Brevet FR2608417A1 — publié le 19880624

La présente invention concerne un débitmètre sanguin. Plus particuLièrement, eLle concerne un débitmètre sanguin utiLi- sant une onde ultrasonore continue et présentant un effet Doppler. Les débitmètres sanguin sont Largement utilisés dans les diagnostics relatifs aux êtres vivants, dans le domaine des ins- truments médicaux, et sont susceptibles de mesurer le volume et la distribution du sang dans un vaisseau sanguin sans mettre à nu ou couper le vaisseau sanguin. On connaît deux types de débitmètre sanguin oui utilisent un effet électromagnétique et une onde ultrasDnore et ces types de débitmètre sanguin présentent à la base La même structure qu'un débitmètre industriel. Dans un débitmètre sanguin utilisant une onde ultrasonore, L'effet Doppler est généralement utilisé pour mesurer le volume du courant sanguin. Ainsi, on peut obtenir le volume du courant sanguin en irradiant à l'aide d'une onde ultra- sonore et en mesurant le déplacement de fréquence entre l'onde réfléchie et l'onde énise. Il existe deux types d'ondes ultrasonores utilisés dans ce domaine, l'onde du type impulsion et l'onde continue. L'inven- tion se rapporte à un dispositif à onde ultrasonore du type onde continue. Le but de l'invention est de fournir un débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore amélioré présentant l'effet Doppler et procurant un signal Doppler d'une qualité élevée qui possède un rapport signal-bruit améLioré (S/N) du fait d'une réduc- tion du bruit optique. Selon l'invention, il est proposé un débitmére sanguin à onde continue ultrasonore présentant un effet Doppler, qui com- prend: un dispositif transducteur possédant un élément d'émis- sion et un élément de réception, l'élément d'émission transformant un signal d'émission électrique en un signal ultrasonore afin d'irradier un corps vivant, et l'élément de réception transformant un signal ultrasonore réfléchi en un signal de réception élec- trique; un circuit de détection fonctionnellement connecté au dis- positif transducteur afin de détecter perpendiculairement le signal de réception électrique et de déLivrer un signal de détection Doppler; un circuit de filtrage fonctionnellement connecté au cir- cuit de détection, permettant de séparer des composantes de haute fréquence du signal de détection Doppler sur la base d'une fréquence de coupure et de délivrer un signal analogique; un cir- cuit de conversion fonctionneilement connecté au circuit de fil- trage, afin de transformer le signal analogique du circuit de fiL- trage en un circuit numérique sur la base d'une fréquence d'échan- tillonnage Doppler possédant une onde continue; un circuit de transformation fonctionnellement connecté au circuit de conversion, servant à analyser le signal numérique et à obtenir un spectre de fréquence Doppler sur la base d'un procédé de transformation de Fourier; et un circuit de commande fonctionnellement connecté au circuit de filtrage, servant a commander la fréquence de coupure sur la base de la fréquence d'échantillonnage Doppler et d'une valeur de décalage de zéro décidée manuellerment. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise a donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages, elLe s'appuie sur les dessins annexes, parmi lesquels: - la figure I est un schéma de principe simplifié d'un débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore classique presentant un effet Doppler; - la figure 2 est une vue servant à expliquer ce qu'est le déplacement de fréquence de la figure 1; - la figure 3 est une vue servant à expliquer la fréquence de coupure de la figure 1; - la figure 4 est un schéma de principe général d'un débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore présentant un effet Doppler selon l'invention; - la figure 5 est une vue permettant d'expliquer ce qu'est la fréquence de coupure introduite en relation avec la figure 4; - la figure 6 est un schéma de circuit détaillé selon un mode de réalisation de l'invention, representé sur la figure 4; - la figure 7 est une vue permettant d'expliquer la reta- tion existant entre la tension de commande et la fréquence de coupure; et - la figure 8 est un schéma de principe simplifié d'un débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore présentant un effet Doppler selon un mode