Brevet FR2616914A1 — publié le 19881223

DISPOSITIF D'ANALYSE PAR ULTRASONS La présente invention se rapporte à un dispositif d'analyse par échographie et par débitmétrie ultrasonores. Les applications industrielles et médicales des ultrasons font en grande partie appel aux techniques d'échographie et de débitmétrie. Les analyses par échographie et par débitmétrie sont traditionnellement réalisées au moyen de dispositifs différents et séparés. L'échographie traditionnelle utilise des signaux électriques impulsionnels. Ces impulsions sont appliquées à un transducteur piézo-électrique, ou sonde, qui émet en réponse une onde ultrasonore dans le milieu à explorer. Cette onde est réfléchie ou diffusée dans le milieu s'il présente des variations d'impédance acoustique, puis est captée par un transducteur piézo-électrique récepteur qui la transforme en un signal électrique de retour. Dans le cas le plus courant où il s'agit d'une onde réfléchie, le transducteur récepteur est le même que le transducteur émetteur. Ce signal électrique de retour est. alors analysé dans le domaine temporel en vue d'obtenir la réponse impulsionnelle acoustique du milieu. Un transducteur piézo-électrique est un organe résonant, de sorte que sa courbe de réponse Amplitude/Fréquence est celle d'un filtre passe-bande dont la bande passante est centrée sur la fréquence de. résonance Fo de ce transducteur. Comme la courbe Amplitude/Fréquence du signal impulsionnel émis est en grande partie incluse dans le domaine des basses fréquences, c'est-à-dire en dehors de la bande de fréquences du transducteur, il s'ensuit qu'une partie relativement - importante de l'énergie du signal électrique impulsionnel n'est pas réémise par le transducteur, ce qui entraîne une perte de sensibilité et une mauvaise résolution du dispositif.On est par suite amené à utiliser des signaux de très grande amplitude, ce qui non seulement peut entraîner des défauts de linéarité des réponses du transducteur et du milieu de propagation, mais encore risque d'être dangereux en cas d'analyse échographique du corps humain ou animal. La débitmétrie traditionnelle utilise un signal ultrasonore sinusoldal d'amplitude constante et de fréquence fixe Fe Les particules en suspension entraînées par le liquide (par exemple: globules rouges dans le sang en circulation) réfléchissent vers le transducteur récepteur une onde ultrasonore dont la fréquence F r est décalée par l'effet Doppler. Le signal reçu est habituellement transmis à un haut-parleur et à un simple compteur de passage à zéro dont la valeur affichée donne une information peu précise sur la vitesse. En revanche, les informations contenues dans le spectre sont peu exploitées, même lorsqu'une analyse spectrale sommaire est réalisée au moyen de quelques filtres analogiques. Par ailleurs, ces dispositifs connus utilisent deux transducteurs voisins qui sont tous deux placés en bout d'un organe manuel en forme de cylindre étroit et allongé, de sorte qu'en fait la mesure dépend de l'angle de positionnement instantané, donné par l'opérateur à ce cylindre portetransducteur, par rapport à l'axe longitudinal dudit cylindre. Quoi qu'il en soit, il est traditionnellement nécessaire de prévoir deux appareils différents et séparés, un pour l'échographie et un pour la débitmétrie, ce qui est pénalisant et d'autant plus regrettable que ces deux sortes d'analyses sont souvent pratiquées par le même opérateur. L'invention vise à remédier à tous ces inconvénients de l'écho- graphie et de la débitmétrie traditionnelles. Elle vise en outre à permettre une analyse échographique à l'oreille, ce qui n'est pas possible en échographie traditionnelle et ce qui est particulièrement avantageux en contrôle non destructif des matériaux. Ces résultats sont obtenus à l'aide d'un dispositif unique, apte à réaliser indifféremment des analyses échographiques ou débit métriques par ultrasons, ce dispositif comportant - un ou plusieurs transducteurs fonctionnant chacun simultanément en émission et en réception - un générateur