Brevet FR2633047A1 — publié le 19891222

L'invention qui se rapporte à un dispositif et un appareil d'analyse par échographie ultrasonore de particules sédimentant dans un liquide, consiste plus précisément en un dispositif dont le fonctionnement est 'basé sur l'interférence de deux ondes ultrasonores permettant de déterminer la taille des particules, leur vitesse de sédimentation et leur compactage une fois la sédimentation terminée. Ce dispositif a été utilisé pour étudier des particules organiques (polystyrène,...) et des particules biologiques (globules rouges du sang) et notamment pour ce derniers leur état d'agrégation. Le dispositif et l'appareil décrits cidessus permettent d'étudier avantageusement les propriétés de particules (taille, densité, compactage, agrégation) ainsi que l'état du sédiment formé. Les propriétés théologiques du sang sont en grande parties gouvernées par celles des globules rouges du fait de leur concentration importante et elles dépendent de la déformabilité et de l'agrégabilité de ceux-ci. Il est par conséquent important en pratique hospitalière de déterminer avec précision l'état d'agrégation, voir d'agglutination de ces cellules. Pour évaluer l'agrégation des globules rouges entre eux, il est habituel de mesurer la vitesse de sédimentation du sang dans le plasma qui dépend de la densité des globules rouges et-de celle du plasma, de la viscosité du plasma et de ia taille des globules rouges ainsi que celle des agrégats. Une méthode classique consiste à mesurer la hauteur de la colonne de plasma surmontant l'interface plasma-sang à la première et à la deuxième heure de sédimentation. On peut aussi à partir d'une courbe de sédimentation obtenue en fonction du temps déterminer la vitesse de sédimentation maximum des hématies par la mesure de la plus grande pente de la tangente à la courbe de sédimentation. Des méthodes:ultrasonores peuvent également être utilisées. Elles sont basées sur les interactions, notamment la diffusion des ondes ultrasonores avec la matière. On sait en effet qu'un faisceau ultrasonore qui se propage dans un milieu voit son intensité diminuer en fonction de la distance parcourue. Cette atténuation d'intensité du faisceau ultrasonore provient soit de la réflexion qui se produit à la surface d'éléments constituant le milieu et dont la dimension est supérieure à la longueur d'onde ultrasonore, soit de la diffusion dudit faisceau qui se produit lorsque la taille des particules en suspension dans le milieu est inférieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde ultrasonore utilisée, soit de l'absorption ultrasonore qui dépend de l'épaisseur et de la nature du milieu traversé. L'interaction des ondes ultrasonores avec le sang aux fréquences habituellement utilisées en diagnostic médical donne toujours naissance à des ondes diffusées. L'analyse de l'amplitude et de la fréquence des ondes diffusées renseigne sur la taille, la nature et le mouvement de cet obstacle. Des expériences analysant l'amplitude des ondes ultrasonores ont été faites dans ce sens, et on a pu mesurer les variations du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore de suspensions sanguines en fonction de la vitesse de sédimentation des hématies et on a pu mettre en évidence une différence entre des globules rouges non agrégés, et des globules agrégés. L'objet de la présente invention consiste en un dispositif et un appareil pour la détection et l'analyse par échographie de particules en suspension dans un liquide qui utilise une source d'ondes ultrasonores émises en direction de la suspension et des moyens de détection et d'analyse des ondes réfléchies par les interfaces solide/sédiment et sédiment/suspension dispositif qui comporte essentiellement, une cellule de mesure thermostatée à laquelle sont associés une sonde ultrasonore émettrice-réceptrice, un échographe mode A assurant la génération d'impulsions électriques de période de répétiton variable qui excitent la sonde, et assurant aussi la détection, la transformation du signal ultrasonore réfléchi par chaque interface en un signal électrique, un système d'acquisition dudit signal pour introduire un retard programmable par rapport à l'émission de la sonde, un moyen pour échantillonner de façon stroboscopique ledit signal dans une