Brevet FR2614747A1 — publié le 19881104

-- i -- GENERATEUR D'IMPULSIONS ELASTIQUES AYANT UNE FORME D'ONDE PREDETERMINEE DESIREE ET SON APPLICATION AU TRAITEMENT OU AU DIAGNOSTIC MEDICAL. Lorsque des impulsions élastiques, en particulier des impul- sions élastiques de grande puissance telles que celles utilisées en lithotripsie extra-corporelle, se propagent dans un liquide de couplage, les pics négatifs que comporte inévitablement leur forme d'onde engendrent des variations de pression au sein du liquide et, lorsque la pression loca- le descend au-dessous de la pression de vapeur saturante, il peut se former des cavités remplies de vapeur au sein du liquide. Dès que ces bulles de vapeur atteignent des régions de plus forte pression, elles se condensent brutalement. Le Déposant a découvert que ce phénomène de cavitation a tendance à freiner la propagation de tout pic positif précé- dé d'un pic négatif et, par conséquent, à réduire considéra- blement la puissance transmise aux cellules à traiter ou à examiner par un générateur d'impulsions élastiques et à entraîner diverses perturbations des effets recherchés dans l'application des impulsions élastiques à l'examen échogra- phique ou au traitement par concentration de puissance ultra-acoustique en un point focal. En lithotripsie extra- corporelle, la cavitation présente l'inconvénient particu- lièrement important de provoquer une sensation de picotement qui peut atteindre le seuil de douleur. -2- La présente invention a pour objet un générateur d'impul- sions élastiques ayant une forme d'onde prédéterminée désirée, obtenue en superposant en une région focale d'un transducteur piézoélectrique ou magnétostrictif des ondes élastiques élémentaires ayant des caractéristiques de fréquence et de phase différentes engendrées séparément par des surfaces émettrices élémentaires respectives du trans- ducteur ayant elles-mêmes des fonctions de transfert diffé- rentes. Le générateur d'impulsions élastiques suivant l'invention comporte un transducteur piézoélectrique ou magnétostric- tif, focalisant ou associé à des moyens de focalisation, ayant une pluralité de surfaces émettrices élémentaires engendrant des signaux élastiques qui se superposent après propagation sur une certaine distance dans une région focale et des moyens d'exciter périodiquement, à une cadence déter- minée, plusieurs groupes de surfaces élémentaires avec des signaux électriques brefs respectifs distincts, et est caractérisé en ce que lesdites surfaces émettrices appar- tiennent à des éléments transducteurs électriquement isolés les uns des autres et ayant des fonctions de transfert différentes et que des moyens de déphasage des signaux élas- tiques émis par les éléments transducteurs sont prévus. De préférence, lesdits moyens d'excitation sont agencés pour que lesdits signaux électriques brefs aient des spectres de fréquence différents. Suivant un mode d'exécution préféré, les fréquences de résonance des éléments transducteurs sont des multiples entiers de l'une d'entre elles (F), avantageusement F, 2F, 3F et 4F ou F. 2F et 4F, et les déphasages de chacune d'elles (Fn) par rapport à une référence de phase arbitraire commune sont égaux à -5Fn/4. Suivant une première forme d'exécution, le transducteur est constitué par un support en forme de calotte sphérique sur -3 la surface de laquelle sont distribués des transducteurs piézoélectriques céramiques élémentaires d'épaisseurs inversement proportionnelles aux fréquences d'excitation. De préférence, les moyens d'excitation comportent des géné- rateurs de fréquences différentes synchronisés par un même signal de synchronisation qui détermine ladite cadence d'émission et des lignes à retard réglables qui constituent lesdits moyens de déphasage. Suivant une seconde forme d'exécution, le transducteur est constitué par une céramique monobloc usinée de façon à former des surfaces émissives élémentaires d'épaisseurs différentes électriquement isolées les unes des autres. L'invention a encore pour objet un procédé de traitement, et en particulier de lithotripsie extra-corporelle au moyen d'impulsions élastiques, caractérisé par la réduction des effets nuisibles, et-en particulier douloureux, dus à la cavitation par réduction substantielle de l'amplitude des pics négatifs desdites impulsions par rapport à celle des pics positifs. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven- tion, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 représente des formes d'ondes destinées à expliquer le procédé de l'invention; La figure 2 est une vue schématique en plan de la face d'émission d'un transducteur en forme de coupelle sphérique, dont La figure 3 est une vue schématique en coupe par un plan de symétrie; - 4 - La figure 4 est un schéma de circuit d'excitation; La figure 5 représente un ensemble transducteur plan usiné avec son circuit d'excitation; et La figure 6 est une vue partielle en coupe suivant VI-VI de la figure 5. A la figure 1, on a représenté en (a) une impulsion élasti- que de courte durée produite au moyen d'un transducteur piézoélectrique tel qu'on les réalise actuellement, lors- qu'on veut engendrer une impulsion accompagnée du nombre minimum d'oscillations amorties, dont la face arrière a été convenablement amortie, tandis que des lames d'adaptation des impédances acoustiques ont été montées sur sa face avant. Une telle impulsion comporte des alternances de signes opposés de la haute fréquence d'excitation du trans- ducteur, et la présence des alternances négatives entraîne une perte d'efficacité significative, due à la cavitation, dès que la puissance émise est relativement élevée (ce qui est le cas pour les sondes utilisées en thérapie). On notera qu'il est indispensable que la polarité du trans- ducteur soit choisie pour que le premier pic d'amplitude significative soit positif, car dans le cas contraire, la cavitation provoquée par un premier pic négatif empêcherait la propagation du reste du signal. On constate à la figure l(a) que ce premier pic a une ampli- tude sensiblement plus faible que celle du second: il en résulte finalement, d'une part, que toute la puissance du signal n'est pas exploitée, d'autre part, que la cavitation peut provoquer des effets nuisibles. Il convient de souligner que même un transducteur théorique- ment parfait, quelle que soit la forme de son signal d'exci- tation, engendrera au moins deux alternances de signes opposés, du fait qu'il comporte nécessairement deux surfaces -- 5- émettrices séparées par une demi-longueur d'onde et émettant en opposition de phase. En (b) on a représenté une impulsion élastique produite au moyen d'un transducteur piézoélectrique composé d'une pluralité d'éléments excités de manière indépendante dont les fréquences de résonance respectives sont F1, F2...Fn, ces éléments étant excités par des impulsions électriques de fréquences porteuses respectives F1, F2...Fn respectivement déphasées par rapport à une origine des phases arbitraires de -5/4F1, -5/4F2, -5/4Fn. L'expérience montre que, si ces signaux électriques ont la même amplitude ou des amplitudes voisines et que les éléments du transducteur sont construits de façon à engendrer la forme d'onde acoustique représentée en (a), la superposition des signaux acoustiques ainsi engendrés donne la forme d'onde représentée en (b). Dans cette forme d'onde, les alternances négatives ont une amplitude relative très réduite. L'expérience montre qu'il suffit de prendre par exemple quatre éléments ayant des fréquences F, 2F, 3F et 4F, ou même trois éléments ayant des fréquences F, 2F et 4F pour obtenir une prédominance suffi- sante de l'alternance positive unique. Lorsque de tels éléments sont par exemple placés sur une calotte sphérique, leur trajet, jusqu'au centre de la sphère qui constitue le foyer, est identique et les signaux acous- tiques arrivent donc au foyer avec les mêmes phases relati- ves qu'au moment de leur émission. On pourrait envisager de les placer sur une surface différente, par exemple plane, et il faudrait alors modifier les déphasages des signaux d'excitation pour obtenir une