électrique apte à générer soit, pour la débit- métrie, une onde sinusoldale de fréquence fixe substantiellement égale à la fréquence de résonance Fo du ou des transducteurs, soit, pour l'échographie, un signal du type "chirp", constitué par une onde sinusoïdale balayée linéairement en fréquence autour de cette frequence Fg, la fréquence instantanée de cette onde augmentant puis diminuant, alternativement et avec la même pente, entre deux fréquences limites inférieure F1 et supérieure F2 situées symétriquement de part et d'autre de la fréquence Fg, la différence F2-- F1 entre ces deux fréquences limites étant du même ordre de grandeur que la largeur de la courbe de réponse du ou des transducteurs, et la demi-période de balayage étant très supérieure à l'intervalle de temps, entre onde émise et onde. reçue en échographie, qui correspond à la profondeur maximale d'exploration échogra phique - un coupeur directif alimenté par ce générateur et fournissant une petite partie de ce signal à l'entrée '#scillateur Local" d'un mélangeur de fréquences, et l'autre partie de ce signal à un séparateur qui la transmet vers le ou les transducteurs, ce séparateur étant apte à diriger le signal de retour, reçu et transmis par ce ou ces transducteurs, vers l'entrée "Radio-Fréquences" du mélangeur, le signal différentiel en sortie du mélangeur étant appliqué à un analyseur de spectre et/ou un dispositif de reproduction sonore. Avantageusement en conséquence, les caractéristiques de modulation du signal "chirp" sont choisies pour que la fréquence quasi constante obtenue par la soustraction du signal émis et du signal reçu en échographie soit toujours située, quelle que soit la pénétration analysée, dans la gamme des fréquences audibles, ce qui permet d'alimenter par ledit signal différentiel, un haut-parleur d'écoute du signal échographique ou débitmétrique. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation de ce dispositif hybride d'échographie et débitmétrie ultrasonores, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels Figure 1 est un schéma électrique, sous forme de schéma-blocs, de ce dispositif; Figure 2 montre, sur un même graphique, les courbes Amplitude/ Fréquence d'un signal impulsionnel traditionnel d'échographie et du signal chirp émis en échographie par le générateur de ce dispositif, ainsi que la courbe de réponse du transducteur ; Figure 3 montre la courbe de variation temporelle de la fréquence de ce signal chirp, ainsi que la courbe de variation temporelle de la fréquence du signal différentiel échographique. En se reportant à l'ensemble des figures, ce dispositif hybride pour débitmétrie et échographie ultrasonores utilise, pour l'émission et la réception de l'onde ultrasonore, un seul et même transducteur piézoélectrique 1, de fréquence de résonance égale à Fg, par exemple 5 Mégahertz. La courbe de réponse "Amplitude AI Fréquence f" de ce capteur est représentée en 2 sur le graphique de la figure 2. Cette courbe est du type passe-bande, de largeur à 3 -db égale à B, et centrée sur Fo A titre indicatif, on a tracé sur la figure 2 la courbe de réponse 3 du signal impulsionnel rectangulaire émis en échographie traditionnelle. L'énergie alors transmise par le transducteur 1 correspond à la zone hachurée 4, et l'on voit donc qu'une grande partie de l'énergie disponible est perdue. Le dispositif de l'invention utilise, pour activer le transducteur 1, un générateur-synthétiseur à balayage programmable 5 qui possède deux entrées de commande - une entrée 6 de réglage automatique de sa fréquence centrale ainsi que de ses paramètres de balayage, recevant, par un bus 7, ses instructions d'une unité logique centrale de commande et de calcul 8, constituée par un calculateur avec interfaces, - une commande 9 de commutation entre une première position pour laquelle le générateur 5 émet une onde sinusoïdale de fréquence égale à la fréque#nce de résonance Fo du transducteur, et une deuxième position pour laquelle ce générateur émet une onde sinusoïdale 10 (figure 2) balayée en