tranche de temps déterminée, et un moyen pour reconstruire numériquement l'écho provenant de cette tranche et fournir à un écran les courbes représentatives. Plus précisément la cellule de mesure comporte deux cavités séparées par une plaquette de faible épaisseur, fixe ou amovible, l'une des cavités étant destinée à recevoir-la suspension de particules tandis que la sonde ultrasonore émettrice-réceptrice est localisée dans la deuxième cavité. La cellule de mesure est intégrée dans une enceinte thermostatée La sonde est positionnée de telle façon que le champ ultrasonore soit perpendiculaire à la plaquette et elle est maintenue par un bouchon étanche qui est muni d'un petit conduit obturable. La cavité de la sonde contient du liquide entre la plaquette et la sonde. La sonde est en matériau pouvant émettre des ultrasons et sa fréquence de travail est fonction des particules à étudier. Selon d'autres caractéristiques de l'invention le module de détection de l'échographe est constitué d'un amplificateur formé d'un circuit intégré, d'un redresseur qui fonctionne sur le principe, du redressement double- alternance avec diodes prépolarisées et d'un filtre analogique. Il est également possible d'effectuer une analyse fréquentielle du signal non redressé. D'autre part un module d'acquisition du signal permettant d'introduire un retard programmable par rapport à l'émission de la sonde comprend un échantillonneur bloqueur et un convertisseur analogique-numérique, une fenêtre temporelle permettant d'échantillonner le signal électronique dans une tranche de temps également programmable.Ainsi on peut positionner la fenêtre temporelle sur l'écho généré par l'interface entre la plaquette et la suspension avant qu'un circuit électronique échantillonne le signal électrique continu dans la fenêtre à l'aide d'un retard de pas.réglable. On notera qu'un*moyen est prévu pour échantillonner de façon stroboscopique le signal réfléchi. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation qui doit être considérée à titre d'exemple et qui fait référence aux dessins annexés qui représentent: figure 1 le schéma synoptique du dispositif de l'invention; figure 2 une vue schématique de la cellule de mesure; figure 3 une courbe illustrant l'acquisition stroboscopique dans une tranche de temps déterminée. figure 4 une courbe montrant la variation d'amplitude d'un signal obtenu en fonction du temps de sédimentation d'une suspension de particules selon l'exemple I. figure 5 une courbe montrant en représentation tri- dimensionnelle les variations d'amplitude de la valeur maximum du signal mesuré en fonction du temps de sédimentation et du temps mis par l'onde ultrasonore pour parcourir la distance aller et retour entre la sonde et les interfaces, figure 6 une courbe analogue à celle de la figure 4 selon l'exemple II, figure 7. une.courbe de variation du temps en fonction du volume globulaire moyen selon l'exemple II, figures 8 à 10 des courbes analogues à celle de la figure 4 selon l'exemple III, figure 1l une courbe montrant l'agrégation de globules rouges en fonction de la température. Sur le schéma synoptique de la figure 1 est illustré - le dispositif qui met en oeuvre une cellule de mesure thermostatée 1, une sonde ultrasonore émettrice-réceptrice 2, un échographe mode A 3, un module d'acquisition de signal 4 comprenant un échantillonneur bloqueur 5 fonctionnant avec un retard programmable 6 par rapport à l'émission, et un convertisseur analogique numérique 7. Un microordinateur 8 effectue les calculs et permet de présenter les résultats. La cellule de mesure 1 représentée à la figure 2 se présente comme un barreau vertical creusé sur toute sa hauteur d'une cavité cylindrique 10intégrée dans une enceinte thermostatée 12 maintenant sa température à la température désirée. La cavité est séparée en deux par une plaquette 1Il de faible épaisseur positionnée perpendiculairement à l'axe du cylindre. La chambre supérieure au dessus de la plaquette 11 est destinée à recevoir une suspension 13 de particules. A la base de la chambre inférieure située sous la plaquette est montée la sonde ultrasonore 2 dont -il sera question plus loin. La face supérieure 14 de ladite sonde est écartée de la face supérieure de la plaquette d'une distance d égale à la limite des