Brevet FR2592720A1 — publié le 19870710

APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant un ré- seau linéaire d'éléments transducteurs ultrasonores individuels équipes d'une électrode reliée à la masse sur leur face avant et d'une électrode commandée par un signal d'excitation sur leur face arrière, ledit réseau étant équipé d'une len-tille acoustique cylindrique de génératrices parallèles à l'axe longitudinal de ce réseau et étant associé à un étage d'émission, à un étage de réception et à un étage de focalisation comprenant lui-même un circuit de focalisation electronique dans le plan médian du réseau contenant l'axe longitudinal de ce réseau.Un tel appareil est utilisable notamment dans le domaine médical, pour l'obtention d'images ou d'informations relatives aux tissus biologiques examinés. On connaît déjà des appareils d'échographie équi pés d'un dispositif de focalisation des signaux émis ou reçus par un réseau bidimensionnel de transducteurs ultrasonores. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-A-4371805 concerne un dispositif de ce type. I1 s'agit la cependant d'un dispositif in déniablement complexe puisque la possibilité de focalisation électronique réglable dans deux directions perpendiculaires implique la présence d'un grand nombre d'éléments transducteurs mécaniquement séparés les uns des autres. Une simplification d'un tel dispositif est obtenue lorsque le réseau de transducteurs est équipé d'une lentille acoustique. Dans un tel système, décrit par exemple dans la demande de brevet européen EP-A-0090567, une lentille acoustique est associée à un réseau linéaire d'éléments transducteurs ultrasonores. La focalisation électronique dans la direction longitudinale x est obtenue de façon classique, tandis que la focalisation mécanique est assurée par la lentille, à laquelle peut être éventuellement associée une courbure géométrique du réseau de transducteurs. La lentille peut être aussi bien plan-convexe que plan-concave, et être convergente ou divergente, selon la nécessité et selon le matériau choisi pour la réaliser.L'inconvénient majeur de ce dispositif est cependant la dégradation rapide de la résolution dès que la région d'examen s'écarte de la zone focale naturelle de la lentille. Le but de l'invention est de proposer un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore équipé d'un dispositif de focalisation remédiant à cet inconvénient. L'invention concerne à cet effet un appareil caractérisé (A) en ce que l'étage de focalisation comprend un circuit d'ajustement de la distance focale de la lentille acoustique, comprenant lui-même n circuits de commutation de lignes à retard ; (B) en ce que chacun desdits circuits de commutation comprend lui-même deux connexions d'entrée-sortie dont la première est reliée à l'aide d'un premier inverseur à la connexion de sortie-entrée dudit circuit de commutation soit directement soit par l'intermédiaire d'une première ligne à retard selon la position de ce premier inverseur, et dont la seconde est reliée à l'aide d'un deuxième inverseur à ladite connexion de sortie-entrée soit directement soit par l'intermédiaire d'une deuxième ligne à retard selon la position de ce deuxième inverseur, lesdits inverseurs étant actionnés par l'intermédiaire d'un générateur de signaux de commande (C) en ce que l'électrode d'excitation de chaque élément transducteur est constituée d'une électrode centrale et, de part et d'autre de celle-ci, de deux électrodes latérales reliées électriquement, l'électrode centrale étant reliée à l'une des connexions d'entrée-sortie du circuit à commutation de lignes à retard qui est respectivement associé à ltélément transducteur considéré et les électrodes latérales à l'autre desdites connexions d'entrée-sortie. Le dispositif ainsi proposé permet d'obtenir effectivement une résolution satisfaisante tout en limitant le nombre des lignes à retard nécessaires. Les particularités de l'invention apparaltront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés donnés à titre d'exemples limitatifs et dans lesquels - la figure 1 montre un exemple de réalisation d'un appareil d'examen comprenant un dispositif de focalisation conforme à l'invention ; - la figure 2 montre un des circuits d'ajustement de distance focale dudit dispositif de focalisation ; - la figure 3 montre de profil la lentille acoustique, ainsi que les axes de coordonnées choisis pour effectuer les calculs relatifs à la focalisation ; - la figure 4 met en évidence les différentes valeurs de distances de focalisation autorisées ; - les figures 5a et 5b représentent les signaux de commande des inverseurs du circuit de la figure 2 selon la profondeur de la région d'examen ;; - la figure 6 montre une réalisation simplifiée du circuit d'ajustement de la figure 2 - la figure 7 met en évidence 