z sur l'axe principal de propagation, le milieu intermédiaire entre cette tranche et l'appareil étant à faible atténuation, de l'eau par exemple. A signal d'émission constant, on détermine dans cette position le spectre énergétique du signal gchographique, puis on reprend cette détermination à la même distance Z mais pour d'autres positions obtenues par déplacements perpendiculaires à l'axe principal de propagation, afin d'obtenir un spectre énergétique moyen, en effectuant par exemple une moyenne de spectres autour de la même position. On répète ensuite la même détermination de spectre énergétique moyen à d'autres distances Z entre l'appareil et le milieu à examiner mais en considérant toujours dans ce milieu la même tranche grâce à l'action d'un circuit de sélection temporelle définissant une fenêtre de temps. On calcule alors, pour toutes ces positions successives le long de l'axe Z, les valeurs de correction de diffraction, les mesures effectuées ayant en effet éliminé toute influence de l'atténuation par le choix approprié du milieu intermédiaire, et ces valeurs sont introduites dans la mémoire 250. Dans le cas d'un transducteur non focalisant, la détermination des valeurs de correction peut aussi être effec- tuée sans faire appel à une tranche du milieu à examiner, en utilisant simplement la surface réflectrice, par exemple plane ou sphérique, d'un corps de référence. Le circuit de correction de l'atténuation est un circuit de multiplication 206 qui reçoit sur une première en- trée la sortie du circuit de multiplication 205 et sur une deuxième entrée un signal de correction d'atténuation dont l'expression est de la forme e+2 a (f)ct. Les valeurs de ce - 7 - PHF 85/516 A5 signal de correction d'atténuation sont délivrées par une me- moire 260 commandée par le circuit d'horloge 125 et également par le circuit 201 de sglec-tion de temps de vol. Cette mémoire est, comme cidessus, soit une mémoire morte de type PROM, soit une mémoire à accès aléatoire. La sortie du circuit de multiplication 206 délivre un signal qui est proportionnel à IU(f)12, et qui est fourni à l'entrée du circuit 300 de détermination de la dépendance en fréquence. Comme, par hypothèse, la fonction de diffusion peut être exprimée sous la forme polyn8miale U(f) = afb, le circuit 300 comprend les circuits suivants: un amplificateur logari- thmique 301, qui délivre un signal proportionnel à 2b.log10f, et un circuit de traitement arithmétique 302 qui permet la mé- morisation et/ou la représentation (voir la figure 2, en coor- données logarithmiques) de la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion, la représentation étant alors opérée sur un dispositif de visualisation 303. Ces calculs sont repris pour chaque profondeur souhaitée, ladite profondeur d'observation étant donc fixée par le circuit 201, avec un pas d'autant plus petit qu'une plus grande finesse d'image ou d'analyse est demandée. La pré- sence d'un dispositif classique de balayage mécanique, ou électronique, ou un simple déplacement manuel, permet ensuite d'étudier de façon similaire d'autres lignes échographiques et donc d'obtenir des images de type B. Il est par ailleurs pos- sible dans tous les cas de choisir des mémorisations et/ou re- présentations soit en fonction de la fréquence pour une pro- fondeur déterminée, soit en fonction de la profondeur pour une fréquence déterminée. - 8 - PHF85/516A5 REVENDICATIONS: 1. Procédé d'exploration de milieux par échographie ultrasonore, comprenant l'émission répétée de signaux ultra- sonores par au moins un transducteur ultrasonore et la récep- tion des échos ultrasonores correspondant aux obstacles prin- cipaux rencontrés dans leur direction de propagation par les signaux émis, comprenant les opérations suivantes: (a) mémorisation d'une ligne échographique; (b) pour une profondeur d'observation déterminée, détermination du spectre de puissance avec correction de l'ef- fet de la diffraction et de l'atténuation; caractérisé en ce qu'il comprend également les opérations sui- vantes: (c) mémorisation et/ou représentation de la fonc- tion de diffusion du milieu exploré en fonction de la fré- quence; (d) renouvellement des opérations (b), (c) pour chaque profondeur souhaitée sur une ligne échographique déter- minée et des opérations (a), (b), (c) pour d'autres lignes échographiques. 2. Appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission pour assurer l'émission répétée de signaux ultrasonores et à un étage de réception pour assu- rer la réception des échos ultrasonores correspondant aux obs- tacles principaux rencontrés dans leur direction de propaga- tion par les signaux émis, comprenant: (A) un étage de mémorisation de ligne échographi- que; (B) un étage de détermination de spectres de puis- sance; caractérisé en ce que ledit étage comprend également: (C) un étage de mémorisation et/ou de représenta- tion de la fonction de diffusion du milieu exploré. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en - 9 - PHF85/516A5 ce que ledit étage de mémorisation et/ou de représentation de la fonction de diffusion-du milieu exploré est composé d'un amplificateur logarithmique de la. sortie de l'étage de déter- mination de spectres, et d'un circuit de traitement arithmé- tique qui permet la mémorisation, ou la représentation sur un dispositif de visualisation, de la fonction de diffusion du milieu exploré en fonction de la fréquence.