fréquence entre une fréquence inférieure F1 (par exemple 3 Mégahertz) et une fréquence supérieure F2 (par exemple 7 Mégahertz), dont le spectre a une courbe de réponse 10 du type "chirp", centrée sur FoX d'amplitude a quasi constante sur une largeur L substantiellement égale à celle de la courbe 2. De la sorte, la quasi-totalité de la courbe de réponse 2 est utilisée pour la transmission du signal 10, et la transmission d'énergie est maximale dans ce cas. Conformément à l'invention, la position d'émission d'une fréquence fixe Fo est celle correspondant à l'utilisation du dispositif pour la débitmétrie, tandis que celle correspondant à l'émission du signal chirp 10 est celle utilisée pour l'échographie. Le signal 10 a, en fonction du temps t, une fréquence Fe qui varie (figure 3) de façon "triangulaire" et périodiquement entre F1 et F2, la fréquence de variation ayant pour période 2T. Ce signal est modulé linéairement entre F1 et F2 pendant une durée T autour de la fréquence Fo du transducteur, avec une pente de modulation, alternativement montante et descendante, égale à Sur la figure 3 a été représentée en pointillés la courbe F r du signal reçu en écho du signal émis Fe, pour la distance maximale de pénétration p dans le milieu à analyser. Ce signal est décalé dans le temps, par rapport au signal Fe émis, de la quantité ou c est la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans ce milieu. Si l'on soustrait les deux fréquences F et Fr, on obtient la e r fréquence Fd représentée à la partie inférieure de la figure 3. Si T est choisi pour être très supérieure à # ?, cette fréquence Fd est pratique- ment constante et de valeur proportionnelle à la pente de modulation précédemment définie, à la distance de l'écho x à mesurer, et inversement proportionnelle à c. La mesure de la fréquence Fd fournit donc la mesure de la distance de l'écho x, sous réserve que T ce qui est réglé pour l'unité centrale programmée 8. Par ailleurs, selon un aspect particulièrement intéressant de l'invention, les différents paramètres, dont la pente de modulation, sont réglés par l'ordinateur 8 pour qu en outre cette fréquence Fd soit toujours réglée, compte tenu de la célérité c du milieu et de la profondeur maximale de pénétration p, pour être toujours située dans la gamme des fréquences audibles, ce qui permet, à l'aide d'un appareil de reproduction sonore, l'analyse à l'oreille des échos dans le milieu. En se reportant particulièrement à la figure 1, le signal sinusal dal, modulé en fréquence ou non selon qu'il s'agisse d'échographie ou de débitmétrie, fourni sur la sortie 11 du générateur 5, est appliquée à un coupleur directif 12. Une faible partie (environ 10 %) de ce signal sort du coupleur en 13 et est appliquée à l'entrée 'Y)scillateur Local" 14 d'un mélangeur 15, constitué par exemple par un modulateur en anneau. La partie restante de ce signal sort en 16 et est appliquée à un circuit 17 de séparation et d'adaptation. Ce circuit 17 est apte à - en mode émission, transmettre une partie de l'onde sortant en 16 vers le transducteur ultrasonore 1, sans rien transmettre de cette onde vers l'entrée "Radio-Fréquences" 18 du mélangeur 15 - en mode réception, transmettre l'onde reçue en sortie 19 du transducteur 1 vers cette entrée 18, à travers un amplificateur 20 court- circuité au moyen d'un interrupteur 21 dans le cas de l'échographie; - aussi bien à l'émission qu'à la réception, réaliser l'adaptation d'impédance, au moyen d'un transformateur haute fréquence 22, du transducteur 1. Le circuit 17 a donc pour rôle essentiel de séparer les signaux émis des signaux reçus, en dirigeant au moins une partie des signaux émis, en sortie 16 du coupleur directif 12, vers le transducteur I uniquement, et en dirigeant tout ou partie des signaux reçus, en sortie 19 du transducteur 1, vers l'entrée "Radio-Fréquences" du mélangeur 15 uniquement. Le circuit de séparation 17 comporte dans cet exemple un diviseur de puissance par deux réversible 23, à une entrée 24, connectée à la sortie 16 du coupleur