Brevet FR2593919A1 — publié le 19870807

APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE La présente invention concerne un appareil d'exa- nien de milieux par échographie ultrasonore comprenant une structure transductrice ultrasonore associée à un étage d'émission, pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers le milieu à explorer, et à un étage de réception et de trai- tement, pour la réception et le traitement des signaux écho- graphiques renvoyés vers ladite structure transductrice par les obstacles rencontrés par les ondes émises. Le but de l'invention est de proposer un appareil d'examen par échographie ultrasonore dans lequel il est possible d'adapter de façon très simple les caractéristiques électriques des circuits à la fréquence de travail, et ce dans une large gamme de fréquences, d'au moins une octave par exemple. A cet effet, l'invention concerne un appareil ca- ractérisé en ce que la structure transductrice ultrasonore est un transducteur monoélément à large bande, en ce que ce trans- ducteur est précédé d'un circuit d'adaptation électrique com- posé de n voies en parallèle et de deux circuits de commuta- tion à n positions placés à chaque extrémité de ces voies pour en sélectionner une seule selon la fréquence de travail choi- sie, en ce que chacune de ces voies du circuit d'adaptation électrique comprend un filtre adapté à ladite fréquence de travail, et en ce que l'étage d'émission et l'étage de récep- tion et de traitement sont également adaptés à cette fréquence de travail. Dans un deuxième mode de réalisation, l'invention concerne un appareil caractérisé en ce que la structure trans- ductrice ultrasonore est une barrette de transducteurs ultra- sonores élémentaires associée à un circuit de commande de l'ouverture de ladite barrette, à un circuit d'aiguillage et à -2- p voies en parailblèle pour l'introduction des retards en vue de la focalisation à l'émission, en ce que ladite barrette et ces éléments associés sont précédés d'un circuit d'adaptation électrique composé de n voies en parallèle et de deux cir- cuits de commutation à n positions placés à chaque extrémité de ces voies pour en sélectionner une seule selon la fréquence de travail choisie, en ce que chacune de ces voies du circuit d'adaptation électrique comprend un filtre adapté à ladite fréquence de travail, et en ce que l'étage d'émission et l'étage de réception et de traitement sont également adaptés à cette fréquence de travail. De tels appareils multifréquences sont avantageux en ce sens que, tout en conservant la même structure transduc- trice avec sa même ouverture et sa même distance focale, il est possible de modifier la pénétration ultrasonore et la ré- solution latérale par un simple changement de fréquence de travail. Une telle propriété ouvre la voie, en imagerie écho- graphique, à la réalisation de diagnostics plus complets, ef- fectués d'abord en profondeur puis en surface (ou à faible profondeur) avec la même structure transductrice. Inversement, en employant des structures trans- ductrices distinctes avec des ouvertures et des résolutions latérales respectivement différentes mais à focale et à fré- quence de travail constantes, la présence des circuits d'adap- tation permet d'obtenir des images construites à partir de si- gnaux dont les caractéristiques spectrales (fréquence centrale et bande passante), pouvant être réajustées, sont identiques ou très similaires, Enfin, l'utilisation de l'invention est également avantageuse pour obtenir simplement et rapidement des informa- tions échographiques à partir de signaux de fréquence centrale du spectre f et de signaux de fréquence centrale du spectre 2f et en bénéficiant d'une possibilité d'ajustement de l'empla- cement de cette octave de fréquences de travail. Une telle solution est en effet intéressante pour l'exploitation du -3- paramètre B/A de la dispersion de la vitesse de propagation des ondes en acoustique non linéaire o, pour une émission à une fréquence déterminée, peuvent être reçus des signaux à la fréquence double de celle-ci. