Brevet FR2580818A1 — publié le 19861024

-1 2 5 82580818 APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'exa- men de milieux par échographie ultrasonore. Cet appareil est utilisable pour l'exploration ultrasonore de tous milieux mais plus particulièrement en médecine pour celle de tissus búo- logiques. Il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique US-A-4016750 délivré le 12 avril 1977 un échographe ul- trasonore comprenant, de façon classique, un transducteur ul- trasonore 10 associé à un étage d'émission d'ondes ultraso- nores, composé essentiellement des circuits 24, 20, 22, et à un étage de réception d'échos comprenant notamment, pour la restitution d'images représentatives de régions du milieux ex- ploré, un circuit d'affichage 46. Entre le transducteur 10 et ce circuit 46 sont prévus un certain nombre de circuits inter- médiaires, dont un dispositif composé d'une part d'un amplifi- cateur à gain variable 34 et d'autre part d'un filtre variable 36. Cet amplificateur et ce filtre assurent respectivement la correction du gain et la correction des caractéristiques de filtrage en fonction de la distance parcourue par les ondes ultrasonores dans le milieu exploré. Le but de l'invention est également de proposer un échographe ultrasonore corrigeant la diminution de l'intensité du signal ultrasonore et l'atténuation sélective des hautes fréquences avec la distance parcourue, mais dont la structure et le fonctionnement sont fondamentalement différents de ceux qui apparaissent dans le document cité. L'invention concerne à cet effet un appareil d'examen de milieux et notamment de tissus biologiques par échographie ultrasonore, comprenant au moins un transduc- teur ultrasonore associé à un étage d'émission répétée - 2 - d'ondes ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de réception des échos renvoyés vers le transducteur par les obstacles rencontrés par ces ondes dans ledit milieu, ledit appareil étant caractérisé en ce que cet étage de réception comprend lui-même: (A) un dispositif de transformation de signal échographique, par calcul de la transformée de Mellin de ce signal; (B) un dispositif de calcul de fonction de correc- tion par transformation de fonction d'atténuation, opérant par calcul de la valeur inverse de la transformée de Mellin de la fonction d'atténuation associée à une valeur d'atténuation correspondant à au moins une région du milieu à explorer; (C) un dispositif de traitement composé en série: (1) d'un circuit de multiplication des sorties respectives des dispositifs de transformation prévus en (A) et (B); (2) d'un circuit de calcul de la trans- formée de Mellin inverse du signal ainsi obtenu; (D) un dispositif de traitement du signal de sortie de ce circuit de calcul de la transformée de Mellin inverse, pour la restitution d'images et/ou d'informations représentatives de ladite région explorée. La structure ainsi proposée repose sur le principe suivant, à savoir qu'une correction globale des deux effets pernicieux de l'atténuation est effectivement obtenue par la réalisation pratique, dans l'étage de réception de l'appareil, d'une approximation de la transformation mathématique inverse de la transformation intégrale dite convolution de Mellin (cette transformation intégrale est étudiée dans l'article "Tissue ultrasonic attenuation well modelized by a Mellin-con- volution" de M. Auphan et J.M. Nicolas paru dans Acoustical Imaging, vol. 12, édité par Plenum Publishing Corporation, 1982). D'autres particularités et avantages de l'inven- tion apparaîtront en outre dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limi- tatifs et dans lesquels: - la figure 1 montre un exemple de réalisation de l'appareil selon l'invention - la figure 2 montre un mode de réalisation parti- culier du dispositif de transformation de signal échographi- que, et les figures 3 à 5 des variantes de réalisation de ce dispositif; - la figure 6 montre un mode de réalisation parti- culier du dispositif de transformation de fonction d'atténua- tion; - la figure 7 montre dans le dispositif de trai- tement un mode de réalisation particulier du circuit