champs ultrasonores proche et lointain. La sonde 2 est positionnée dans la cavité par un bouchon étanche 15 qui ferme ladite cavité. Ce bouchon dispose d'un petit conduit 16 obturable grâce auquel un volume de liquide 17 peut être amené à remplir la cavité entre la plaquette et la sonde, et joue le rôle de joint acoustique. L'interversion de la position des cavités destinées à recevoir respectivement la suspension et la sonde est possible. Avant. de préciser la nature et la fonction des éléments illustrés à la figure 1, on donne ci-après une indication succinte du mode de fonctionnement d'un appareil mettant en oeuvre la cellule de mesure précédemment décrite. Un générateur d'irpulsion électrique travaillant à une fréquence de récurrence déterminée excite un matériau pouvant émettre des ultrasons à l'aidé de la sonde 2. A chaque excitation du générateur, la sonde émet une impulsion ultrasonore d'une durée déterminée, correspondant par exemple à quelques périodes, qui se propage dans le liquide 17, en direction de la plaquette 11 et de la suspension 13; Au cours de son parcours elle perd une partie de son énergie par absorption et une autre partie par réflexion au niveau des deux faces de ladite plaquette 11. La partie d'onde ultrasonore réfléchie par la plaquette est recueillie par la sonde 2 qui est aussi réceptrice, qui la transforme en un signal électrique qui dépend du temps aller et retour que met l'onde ultrasonore pour parcourir la distance sonde- plaquette. Ce signal doit bien évidemment être visualisé sur l'écran d'un oscilloscope. On verra plus loin de quelle façon l'introduction d'un retard programmable, par rapport à l'excitation de la sonde permet la mesure de l'amplitude des échos perçus. Il est par ailleurs possible d'effectuer une analyse fréquentielle. Parmi les éléments définis en relation avec la figure 1, la sonde 2 constitue un organe essentiel de la cellule de mesure 1. Cette sonde ultrasonore 2 est formée d'un matériau pouvant émettre des ultrasons de fréquence centrale pouvant varier de 1 à 50 MHz (par exemple 8 MHz) et qui travaille en émission-réception. Le choix de la fréquence de travail est déterminé en fonction de la mesure envisagée. L'échographe 3 est constitué d'un générateur d'impulsions électriques de période de répétition variable qui excite la sonde 2, d'un module de détection redressant et filtrant le signal électrique provenant de la sonde et d'un oscilloscope permettant de visualiser les échos. On utilise un générateur d'impulsions électriques à décharge capacitive, dont la fréquence de répétition des impulsions est réglable. A l'aide d'un amortisseur électrique ou en modifiant la valeur de la capacité de charge, on peut faire varier l'amplitude et la durée de l'impulsion. Le module de détection de l'échographe 3 est constitué d'un amplificateur formé d'un circuit intégré, d'un redresseur qui fonctionne sur le principe du redressement double alternance avec diodes prépolarisées et d'un filtre analogique. Le module d'acquisition du signal 4 comprend un échantillonneur bloqueur 5 fonctionnant avec un retard programmable 6 par rapport à l'émission et un convertisseur analogique-numérique. Une fenêtre temporelle permet d'échantillonner le signal électrique dans une tranche de temps (tl, t2) également programmable. On peut ainsi analyser le signal sonore provenant d'une tranche d'épaisseure telle qu'une couche sédimentée.18 obtenue au dessus de la plaquette 11. Les temps tl et t2 sont déterminés de teile façon que la fenêtre temporelle inclue l'écho provenant de l'interface plaquette-couche sédimentée. L'échantillonneur 5 est commandé avec un retard variable. Il prélève à la suite de chaque impulsion la valeur de l'amplitude du signal électrique provenant de l'interface plaquette-couche sédimentée située à la distance 2d. Le signal électrique redressé représente l'onde réfléchie provenant de l'interface entre la plaquette 11 et la suspension 13. Un convertisseur 7 est utilisé pour mémoriser l'amplitude du signal échantillonné, qui est ensuite stocké dans la mémoire du micro-ordinateur 8, ce qui permet de reconstruire numériquement le signal analogique. Une fois la fenêtre temporelle positionnée sur l'écho généré par l'interface entre la plaquette 11 et la suspension 13, un circuit électronique