Brevet FR2579765A1 — publié le 19861003

PHF 85/515 A4 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 ultrasono- res 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, comportant un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission et à un étage de rg- ception. 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 liges 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. Le but de l'invention est de proposer un procédé et un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore avec lesquels on s'attache à déterminer la dépendance en fré- quence de la fonction de diffusion du milieu examiné. Grâce au procédé ainsi décrit, la fonction de diffusion du milieu exa- miné peut être évaluée de façon quantitative et permet une caractérisation du milieu examiné et la connaissance de son état pathologique. - 2 - PHF 85/515 A4 A cet effet, le procédé selon l'invention, dans lequel les signaux reçus sont séparés en un nombre n de bandes de fréquence sensiblement égales et jointives pour couvrir ap- proximativement toutes les fréquences des signaux reçus, puis l'on détermine l'enveloppe des signaux dans chaque bande de fréquence, est caractérisé en ce que chacun de ces signaux-en- veloppes, proportionnel au spectre de puissance du signal chographique, est divisé par un signal de division propor- tionnel au spectre de puissance d'un fantôme de même attg- O10 nuation que le milieu exploré, en ce qu'on détermine le loga- rithme du signal résultant de cette division, après quoi à partir des signaux ainsi obtenus, on procède dans les voies ab,...,i,...,n aux opérations suivantes: (a) calcul du logarithme de la fréquence centrale fi de la bande passante associée à chaque voie, ou d'une autre fréquence représentative de cette bande passante; (b) mémorisation et/ou représentation du rapport de la fonction de diffusion du milieu exploré et de celle du fantôme en fonction de ladite fréquence intervenant dans le calcul effectué en (a); (c) calcul de la fonction de diffusion du milieu exploré. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'appareil selon l'invention, dans lequel l'étage de réception comprend au moins: (A) un amplificateur recevant le signal de sortie du transducteur; (B) un ensemble de n voies en parallèle les unes sur les autres en sortie de l'amplificateur comprenant elle-mêmes chacune successivement: (1) un filtre passe-bande, l'ensemble des n filtres ainsi prévus étant tel que leurs bandes passantes res- pectives sont sensiblement égales et jointives pour couvrir approximativement la bande passante du transducteur; (2) un détecteur d'enveloppe, identique dans - 3 - PHF 85/515 A4 chaque voie et comprenant un redresseur suivi d'un filtre passe-bas; est caractérisE en ce que l'étage de réception comprend égale- ment, dans chaque voie, à la suite du détecteur d'enveloppe: (3) un circuit de division, qui reçoit sur une première entrée le signal de sortie du détecteur d'enveloppe correspondant et sur une deuxième entrée un signal de division délivré par une première mémoire commandée par un circuit d'horloge, ledit circuit d'horloge étant lui-même déclenché par l'horloge de l'étage d'émission; (4) un amplificateur logarithmique; et en ce qu'en sortie des n voies, l'étage de réception com- prend également un circuit de traitement arithmétique qui, à partir de leurs n signaux de sortie, procède aux opérations suivantes: (a) calcul du logarithme de la fréquence centrale fi de la bande passante associée à chaque voie, ou d'une autre fréquence représentative de cette bande passante; (b) mémorisation et/ou représentation du rapport de la fonction de diffusion du milieu exploré et de celle du fantôme- en fonction de ladite fréquence intervenant dans le calcul effectué en (a); (c) calcul de la fonction de diffusion du milieu explore. Les particularités et avantages de l'invention ap- paraîtront maintenant de façon plus détaillée dans la descrip- tion 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 par le circuit de traitement prévu dans l'appareil selon l'invention; - la figure 3 montre une variante de réalisation de l'appareil selon l'invention. - 4 - PHF 85/515 A4 L'ana.Lyse, évoquée plus haut, de la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu examiné est réalisée, dans