de réalisation de l'invention. Avant de décrire les modes de réalisation préférés, on va donner les explications relatives à un débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore classique possédant un effet DoppLer (ci-après appeLé débitmètre sanguin DcppLer). Su- la figure 1, le numéro de reférence 1 désïgne une source de signaux d'horloge pilote, 2 un premier dénultip;icateir de fréquence, 3 un amplificateur d'émission, 4 un ampLificateur ct réception, 5 une sonde, 6 un détecteur de c adrature, 7 un - passe-haut, 8 un filtre passe-bas, 9 une unité centrale de traite- ment, 10 un oeuxième dmultiplicateur de fréquence, 11 un con'er- tisseur analogique-nJmérique, 12 un dispositif pour transDrmati cn de Fourier rapide, 13 un circuit d'affichage et 14 un tube a rayz- nement cathooique. La sonde 5 est constituée par un transducteur d'ultrasons du type à fente, comorenarnt un élément d'émission 5a et un éLément de réception 5b. La sonde 5 est placée en contact avec un corps vivant (ligne à fente) lors de la mesure du débit sanguin. La source de signaux d'horloge pilote I produit un signal o'no"Loge pilote, et le signal d'horloge pilote est démultiplié par le démul- tiplicateur de fréquence 2. Le signal de fréquence démultipliée fc (sin) est appliqué à l'élément d'émission 5a via l'amplificateur d'émission 3. L'élément d'émission 5a convertit le signal de fréquence démultipliée, c'est-à-dire le signal d'émission éLec- trique, en un signal ultrasonore, et ce signal ultrasonore est ensuite transmis au corps vivant. Un signal ultrasonore réfléchi par le vaisseau sanguin est reçu par l'élément de réflexion 5b, lequel transforme le signal uLtrasonore réfléchi en un signal de réception électrique. Le signal de réception électrique est applique au détecteur de quadrature 6 via l'amplificateur de réception 4. Dans le détecteur de quadrature 6, le signal de réception élec- trique est détecté par le procédé de détection hétérodyne sur la base des signaux fc (sin) et d'un signal produit perpendiculaire fc (cos), tous deux fournis par le démultiplicateur de fréquence 2. Lorsque la différence entre le signal émis et le signal de récep- tion subit un décalage de zéro, on peut obtenir des signaux de détection Doppler (a et b) à partir du détecteur de quadrature 6. Dans ce cas, les signaux de sortie a et b sont perpendiculaires entre eux et, par conséquent, les signaux a et b sont utilisés pour distinguer entre les composantes de fréquence du côté plus et les composantes de fréquence du côté moins. La détection de quadrature est utilisée pour mesurer la vitesse du courant sanguin qui va vers la sonde 5 et qui s'éloigne de la sonde 5. Un signal de detection de quadrature (signal de détection Doppler) est appliqué au filtre passe-naut 7 et les composantes de basse fréquence sont reétées à l'aide de ce filtre 7. La fréquence de coupure du filtre 7 est décidée sur la base de la position à mesurer dans le corps vivant. Ainsi, la fréquence de coupure est fixée de manière à éliminer les composantes de basse fréquence qui sont principalement dues aux vibrations de la paroi du vaisseau sanguin. Classiquement, le filtre passe-haut 7 est constitué de plusieurs unités de filtrage, chacune des unités de filtrage étant commandées par des commutateurs analogiques sélectionnés par l'unité centrale de traitement 9. Un signal analogique transmis via le filtre passe-haut 7 est appliqué au filtre passe-bas 8. La fréquence de coupure du filtre passe-bas 8 est fixée en relation avec une fréquence d'échantillonnage Doppler Fs appliquée au convertisseur analogique- numérique 11, et les composantes de fréquence inutiles sont éli- minées à l'aide du filtre passe-bas 8. La fréquence d'échantillon- nage Doppler Fs est produite par Le deuxième démultiplicateur de fréquence 10. Le filtre passe-bas 8 est constitué de plusieurs unités de filtrage, chacune d'elles étant sélectionnées par L'unité centrale de traitement 9 en relation avec La fréquence d'échan- tiLLonnage Doppler Fs appliquée au convertisseur analopique- numérique 11. Le signal converti par le convertisseur analogique- numérique 11 est appliqué au dispositif de transformation de Fourier rapide 12 et ses signaux à base temporelle sont trans- formées en signaux à base de fréquence. Le spectre de puissance de fréquence du signal Doppler est