échantillonne le signalélectrique contenu dans-la fenêtre, à l'aide d'un retard réglable de pas p. La figure 3 illustre le principe d'une acquisition stroboscopique des signaux réfléchis-dans une tranche. de temps de tI à t2. On a représenté en abscisses le temps t-et en ordonnées l'amplitude A du signal. Au temps to un pic représente l'émission d'une onde ultrasonore. La première acquisition illustrée par l'apparition d'un début de signal réfléchi se produit au temps ti. L'acquisition suivante est effectuée à l'instant ti + p après l'émission suivante et ainsi de suite. D'une façon générale la nième acquisition est effectuée à l'instant tn après la nième émission avec tn = ti + np et tl de reconstruire numériquement le signal analogique. Un des registres de micro-ordinateur est utilisé comme une horloge générale et déclenche le générateur d'impulsion qui lui-même sert à chaque cycle trois impulsions, une impulsion de retard pour faire varier la position de l'échantillonneur, une impulsion d'échantillonnage pour prélever l'amplitude de l'écho puis une impulsion de conversion pour commander le convertisseur. Un logiciel spécifique a été prévu pour synchroniser le fonctionnement de l'échographe, choisir le positionnement et la durée de la fenêtre d'échantillonnage, le stockage et l'édition des résultats. Avec la cellule de mesure 1 et le dispositif précédemment décrit, on peut suivre les variations de l'amplitude des échos provenant des interfaces plaquette 11 - couche sédimentée 18 et couche sédimentée - suspension 13, du fait que l'impédance acoustique d'une couche sédimentée est différente de celle de la plaquette et de celle de la suspension, et que chaque discontinuité d'impédance acoustique provoque un écho. Lorsque les deux interfaces, plaquette Il - couche sédimentée 18 et couche sédimentée - suspension 13, sont suffisamment proches l'une de l'autre les ondes ultrasonores réfléchies par celles-ci entrent en interférence et l'amplitude de l'onde résultante permet de mettre en évidence des couches de particules sédimentées d'épaisseur très inférieure à la longueur d'onde de l'onde ultrasonore et par conséquent d'étudier en fonction du temps l'accumulation de telles particules sur la plaquette. On peut en déduire par exemple la vitesse avec laquelle les particules s'accumulent sur la plaquette et donc sédimentent dans une suspension et en tirer des renseignements sur les propriétés du sédiment et éventuellement sur l'état d'agrégation des particules. Le dispositif et l'appareil selon l'invention trouve des applications intéressantes dans l'étude du sang normal et pathologique, mais l'invention ne se limite pas à ce domaine préférentiel d'utilisation. Elle englobe aussi toutes les applications o l'on recherche des précisions sur les propriétés de particules solides dans une suspension, (taille, densité, compactage, agrégation>. EXEMPLES DE RESULTATS I - Suspensions de particules Une suspension de particules de copolymère-styrène- divinyl-benzène (Mitsubischi Chemical Industries) a été préparée par suspension de ces particules dans du tampon-.PBS (phosphate de Na 10 mM; NaCl 0,15 M; pH = 7,4; osmolalité = 300 mosm/kg; densité = 1,005) à la concentration volumique de 1%. A. Exemple de courbe obtenue La figure 4 présente la variation du signal obtenu avec le dispositif décrit ci-dessus en fonction du temps de sédimentation pour une suspension de particules de diamètre ,5 m et de densité 1,312. Les paramètres expérimentaux que l'on peut déduire de cette courbe sont: 1. Amplitude initiale, Ao; 2. Pente initiale,; 3. Amplitude du premier minimum, Am; 4. Temps d'apparition du premier minimum, tm; 5. Amplitude du premier maximum, AM; 6. Temps d'apparition du premier maximum, tM; 7. Amplitude crête-crête, Acc = AM - Am; 8. Temps crête-crête, tcc = tM - tm; 9. Amplitude finale, Af. B. Comparaison de deux types de particules.. Le tableau 1 donne les résultats obtenus à partir de deux types de particules de diamètre respectivement 7,0 m et 15,5 m. C. Représentation tri-dimensionnelle du signal. La figure 5 présente les variations du signal à la fois en fonction du temps de vol t (temps que met l'impulsion ultrasonore pour parcourir la distance aller- retour entre la sonde et les interfaces) et du temps de sédimentation T pour une