11 amélioration de résolution obtenue en utilisant la structure selon l'invention; - la figure 8 montre une variante de réalisation du circuit de la figure 2 ; - les figures 9a à 9c représentent les signaux de commande des inverseurs du circuit de la figure 8. Selon le mode préférentiel de réalisation représenté sur la figure 1, l'appareil comprend tout d'abord un réseau linéaire 20, ou barrette linéaire, d'éléments transducteurs ultrasonores individuels 20a à 20n. Ces éléments de forme rectangulaire et réalisés en matériau piézoélectrique sont équipés d'électrodes sur les faces opposées du réseau. L'une des électrodes est reliée à la masse et l'autre au signal d'excitation (cette dernière peut être une électrode individuelle par élément ou être au contraire commune à un certain nombre de ces éléments). L'épaisseur des éléments est égale à la moitié de la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail de la barrette, cette fréquence étant située par exemple dans la gamme 2-5 mégahertz pour des examens de tissus biologiques dans le domaine médical.Ces éléments transducteurs sont recouverts, sur leur face avant, d'une lentille acoustique 30 réalisée par exemple en caoutchouc silicone et dont la surface convexe est une portion de cylindre de génératrices paralleles à l'axe longitudinal du réseau. Ce réseau d'éléments transducteurs est associé d'une part à un étage d'émission 40 et d'autre part à un étage de réception 50. Un circuit d'aiguillage électronique 45 est éventuellement associé à cet étage d'émission pour éviter notamment l'aveuglement de l'étage de réception par l'étage d'émission, ou bien on peut dans le même but incorporer un circuit de protection en tête dudit étage de réception. L'étage d'émission 40 est classique et comprend par exemple un générateur d'excitation 41 fournissant les signaux électriques d'excitation aux éléments transducteurs par l'intermédiaire du circuit d'interface 45, et commandé par un circuit d'horloge de synchronisation 42. L'étage de réception 50 comprend successivement un étage 300 de détection d'enveloppe, et un étage 400 d'affichage. Enfin, un étage de focalisation 60 comprend d'une part un circuit 100 dit d'ajustement de la distance focale de la lentille acoustique 30, et d'autre part un circuit 200 de focalisation électronique, de type classique, prévus pour intervenir aussi bien à l'émis- sion qu'a la réception.Ce circuit 200 commande également le balayage linéaire d'un groupe de p éléments transducteurs sélectionnés parmi n, ou un balayage sectoriel avec les n éléments, afin de réaliser une image échographique. Le circuit d'ajustement de distance focale 100 comprend lui-même, en parallèle, n circuits 120a à 120n de commutation de lignes à retard. Chaque circuit 120 tel que celui représenté sur la figure 2 comprend deux connexions d'entrée-sortie 121 et 122 (de sortie en émission, d'entrée en réception). La connexion 121 est reliée à l'aide d'un inverseur 123 à la connexion de sortie-entrée 130 (d'entrée en émission, de sortie en réception), soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne à retard 125 selon la position de cet inverseur 123. De même, et en parallèle sur ces deux liaisons précédentes, la connexion 122 est reliée à l'aide d'un inverseur 124 à la même connexion de sortie-entrée 130, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne à retard 126 selon la position de ce deuxième inverseur 124.Par ailleurs, dans son sens longitudinal, l'électrode qui couvre la face arrière de chacun des éléments transducteurs élémentaires 20a à 20n est divisée en trois régions, à savoir une électrode centrale 21 et deux électrodes latérales 22a et 22b reliées électriquement (voir la figure 1), l'électrode centrale 21 étant reliée à la connexion 121 et les électrodes latérales 22a et 22b à la connexion 122. Le fonctionnement du dispositif de focalisation est le suivant. On rappellera au préalable que le principe de la focalisation électronique est d'affecter des retards distincts de valeur appropriée aux signaux reçus (ou émis) par les éléments transducteurs individuels d'un réseau, et, éventuellement, de faire varier ces retards pour déplacer le point de focalisation au fur et à mesure que les ondes ultrasonores progressent dans les tissus examinés ou reviennent de points de réflexion de plus en plus éloignés des transducteurs. Appliqué aux barrettes linéaires, ce principe, ici mis en oeuvre par le circuit 200 de focalisation électronique, permet de focaliser dans la direction de balayage. La focalisation dans la direction perpendiculaire à cette direction de balayage est assurée à l'aide de la lentille acoustique 30 dont la distance focale naturelle, fixe, est Fm. En choisissant par rapport à la lentille les axes de coordonnées (z,y) représentés sur la figure 3, on peut calculer pour