directif 12, et deux sorties divisées, ou voies 25,26 en phase. Ces deux bornes 25,26 sont connectées aux deux bornes similaires 27,28 d'un autre diviseur de puissance par deux réversible 29, celui-ci étant à deux voies 27,28 en oppositibn de phase. L'autre borne 30 de ce diviseur 29 est reliée d'une part à l'entrée de l'amplificateur 20, et d'autre part à la masse par une résistance d'adaptation 31. La borne 25 est également reliée à la masse par une résistance d'adaptation 32 de même valeur que la résistance 31, par exemple 50 ohms. La sortie 33 du modulateur en anneau 15 est connectée à un bloc 34 comportant un pré-amplificateur à faible bruit suivi d'un filtre passe-bas, chargé d'éliminer la composante d'addition des fréquences appliquées respectivement en 14 et 18, pour n'en garder que la différence. Le signal basse fréquence ainsi filtré est appliqué, à travers un amplificateur basse fréquence 35, d'une part à un analyseur de spectre 36, et d'autre part à un haut-parleur 37. L'analyseur 36 est un analyseur de spectre numérique programmable qui est relié à l'ordinateur 8 par le bus 37. Cet analyseur 36 est déclenché en échographie par un signal synchrone du balayage de fréquence, et il analyse le signal pendant la durée T' de sa fenêtre temporelle. Afin d'obtenir une bonne résolution, on démontre aisément que cette durée T' doit être supérieure ou égale à la demi-période T précédemment définie. En pratique, afin d'éviter un élargissement de la raie spectrale due aux variations de la fréquence Fd, on choisira T' égale à T. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant Pour utiliser l'appareil pour une mesure de débitmétrie, I'inter rupteur 21 est ouvert, et le mini-ordinateur 8, conformément à sa programmation, commande, par le bus 7 et l'entrée 9, la suppression du balayage du générateur. Le générateur 5 délivre donc en 11 une onde sinusoïdale à la fréquence Fo ci-dessus définie. Par le coupleur directif 12, une faible portion énergétique de cette onde est appliquée sur l'entrée "Oscillateur Local" 14 du mélangeur -15, tandis que la portion restante de celle-ci est appliquée à l'entrée 24 du diviseur de puissance à deux voies en phase 23. En 25 et 26 apparaissent alors deux signaux en phase. Le transformateur 22 est réglé pour ramener de la sonde 1 et sur la borne 26 une résistance égale à celle de la résistance 32, c'est-à-dire 50 ohms dans l'exemple considéré. Dans ces conditions, les signaux sont appliqués symétriquement en 27 et 28, de sorte que le signal transmis en 30 est nul en raison du déphasage de 180 degrés dû au diviseur 29.Seule est transmise la moitié de la puissance de l'onde incidente vers le transducteur 1, qui émet alors l'onde ultrasonore 39 dans le milieu à analyser. Ce milieu renvoie vers ce transducteur une onde de retour 40. Le transducteur 1 agit alors comme un générateur de tension dont l'impédance interne est égale à 50 ohms, ce qui équilibre le pont, de sorte que sa tension émise se retrouve presque intégralement en 30 pour être appliquée, à travers l'amplificateur 20, sur l'entrée "Radio-Fréquences" 18 du mélangeur 15. S'agissant de débitmétrie, la fréquence de cette onde reçue est différente de celle de l'onde émise, appliquée en 14. En 33 apparaissent la somme et la différence de ces deux fréquences. Le filtre 34 en élimine la somme, et la différence Fd est appliquée, à travers l'amplificateur de puissance 35, à la fois au haut-parleur 37 et à l'analyseur de spectre 36, ce dernier étant commandé par l'ordinateur 8. Le tracé du spectre par l'analyseur numérique 36 fournit des renseignements sur l'écoulement que ne peuvent donner les techniques de débitmétrie traditionnelles. Si l'on veut utiliser l'appareil pour une analyse échographique, on ferme l'interrupteur 21, l'amplificateur 20 n'étant alors généralement pas nécessaire en raison de la relative puissance du signal reçu en échographie, et le mini-ordinateur 8 commande, par l'entrée 9, le balayage, entre F1 et F2 et tel que précédemment défini, de la fréquence du générateur 