suspension de particules de diamètre 7,0 1m à la concentration volumique de 5 %. La courbe a représenté l'évolution, en fonction du temps de sédimentation, de la valeur maximum du signal mesuré dans la fenêtre temporelle tl, t2 représenté en b. On distingue parfaitement deux régions A et B. Dans la région A, les oscillations du signal représentent le résultat des interférences entre les ondes ultrasonores réfléchies respectivement par les interfaces plaquette-sédiment Il et sédimentsuspension I2. La région B montre que l'écho E2 s'éloigne progressivement de l'écho El ce qui signifie que l'interface I2 s'éloigne progressivement de l'interface Il. II - Exemple de particules biologiques: suspension de globules rouges non agrégés. Après avoir lavé des globules rouges normaux dans du tampon PBS, le culot obtenu après centrifugation est resuspendu dans le même tampon à l'hématrocrite désiré. A. Exemple de courbe obtenue. La figure 6 présente la variation du signal en fonction du temps de sédimentation pour une suspension de globules rouges à l'hématocrite de 2 %. La courbe obtenue a la même allure que celle déjà présentée pour les suspensions de particules. On peut définir, sur cette courbe, les mêmes paramètres 1, 2, 3..., 9. B. Exemple de résultats obtenus sur des globules rouges pathologiques. La figure 7 présente la variation du temps du premier minimum tm en fonction du volume globulaire moyen VGM pour des globules normaux et pathologiques. III - Exemple d'agrégation de particules: suspensions de globules rouges agrégés. A. Exemple de courbe obtenue. Une suspension de globules rouges agrégés a été préparée en resuspendant une fraction du culot de globules obtenus après centrifugation dans leur propre plasma à l'hématocrite de 2 %. La figure 8 représente la variation du signal obtenu en fonction du temps de sédimentation. lA. B. Comparaison des résultats obtenus sur des suspensions de globules rouges agrégés et de globules rouges hon agrégés. Le tableau 2 présente la comparaison des différents paramètres obtenus à partir d'une suspension de globules rouges agrégés et d'une suspension des mêmes globules non agrégés. C. Exemple de globules rouges pathologiques. La figure 9 présente les variations du signal en fonction du temps de sédimentation dans le cas d'une suspension de globules rouges drépanocytaires à l'hématocrite de 25 % pour différentes pressions partielles en oxygène. La courbe 1 a été obtenue directement sur du sang drépanocytaire veineux dont la pression partielle en oxygène (p02) est de 40 mm Hg. La courbe 2 a été obtenue sur le même sang drépanocytaire mais oxygéné (PO2 rv 150 mm Hg). La courbe 3 a été obtenue sur le même sang drépanocytaire mais déoxygéné (PO2 N_ O mm Hg). La courbe 4 obtenue dans le cas d'un sang normal (oxygéné ou déoxygéné) est présentée en comparaison. On voit parfaitement bien sur cette figure-que le comportement du sang drépanocytaire est très particulier selon la p02. D. Exemple d'agrégation de globules rouges en présence de plasma normal ou pathologique. Des suspensions de globules rouges ont été préparées à l'hématocrite de 8 % en mélangeant ceux-ci dans 36 % de plasma, normal ou pathologique, et 56% de tampon PBS. La figure 10 présente les variations du temps tm en fonction de la vitesse de sédimentation mesurée par la méthode de Wesrtergren. La différence de comportement entre ces deux sangs provient de la-présence anormale de protéines en quantité anormale dans le sang pathologique. E. Exemple d'agglutination de globules rouges. Les méthodes transfusionnelles d'analyse des groupes sanguins et les méthodes immuno-hématologiques reposent sur les études de l'agglutination des globules rouges par des anticorps. Un exemple d'agglutination par une 12 2633047 agglutinine froide, pathologique, est comparé à l'agrégation de globules rouges d'un sang normal dant la figure 11 ou tm est représenté en fonction de la température. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour la détection et l'analyse par échographie ultrasonore de particules en suspension dans un liquide qui utilise une source d'ondes ultrasonores émises en direction de la suspension et des moyens de détection et d'analyse des ondes réfléchies par lesdites suspensions au contact d'une surface solide, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement, une cellule de mesure thermostatée (1) à laquelle est associée une sonde ultrasonore émettrice- réceptrice (2), un échographe mode A (3), assurant la génération d'impulsions électriques de période de répétition variable qui excitent la sonde, et assurant aussi la détection, la transformation en signal électrique, un système d'acquisition dudit signal pour introduire un retard programmable par rapport à l'émission de la sonde, un moyen pour échantillonner-de façon stroboscopique ledit signal dans une tranche de temps déterminée, et un moyen pour reconstruire numériquement l'écho provenant de cette tranche et fournir à un écran les courbes représentatives. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule de mesure (1) comporte deux cavités (10) séparées d'une plaquette (11) de faible épaisseur, une des cavités étant destinée à recevoir la suspension (13) de particules tandis que la sonde ultrasonore émettriceréceptrice (2) est localisée dans l'autre cavité, à distance de ladite plaquette. 3.-Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cellule de mesure (1) se présente comme un barreau traversé sur toute sa hauteur par la cavité (10) qui est intégrée dans une enceinte thermostatée (12)-. - 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sonde (2) est positionnée dans la cavité (10) par un bouchon étanche (15) qui ferme ladite cavité et qui est muni d'un petit conduit obturable (16), et en ce qu'un volume de liquide (17) remplit la cavité, entre la plaquette (-1) et la sonde. 5.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde ultrasonore est un matériau pouvant émettre des ultrasons dont la fréquence de travail a été déterminée en fonction de la mesure envisagée.. 6.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de détection de l'échographe 3 est constitué d'un amplificateur formé d'un circuit intégré, avec redresseur d'une filtre analogique ou sans redresseur pour une analyse fréquentielle. 7.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un module d'acquisition du signal (4) permettant d'introduire un retard programmable (6) par rapport à l'émission de la sonde comprend un échantillonneur bloqueur (5) et un convertisseur analogique-numérique, une fenêtre temporelle permettant d'échantillonner le signal électrique dans une tranche de temps (tl, t2) également programmable. 8.- Dispositif selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu'on positionne le fenêtre temporelle sur l'écho généré par l'interface entre la plaquette (11) et la suspension (13) avant qu'un circuit électronique échantillonne le signal électrique contenu dans la fenêtre à l'aide d'un retard réglable de pas p. 9.- Dispositif selon les revendications 1 et 8, caractérisé en ce que le moyen pour échantillonner de façon stroboscopique le signal réfléchi consiste à effectuer à partir d'une impulsion émise, une succession d'acquisitions du signal réfléchi à partir d'un instant (tl), chaque acquisition étant augmentée du retard de pas (p) par rapport à la précédente. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des - revendications 7 à 9 caractérisé en ce que l'amplitude du signal est numérisée à l'aide du convertisseur et mise en mémoire dans un micro-ordinateur, l'ensemble des points échantillonnés appartenant à la fenêtre étant mémorisé et permettant de reconstruire numériquement le signal analogique. 11.- Appareil pour la mise en oeuvre du dispositif de détection et d'analyse par échographie de particules en suspension dans un liquide selon l'une quelconque des revendications 1 '10 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une cellule de mesure thermostatée (1) renfermant une sonde ultrasonore émettrice réceptrice (2), un échographe mode A (3) pour la fourniture d'impulsions électriques excitant la sonde pour.donner un écho réfléchi au niveau d'une plaquette (11) séparant- ladite sonde de la suspension de particules (13), un module d'acquisition et de stockage (3, 4, 5) du signal, un micro-ordinateur pour la commande du générateur d'impulsions électriques pour l'introduction d'un retard dans l'échantillonneur du module d'acquisition et un logiciel approprié notamment pour synchroniser le positionnement de l'échographe,- et stocker et éditer les résultats.