le cadre de la présente invention, par l'inter- médiaire 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. JU(f)12. D(T,f). e2 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 de la dif- fraction dû à la géométrie du transducteur, a(f) et c expri- ment l'atténuation et la vitesse des ondes ultrasonores dans le milieu examiné, et U(f) est la fonction de diffusion du mi- lieu. L'appareil proposé conformément à l'invention est prévu, dans un premier mode de réalisation, pour l'analyse d'un milieu dont l'atténuation est connue, à l'aide de données acquises avec un fantôme de même atténuation. Ce fantôme, dans l'exemple ici décrit, était un gel incluant de petites sphères de graphite dont la loi de rétrodiffusion était connue (ces sphères sont en effet de diffuseurs de Rayleigh dont le spec- tre de puissance de l'onde diffusée varie comme la puissance quatrième de la fréquence). Pour ce fantôme, la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu, Up(f), est connue, et constante dans la gamme de fréquences 1 à 10 méga- hertz. On peut alors, en tout point d'une ligne échographique, déterminer U(f) donnée par l'expression: $uw (Tf) 1 1/2 Uf) S (,f). U(f) (2) o Up(f) et U(f) sont donc les fonctions de diffusion respec- tivement du fantôme (connue) et du milieu exploré (non connue, - 5 - PHF 85/515 A4 à déterminer), et SWp(T,f) et Sw(T,f) les expressions du spec- tre moyen de puissance respectivement pour le fantôme et le milieu exploré. Cette détermination de la fonction de diffusion est réalisable à l'aide de l'appareil décrit en référence à la figure 1. Cet appareil est ici équipé d'une sonde unique cons- tituant le support d'un transducteur ultrasonore 10 et permet- tant d'obtenir des échographies 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 angulaire dit sectoriel, associée à un écran de visualisation du type radar, soit à l'aide d'une bar- rette linéaire de p transducteurs ultrasonores définissant un même nombre p de directions d'exploration parallèles dans le milieu à examiner et associée à un circuit de commutation du dispositif de traitement d'échos successivement sur chaque transducteur ou groupe de transducteurs en fonctionnement, soit encore à l'aide d'une barrette de transducteurs dite à balayage électronique sectoriel, également associée à un cir- cuit de commutation du dispositif de traitement ainsi qu'à un réseau de lignes à retard ou de d6phaseurs. - 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 correspondant aux obstacles principaux rencontrés dans leurs directions de propagation par les signaux émis. Ces obstacles sont repérés sur les gchogrammes par les échos de grande amplitude qui matérialisent les frontières entre les tissus pour lesquels on cherche à déterminer la dépendance en frg- quence du coefficient de rétrodiffusion. Cette association est - 6 - PHF 85/515 A4 en général réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de sé- lection alternative 40 assurant la liaison exclusive soit de l'étage d'émission, soit de l'étage de réception, avec le transducteur (un tel circuit de sélection est mentionné par exemple dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique N' 4 139 834). Ce circuit 40 évite la dégradation des si- gnaux 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 d'une part un premier circuit de traitement des échos ultrasonores reçus, composé d'un premier ampli- ficateur 101 (qui est en fait un préamplificateur), d'un dis- positif de compensation de gain 102, d'un détecteur d'enve- loppe 103 assurant des fonctions de redressement et de fil- trage, et d'un dispositif de visualisation 104. Le trans- ducteur 10 est relié par son électrode de sortie et par l'in- termédiaire du circuit 40 à l'entrée de l'amplificateur 101, dont les signaux de sortie traversent le dispositif 102 assu- rant la compensation de l'amplitude des échos en fonction de la distance et le dispositif 103, puis sont visualisés sur le dispositif 104, 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 d'autre part un deuxième circuit de traitement, placé en parallèle sur le premier circuit 100 et composé à son tour des éléments sui- vants: (A) un deuxième amplificateur 210 recevant égale- ment le signal de sortie du tranaducteur 10; (B) un ensemble de n voies 