5. Le signal, correspondant à la courbe F de la figure 3, est d'une e part, pour une faible partie, appliqué en 14, et d'autre part, pour sa majeure partie, appliqué au transducteur I, qui émet l'onde 39 vers le milieu à analyser, et en reçoit l'onde 40, réfléchie et retardée, qui donne en sortie du transducteur, et via le circuit 17, l'onde reçue Fr (figure 3), appliquée en 18. En sortie du filtre 34, on recueille cette fois-ci l'onde Fd de la figure 3, qui représente, comme expliqué ci-dessus, la distance de l'écho x recherchée. Cette fréquence Fd est là encore appliquée au hautparleur 37 et à l'analyseur de spectre 36. On voit finalement que les mêmes circuits sont utilisés pour l'échographie et pour la débitmétrie. Dans tout ce qui précède, on a supposé qu'il n'y avait, aussi bien en débitmétrie qu'en échographie, qu'une seule cible. Dans le cas de plusieurs cibles, il est bien évident que le signal fourni à l'analyseur 36 est la superposition des signaux dus à chacune de ces cibles. Le spectre résultant sera alors constitué d'une série de raies caractéristiques de chaque cible. Dans le cas d'une distribution continue de cibles, ou d'une diffusion par le milieu, le spectre obtenu sera également continu. L'invention n'est, bien entendu, pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit et est susceptible en particulier d'être réalisée selon de nombreuses variantes. Par exemple, un autre circuit de séparation et d'adaptation que le circuit 17 décrit ci-dessus pourrait être utilisé. Les applications de ce dispositif sont celles de l'échographie et de la débitmétrie ultrasonores en général. Ses avantages essentiels sont de regrouper ces deux techniques dans le même appareil, avec des performances améliorées, et de fournir en échographie un signal audible très utile en cours d'examen. Parmi les applications où les performances de ce dispositif pourraient être utilisées avec profit, nous citerons, à titre d'exemples, les domaines suivants Industrie L'utilisation principale concerne le contrôle non destructif des matériaux et des assemblages. Le signal audible provenant des défauts permet une analyse rapide et précise compte tenu de la bonne résolution du système. Médecine De nombreux services utilisent ces techniques pour l'exploration, l'aide au diagnostic et les contrôles per-opératoire et thérapeutique a) Ophtalmologie : La détection de décollement de rétine et de pseudo-membranes de l'uvée dans la chambre postérieure, ainsi que la mesure du débit de l'artère centrale de la rétine nécessitent un appareil de grande résolution, tel que celui de l'invention. b) Neurologie: La visualisation de l'écho-médian et des hématomes craniens, et la mesure du débit carotidien pourront, grâce à la présente invention, être réalisées par un seul appareil. c) Gynécologie-obstétrique : Ces services font largement appel à l'exploration ultrasonore. Le dispositif selon l'invention y sera apprécié, en particulier dans le diagnostic des malformations cardiaques foetales, et la recherche de la mesure du débit placentaire. d) Cardialogie et pathologie Cardio-vasculaire: Les examens pratiqués peuvent se classer en deux catégories, la visualisation anatomique (atteintes valvulaires, dissection aortique), ainsi que la débitmétrie et la cinétique cardiaque (volume d'éjection systolique, sténose et thromboses vasculaires, mouvement des parois et des valves). Par ailleurs, d'autres applications peuvent être trouvées en chirurgie cardiaque (contrôle de CEC...). e) Appareil digestif: Les points essentiels concernent la visualisation des organes (foie, vésicule biliaire,...) et le contrôle per-opératoire du cholédoque et du canal de Wirsung. f) Urologie-néphrologie : Les ultrasons sont utilisés pour la détection des calculs et des kystes rénaux, l'examen de la prostate, la mesure du débit dans l'artère rénale et dans les fistules artério-veineuses chez les hémodialysés. g) Caractérisation de tissus: Elle est nécessaire dans les examens cliniques (exploration de. la thyroïde, du foie, détection de