de calcul de transformée de Mellin inverse, et les figures 8 et 9 deux variantes de ce dispositif de traitement; - la figure 10 montre une variante de réalisation du dispositif de transformation de fonction d'atténuation, avec les variantes associées de dispositif de transformation de fonction d'atténuation et de dispositif de traitement. L'appareil représenté sur la figure 1 comprend un transducteur ultrasonore 10 qui, dans l'exemple ici décrit, est destiné à permettre à la fois l'émission d'ondes ultraso- nores vers le milieu à examiner par échographie et la récep- tion des échos renvoyés vers lui par les obstacles rencontrés par ces ondes dans la région effectivement explorée. Bien en- tendu, pour un déroulement satisfaisant de cet examen, un mi- lieu intermédiaire de transmission est prévu entre le trans- ducteur et la région explorée, mais pour la simplification de la figure ni ladite région ni ce milieu de couplage intermé- diaire ne sont représentés. Par ailleurs, on n'utilise dans le cas présent qu'un seul transducteur ultrasonore, mais l'inven- tion est présente de la même manière lorsqu'on utilise des dispositifs tels que sondes, barrettes, réseaux de transduc- teurs élémentaires pour réaliser les fonctions de conversion d'énergie électrique en énergie ultrasonore et réciproquement. - 4 Les ondes ultrasonores fournies par le transduc- teur en mode émetteur correspondent à des signaux électriques délivrés par un étage d'émission 2D commandant de façon clas- sique -et donc non décrite en détail ici- une émission répé- tée, en général périodique, des ondes vers le milieu à explo- rer; la fréquence de cette émission est couramment comprise entre 1 et 5 kilohertz, et celle des ondes ultrasonores entre 1 et 10 mégahertz, ces indications ne constituant cependant pas des limites impératives. Les échos ultrasonores renvoyés par les différents obstacles qu'ont pu rencontrer les ondes ultrasonores dans la région explorée sont alors reçus par le transducteur 10 en mode récepteur qui, lui-même, fournit les signaux électriques correspondant à ces échos à un étage de réception 30. Un circuit d'interface non représenté peut être inséré entre le transducteur 10, l'étage d'émission 20 et l'étage de réception 30, notamment pour éviter l'aveuglement de ce dernier par l'étage d'émission. On a par contre repré- senté, et désigné par la référence 25, le circuit d'horloge qui contrôle le fonctionnement séquentiel des étages, de tels circuits d'horloge étant cependant déjà connus et réalisés dans de nombreux appareils d'échographie, et notamment sous la référence 26 dans le document cité précédemment. Conformément à l'invention, l'étage de réception de l'appareil comprend un certain nombre de circuits spécifi- ques qui sont les suivants: d'une part un dispositif 110 de transformation de signal échographique, destiné à calculer la transformée de Mellin de ce signal, d'autre part un dispositif de caleul de fonction de correction par transformation de fonction d'atténuation, destiné à calculer la valeur inverse de la transformée de Mellin de la fonction d'atténuation asso- ciée à une valeur d'atténuation déterminée (précisée ci-des- sous), puis un dispositif de traitement 130, destiné à déli- vrer un signal échographique corrigé en ce qui concerne l'at- ténuation, et un dispositif de restitution 140, pour le trai- tement du signal de sortie du dispositif 130. _ Le dispositif de traitement 130 comprend lui-même un circuit 131 de combinaison, par multiplication, des sorties respectives des dispositifs de transformation 110 et 120, et un circuit 132 de calcul de la transformée de Mellin inverse du signal résultant de cette multiplication. Dans le cas présent, le dispositif de restitution est un dispositif de visualisation, mais ce pourrait être également selon l'utilisation envisagée, tout autre dispositif capable de convertir les signaux de sortie du circuit 132 en informations qualitatives ou quantitatives. En effet, selon la volonté des opérateurs, on peut souhaiter soit la restitution d'images des régions explorées, soit la fourniture d'informa- tions qualitatives ou quantitatives