220a à 220n en paral- lèle les unes sur les autres en sortie de l'amplificateur 210, comprenant elles-mêmes chacune successivement: (1) un filtre passe-bande 221a à 221n, l'en- semble des n filtres ainsi prévus étant tel que leurs bandes passantes respectives sont sensiblement égales et jointives - 7 - PHF 85/515 A4 pour couvrir approximativement la bande passante du trans- ducteur; (2) un détecteur d'enveloppe 222a à 222n, identique dans chaque voie et comprenant un redresseur suivi d'un filtre passe-bas à constante de temps réglable de préfé- rence à une valeur supérieure à l'intervalle de temps moyen qui sépare les échos de faible amplitude correspondant à deux centres diffuseurs adjacents, ceci afin de diminuer le bruit inhérent au milieu biologique et à ses inhomogéngités. L'étage de réception comprend en outre, dans cha- que voie, à la suite du détecteur d'enveloppe correspondant: (3) un circuit de division 230a à 230n, qui, pour caleuler l'expression (Sw( T,f) /Swp(T,f))1/2, reçoit sur une première entrée le signal de sortie du détecteur d'enve- loppe correspondant et sur une deuxième entrée un signal dit de division délivré par une mémoire 240 commandée par un cir- cuit d'horloge 225, ledit circuit d'horloge étant lui-même dé- clenché par l'horloge de l'étage d'émission; (4) un amplificateur logarithmique 226a à 226n; (C) en sortie des n voies 220a à 220n, un circuit de traitement arithmétique 300 qui, à partir de leurs n si- gnaux de sortie, procède aux opérations suivantes: (a) calcul du logarithme de la fréquence centrale fi de la bande passante associée à chaque voie (ou d'une autre fréquence représentative de cette bande pas- sante); (b) mémorisation et/ou représentation (sur la figure 2, en coordonnées logarithmiques) du rapport de la fonction de diffusion du milieu exploré et de celle du fant8me en fonction de ladite fréquence intervenant dans le calcul effectué en (a); (c) calcul de la fonction de diffusion du milieu explore. Comme la fonction de diffusion peut par hypothèse - 8 - PHF 85/515 A4 être exprimée sous la forme polynômiale U(f) = a fb, que la représention opérée en (b) est en fait une courbe parallèleà la courbe log0lo(U(f) /Up(f)) (en fonction de log0lof) et que la pente locale de cette courbe est la valeur b-bp o bp est la valeur de b dans le cas du fantôme, il suffit d'ajouter à cette expression la valeur bp de b dans le cas du fantôme pour obtenir une expression qui est proportionnelle à U(f) et qui est donc suffisante pour connaître la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu exploré. - L'expression ainsi obtenue, proportionnelle à U(f), constitue le paramètre recherché, qui est porté à la connaissance de l'utilisateur soit directement par affichage (sur le dispositif 104), soit stocks en mémoire pour interpré- tation ou utilisation ultérieure. Bien entendu, la présente invention n'est pas li- mitée à l'exemple de réalisation décrit, à partir duquel des variantes peuvent être proposées. En particulier, on notera que la mémoire 240 est soit une mémoire morte programmable, de type PROM par exemple, soit une mémoire à accès aléatoire, et qu'elle est chargée de la façon suivante, que le tranaducteur soit de type focalisant ou non. On opère la sélection d'une tranche du fantôme située à l'avant de celui-ci par rapport à l'appareil et à une distance Z sur l'axe principal de propaga- tion, le fantôme étant appliqué contre le transducteur. On dé- termine dans cette position le spectre énergétique du signal 9chographique, avec un signal d'émission qui est supposé res- ter le même par la suite, puis on reprend cette détermination à la même distance Z mais pour d'autres positions obtenues par déplacements perpendiculaires à l'axe principal de propaga- tion, afin d'obtenir un spectre énergétique moyen; on effec- tuera par exemple une moyenne de 100 spectres autour de la mg- me position. On répète ensuite la même détermination de spec- tre énergétique moyen, à d'autres distances Z entre l'appareil et le fantôme. On calcule alors, pour toutes ces positions successives le long de l'axe Z, les valeurs de correction par - 9 - PHF 85/515 A4 lesquelles on va diviser les sorties des circuits 230a à 230n, et ces valeurs de correction sont introduites dans la mémoire 240. On notera