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus précise dans la descrip- tion qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - les figures la et lb montrent les éléments es- sentiels d'une chaîne acoustique d'émission-réception de si- gnaux ultrasonores, la figure la concernant l'émission et la figure lb la réception; - la figure 2 met en évidence, sur une courbe re- présentative de l'évolution du module du spectre de transfert intrinsèque émission-réception de la structure transductrice, différentes fréquences de coupure utiles pour la compréhension de l'invention, et montre également deux exemples de courbe du module du spectre de transfert de liaison électrique pour deux cas de valeurs des paramètres des éléments électriques parti- cipant audit transfert; - les figures 3 et 5 montrent deux modes de réa- lisation de l'appareil selon l'invention; - la figure 4 montre un exemple de réalisation de circuit d'adaptation conforme à la présente invention. La chaîne acoustique représentée sur les figures la (émission) et lb (réception) comprend essentiellement un générateur de signaux électriques d'excitation 10, d'impédance de sortie 20, fournissant lesdits signaux à un transducteur 40 par l'intermédiaire d'un premier circuit d'adaptation élec- trique 30. Le transducteur 40 fonctionne en mode émetteur. Un transducteur de réception 50, ou éventuellement le même trans- ducteur que précédemment mais fonctionnant en mode récepteur, reçoit les signaux échographiques (les ondes ultrasonores ren- voyées vers le transducteur de réception) et fournit des signaux électriques correspondants à une charge 70 par -4- l'intermédiaire d'un deuxième circuit d'adaptation électrique 60. Cette charge 70 est soit l'impédance électrique d'une charge d'exploitation, soit l'impédance d'entrée d'un préam- plificateur placé en tête d'une voie de traitement. En adoptant les notations suivantes: Eo(t) = tension électrique aux bornes du générateur de signaux d'excitation 10; Vs(t) = tension électrique aux bornes de la charge 70 (au lieu de prendre cette tension comme signal de sortie, on pourrait également prendre comme tel le courant Is(t) traversant cette charge); t = le temps; TE(t) = réponse impuisionnelle de l'ensemble du filtre de liaison électrique en mode émetteur, ce fil- tre étant constitué de l'association en série de l'impédance de sortie 20 du générateur de si- gnaux d'excitation, du premier circuit d'adap- tation électrique 30 et de l'impédance ZT du transducteur en mode émetteur; TR(t) = réponse impulsionnelle duale de la précédente c'est-àdire de l'ensemble du filtre de liaison en mode récepteur, ce filtre étant de façon si- milaire constitué de l'association en série de l'impédance ZT du transducteur en mode récep- teur, du deuxième circuit d'adaptation élec- trique 60 et de l'impédance Zc de la charge 70; hE(t) = réponse impuisionnelle intrinsèque du transduc- teur en mode émetteur (c'est-à-dire la force acoustique engendrée en réponse à une excitation électrique du type impulsion de Dirac à l'entrée du transducteur); hR(t) = de façon similaire, réponse impulsionnelle in- trinsèque du transducteur en mode récepteur; prop(t) = P(t) = réponse impulsionnelle de l'opérateur de propagation, ledit opérateur prenant en compte l'ensemble du phénomène de propaga- tion du champ acoustique dans le milieu de propagation, c'est-à-dire la diffraction, la diffusion, etc...; on peut alors écrire l'expression de convolution suivante: Vs(t) = TR(t)*hR(t)*P(t)*hE(t)*TE(t)*Eo(t) (expression (1)) Dans le domaine de Fourier, cette relation de convolution devient: VS(jw): TR(j w).hR(j O),P(jw).hE(jw) TE(j w).Eo(j w) (expression (2)) ou encore, sous la forme d'une fonction de transfert: Vs(w) = TR(jw).TE(j w).hR(jw).hE(j w).P(jw) Eo (j w) (expression (3)) Dans cette expression (3), P(j w) représente le transfert de propagation, TR(j w).TE(j w) le transfert global de liai- son électrique, et hR(j W).hE(j w) le transfert intrin- sbque de transduction. A la propagation près, le transfert global de transduction est donc exprimé par l'ensemble de l'expression: TR(j W). TE(j w(j w)hRj w).hE(jw) (4) Ainsi le module du spectre de la réponse impulsionnelle du transfert global de transduction est égal au produit du module