focalisation en tenant compte des différences de trajets entre les différents éléments. Les éléments excités par des fréquences différentes dépha- sées entre elles pourraient être en nombre supérieur à quatre (ou répartis en plus de quatre groupes constitués chacun d'éléments excités par le même signal) et les 6- fréquences et déphasages pourraient être différents de ceux qui ont été indiqués ci-dessus à titre d'exemple préféré. L'un des objets de l'invention est la génération d'une forme d'onde élastique brève prédéterminée (en pratique, compor- tant avantageusement la prédominance d'un pic positif unique) par superposition de plusieurs formes d'ondes élas- tiques élémentaires. Cette génération est obtenue en super- posant, dans une même région de l'espace, des ondes élasti- ques individuelles ayant au moins des caractéristiques de fréquence et de phase différentes qui se combinent entre elles pour donner la forme d'onde résultante souhaitée. En pratique, on effectuera, grâce à une commande assistée par ordinateur du réglage des paramètres fréquence, phase et même amplitude des formes d'ondes individuelles, une simula- tion de la forme d'onde résultante pour optimiser celle-ci en faisant varier lesdits paramètres. On soulignera qu'il ne suffirait pas de faire varier les paramètres du signal électrique d'excitation d'un transduc- teur traditionnel ayant une surface d'émission homogène pour obtenir le résultat recherché, car la réponse impulsionnelle d'un tel transducteur serait au mieux du type de celle de la figure l(a). Par contre, avec un transducteur hétérogène du type décrit, on pourrait envisager, pour privilégier un pic prédominant, d'en exciter les différents éléments avec un signal électri- que unique couvrant un large spectre de fréquences, et les déphasages appropriés entre les différentes formes d'ondes élastiques individuelles ainsi engendrées pourraient par ailleurs être obtenus par voie acoustique, c'est-à-dire en interposant sur le trajet de chaque faisceau d'ondes élasti- ques engendrées par le transducteur des blocs de forme convenable d'un matériau transparent auxdites ondes, mais dans lequel elles se propageraient avec une vitesse diffé- rente de celle du milieu de transmission au moyen duquel le transducteur est normalement couplé au milieu traité. -7- La solution décrite est toutefois plus commode à réaliser et permet des réglages faciles. Aux figures 2 et 3, on a représenté une calotte sphérique en alliage d'aluminium 1, le rayon de la sphère ayant par exem- ple 40 cm et la hauteur de la calotte étant de 3,8 cm. Sur la surface interne de cette calotte sont montés par exemple 300 éléments piézoélectriques en céramique de forme cylin- drique, ayant par exemple 20 mm de diamètre. Ces éléments sont répartis sur trois cercles concentriques dont deux seulement ont été figurés, dans une zone annulaire qui entoure un transducteur auxiliaire central 2 dont la fonc- tion a été décrite dans le brevet français No 83 20041, déposé le 14 Décembre 1983, au nom du Déposant, pour: "Appareil à impulsions ultrasonores destiné à la destruc- tion des calculs". On ne décrira ci-après que les particularités qui distin- guent l'émetteur de lithotripsie de l'invention de celui dudit brevet. Les éléments de chacun des jeux la-2a..., lb-2b... de la zone annulaire sont répartis en trois groupes: par exemple les éléments la-4a... (3n+4)a constituent un premier groupe ayant une fréquence de résonance de 300 kHz, les éléments 2a-5a... (3n+2)a constituent un second groupe ayant une fréquence de résonance de 600 kHz, les éléments 3a-6a... (3n+3)a, un troisième groupe ayant une fréquence de résonan- ce de 1200 kHz. La distribution des fréquences pour les éléments de rang correspondant des deux autres jeux annulai- res est la même. Les fréquences différentes correspondent à des éléments cylindriques de hauteurs différentes ayant des fréquences de résonance respectives F, 2F et 4F, par exemple mm pour 300 kHz, 5 mm pour 600 kHz et 2,5 mm pour 1200 MHz. A la figure 4, on a représenté un générateur