kystes ou de tumeurs,...) ou dans les études de laboratoire sur les tissus (études fondamentales et service d'anatomo-pathologie). Dans ce dernier cas, une mesure de transmission peut facilement être réalisée avec deux sondes et le même appareil selon l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'analyse par ultrasons, caractérisé en ce qu'il est constitué par un dispositif unique, apte à réaliser indifféremment des analyses échographiques ou débitmétrîques, et comportant - au moins un transducteur (1) fonctionnant simultanément en émission et en réception - un générateur (5) apte à délivrer soit, pour la débitmétrie, une onde électrique sinusoïdale de fréquence fixe substantiellement égale à la fréquence de résonance (Fo) du transducteur (1), soit, pour l'écho- graphie, un signal (10) du type "chirp" constitué par une onde électrique sinusoïdale balayée linéairement en fréquence autour de cette fréquence (Fg) > la fréquence instantanée de cette onde augmentant puis diminuant, alternativement et avec la même pente, entre deux fréquences limites inférieure (F1) et supérieure (F2) situées symétriquement de part et d!autre de la fréquence (Fg), la demi-période de balayage (T) étant très supérieure à l'intervalle de temps ( Zw ), entre onde émise (Fe) et onde reçue (Fr) en échographie, qui correspond à la profondeur maximale d'exploration échographique (p) - un coupleur directif (12) alimenté par l'onde sinusoïdale du générateur (5) et délivrant, sur une première sortie (13), une portion de ce signal à l'entrée "Oscillateur Local" (14) d'un mélangeur de fréquences (15), et sur une deuxième sortie (16) l'autre portion du signal vers un séparateur (17) apte à la transmettre vers le transducteur (1), ce séparateur (17) étant en outre apte à diriger le signal de retour, transmis par ce transducteur (1), vers l'entrée "Radio-Fréquences" (18) du mélangeur (15), le signal différentiel en sortie du mélangeur (15) étant appliqué à un analyseur de spectre (36) et/ou un dispositif de reproduction sonore (37). 2 - Dispositif d'analyse ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence (F2 - F1) entre les deux fréquences limites (F2,F1) est choisie du même ordre de grandeur que la largeur (L) de la courbe de réponse (2) du transducteur (1). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les caractéristiques de modulation du signal chirp (10) sont choisies pour que la fréquence (Fd) quasi constante du signal différentiel obtenu soit toujours située dans la gamme des fréquences audibles. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le générateur (5) ainsi que l'analyseur de spectre (36) sont pilotés par ordinateur (8). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'analyseur de spectre a une fenêtre temporelle dont la durée (T') est supérieure ou égale à ladite demi-période de balayage (T). 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que cette durée (T') est égale à cette demi-période de balayage (T). 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le séparateur (17) forme également adaptateur d'impédance pour le transducteur (1). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le séparateur comporte un premier diviseur de puissance à deux voies en phase (23) et un second diviseur de puissance à deux voies en opposition de phase (29), l'entrée (24) du premier diviseur (23) étant reliée au coupleur directif (12), l'entrée (30) du second diviseur (29) étant reliée à l'entrée "Radio-Fréquences" (18) du mélangeur (15), les deux premières bornes (25,27) des diviseurs (23,29) étant reliées l'une à l'autre et à la masse par une résistance d'adaptation (32), tandis que leurs deux autres bornes (26,28) sont reliées ensemble et au transducteur (19) à travers un circuit (22) d'adaptation d'impédance. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit circuit d'adaptation d'impédance (22) est un transformateur haute fréquence. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'onde générée par le générateur (5) est d'amplitude quasi constante (a).