du spectre de transfert de liaison électrique par le module du spectre de transfert intrinsèque de transduction: |TR(U w).TE(j W) |. |hR(j W)-hE(j W) (5) Les modules de TE(j W) et de TR(j w) peuvent être par exemple des modules de systbmes du second ordre (c'est-à- dire exprimés par une fraction rationnelle en w qui présente un polynôme en w du second degré au dénominateur), permettant d'obtenir un effet de résonance. Les systèmes du second ordre peuvent être obtenus simplement à partir de circuits R L C. Si CO est la capacité du transducteur et R et L les valeurs -6- globales respectivement des éléments résistifs et inductifs du filtre de liaison constitué pour l'adaptation de l'étage d'émission au transducteur, on peut écrire: J COW TE(J) =.1 (6) R+jLci(6 E R + i L é;) + O J CoW ou encore, en multipliant par j CO w numérateur et dénomina- teur: TE(j >) = (7) J RCow - L COW + 1 En ajustant L, on ajuste donc la valeur de la fréquence propre et donc, par suite, la fréquence de travail du transducteur. En ajustant R, on détermine la qualité de la résonance, d'au- tant plus pointue que R est faible, et donc la largeur de bande du filtre de liaison du second ordre ainsi constitué. De même, dans le cas d'un filtre de liaison de même type utilisé pour l'adaptation du transducteur à l'étage de réception, on peut écrire: R T R(j W) = 1 (8) JCT= + j L +R ou encore: j RCo00 TCW iRC0J(9) TR(J j) = 1 + jRC W - LC0 W ce qui conduit aux mêmes conclusions quant aux rôles de L et R dans le filtre de réception. Le produit TE.TR est alors exprimé par: jRCow TE(j ) = (1 + jRC w - LCw2)2 (10) dont le dénominateur a pour module: (1 - LCow 2)2 + R2C2 W 2 o0 -7- module qui est minimal pour: L= = CO w 2 o o (w o étant la pulsation qui correspond à une fréquence de tra- vail. souhaitée prise à l'intérieur de la bande passante in- trinsèque du transducteur). On peut donc connaître la valeur d'inductance à adopter pour obtenir une fréquence de travail déterminée. Le choix de R permet ensuite le réglage de la lar- geur Awdu spectre à -6 dB. On a en effet, j étant le coeffi- cient de qualité: L 0 w R 6c d'o: w R/L. Conformément à l'invention, on choisit donc un transducteur intrinsèquement de large bande de fréquence et l'on considère un transfert de liaison électrique de bande plus étroite mais dont on peut faire varier de façon continue les caractéristiques spectrales c'est-à-dire la fréquence cen- trale fo et la largeur de bande relative à -20 dB. Par trans- ducteur intrinsèquement de large bande, on entend un trans- ducteur pour lequel on a: f - f+ c(-20dB) c(-20dB) > 1 (11) fc(-20dB) f+ et f- étant les fréquences de coupure supé- c(-2OdB) c(-2OdB) rieure et inférieure a -20dB et fc(-2OdB) représentant la demi-somme de ces fréquences de coupure supérieure et infé- rieure. Un exemple de transducteur satisfaisant à cette con- dition (11il) est obtenu par exemple si f+ t f- c(-20dB) c(-20dB) sont égales respectivement à 7,5 et 2,5 mégahertzo La figure 2 donne un exemple de représentation de ces différentes fréquences sur une courbe du module du spectre de transfert intrinsèque de transduction, à l'intérieur de -8- laquelle sont aussi représentés deux exemples de courbes du module du spectre de transfert de liaison électrique pour deux cas distincts de valeurs des paramètres des éléments électri- ques qui participent audit transfert de liaison, c'est-à-dire pour deux valeurs distinctes de la fréquence centrale fo. Selon l'invention, on peut, sur la figure 2, passer de l'une de ces deux courbes-exemples à l'autre, et, d'une manière générale, de n'importe quelle courbe de module du spectre de transfert de liaison électrique à n'importe quelle autre également comprise à l'intérieur de la courbe du module du spectre de transfert intrinsèque de transduction, simplement en opérant une variation continue, ou au moins pro- gressive, des paramètres des éléments électriques. Une telle variation correspond à des réponses de transduction de fré- quences centrales fo du spectre de la réponse impulsionnelle différentes, et donc à des fréquences de travail différentes. L'appareil de mise en oeuvre de la présente in- vention comprend