de synchronisa- tion 3 qui émet des tops dont la durée est de l'ordre de la -8microseconde et la cadence réglable entre 1/100 et 1 Hz par exemple. Ces tops sont appliqués, par l'intermédiaire de trois circuits de décalage réglable 4, 5, 6, à trois générateurs 7, 8, 9 d'impulsions à haute fréquence correspondant respec- tivement aux fréquences de résonance des trois groupes d'éléments, à titre d'exemple 300 kHz, 600 kHz et 1200 kHz respectivement. Les générateurs 7, 8, 9 attaquent respectivement, par l'intermédiaire d'étages séparateurs respectifs 10, 11, 12, des amplificateurs de puissance 13, 14, 15. Chaque amplificateur de puissance comporte autant d'étages séparés en parallèle qu'il y a d'éléments dans chaque groupe, pour exciter séparément et en parallèle les diffé- rents éléments d'un même groupe. Les circuits de décalage 4, 5, 6, par exemple réalisés au moyen de lignes à retard, sont réglés pour obtenir une forme d'onde aussi proche que possible de celle qui est souhaitée, conformément aux indications cidessus. On a symbolisé en 16 un ordinateur qui effectue, pour commander les réglages, le calcul des formes d'ondes des trois signaux de synchronisa- tion et du signal résultant de leur superposition. Cet ordinateur agira, non seulement sur le réglage des circuits de décalage, mais encore sur ceux des générateurs 7, 8, 9, pour déterminer les trois formes d'ondes et leurs déphasages respectifs. Un tel dispositif permettrait à l'évidence d'obtenir une grande variété de formes d'ondes du signal acoustique engen- dré par l'ensemble transducteur, y compris en vue de privi- légier par exemple les pics négatifs en vue d'accroître le phénomène de cavitation dans des applications non médicales. -9- Dans l'application à la lithotripsie plus particulièrement envisagée, le procédé permet, grâce à la réduction considé- rable de la cavitation, d'effectuer les tirs à des cadences qui pourraient atteindre 150 Hz, en vue de diviser par un facteur de l'ordre de dix les temps de traitement actuels. A titre de variante du dispositif qui vient d'être décrit, les décalages, obtenus par voie électronique, entre les trois signaux de synchronisation, pourraient être remplacés par des décalages obtenus par l'introduction de différences de longueurs de parcours des signaux acoustiques engendrés par les trois groupes de transducteurs respectifs. A titre d'exemple, de telles différences peuvent être obte- nues en introduisant des cales d'épaisseurs respectives convenables, en matériau apte à transmettre les ultrasons, entre la surface de la calotte 1 et les surfaces arrière d'excitation des éléments piézoélectriques cylindriques des trois groupes. A la figure 5, on a représenté une sonde destinée à l'écho- graphie et devant par conséquent engendrer des impulsions acoustiques dont le spectre de fréquence soit centré à MHz. Cette sonde est constituée par un disque 17 en céramique piézoélectrique, ayant par exemple 20 mm de diamètre et sa face rayonnante ou "avant" est plane. Par contre, sa face arrière d'excitation est usinée de manière à former une série de bandes parallèles 18 très fines, ayant par exemple une largeur de 1 mm et des épaisseurs différentes. On a représenté à la figure 6 une vue agrandie et fragmen- taire de l'épaisseur du disque, représentant une succession de groupes de trois bandes telles que 181, 182, 183 ayant respectivement 1/4 mm, 1/2 mm et 1 mm d'épaisseur. - 10 - Chacune de ces bandes est munie d'une électrode d'excitation 1810, 1820, 1830 isolée de celle des bandes voisines. A la figure 6, on a représenté un générateur d'impulsions électriques unique 19 relié aux électrodes respectives 1810, 1820, 1830 par l'intermédiaire de trois lignes à retard réglables 20, 21, 22. Plus précisément, la sortie de chaque ligne à retard est reliée à toutes les électrodes des bandes de même épaisseur des groupes successifs. Bien entendu, les fils de masse, non représentés, sont reliés à une électrode unique, non représentée, fixée à la face avant. On a ainsi constitué trois ensembles d'éléments