Brevet FR2579764A1 — publié le 19861003

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 au moins un trans- ducteur ultrasonore associé à un étage d'émission 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 contr8le non destructif des matériaux et pour l'ex- ploration de tissus biologiques. Une image 9chographique 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 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 - PHF85/517A6 A cet effet, le procédé selon l'invention est ca- ractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) mémorisation d'une ligne 9chographique; (b) pour deux profondeurs d'observation dis- tinctes, détermination du rapport des spectres de puissance avec correction de l'effet de diffraction; (c) mémorisation et/ou représentation de la dépen- dance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu ex- ploré; (d) renouvellement des opérations précédentes pour d'autres paires de profondeurs d'observation correspondant à chaque fois à des limites de zones homogènes, et pour d'autres lignes ichographiques. 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 6chographi- que, composé d'un convertisseur analogique-numérique et d'une mémoire numérique; (B) un étage de détermination de rapport des spec- tres de puissance pour deux profondeurs d'observation distinc- tes, composé de deux voies en parallèle comprenant chacune successivement un circuit de multiplication de la sortie de l'étage de mémorisation de ligne par la sortie d'un circuit de sélection de profondeur d'observation, un circuit et de calcul de transformée de Fourier, un circuit de calcul du mo- dule au carré, et un étage de correction de diffraction; (C) un étage de mémorisation et/ou de représen- tation de la fonction de diffusion du milieu exploré, composé - 3 - PHF85/517A6 d'un circuit de calcul de l'expression: (al)2(-1) 2(_-) T 2 al 2(i-. (fblb2)2-l o a1, a2, bl, b2 sont, respectivement pour le milieu exploré et pour un milieu de référence dans lequel la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion est connue, les valeurs des coefficient a et exposant b dans l'expression générale U(f) = afb de ladite fonction de diffusion et le rapport des deux profondeurs d'observation, d'un amplificateur logarith- mique, et d'un circuit de traitement arithmétique qui permet la mémorisation, ou la représentation sur un dispositif de vi- sualisation, de la fonction de diffusion du milieu exploré. Les particularités et avantages de l'invention ap- paraîtront 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 mo- yens 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(T,f) = IG(f)12. U(f)12. 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 - 4 - PHF85/517A6 transducteur, D(T,f) traduit l'effet de filtrage dû à la dif- fraction, a(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. On supposera par la suite que l'on dispose d'un milieu de référence dans lequel la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion est connue. En opérant alors avec le même transducteur ultra- sonore et à signal d'émission constant, l'expression qui donne le quotient des spectres de puissance associés au milieu ex- ploré et au milieu de référence, à savoir: iG1(f)2. D1(Tf). lul(f)1 2. exp -2 (f)cT R(T,f) = 12 D(Tf) IU2(f).exp) (2) (2) 2 peut se simplifier et se mettre sous la forme: R(Tf) = 1 2 exp 2(a1(f) - a2(f)).cT (3) lu2 (f) On a par ailleurs supposé ci-dessus que: b1 U1(f) = af1 (4) b2 U2(f) = a2 f (5) D'o: a1 2 b 1-b22 MC R(f) ()2 f 1 2)2.exp-2(al(f) - a2(f)).cT (6) R(ct,f) = a2. (fb-2 On s'affranchit alors de la connaissance des lois d'atténua- tion dans les milieux en effectuant le calcul du quotient R pour deux profondeurs correspondant à deux temps de vol TA et TB, le milieu exploré étant homogène dans cette tranche de profondeurs: - 5 - PHF85/517A6 R(TAf) a12 b(f1 -b2)2.e xp-2(a1(f) - a2(f)).c TA (7) :a2) (1)2 (fb1 -b2)2 -2( (f) - 2(f)).cB (8) R((12)2. (f12)2.exp (8) R(TB'f) = 22 On pose en outre TB = T A, ce qui permet de déterminer l'expression (9): IR(TA,f)I a1 2 (-1) b (TA'f)1= (-l l- 22(-1) T (f, TA' TB) = = a(2).(f (9) Au, lR(TB,f) a2 bl-b2 a2 D'o: f = 2. T(f) (2 (-1)) (10) a1 f = K. T(f) 2(1) (11) Comme le procédé et l'appareil selon l'invention permettent de connaître le terme de droite de l'expression (11), la d9pen- dance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu ex- ploré, c'est-à-dire le coefficient b1, peut être maintenant déterminée. Cet accès à la connaissance de la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion est permis grâce à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans l'appareil représenté sur la figure 1. Cet appareil est, dans le cas pré- sent, équipé d'une sonde unique constituant le support d'un transducteur ultrasonore 10 et permettant d'obtenir des écho- graphies de type A de milieux tels que des tissus biologi- ques. Il va sans dire que l'invention est applicable exacte- ment 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 - 6 - PHF85/517A6 du type radar, soit à l'aide d'une barrette linéaire de p transducteurs ultrasonores définissant un même nombre p de di- rections 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 déphaseurs. 