affiché sur le dispositif d'affi- chage 14 via le circuit d'affichage 13 appliquant une modulation d'intensité. Sur la figure 2, l'ordonnée désigne l'intensité (ampli- tude), et l'abscisse désigne la quantité de déplacement de fréquence. Cette quantité de déplacement de fréquence correspond au volume (vitesse) et la distribution du courant sanguin. La fréquence de couDure du filtre passe-bas 8 est généraLemert décidée à partir de la moitié de La fréquence d'échantillonnage Doppler Fs sur la base du "théorème de Nyquist". Dans ce cas, aLors que l'aire affichée sur le tube à rayonnement cathodique est comprise entre moins Fs/2 et Fs/2 par rapport à la fréquence centrale '" lorsque la fréquence centrale subit un déplacement à partir de "0' au fait de la valeur de décalage de zéro Zr qui est due à une vitesse de courant sanguin plus élevée, la nouvelle aire d'affichage se retrouve entre (-Fs/2 - Zr) et (Fs/2 + Zr). Initialemert, la valeur de décalage'de zéro Zr est fixée manuellement et est cor- mandée par l'unité centrale de traitement 9 par modificatior- d'une adresse de début de lecture du spectre de fréquence analysé par le dispositif de transformation de Fourier rapide 12. Sur la figure 2, ba et bc désignent des signaux sanguin, et ns désigne un signaL parasite. Comme cela résulte clairemeht du dessin, le signal san- guin ba peut être affiché sur le tube à rayonnement cathodique du fait que ce signal ba se trouve dans l'étendue correspondant à la fréquence de coupure Fs/2 du filtre passe-bas 8. Toutefois, le signal sanguin bc ne peut pas être affiché sur le tube à rayonne- ment cathodique, puisque ce signal bc se trouve à l'extérieur de la fréquence de coupure Fs/2. Sur la figure 3, la fréquence de coupure du filtre passe- bas 8 est fixée de manière nouvelle à la même fréquence que la fréquence d'échantillonnage Doppler Fs. Ainsi, on fixe la nouvelle fréquence de coupure Fs sur la base du fait que le maximum de la valeur de décalage de zéro en Zr peut être modifié entre Fs/2 et -Fs/2. Ainsi, le signal peut être laissé passer entre -Fs et Fs. Dans ce cas, comme indiqué par les flèches, les compo- santes de signal se trouvant entre Fs/2 et Fs peuvent être "repliées", c'est-à-dire ramenées, sur l'aire comprise entre -Fs/2 et O, et les composantes de signal se trouvant entre -Fs/2 et O peuvent également être repliées sur l'aire comprise entre Fs/2 et Fs. De la même façon, les composantes de signal se trouvant entre -Fs et -Fs/2 peuvent être repliées, c'est-à-dire ramenées, sur l'aire comprise entre O et Fs/2. Le pliage ci-dessus indiqué peut être effectué sur la base d'un "phénomène de pliage" de la trans- formée de Fourier rapide 12 sur la fréquence d'échantillonnage Doppler Fs. On note que le "phénomène de pliage" est un procédé d'analyse bien connu effectué pour la transformée de Fourier. Ainsi, on omettra dans donner, dans cette description, une expli- cation détaillée. Ainsi, les composantes de signal se trouvant sur l'aire comprise entre -Fs/2 et Fs/2 peuvent être détectées à l'aide de la fonction de décalage de zéro utilisant le "phénomène de pliage". Inversement, lorsque le décalage de zéro n'est pas effectué, les composantes de signal inutiles comprises entre -Fs et -Fs/2 et entre Fs/2 et Fs, sont également appliquées. Ainsi, le bruit thermique (ligne en traits inclinés de la figure 3) se super- pose également au signal Doppler, si bien que le rapport signal- bruit devient plus mauvais. Dans ce cas, le bruit thermique dépend des composantes de résistance des transducteurs 5a et 5b, et ce bruit est propre aux composantes de résistance et ne peut pas être éliminé. On va présenter de manière détaillée ci-après un débit- mètre sanguin Doppler à onde continue ultrasonore selon l'inven- tion. Sur la figure 4, la référence 8A désigne un filtre passe- bas selon l'invention, et un schéma de circuit détaillé d'un mode de réalisation est présenté sur la figure 6. La référence 15 désigne un circuit de commande de fréquence selon l'invention, et un schéma de principe détaillé d'un mode de réalisation est égale- ment présenté sur la figure 6. Ce nouveau filtre passe-bas 8A rem- place le filtre passe-bas 8 classique représenté sur la figure 1. De plus, le circuit de commande de fréquence 15 est placé entre l'unité centrale de traitement 9 et le fiLtre passe-bas 8A. La