représentatives de ces ré- gions explorées, soit une combinaison de ces diverses fonc- tions. Dans tous les cas, le choix du dispositif de resti- tution ne constitue pas une limitation de l'invention. Dans l'exemple décrit jusqu'à présent, la région explorée est une tranche de milieu dans laquelle la valeur de l'atténuation est sensiblement constante et supposée connue sous la forme d'une valeur moyenne, et le dispositif 120 cal- cule la transformée de Mellin de cette valeur moyenne à la- quelle est associée la fonction d'atténuation. Dans un mode préférentiel de réalisation, repré- senté sur la figure 2, le dispositif 110 de transformation de signal échographique comprend, en série, successivement un convertisseur analogique-numérique 111, un circuit 112 de mul- tiplication du signal ainsi numérisé par une rampe de tension linéaire, un circuit 113 d'interpolation par conversion liné- aire-logarithmique d'échelle temporelle, et un circuit 114 de calcul de la transformée de Fourier du signal résultant de l'interpolation. L'origine temporelle du signal en rampe est fixée par un circuit 119 de détermination de référence tempo- relle, qui tient compte du décalage entre le transducteur et la zone dont on veut l'image ou la représentation, et de dé- termination, si nécessaire, de la ou des valeurs d'atténuation 6 - du milieu. Connaissant la valeur moyenne de l'atténuation en- tre le transducteur et la zone dont on veut l'image ou la re- présentation, cette référence temporelle est en fait le temps de vol entre ce transducteur et cette zone, multiplié par cette valeur moyenne et divisé par la valeur moyenne de l'at- ténuation dans la région explorée proprement dite. Une conne- xion reliant le dispositif 120 au dispositif 110 assure effec- tivement la transmission de la valeur moyenne de l'atténuation entre le transducteur et la zone explorée. Deux connexions complémentaires entre le dispositif 120 et le circuit 132 d'une part, entre le circuit d'horloge 25 d'autre part et ce même circuit 132 assurent la fourniture audit circuit 132 de cette valeur moyenne d'atténuation et de la référence tempo- relle to. Le circuit d'horloge 115 du convertisseur 111 est à échelle linéaire (les impulsions qu'il délivre sont donc ré- gulièrement espacées) et c'est à partir de ce circuit d'hor- loge qu'est ici généré le signal en rampe proportionnel au temps. Le circuit d'horloge 25 assure comme on l'a vu plus haut la commande de ce circuit 115, ou des autres circuits d'horloge de l'étage de réception, mentionnés dans les va- riantes de réalisation décrites ci-dessous. Dans une variante de réalisation représentée sur la figure 3, le dispositif de transformation de signal écho- graphique, référencé 210 cette fois, peut, tout en fonction- nant selon le même principe que le dispositif 110, comprendre les circuits suivants, à savoir un circuit analogique 211 de multiplication du signal échographique par un signal en rampe proportionnel au temps, un convertisseur analogique-numérique 212, dont le circuit d'horloge 215 est également à échelle li- néaire et fournit comme précédemment le signal en rampe au circuit de multiplication, puis les circuits 113 et 114 comme précédemment. Un circuit de détermination de référence tempo- relle 219 est associé au circuit d'horloge 215. Dans deux autres variantes de réalisation, _ 7 - représentées sur -les figures 4 et 5, le dispositif de trans- formation de signal échographique, référencé 310 ou 410 res- pectivement, comprend en série, dans le premier cas, un con- vertisseur analogique-numérique 311 du signal échographique, un circuit 312 de multiplication du signal numérisé par un si- gnal proportionnel à Log(t-to), to étant la référence tempo- relle déjà mentionnée, et le circuit 114, ou respectivement, dans le second cas, un circuit 411 de multiplication du signal échographique, un convertisseur analogique-numérique 412 du signal ainsi obtenu, et le circuit 114 à nouveau. Dans l'un et- l'autre cas, le circuit d'horloge, 315 ou 415, du convertis- seur est à échelle logarithmique. Comme précédemment, un cir-- cuit 319 ou 419 de détermination de référence temporelle