aussi que, dans l'exemple décrit, l'am- plificateur 210 est un amplificateur à gain fixe, mais que, si cet élément était remplacé par un circuit à contr8le automati- que de gain en fonction de la distance, il faudrait immobili- ser temporairement ce gain, le temps d'effectuer les mesures. Un tel résultat peut être obtenu en prévoyant l'action d'une fenêtre temporelle suspendant la variation du gain entre deux instants correspondant à la tranche de tissus concernée par les mesures. Par ailleurs, dans un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, l'appareil selon l'invention per- met d'analyser un milieu dont l'atténuation est connue ou a pu être déterminée, sans référence à un fantôme de même atténua- tion que le milieu à explorer. Il faut alors insérer dans cha- que voie, entre le détecteur d'enveloppe 222a à 222n et l'am- plificateur logarithmique 226a à 226n, un circuit de multipli- cation 250a à 250n, suivi du circuit de division 230a à 230n. Le circuit de multiplication 250a à 250n reçoit sur une pre- mière entrée le signal de sortie du détecteur d'enveloppe cor- respondant et sur une deuxième entrée un signal de correction assurant la compensation de l'effet d'atténuation et délivré par une mémoire 260 commandée par le circuit d'horloge 225. Le circuit de division 230a à 230n reçoit sur sa première entrée le signal de sortie du circuit de multiplication correspondant et sur sa deuxième entrée un signal de correction assurant la compensation de l'effet de diffraction et délivré par la mémoire 240. Comme précédemment, la mémoire 240 est soit une mé- moire morte programmable, de type PROM par exemple, soit une mémoire à accès aléatoire. Elle est chargée de la façon sui- vante. On opère la sélection d'une tranche du milieu à exami- ner située à l'avant de ce milieu par rapport à l'appareil et - 10 - PHF 85/515 A4 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 cons- tant, on détermine dans cette position le spectre énergétique du signal échographique, puis on reprend cette détermination à la même distance Z mais pour d'autres positions obtenues par déplacements perpendiculaires à l'axe principal de propaga- tion, afin d'obtenir un spectre énergétique moyen; on effec- tuera par exemple, comme précédemment, une moyenne de 100 spectres autour de la même position. On répète ensuite la même détermination de spectre énergétique moyen, à d'autres dis- tances Z entre l'appareil et le milieu à examiner mais en con- sidérant toujours dans ce milieu la même tranche grâce à l'ac- tion d'un circuit de sélection temporelle définissant une fe- nêtre 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 mi- lieu intermédiaire, et ces valeurs sont introduites dans la mémoire 240. - 11 - PHF 85/515 A4 REVENDICATIONS: 1. Procédé d'exploration de milieux par échographie ultrasonore comportant 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, procédé dans lequel les signaux reçus sont s9pa- rés en un nombre n de bandes de fréquence sensiblement égales et jointives pour couvrir approximativement toutes les fré- quences des signaux reçus, puis l'on détermine l'enveloppe des signaux dans chaque bande de fréquence, caractérisé en ce que chacun de ces signaux-enveloppes, proportionnel au spectre de puissance du signal 9chographique, est divisé par un signal de division proportionnel au spectre de puissance d'un fantôme de même atténuation que le milieu exploré, en ce qu'on détermine le logarithme du signal résultant de cette division, après quoi, à partir des signaux ainsi obtenus, on procède dans les voies a,b,...,i,...,n aux opérations suivantes: (a) calcul du logarithme de la fréquence centrale fi de la bande passante associée à chaque voie, ou d'une autre fréquence représentative de cette bande passante; (b) mémorisation et/ou représentation du rapport de la fonction de diffusion du milieu exploré et de celle du fantôme en fonction de ladite fréquence intervenant dans le calcul effectué en (a); (c) calcul de la fonction de diffusion du milieu explore. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de division proportionnel au spectre de puis- sance du fantôme est obtenu après avoir réalisé les mesures suivantes: (a) opérer la sélection d'une tranche du fantôme située à l'avant de celui- ci par rapport à l'appareil et à une distance Z sur l'axe principal de propagation, le fantôme étant appliqué contre le transducteur; (b) à signal d'émis- sion constant, déterminer le spectre énergétique du signal - 12 - PHF 85/515 A4 9chographique dans cette position puis à la même distance Z mais pour d'autres positions obtenues par déplacements perpen- diculaires à l'axe principal de propagation afin d'obtenir un spectre énergétique moyen; (c) répéter la même détermination de spectre énergétique moyen à d'autres distances Z entre l'appareil et le fantôme; (d) calculer pour toutes ces posi- tions successives le long de l'axe Z les valeurs dudit signal de division. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des signaux-enveloppes est, préalablement à la- dite division, multiplié par un signal de correction pour com- penser l'effet d'atténuation, ladite division étant ensuite effectuée sur le résultat de ladite multiplication, et en ce que le signal de correction est obtenu après avoir réalisé les mesures suivantes: (a) opérer la sélection d'une tranche du milieu à examiner située à l'avant de ce milieu par rapport à l'appareil et à une distance Z sur l'axe principal de propa- gation, le milieu intermédiaire entre cette tranche et l'appa- reil étant à faible atténuation; (b) déterminer le spectre énergétique du signal 9chographique dans cette position puis 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; (c) répéter 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; (d) cal- culer pour toutes ces positions successives le long de l'axe Z les valeurs de correction. 4. Appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore, comportant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'omission 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, ledit étage de réception comprenant - 13 - PHF 85/515 A4 au moins: (A) un amplificateur recevant le signal de sortie du transducteur; (B) un ensemble de n voies en parallèle les unes sur les autres en sortie de l'amplificateur comprenant elle- mêmes chacune successivement: (1) un filtre passe-bande, l'ensemble des n filtres ainsi prévus étant tel que leurs bandes passantes res- pectives sont sensiblement égales et jointives pour couvrir approximativement la bande passante du transducteur; (2) un détecteur d'enveloppe, identique dans chaque voie et comprenant un redresseur suivi d'un filtre pas- se-bas; caractérisé en ce que l'étage de réception comprend également, dans chaque voie, à la suite du détecteur d'enveloppe: (3) un circuit de division, qui reçoit sur une première entrée le signal de sortie du détecteur d'enveloppe correspondant et sur une deuxième entrée un signal de division délivré par une première mémoire commandée par un circuit d'horloge, ledit circuit d'horloge étant lui-même déclenché par l'horloge de l'étage d'émission; (4) un amplificateur logarithmique; et en ce qu'en sortie des n voies, l'étage de réception com- prend également un circuit de traitement arithmétique qui, à partir de leurs n signaux de sortie, procède aux opérations suivantes: (a) calcul du logarithme de la fréquence centrale fi de la bande passante associée à chaque voie, ou d'une autre fréquence représentative de cette bande passante; (b) mémorisation et/ou représentation du rapport de la fonction de diffusion du milieu exploré et de celle du fantôme en fonction de ladite fréquence intervenant dans le calcul effectué en (a); (c) calcul de la fonction de diffusion du - 14 - PHF 85/515 At milieu exploré. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérise eu ce que l'étage de réception comprend également, dans chaque voie, entre le détecteur d'enveloppe et le circuit de diwvi- sion, un circuit de multiplication qui reçoit sur une pri mre entrée le signal de sortie du détecteur d'enveloppe correspom- dant et sur une deuxième entrée un signal de correction asns- rant la compensation de l'effet d'atténuation et dlivwre pmr une deuxième mémoire également commandée par ledit circuit d'horloge, et en ce que le circuit de division reçoit sur sa première entrée le signal de sortie du circuit de multiplica- tion correspondant et sur sa deuxième entrée un sigual de car- rection assurant la compensation de l'effet de diffractio- et délivré par la première mémoire.