fréquence de coupure Fn du filtre passe-bas 8A est variable et est commandée par un signal de commande Fn venant du circuit de com- mande de fréquence 15 sur la base de la valeur de décalage de zéro Zr et de la fréquence d'échantillonnage Doppler Fs de l'onde con- tinue. Ainsi, alors qu'un élément principal fixant la fréquence de coupure est donné uniquement par la fréquence d'échanti!lonnage Doppler à onde continue Fs dans le procédé classique, elle est donnée par la fréquence d'échantillonnage Doppler à onde continue Fs et la valeur de décalage de zéro Zr selon l'invention. Sur la figure 5, la fréquence de coupure Fm est donnée dans l'équation suivante. Fm = Fs/2 + Zrl o IZrI est La valeJr absolue de la valeur de décalage de zéro. Comme cela résulte clairement de la formule ci-dessus, la fréquence de coupure Fm varie enr fonction de la valeur de décalage de zéro Zr dans l'étendue comprise entre Fs/2 et Fs. On peut éLiminer le bruit thermique de la fréquence de coupure Fm, comme indiqué par la ligne en traits inclinés. Sur la figure 6, alors que le filtre passe-bas est repré- senté par le côté correspondant à un seul canal, deux canaux sont en réalité nécessaires, puisque les signaux de sortie du détecteur de quadrature 6 sont les signaux perpendiculaires a et b. Toute- fois, on omet le côté de L'autre canal pour simplifier les expli- cations. R1 désigne une résistance d'entrée, R2 et R3 des résis- tances de circuits d'intégration, R4 et R5 des résistances de réac- tion, C1 et C2 des condensateurs de circuits d'intégration, C3 un condensateur de réaction, 80 un amplificateur opérationnel (OP), 81 et 83 des atténuateurs à commande par tension (PA), et 82 et 84 des amplificateurs tampons (BUF). Chaque atténuateur à commande par tension 81, 83 est constitué par une résistance variable, et le courant d'entrée est atténué par le gain qui correspond à la tension de commande venant du circuit de commande de fréquence 15. 2608 4 17 Le circuit de commande de fréquence 15 est constitué par des registres 150 et 151, une mémoire morte programmable effaçable (EPROM) 152, et un convertisseur numérique-analogique (D/A) 153. Chaque registre 150, 151 emmagasine temporairement la valeur de décalage de zéro Zr de six bits et la fréquence d'échantillonnage Doppler à onde continue Fs de six bits, toutes deux étant appliquées en provenance de l'unité centrale de traitement 9. La mémoire EPROM 152 emmagasine une tension numérique permettant de fixer la fréquence de coupure Fm dans le filtre passe-bas 8A cor- respondant à la valeur de décalage de zéro Zr et à la fréquence d'échantillonnage Doppler à onde continue Fs. Le convertisseur numériqueanalogique 153 convertit la tension numérique de huit bits en une tension analogique et la délivre aux atténuateurs a commande par tension 81 et 83. Les explications concernant ces circuits vont être données en détail en relation avec la figure 7. Sur la figure 7, l'ordonnée G désigne le gain et l'abscisse Fm la fréquence de coupure. Le filtre passe-bas 8A com- prend des circuits d'intégration à deux étages, chacun connecté à l'atténuateur (81 et C1, 83 et C2). Chacun des circuits d'intégra- tion est commandé par les boucles de réaction via les résistances de réaction R4 et R5. Le circuit d'intégration possède ordinaire- ment une fonction de filtrage et, par conséquent, le filtre passe- bas 8A possède également une fonction de filtrage consistant à laisser passer la basse fréquence en fonction de la commande exercée par la tension d'entrée appliquée aux atténuateurs à com- mande par tension 81 et 83. La valeur de décalage de zéro Zr et la fréquence d'échan- tillonnage Doppler à onde continue Fs sont fixées manuellement sur un panneau de commande (non représenté). L'unité centrale de trai- tement 9 fixe ces valeurs et les fournit aux registres 150 et 151. La fréquence de coupure Fm est fixée sur la base de la formule ci- dessus relative à la valeur Zr et à la fréquence Fs se trouvant dans la mémoire EPROM 152. La mémoire EPROM 152 délivre la tension numérique correspondant à la fréquence de coupure Fm, et la tension numérique de sortie est convertie en une valeur analogique dans le convertisseur numérique-analogique 153. La tension analogique est délivrée aux atténuateurs à commande par tension 81 et 83 comme tension de commande Vc. Par