est associé au circuit d'horloge 315 ou 415 respectivement. Le dispositif 120 de transformation de fonction d'atténuation associé à ces dispositifs 110, ou 210, ou 310, ou 410 peut également être réalisé de différentes manières, et notamment selon le mode de réalisation de la figure 6. Dans ce cas, il comprend en série d'abord un circuit 121 de prédéter- mination d'une valeur d'atténuation correspondant à une région du milieu à explorer (par exemple par- simple affichage de la valeur moyenne supposée connue plus haut dans la description), et de prédétermination d'une valeur d'atténuation correspon- dant à la zone entre le transducteur et le milieu exploré (par exemple par affichage également). C'est cette dernière valeur moyenne d'atténuation qui est fournie à la fois au circuit 110 et au circuit 132 (ou aux circuits qui en constituent des va- riantes). Le dispositif 120 comprend aussi un circuit 122 de calcul de la fonction d'atténuation associée à cette valeur, et un circuit 123 de calcul de la valeur inverse de la trans- formée de Mellin de cette fonction. Dans le dispositif de traitement associé par exem- ple à l'un des dispositifs de transformation de signal écho- graphique décrits précédemment ainsi qu'au dispositif de transformation de fonction d'atténuation également décrit 8 - ci-dessus, le circuit de calcul de transformée de Mellin in- verse peut être réalisé de la façon suivante. Etant référencé 732, il comprend alors (voir la figure 7) un circuit 736 de calcul de la transformée de Fourier inverse du signal de sor- tie du circuit de multiplication 131, un circuit 737 d'inter- polation par conversion logarithmique-linéaire d'échelle tem- porelle, et un circuit 738 de division du signal ainsi obtenu par un signal en rampe proportionnel au temps et d'origine temporelle déterminée comme précédemment à l'aide d'un circuit 719 de détermination d'origine temporelle identique au circuit 119. Dans une premiere variante de réalisation représentée sur la figure 8, ces circuits 737 et 738 peuvent être remplacés par un circuit 837 de division du signal délivré par le cir- cuit 736 par un signal proportionnel à Logt(t-to) et généré par le circuit 816 et le dispositif de restitution référencé 840 comprend alors un convertisseur numérique analogique 838 du signal de sortie de ce circuit de division 837, le circuit d'horloge 815 de ce convertisseur étant à échelle exponen- tielle. Dans une deuxième variante de réalisation représentée sur la figure 9, on prévoit en sortie du circuit 736 un con- vertisseur numérique-analogique 938 du signal de sortie de ce circuit 736, dont le circuit d'horloge 915 est là encore à échelle exponentielle, et un circuit 939 de division du signal analogique ainsi obtenu par un signal proportionnel à exp(t-to) et généré par le circuit 916. Bien entendu, la présente invention n'est pas li- mitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et représentés dans quelques variantes. D'autres variantes peuvent encore être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, la figure 10 montre une variante de réalisation 520 du dispositif de transformation de fonction d'atténuation, ainsi que le dispositif de traitement. Ce dis- positif de transformation de fonction d'atténuation 520 com- prend un circuit 521 de prédétermination de toute une série de g08 18 9 - valeurs al, a2,..., aN d'atténuation correspondant respecti- vement, là encore au moins en moyenne, à des régions du milieu à explorer successives le long de l'axe de propagation des ondes ultrasonores, et de prédétermination d'une série de valeurs bl, b2,..., bN de valeurs d'atténuation moyenne correspondant respectivement aux zones comprises entre le transducteur et les régions du milieu à explorer. Le circuit 521 peut être notamment un des appareils d'examen de milieux par échographie ultrasonore décrits par la demanderesse dans i0 de précédentes demandes, par exemple les demandes de brevet publiées sous les n 2514910 et 2534707. Le circuit 521 délivre alors d'une part un nombre entier N de valeurs d'atténuation des régions à explorer, d'autre part N valeurs d'atténuation moyenne