Brevet FR2612722A1 — publié le 19880923

TRANSDUCTEUR ACOUSTIQUE MULTIFREQUENCES, NOTAMMENT POUR IMAGERIE MEDICALE La présente invention se rapporte aux transducteurs acoustiques multifréquences utilisés notamment en médecine pour former des images du corps humain par échographie. Il est connu d'utiliser en échographie médicale des sondes dont une coupe transversale est représentée sur la figure 1. Cette sonde est formée d'éléments transducteurs alignés tel que 101 dont l'épaisseur est adaptée à la fréquence de fonctionnement. Les deux faces de ces éléments sont recouverts d'électrodes 102 permettant d'appliquer les tensions électriques qui les font vibrer. La fréquence de vibration choisie est le plus souvent la fréquence de résonance fr qui correspond au mode fondamental de vibration selon l'épaisseur du transducteur. Pour les matériaux piézoélectriques généralement utilisés dans ces sondes la relation entre f exprimée en kilohertz et l'épaisseur h exprimée en millimètres du transducteur est donnée par fr= 250 On utilise couramment pour les sondes médicales une épaisseur de 1 mm et la fréquence utilisée est donc alors le plus souvent de 2,85 MHz. Le facteur de surtension Q des transducteurs est approximativement égal au rapport entre l'impédance du matériau piézoélectrique constituant ce transducteur et l'impédance du milieu extérieur o va se proqpager la vibration. Si [ et e o sont respectivement les masses spécifiques du matériau piézoélectrique et du milieu extérieur, et c et c les vitesses du son dans ce matériau et o -c dans ce milieu, Q est donc alors égal à - c. Dans le cas d'une céramique piézoélectrique telle que le PZT, ce rapport est voisin de 17. Les vibrations sont émises sous forme d'impulsions de faible durée afin d'avoir une résolution en distance suffisante. Ceci élargit la bande de fréquences du signal émis et nécessite donc d'avoir une largeur de bande de la sonde relativement importante. Pour obtenir cela, il est connu de placer devant les transducteurs une lame 103 dont l'épaisseur est le quart de la longueur d'onde à la fréquence fondamentale. L'impédance de cette lame quart d'onde est choisie pour être de l'ordre de \ o CO. La fixation des transducteurs sur le corps de la sonde se fait par l'intermédiaire d'un réflecteur 104, connu sous le nom anglo-saxon de backing, qui est avantageusement de type mou c'est-à-dire présentant une impédance acoustique voisine de 0. En imagerie médicale on utilise couramment deux types de fonctionnement: une imagerie classique, dite en mode B, dans laquelle on représente sectoriellement les échos en fonction de l'angle de tir et de la distance, l'amplitude de ces échos modulant la brillance de l'image; - une imagerie codée en couleurs, dite DFMeabréviation de l'expression anglo- saxonne "Doppler Flow Mapping", dans laquelle le décalage Doppler dû à la circulation sanguine est représenté par des variations de couleurs en surcroît des variations de brillance dues à l'amplitude des échos. Pour l'imagerie en mode B, il faut une bonne résolution latérale et en distance. Ceci nécessite une fréquence centrale relativement élevée, par exemple de l'ordre de 5 MHz. Pour l'imagerie DFM, il n'y a pas besoin d'une résolution aussi grande que pour l'imagerie en mode B, mais on a besoin d'un rapport signal à bruit aussi grand que possible pour pouvoir mesurer des écarts Doppler faibles, correspondant eux-mêmes à des vitesses sanguines faibles. Le rapport signal à bruit est d'autant plus grand que la fréquence de fonctionnement est plus basse. Une valeur typique de la fréquence utilisée sera par exemple de 2,5 MHz. Selon l'art antérieur on utilise deux sondes branchées sur un même appareil, mais ceci augmente bien entendu les coûts de l'appareillage et complique son utilisation. Une autre solution, beaucoup moins satisfaisante, consiste à utiliser une seule sonde fonctionnant sur une fréquence intermédiaire, par exemple 3,5 MHz. Pour pallier ces inconvénients l'invention propose de modifier les sondes traditionnelles en rajoutant des lames supplémentaires d'adaptation afin de pouvoir faire fonctionner ces sondes 2 6 1 2 7 2 2 simultanément sur plusieurs fréquences et d'effectuer donc simultanément une imagerie en mode B et une imagerie DFM avec une sonde unique. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une coupe transversale d'une sonde connue; - la figure 2, une coupe transversale d'une sonde selon l'invention; - la figure 3, un diagramme de fonctionnement; et - la figure 4, une coupe longitudinale d'une sonde selon l'invention. Dans le mode de réalisation bi-fréquence représenté sur la figure 2, selon la même coupe que sur la figure 1, la sonde selon l'invention comporte un transducteur 201 muni de deux électrodes 202 et d'une lame quart d'onde 203. Selon l'invention ce transducteur est fixé sur le réflecteur mou 204 par l'intermédiaire d'une lame demi- onde 205. Selon l'invention cette sonde fonctionne pour deux bandes 2G passantes centrées l'une autour d'une fréquence haute fo, et l'autre f autour d'une fréquence basse fi égale à -. Ces fréquences sont par exemple égales à celles mentionnées plus haut, soit 5 MHz et 2,5 MHz. Les termes de demi-onde et de quart d'onde utilisés respectivement pour le transducteur 201 et la lame 205 d'une part et pour la lame 203 d'autre part, correspondent à la fréquence haute. Dans ces conditions, les matériaux utilisés n'étant pas dispersifs, à la fréquence basse le transducteur 201 et la lame 205 sont quart d'onde, tandis que la lame 203 est au 1/8e de la longueur d'onde. Si le transducteur était tout seul, comme dans la figure 1, il ne résonerait bien évidemment pas à la fréquence f 1 et le signal acoustique éventuellement émis serait extrêmement faible. La présence de la lame 205 ne change rien à la fréquence fo puisque, étant demi-onde à cette fréquence, elle est transparente aux ondes acoustiques et elle ramène au niveau du transducteur la même 26 1 2722 impédance que celle du réflecteur 204. Par contre à la fréquence f cette lame, étant quart d'onde à cette fréquence, tout se passe comme si le transducteur était prolongé d'un quart de longueur d'onde et que l'ensemble transducteur 201-lame 205 soit équivalent à une demi-onde. Dans ces conditions l'excitation ramenée par les électrodes 202 permet à cet ensemble de vibrer à la résonance sur la fréquence f 1 ' Pour mieux expliquer les phénomènes, on peut faire en première approximation une comparaison avec l'électromagnétisme et considérer la lame 205 comme une ligne quart d'onde ou demi-onde selon le cas. Cette comparaison est explicitée par la figure 3 qui représente l'amplitude A de la vitesse vibratoire le long du transducteur 201 et de la lame 205. Une telle ligne serait court-circuitée en extrémité du côté du réflecteur o il y aurait donc toujours un maximum de vitesse vibratoire, connue sous le nom de ventre, quelle que soit la fréquence, en particulier aux fréquences fo et fl' A la fréquence fo, comme la ligne est demi-onde elle ramène à son autre extrémité, c'est-à-dire au niveau du transducteur, une impédance égale à celle du réflecteur c'est-à-dire en l'occurrence 0. Il y a donc ainsi dans ce cas un ventre de vibrations à la jonction transducteur-ligne. A la fréquence f ' comme la ligne est quart d'onde, elle ramène sur cette même interface une impédance infinie, qui correspond donc à un minimum de vitesse vibratoire, appelé noeud. En ce qui concerne la lame 203, celle-ci est toujours quart d'onde à la fréquence fo et joue donc son rôle d'élargisseur de bande passante. A la fréquence fl par contre cette lame n'a plus qu'une longueur équivalente à 1/8e de longueur d'onde et l'adaptation à cette fréquence est donc bien différente de celle obtenue à la fréquence f ' de sorte que la bande de fréquences obtenues autour de fo est plus étroite que celle autour de f1. Cependant comme cette fréquence fo est utilisée pour l'imagerie DFM, un tel rétrécissement de la bande passante n'est pas gênant. En ce qui concerne l'impédance à choisir pour la lame 205, comme celle-ci est