alors, dans le mode de réalisation préféren- tiel représenté sur la figure 3, un transducteur ultrasonore monoélément 100, tel que ceux utilisés dans les échographes de type B manuels ou à balayage mécanique sectoriel et auquel sont associés d'une part un étage 200 d'émission répétée d'ondes ultrasonores vers le milieu à explorer et d'autre part un étage 300 de réception et de traitement des signaux écho- graphiques renvoyés vers le transducteur par les obstacles rencontrés par ces ondes ultrasonores. Un circuit d'aiguillage non représenté et de type bien connu peut être interposé entre le transducteur 100, l'étage d'émission 200 et l'étage de ré- ception 300, pour éviter notamment l'aveuglement de ce dernier par l'étage d'émission. L'étage de réception et de traitement 300 est également de type classique et ne sera donc pas décrit davantage (on peut simplement rappeler qu'il comprend essen- tiellement des circuits assurant les fonctions de préam- plification, mise en forme, contrôle automatique de gain en fonction du temps, visualisation et/ou mémorisation). -9- Le transducteur 100, commun aux fonctions d'émission et de réception dans le cas présent, est un trans- ducteur large bande. De tels transducteurs sont connus notam- ment de la thèse de Doctorat de l'Université de R.H. Coursant, "Nouveaux matériaux piézoélectriques pour transducteurs ultra- sonores", soutenue le 19 juin 1984 à l'Université Pierre et Marie Curie, à Paris, et qui décrit différents types de trans- ducteurs à plusieurs couches interférentielles d'adaptation acoustique sur la face avant, dites couches X/4. Des trans- ducteurs correspondant à cette exigence de bande passante sont également connus de la demande de brevet français N 8308785 précédemment déposée par la demanderesse, qui dé6rit un transducteur utilisable dans le cas de la présente invention, ou encore de la demande de brevet français N 8313986 égale- ment déposée par la demanderesse et décrivant un transducteur symétrique et une variante de celui-ci qui conviennent pour la présente application. Quel que soit le transducteur utilisé, il est préférable, pour une mise en oeuvre intéressante de l'invention, que la largeur de bande soit au moins de 100 % (voir l'inégalité (11)), une valeur de 150 % convenant très bien. L'étage d'émission 200 comprend une structure du type classique, puisqu'il comprend essentiellement un circuit d'horloge et de séquencement ainsi qu'un circuit de génération de signaux électriques d'excitation du transducteur. On préci- sera cependant que le spectre de ces signaux doit être accor- dable sur la fréquence de travail, susceptible de varier, à moins que ces signaux ne soient composés d'impuisions minces du type Dirac, à spectre suffisamment large pour couvrir la- dite gamme de variation de la fréquence de travail. Conformément à l'invention, le transducteur 100 est précédée d'un circuit d'adaptation électrique 400 qui, comme le montre la figure 4, est composé de n voies en pa- rallèle 410a, 410b,etc... et de deux circuits de commutation 510 et 520 à n positions, ces deux circuits pouvant être -10- éventuellement jumelés à l'intérieur d'un même connecteur 500 non représenté, et le nombre n étant égal à 5 dans le mode de réalisation de la figure 4. La borne commune du circuit de commutation 510 est reliée à la sortie du circuit de généra- tion de signaux électriques de l'étage d'émission 200, et celle du circuit de commutation 520 au transducteur 100. Cha- cune des n voies (ici, des cinq voies) en parallble comprend un circuit RL calculé pour une fréquence de travail détermi- née, les valeurs de R et de L retenues dans l'exemple décrit étant les suivantes: - R = 56 ohms et L = 2,8 microhenrys pour fo = 3 MHz; - R = 33 ohms et L = 1,6 microhenry pour fo = 4 MHz; - R = 23 ohms et L = 1 microhenry pour fo = 5 MHz; - R = 18 ohms et L = 0,7 microhenry pour fo = 6 MHz; - R = 15 ohms et L = 0,5 nicrohenry pour fo = 7 MHz. De telles valeurs sont liées à la valeur de la capacité de transducteur 100. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, on peut proposer des variantes de réa- lisation de ce circuit d'adaptation électrique convenant pour des transducteurs de capacité différente. On a pu en effet vouloir, tout en conservant approximativement les mêmes carac- téristiques de bande passante, utiliser des transducteurs d'ouvertures différentes et donc de valeurs de capacité dif- férentes. Dans ce cas, il faut, on l'a vu, accorder pour cha- que transducteur, le spectre des signaux d'excitation, à moins que celuici ne soit déjà à large bande. Il est important, en tout cas, que les circuits d'adaptation aient une structure modulaire permettant la substitution de l'un à l'autre selon le transducteur choisi. Dans le premier cas d'un accord spécifique du spectre des signaux d'excitation, il est avantageux, pour évi- ter d'éventuels réglages en deux endroits distincts de l'appa- reil selon l'invention, que le connecteur 500 soit renvoyé également au niveau du circuit de génération de signaux d'ex- citation comprenant alors un deuxième circuit d'adaptation, le -11- connecteur 500 comprenant là un troisième circuit de commuta- tion 530 pour l'adaptation dudit circuit à la sélection de la fréquence de travail. De même, le connecteur 500 peut com- prendre un quatrième circuit de commutation 540 situé dans l'étage de réception et de traitement 300 et permettant la sé- lection du filtre de réception du préamplificateur en corres- pondance à celle de la fréquence de travail. Enfin, il est intéressant de rendre automatique la commande de sélection de la fréquence de travail en prévo- yant un circuit de commutation générale assurant la commande automatique du choix de ladite fréquence et la position des circuits de commutation du connecteur 500. Il peut être avan- tageux également de remplacer les circuits R L -associés à la capacité de la structure transductrice- des n voies en paral- lèle du circuit d'adaptation électrique 400 par des filtres plus sélectifs, par exemple par des filtres du troisième ou du quatrième ordre. Dans une variante de réalisation de l'appareil selon l'invention, représentée maintenant sur la figure 5, on prévoit cette fois non plus un transducteur monoélément mais un transducteur multiéléments, par exemple une barrette li- néaire de transducteurs ultrasonores à balayage séquentiel, ou même à balayage sectoriel (barrette de phase). Comme précé- demment, l'étage d'émission 200 est de structure classique, avec la même exigence relative au spectre des signaux d'exci- tation électrique. La barrette linéaire de transducteurs 600 est précédée d'un circuit de commande d'ouverture 610 compre- nant de façon classique les commutateurs de sélection des transducteurs ultrasonores élémentaires et définissant donc l'ouverture de la barrette. Entre la sortie de l'étage d'émission 200 et ce circuit de commande d'ouverture 610 sont prévus successivement un circuit d'adaptation électrique 700 composé comme précédem- ment d'autant de voies en parallèle que de fréquences de tra- vail souhaitables et de deux circuits de commutation à n posi- -12- tions, éventuellement jumelés dans un même connecteur, pour la sélection manuelle ou automatique, de ladite fréquence de travail, et p voies en parallèle 710a à 710p comprenant cha- cune une ligne à retard 720 pour la focalisation des signaux, ces p voies (p correspondant à l'ouverture de la barrette) se poursuivant jusqu'au circuit de commande d'ouverture 610 par l'intermédiaire d'un circuit d'aiguillage 730 (pour la sépara- tion des modes de fonctionnement émission ou réception comme déjà vu précédemment). L'étage de réception et de traitement 300 com- prend, en sortie du circuit d'aiguillage 730, p voies 810a à 810p composées elles-mêmes en série, de façon connue, de pré- amplificateurs 820 et de lignes à retard 830 pour la focalisa- tion, la sortie de ces lignes étant reliées aux p entrées d'un sommateur 840 pouvant inclure le circuit de contrôle automa- tique de gain en fonction du temps. Conformément à l'inven- tion, l'étage 300 comprend également, en sortie du sommateur, un deuxième circuit d'adaptation électrique 900 composé de la même manière que précédemment de circuits R L C en parallèle, choisis directement en fonction des fréquences de travail, et de circuits de commutation basculant