chaque valeur de y la distance supplémentaire d(y) correspondant au retard introduit par la lentille Cette distance est par ailleurs égale à : d(y) - c.t(y) (2) où c est la vitesse ultrasonore et t(y) le temps de parcours de la distance correspondante à ladite vitesse. Si, par une correction électronique, qui est justement celle autorisée par la présence du circuit 100 d'ajustement de la distance focale mécanique, la loi de convergence est modifiée de façon que la focalisation se produise non plus en A mais maintenant au point B où z = F1 (voir la figure 3), l'expression (1) devient le signe - indiquant qu'il faut une avance sur les bords. La correction de retard ainsi introduite en passant d'une focalisation à la distance Fm à une focalisation à la distance F1 est égale à rFl(y) = (dî(y) - dm (y)) (4) c soit encore En développant au premier ordre l'expression (5) et en prenant en compte les inégalités suivantes y2 Fm2 (-6) y2 F2 (7) on obtient l'expression simplifiée y2 1 1 rFî(y) = - C- - - ) (8) 2c F F1 m Pour une focalisation qui se produirait au contraire en un point C à une distance z = F2 (voir la figure 3) supérieure à Fm, on obtient de façon similaire y2 1 1 rF2(y) = ( - ) (9) 2c F2 Fm On peut choisir F1 et F2 de façon que rF1(y) et rF2(y) soient égaux, ce qui donne 1 - 1 = 1 - 1 (10) F F1 F2 F m m ou encore 2 = 1 + 1 (11) Fm F2 F1 Lorsqu'on obtient cette expression (11), on constate donc, que, moyennant cette relation de conjugaison entre les distances focales Fm, F1, F2, associées respectivement aux points A, B, C parmi lesquels B et C sont deux pseudo-foyers situés de part et d'autre du point A correspondant au point de focalisation naturelle de la lentille, on peut utiliser les mêmes lignes à retard.On notera qu'à l'expression (11) viennent s'associer les inégalités suivantes : F1 > O, F2 > 0, F1 Fm, ainsi que 1 2 1 F2 = Fm - F1 > 0 (déduite de (11)) Cette dernière inégalité entraîne que F1 > Fm/2. L'ensemble de ces inégalités délimite finalement, dans un repère (F2/Fm, F1/Fm), le domaine où peuvent évoluer les valeurs de F1 et F2 en fonction de Fm pour que ces inégalités soient satisfaites (voir cette zone non hachurée sur la figure 4). La commande des inverseurs 123 et 124 est réalisée à l'aide d'un générateur de signaux de commande 46, lui-même relié au circuit d'horloge de synchronisation 42. Ce générateur 46 envoie vers les inverseurs 123 et 124 de chaque circuit 120 de commutation de lignes à retard deux signaux logiques S123 et S124, représentés sur les figures 5a et 5b.Pour chaque tir jusqu'à une profondeur maximale ZN, ces signaux commandent la position des inverseurs de la façon suivante - si S123 - 1, l'inverseur 123 est en position haute, et si Sl23 - 0, cet inverseur est en position basse ; - si S124 - l, l'inverseur 124 est, de même, en position haute, et si S123 5 0, cet inverseur est en position basse. La figure 6 montre dans le cas de conjugaison entre les distances focales la simplification du circuit d'ajustement de la distance focale. Cet étage, qui serait maintenant référencé 500, comprend lui-même comme précédemment n circuits 520a à 520n à commutation de ligne à retard. Chaque circuit 520 comprend deux connexions d'entrée-sortie 521 et 522, un double commutateur 523, cinq voies en parallèle dont la troisième comprend une ligne à retard 529, et une connexion unique 530 de sortie-entrée des cinq voies. Selon la position du double commutateur 523, les connexions 521 et 522 sont respectivement reliées soit aux voies 524 et 526 pour la focalisation en champ proche à la distance F1, soit aux voies 525 et 527 pour la focalisation naturelle à la distance Fm,soit aux voies 526 et 528 pour la focalisation en champ éloigné à la distance F2. Des essais ont été réalisés, dans le cas du circuit de la figure 6, avec un réseau de transducteurs dont l'électrode centrale 21 avait une largeur de 11 millimètres et les deux électrodes latérales 22a et 22b une largeur de 2,5 millimètres. La distance focale naturelle était Fm = 80 millimètres, et les distances F1 et F2 étaient respectivement égales à 54 millimètres et à 150 millimètres. Le retard apporté par la ligne à retard 529 était égal à 66 nanosecondes.La figure 7 montre alors l'amélioration très sensible de la résolution en fonction de la profondeur (l'une et l'autre exprimées en millimètres) lorsque l'appareil n'est équipé que d'une lentille mécanique simple (courbes en traits interrompus, à -20dB et à -6dB par rapport a l'intensité maximale du signal échographique à la profondeur considérée) et lorsqu'il est équipé d'une lentille mécanique corrigée conformément àI'in- vention (courbes en trait continu, à -20dB et à -6dB). Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, à partir desquels des variantes peuvent être proposes sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, l'élec- trode qui couvre la face arrière de chacun des éléments transducteurs élémentaires peut être divisée en un nombre impair de régions supérieur à trois, l'électrode centrale 21 étant alors entourée de 2m électrodes latérales symétriques reliées électriquement deux à deux, à condition que le nombre m (entier positif) reste quand même suffisamment faible pour limiter la complexité de l'appareil. Dans le cas de cinq électrodes, la réalisation de chaque circuit de commutation de lignes à retard du circuit 100 d'ajustement de la distance focale de la lentille acoustique 30 devient celle de la figure 8. Le circuit d'ajustement de distance focale, qui serait maintenant référencé 800, comprend dans ce cas n circuits de commutation de lignes à retard comprenant chacun trois connexions d'entrée-sortie 821, 822, 823. La connexion centrale 821 est reliée à l'aide d'un inverseur 824 à la connexion de sortie-entrée 830, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne à retard 827 selon la position de cet inverseur 824, et il en est de même pour les connexions intermédiaire 822 et externe 823 reliées à l'aide d'un inverseur 825 ou 826 a la connexion 830, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne à retard 828 ou 829 selon la position de l'inverseur 825 ou 826 respectivement. La commande des inverseurs 824, 825, 826 est réalisée à l'aide d'un générateur de signaux de commande 846, relié, comme l'était précédemment le générateur 46, au circuit d'horloge de synchronisation 42. Ce générateur 846 envoie vers les inverseurs 824 à 826 des signaux logiques S826, S825r S824 représentés sur les figures 9a à 9c et qui, comme précédemment, sont égaux à 1 pour des inverseurs. en position haute et à O pour des inverseurs en position basse. REVENDICATIONS 1. Appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant un réseau linéaire (20) d'éléments transducteurs ultrasonores individuels (20a) à (20n) équipés d'une électrode reliée à la masse sur leur face avant et d'une électrode commandée par un signal d'excitation sur leur face arrière, ledit réseau étant équipé d'une lentille acoustique cylindrique (30) de génératrices parallèles à l'axe longitudinal de ce réseau et étant associé à un étage d'émission (40), à un étage de réception (50) et à un étage de focalisation comprenant lui-même un circuit (200) de focalisation électronique dans le plan médian du réseau contenant l'axe longitudinal de ce réseau, caractérisé (A) en ce que l'étage de focalisation comprend un circuit (100) d'ajustement de la distance focale de la lentille acoustique, comprenant lui-même n circuits (120a) de commutation de lignes à retard ; (B) en ce que chacun desdits circuits de commutation comprend lui-même deux connexions d'entrée-sortie (121) et (122) dont la première est reliée à l'aide d'un premier inverseur (123) à la connexion de sortie-entrée (130) dudit circuit de commutation soit directement soit par 1 'intermé- diaire d'une première ligne à retard (125) selon la position de ce premier inverseur, et dont la seconde est reliée à l'aide d'un deuxième inverseur (124) à ladite connexion de sortie-entrée, soit directement soit par l'intermédiaire d'une deuxième ligne à retard (126) selon la position de ce deuxième inverseur, lesdits inverseurs étant actionnés par l'intermédiaire d'un générateur de signaux de commande (46) ;; (C) en ce que l'électrode d'excitation de chaque élément transducteur est constituée d'une électrode centrale (21) et, de part et d'autre de celle-ci, de deux électrodes latérales (22a) et (22b) reliées électriquement, l'électrode centrale étant reliée à l'une des connexions d'entrée-sortie du circuit à commutation de lignes à retard qui est respectivement associé à l'élément transducteur considéré et les électrodes latérales à l'autre desdites connexions d'entrée sortie. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les retards introduits par les première et deuxième lignes à retard (125) et (126) sont égaux. 3. Application de l'appareil selon la revendication 1 à la réalisation d'un appareil similaire caractérisé en ce que l'électrode centrale (21) est entourée de 2m électrodes latérales symétriques reliées électriquement deux à deux, en ce que chacun des circuits de commutation de lignes à retard comprend (m+l) connexions de liaison avec les éléments trans duc- teurs, reliées chacune à l'aide d'un inverseur à la connexion de liaison avec le circuit de focalisation électronique, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne à retard selon la position de l'inverseur correspondant, et en ce que l'électrode centrale est reliée à l'une desdites connexions de liaison avec les éléments transducteurs et les m paires d'électrodes latérales symétriques aux m autres connexions de liaison avec les éléments transducteurs.