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 échogrammes par les échos de grande am- plitude qui matérialisent les frontières entre tissus dont on cherche à déterminer les coefficients différentiels d'atténua- tion ultrasonore). Cette association est en général réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de sélection 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 Etats-Unis d'Amérique N' 4 139 834). Ce circuit 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 d'une li- gne échographique (de type A), d'autre part un circuit de traitement 200, et enfin un circuit 300 de détermination de la dépendance en fréquence. Le circuit 100 comprend successive- ment un convertisseur analogique-numérique 101,piloté par un - 7 - PHF85/517A6 circuit d'horloge 125 lui-même commandé par l'horloge de l'étage d'émission, et une mémoire numérique 102. Le circuit comprend deux voies 210 et 220 en parallèle, qui compren- nent elles-mêmes chacune successivement un circuit de sélec- tion temporelle 212 et 222, un circuit 213 et 223 de calcul de transformée de Fourier, un circuit 214 et 224 de calcul du mo- dule au carré pour le calcul du spectre de puissance, et un circuit de correction de diffraction. Les circuits 212 et 222 sont ici des circuits 216 et 226 de multiplication de la sortie de la mémoire 102 par un signal en forme de créneau constituant une fenêtre temporelle dont la position est déterminée par un circuit 201 de sélec- tion de temps de vol, le temps de vol, T A et T B respecti- vement, ainsi sélectionné dans chacune des deux voies corres- pondant par exemple au flanc avant du signal en forme de cré- neau. Le circuit 201 effectue également le calcul du rapport des temps de vol associés aux deux profondeurs sélectionnées. Le circuit de correction de diffraction est un circuit de division 215 et 225, chacun de ces circuits rece- vant sur une première entrée le signal de sortie du circuit de calcul du module au carré correspondant et sur une deuxième entrée un signal de division, dit de correction de diffrac- tion, délivré respectivement par une sortie distincte d'une mémoire 250. Cette mémoire 250 est commandée par le circuit d'horloge 125 lui-même déclenché par l'horloge de l'otage d'émission, et est reliée également à la sortie du circuit 201 de sélection de temps de vol. Cette mémoire 250 est soit une mémoire morte programmable, de type PROM par exemple, soit une mémoire à accès aléatoire, et est chargée de la façon sui- vante, que le transducteur soit de type focalisant ou non. On opère la sélection d'une tranche du milieu à examiner située à l'avant de ce milieu par rapport à l'appareil et à une dis- tance Z sur l'axe principale de propagation, le milieu inter- médiaire entre cette tranche et l'appareil étant à faible at- ténuation, de l'eau par exemple. A signal d'émission constant, - 8 - PHF85/517A6 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 dé- placements perpendiculaires à l'axe principal de propagation, afin d'obtenir un spectre énergétique moyen (on effectuera par exemple une moyenne de 100 spectres autour de la même posi- tion). 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 mi- lieu la même tranche grace à l'action d'un circuit de sélec- tion 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 ef- fectuées ayant en effet éliminé toute influence de l'atténua- tion 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 effectuée sans faire appel à une tranche du milieu à examiner, en utilisant simplement la sur- face réflectrice, par exemple plane. Les sorties des circuits de multiplication 215 et 225 délivrent des signaux qui sont proportionnels respective- ment aux expressions (7) et (8) établies plus haut et qui sont fournis en parallèle au circuit 300 de détermination de la dé- pendance en fréquence. Ce circuit 300 comprend d'abord un cir- cuit 301 de calcul de l'expression (10), ou (11) calculant T puis l'élevant à la puissance 1/(2 ( M - 1)). La valeur dei est fournie au circuit 301 par l'intermédiaire d'une connexion en provenance du circuit 201. A la suite du circuit 301 est alors prévu un amplificateur logarithmique 302, qui délivre un signal proportionnel à log10 T1/2(-1), puis un circuit de traitement arithmétique 303 qui assure la mémorisation et/ou la représentation (voir la figure 2, en coordonnées logarith- miques) de la dépendance en fréquence de la fonction de diffu- sion, la représentation étant alors opérée sur un dispositif - 9 - PPHF85/517A6 de visualisation 304. Bien entendu, lors de la mise en oeuvre dans l'appareil selon l'invention des différentes opérations prévues de mémorisation d'une ligne gchographique, de déter- mination de rapprt de spectres, et de représentation de la dé- pendance en fréquence de la fonction de diffusion, ces opéra- tions sont reprises pour d'autres paires de profondeurs d'ob- servation correspondant à chaque fois à des limites de zone homogènes, ainsi que pour d'autres lignes échographiques. - 10 - PHF85/517A6 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, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) mémorisation d'une ligne échographique; (b) pour deux profondeurs d'observation dis- tinctes, détermination du rapport des spectres de puissance avec correction de l'effet de diffraction; (c) mémorisation et/ou représentation de la dépen- dance en fréquence de la fonction de diffusion du milieu ex- ploré; (d) renouvellement des opérations précédentes pour d'autres paires de profondeurs d'observation correspon- dant à chaque fois à des limites de zones homogènes, et pour d'autres lignes 9chographiques. 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, caractérisé 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 rapport des spec- tres de puissance pour deux profondeurs d'observation distinc- tes, composé de deux voies en parallèle comprenant chacune successivement un circuit de multiplication de la sortie de l'étage de mémorisation de ligne par là sortie d'un circuit de - 11 - PHF85/517A6 sélection de profondeur d'observation, un circuit de calcul de transformée de Fourier, un circuit de calcul du module au carré, et un étage de correction de diffraction; (C) un étage de mémorisation et/ou de reprgsen- tation de la fonction de diffusion du milieu exploré, composé d'un circuit de calcul de l'expression: T ( (al)2(-1) (fbl-b2)2(-1) a2 o a1, a2, bl, b2 sont, respectivement pour le milieu exploré e pour un milieu de référence dans lequel la dépendance en fréquence de la fonction de diffusion est connue, les valeurs des coefficient a et exposant b dans l'expression générale U(f) = afb de ladite fonction de diffusion et E le rapport des deux profondeurs d'observation, d'un amplificateur logarith- mique, et d'un circuit de traitement arithmétique qui permet la mémorisation, ou la représentation sur un dispositif de visualisation, de la fonction de diffusion du milieu exploré.