conséquent, comme représenté sur la figure 7, le gain G est ajusté sur une valeur constante G1 lorsque la tension de com- mande Vc augmente, comme indiqué par la fLèche. La fréquence de coupure Fm prend les valeurs des fréquences Fm1, Fm2 et Fm3 en cor- respondance avec les variations de la tension de commande Vc. Par conséquent, puisqu'il est possible de fixer la bande passante cor- respondant à la valeur de décalage de zéro Zr et à la fréquence d'échantillonnage Doppler à onde continue Fs dans le filtre passe- bas 8A, il est également possible d'obtenir un signaL Doppler ayant un rapport signal-bruit amélioré duquel le bruit thermique inutile a été éliminé. Par conséquent ce bruit thermique inutile n'est pas con- tenu dans le signal de détection Doppler apparaissant sur le tube à rayonnement cathodique d'affichage comme représenté sur la figure 5, et la fonction de décalage de zéro peut être naintenue,si bien ou'il est possible de mesurer facilement la vitesse et la distribution du courant sanguin afin d'obtenir un diagnostic très précis sur le corps vivant. Dans le mode de réalisation ci-dessus, alors que le cir- cuit de commande de fréquence 15 est prévu à un étage externe de l'unité centrale de traitement 9, il est possible d'insérer cette fonction sous forme d'un circuit dans l'unité centrale de traite- ment 9. De plus, il est possible de prévoir plusieurs filtres cor- respondant à la fréquence d'échantillonnage Fs au lieu du filtre passe-bas 8A permettant de modifier la fréquence de coupure. Sur la figure 8, Le circuit de commande de fréquence 15 est connecté en série entre l'unité centrale de traitement 9 et le filtre passe-bas 8, de la manière présentée sur la figure 4. Puisque les opérations effectuées dans ce schéma de principe peuvent être rapportées à la description précédente, on omettra d'en donner une description. Bien entendu, L'homme de L'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nuLLement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore présen- tant un effet Doppler, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen transducteur (5) possédant un élément d'émission (5a) et un élément de réception (5b), ledit élément d'émission transformant un signal d'émission électrique en un signal ultra- sonore afin d'irradier un corps vivant, et ledit élément de réception transformant le signal ultrasonore réfléchi en un signal de réception électrique; ur moyen de détection (6) fonctionnellement connecté audit moyen transducteur, afin de détecter perpendiculairement ledit signal de réception électrique et de délivrer un signal de détection Doppler; un moyen de filtrage (8A) fonctionnellement connecté audit moyen détecteur, afin d'éliminer des composantes de haute fréquence dudit signal de détection Doppler sur la base d'une fréquence de coupure et de délivrer un signal analogique; un moyen de conversion (11) fonctionnellement connecté audit moyen de filtrage, afin de convertir ledit signal analogique dudit moyen de filtrage en un signal numérique sur la base d'une fréquence d'échantillonnage Doppler possédant une onde continue; un moyen de transformation (12) fonctionnellement con- necté audit moyen de conversion, afin d'analyser ledit signal numé- riaoue et d'obtenir un spectre de fréquence Doppler sur la base d'une méthode de transformation de Fourier; et un moyen de commande (15) fonctionnellement connecté audit moyen de filtrage, afin de commander ladite fréquence de cou- pure sur la base de ladite fréquence d'échantillonnage Doppler et d'une valeur de décalage de zéro manuellement décidées. 2. Débitmètre sanguin à onde continue ultrasonore présen- tant un effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de commande comprend: un premier registre (150) servant à emmagasiner temporairement ladite valeur de décalage de - zéro; un deuxième registre (151) servant à emmagasiner temporai- rement ladite fréquence d'échantillonnage Doppler possédant l'onde continue; une mémoire morte programmable effaçable (152) fixant ladite fréquence de coupure sur la base de ladite valeur de déca- lage de zéro et de ladite fréquence d'échantillonnage Doppler, et emmagasinant une tension numérique de ladite fréquence de coupure; et un convertisseur numérique-analogique (153) servant à convertir ladite tension numérique en une tension analogique.