d'une manière synchronisée avec le basculement des circuits de commutation associés au circuit d'adaptation 700. L'étage 300 comprend enfin, en sor- tie de ce deuxième circuit d'adaptation électrique 900, les circuits classiques de mise en forme et de visualisation et/ou mémorisation déjà cités. Une variante de ce mode de réalisation peut être obtenue par exemple en remplaçant le circuit d'adaptation électrique 700 par p circuits d'adaptation en parallèle situés en aval des lignes à retard à l'émission 720, respectivement entre la sortie de ces lignes et l'entrée correspondante du circuit d'aiguillage 730, ou bien encore en remplaçant le cir- cuit d'adaptation électrique 900 par p circuits d'adaptation en parallèle situés en amont du sommateur 840, de préférence entre la sortie des lignes à retard à la réception 830 et -13- l'entrée correspondante du sommateur, notamment dans le cas de réalisations intégrées. Les autres variantes de réalisation citées précédemment sont également applicables dans le cas de ces réalisations avec barrettes. 3n -14- REVENDICATION: 1. Appareil d'examen de milieux par échographie ul- trasonore comprenant une structure transductrice ultrasonore associée à un étage d'émission pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de récep- tion et de traitement pour la réception et le traitement des signaux échographiques renvoyés vers ladite structure par les obstacles rencontrés par les ondes émises, caractérisé en ce que la structure transductrice ultrasonore est un transducteur O10 monoélément à large bande, en ce que ce transducteur est pré- cédé d'un circuit d'adaptation électrique composé de n voies en parallèle et de deux circuits de commutation à n positions placés à chaque extrémité de ces voies pour en sélectionner une seule selon la fréquence de travail choisie, en ce que chacune de ces voies du circuit d'adaptation électrique com- prend un filtre adapté à ladite fréquence de travail, et en ce ment sont également adaptés à cette fréquence de travail. 2. Appareil d'examen de milieux par échographie ul- trasonore comprenant une structure transductrice ultrasonore associée à un étage d'émission pour l'émission répétée d'ondes ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de récep- tion et de traitement pour la réception et le traitement des signaux échographiques renvoyés vers ladite structure trans- ductrice par les obstacles rencontrés par les ondes émises, caractérisé en ce que la structure transductrice ultrasonore est une barrette de transducteurs ultrasonores élémentaires associée à un circuit de commande de l'ouverture de. ladite barrette, à un circuit d'aiguillage et à p voies en parallèle pour l'introduction des retards en vue de la focalisation à l'émission, en ce que ladite barrette et ces éléments associés sont précédés d'un circuit d'adaptation électrique composé de n voies en parallèle et de deux circuits de commutation à n positions placés à chaque extrémité de ces voies pour en sé- lectionner une seule selon la fréquence de travail choisie, -15- en ce que chacune de ces voies du circuit d'adaptation électrique comprend un filtre adapté à ladite fréquence de travail, et en ce que l'étage d'émission et l'étage de réception et de traitement sont également adaptés à cette fréquence de travail. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étage d'émission comprend un généra- teur de signaux électriques d'excitation à spectre au moins égal à celui de la structure ultrasonore. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux circuits de commutation sont jumelés à l'intérieur d'un même connecteur, en ce que l'étage d'émission comprend un deuxième circuit d'adaptation associé à un troisième circuit de commutation du connecteur pour l'adap- tation dudit étage d'émission à la fréquence de travail, et en ce que le connecteur comprend dans l'étage de réception et de traitement un quatrième circuit de commutation pour l'adapta- tion du filtre de réception à la fréquence de travail. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande auto- matique de la fréquence de travail couplé aux circuits de com- mutation des circuits d'adaptation.