transparente pour la fréquence fo, il y a lieu de choisir cette impédance essentiellement compte-tenu des caractéristiques souhaitées pour la bande passante autour de fl. On a déterminé que la fourchette la meilleure était comprise entre 3.106 et 20.106 ohms acoustiques. Bien entendu l'appareillage électronique associé à la sonde comprend des circuits qui permettent d'exploiter les deux fréquences fo et fl aussi bien à l'émission qu'à la réception. On a représenté sur la figure 4 une coupe longitudinale d'une sonde selon l'invention fonctionnant à 5 MHz et à 2,5 MHz. On constate que cette sonde comporte un ensemble de transducteurs 201 revêtus de métallisations 202. Ces transducteurs sont obtenus par des coupes d'un bloc de céramique préalablement métallisé sur ses deux faces pour former les électrodes. Cet ensemble de transducteurs est collé sur la lame 205 qui est elle-même collée sur le réflecteur 204. La lame 203 vient elle-même recouvrir les transducteurs sur lesquels elle est également collée. On remarque que seul le bloc de transducteurs est formé d'éléments individuels, alors qu'aussi bien les lames 203 et 205 que le réflecteur 204 sont continus. Dans cet exemple représenté la barrette est linéaire, mais l'invention s'applique également aux barrettes présentant une autre forme et en particulier aux barrettes courbes. L'invention n'est pas limitée au cas des sondes fonctionnant sur deux fréquences dont l'une est la moitié de l'autre. Elle s'étend également aux sondes et de manière générale aux transducteurs acoustiques fonctionnant sur un ensemble de fréquences distinctes formant les fréquences centrales de bandes de fréquences séparées. Pour cela on multiplie le nombre de lames d'adaptation supplémentaires de façon à créer le nombre de degrés de liberté suffisant dans la fonction de transfert pour déterminer ces bandes passantes. 26 1 2722 REVENDICATIONS 1. Transducteur acoustique multifréquences, notamment pour imagerie médicale, du type comportant au moins un transducteur piézoélectrique (101) destiné à être excité pour émettre des vibrations acoustiques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une lame d'adaptation (205) placée sur au moins l'une des faces de ce transducteur piézoélectrique pour permettre à l'ensemble de résonner sur au moins deux fréquences distinctes. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réflecteur (204) servant de support au transducteur piézoélectrique (201), et que la lame d'adaptation (205) est située entre ce transducteur piézoélectrique et le réflecteur. 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réflecteur (204) présente une impédance sensiblement nulle, que les épaisseurs du transducteur piézoélectrique (201) et de la lame d'adaptation (205) sont demi-ondes à une première fréquence de résonance (fo) et sont donc quart d'onde à une deuxième fréquence de résonance (fl) égale à la moitié de la première fréquence. 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une autre lame d'adaptation (203) située sur l'autre face du transducteur piézoélectrique (201) par rapport à la première lame (205), dont l'épaisseur est quart d'onde a la première fréquence de résonance (fo) et dont l'impédance acoustique permet d'obtenir une largeur de bande déterminée autour de cette première fréquence. 5. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première fréquence (fo) permet de l'utiliser en imagerie médicale en mode B, et que la deuxième fréquence (f l) permet de l'utiliser en imagerie médicale DFM. 6. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les première et deuxième fréquence (f o, f) sont sensiblement égales a 5 et 2,5 MHz. 7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications I à 26 1 2722 6, caractérise en ce que l'impédance acoustique de la lame d'adaptation (205) est située entre 3.106 et 20.106 ohms acoustiques. 8. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de lames d'adaptation (205) permettant de le faire fonctionner sur un ensemble de fréquences distinctes.