correspondant donc à la valeur moyenne de l'atténuation entre le transduc- teur et ces régions à explorer, et enfin N valeurs temporelles vl, v2,..., vN d'indication des instants correspondant aux limites desdites régions le long de l'axe de propagation con- cerné. Un circuit 522 calcule les N fonction d'atténuation respectivement associées à ces N valeurs d'atténuation, et un circuit 523 calcule les valeurs inverses des transformées de Mellin desdites fonctions. Dans le cas de cette réalisation de la figure 10, l'appareil comprend N portes 550 commandées par les N valeurs temporelles de sortie du circuit de prédétermination 521, cha- que porte étant commandée respectivement par l'une de ces va- leurs. Les N portes 550 sont suivies de N dispositifs 510 de transformation de signaux échographique, et ces N voies (550,510) sont en parallèle sur la sortie du transducteur 10 en mode réception (ou sur la sortie du circuit d'interface s'il en est prévu un entre le transducteur, l'étage d'émission et l'étage de réception). L'appareil comprend par ailleurs N dispositifs individuels de traitement 530, suivis d'un addi- tionneur 560. Chaque dispositif 510 reçoit une valeur tempo- relle v1 à vN et deux valeurs d'atténuation a1 à aN et - 10 - bl à bN, de même que chaque dispositif 530. La sortie de l'additionneur 560 est reiiée à l'entrée du dispositif de restitution 140 déjà prévu dans les modes de réalisation précédents. - 11 - REVENDICATIONS: 1. Appareil d'examen de milieux et notamment de tis- sus biologiques par échographie ultrasonore, comprenant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émis- sion répétée d'ondes ultrasonores vers le milieu è explorer et à un étage de réception des échos renvoyés vers le transduc- teur par les obstacles rencontrés par ces ondes dans ledit mi- lieu, ledit appareil étant caractérisé en ce que cet étage de réception comprend lui-même: (A) un dispositif de transformation de signal échographique, par calcul de la transformée de Mellin de ce signal; (B) un dispositif de calcul de fonction de correc- tion par transformation de fonction d'atténuation, opérant par calcul de la valeur inverse de la transformée deMellin de la fonction d'atténuation associée à une valeur d'atténuation correspondant b au moins une région du milieu à explorer (C) un dispositif de traitement composé en série: (1) d'un circuit de multiplication des sorties respectives des dispositifs de transformation prévus en (A) et (B); (2) d'un circuit de calcul de la trans- formée de Mellin inverse du signal ainsi obtenu; (D) un dispositif de traitement du signal de sor- tie de ce circuit de calcul de 1a transformée de Mellin in- verse, pour la restitution d'images et/ou d'informations re- présentatives de ladite région explorée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transformation de signal échographique com- prend en série successivement: (1) un convertisseur analogique-numérique du signal échographique, dont le circuit d'horloge est à échelle linéaire, (2) un circuit de multiplication du signal numérisé par un signal en rampe proportionnel au temps; - 12 - (3) un circuit d'interpolation par con- version linéaire-logarithmique d'échelle temporelle; (4) un circuit de calcul de la transformée de Fourier du signal ainsi obtenu. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transformation de signal échographique comprend en série successivement: (1) un circuit de multiplication du signal échographique par un signal en rampe proportionnel au temps; (2) un convertisseur analogique-numérique du signal ainsi obtenu, dont le circuit d'horloge est à échelle linéaire; (3) un circuit d'interpolation par conver- sion linéaire-logarithmique d'échelle temporelle; (4) un circuit de calcul de la transformée de Fourier du signal ainsi obtenu. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transformation de signal échographique comprend en série successivement: (1) un convertisseur analogique-numérique du signal échographique, dont le circuit d'horloge est à échelle logarithmique; (2) un circuit de multiplication du signal numérisé par un signal proportionnel à Log(t-to), o to est une référence temporelle tenant compte de la zone qui sépare le transducteur de la zone dont on veut l'image ou la repré- sentation et de la ou des valeurs d'atténuation du milieu dans cette zone de séparation; (3) un circuit de calcul de la transformée de Fourier du signal ainsi obtenu. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transformation de signal échographique comprend en série successivement: (1) un circuit de multiplication du signal échographique par un signal en rampe proportionnel au temps; - 13 - (2) un convertisseur analogique-numérique du signal ainsi obtenu, dont le circuit d'horloge est à échelle logarithmique. (3) au moins un circuit de calcul de la transformée de Fourier du signal ainsi converti. 6. Appareil selon l'une des revendications 4 et 5,ca- ractérisé en ce que le dispositif de transformation de fonc- tion d'atténuation comprend en série successivement: (1) un circuit de prédétermination d'une valeur d'atténuation correspondant au moins en moyenne à une région du milieu à explorer; (2) un circuit de caleul de la fonction d'atténuation associée à cette valeur; (3) un circuit de calcul de la transformée de Mellin de cette fonction d'atténuation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de calcul de transformée de Mellin inverse du dispositif de traitement comprend: (1) un circuit de calcul de la transformée de Fourier inverse du signal de sortie du circuit de multipli- cation; (2) un circuit d'interpolation par con- version logarithmique-linéaire d'échelle temporelle; (3) un circuit de division du signal ainsi obtenu par un signal en rampe proportionnel au temps. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de calcul de transformée de Mellin inverse du dispositif de traitement comprend: (1) un circuit de calcul de transformée de Fourier inverse; (2) un circuit de division du signal ainsi obtenu par un signal proportionnel à Log(t-to); et en ce que le dispositif de restitution comprend un conver- tisseur numérique-analogique du signal de sortie du circuit de division, le circuit d'horloge de ce convertisseur étant à - 14 - échelle exponentielle. 9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de calcul de transformée de Mellin inverse du dispositif de traitement comprend un circuit de calcul de la transformée de Fourier inverse; et en ce que le dispositif de restitution comprend: (1) un convertisseur numérique-analogique du signal de sortie de ce circuit de calcul, le circuit d'hor- loge de ce convertisseur étant à échelle exponentielle; (2) un circuit de division du signal ana- logique ainsi obtenu par un signal proportionnel à exp(t-to). 10. Appareil selon l'une des revendications 7 à 9,ca- ractérisé en ce que le dispositif de transformation de fonc- tion d'atténuation comprend: (1) un circuit de prédétermination d'une série de valeurs d'atténuation correspondant respectivement, au moins en moyenne, à des régions du milieu à explorer suc- cessives le long de l'axe de propagation des ondes ultra- sonores, ledit circuit délivrant d'une part un nombre entier N de valeurs d'atténuation des régions à explorer, d'autre part N valeurs d'atténuation moyenne correspondant à la valeur mo- yenne de l'atténuation entre le transducteur et ces régions à explorer, enfin N valeurs temporelles d'indication des ins- tants correspondant aux limites desdites régions à explorer le long de l'axe de propagation; (2) un circuit de calcul des N fonctions d'atténuation respectivement associées auxdites valeurs d'at- ténuation; (3) un circuit de calcul des transformées de Mellin desdites fonctions d'atténuation; en ce que le dispositif de transformation de signal échogra- phique comprend N voies en parallèle comprenant elles-mêmes: (1) N portes commandées par lesdites va- leurs temporelles de sortie du circuit de prédétermination; - 15 - (2) N dispositifs individuels de transfor- mation de signal échographique; et en ce qu'il est également prévu: (1) N dispositifs de traitement; (2) un additionneur des sorties de ces N dispositifs de traitement, la sortie de cet additionneur étant reliée à l'entrée du dispositif de restitution.