transduc- teurs piézoélectriques ayant des fréquences de résonance respectives de 10 MHz, 5 MHz et 2,5 MHz. De façon connue en soi, la face arrière du disque sera en outre avantageusement munie d'un bloc amortisseur des oscil- lations parasites, tandis que la face avant subira un usina- ge permettant la mise en place de lames d'adaptation d'impé- dance. Les retards sont réglés pour correspondre aux décalages souhaités des trois signaux acoustiques de fréquences diffé- rentes engendrés par les trois ensembles respectifs, de la manière déjà expliquée. Le signal d'excitation fourni par le générateur 19 doit avoir un spectre de fréquences couvrant les valeurs 10 MHz, 5 MHz et 2,5 MHz. Ce mode d'exécution est approprié à la réalisation de sondes travaillant à des fréquences élevées (plusieurs méga- hertz): il évite la fabrication délicate d'éléments piézoélectriques individuels indépendants de très petite taille. - ill- Un tel transducteur n'est pas focalisant et devra donc être associé, pour superposer les ondes élastiques individuel- les, à un moyen de focalisation, par exemple une lentille acoustique. - 12 - Revendications 1. Générateur d'impulsions élastiques comportant un transducteur piézoélectrique ou magnétostrictif focalisant ou associé à des moyens de focalisation, ayant une pluralité de surfaces émettrices élémentaires engendrant des signaux élastiques qui se superposent, après propagation sur une certaine distance, dans une région focale et des moyens d'exciter périodiquement à une cadence déterminée plusieurs groupes de surfaces élémentaires avec des signaux électri- ques brefs respectifs distincts, caractérisé en ce que lesdites surfaces émettrices appar- tiennent à des éléments transducteurs électriquement isolés les uns des autres (la, 2a...; lb, 2b..., respectivement 181, 182, 183) ayant des fonctions de transfert différentes et que des moyens de déphasage des signaux élastiques émis par les éléments transducteurs sont prévus. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fréquences de travail desdits éléments transducteurs sont des multiples entiers de l'une d'entre elles (F), avantageusement F, 2F, 3F et 4F ou F, 2F et 4F, et les déphasages de chacune d'elles (Fn) par rapport à une référence de phase arbitraire commune sont égaux à -5Fn/4. 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens sont en outre agencés pour que lesdits signaux électriques brefs aient des fréquences respectivement égales aux fréquences de résonan- ce desdits éléments transducteurs élémentaires. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'excitation comportent des générateurs de fréquences différentes synchronisés par un même signal de synchronisation qui détermine ladite cadence d'émission et des lignes à retard réglables qui constituent lesdits moyens de déphasage. - 13 - 5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur est constitué par un support en forme de calotte sphérique sur la surface de laquelle sont distribués des transducteurs piézoélectriques céramiques élémentaires d'épaisseurs inversement propor- tionnelles à leurs fréquences de travail. 6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déphasage sont des éléments aptes à modifier le temps de propagation des ondes élastiques sur ladite distance. 7. Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par le décalage de surfaces d'émission des éléments transducteurs les uns par rapport aux autres. 8. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur est constitué par une céramique monobloc usinée de façon à former des surfaces émissives élémentaires d'épaisseurs différentes électrique- ment isolées les unes des autres. 9. Procédé de traitement, en particulier de lithotrip- sie extra-corporelle, par ondes élastiques émises en impul- sions à haute fréquence de cadence déterminée, caractérisé par la réduction des effets nuisibles, et en particulier douloureux, dus à la cavitation, par réduction substantielle de l'amplitude des pics négatifs desdites impulsions par rapport à celle des pics positifs.