Brevet FR2634089A1 — publié le 19900112

"TRANSDUCTEUR ULTRASONORE A SENSIBILITE AMELIOREE". La présente invention concerne un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique acoustiquejent adaptee à ladite semelle d'amortissement, et destinée au loins à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant de propagation L'invention trouve une première application dans le domaine général de l'examen de milieux par échographie ultra sonores et, plus spécialement, dans celui de l'échographie mé- dicale des tissus biologiques. Elle trouve également une autre applicàtion avantageuse dans le domaine de la destruction de concrétions à l'intérieur d'organes (reins, vésicule biliaire), appelée aussi lithotritie. Dans le domaine de l'échographie, un problème technique qui se pose à tout transducteur ultrasonore est, en émission coolie en réception, de fournir un signal acoustique de faible durée, ceci afin d'obtenir un grand pouvoir de résolution en profondeur. D'où la nécessité de réaliser un trans acteur large bande Pour cela, il est indispensable de limiter le plus possible les réflexions sur la semelle d'amortis serment des ondes acoustiques se propageant vers l'arrière du transducteur.Dans le domaine de la lithotritie, le problème technique est également d'éviter la réflexion sur la se elle d'amortissaient d'ne partie de l'énergie produite, car l'iv- pulsion de dépression résultante peut provoquer, par cavitation, des hé'orragies- ou la destruction des tissus situés autour de la concrétion à détruire. Une solution à ce problème technique général est donnée par la demande de brevet français ne 2 567 394 qui décrit un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique, constituée par une couche de céramique piézoélectrique. De façon à adapter acoustiquement la se elle d'abord tissement à la céramique piézoélectrique, et donc d'éliminer les réflexions sur ladite semelle, celle-ci est réalisée en alliage de cuivre, laiton ou bronze, qui présente une impédan- ce acoustique voisine de celle du matériau piézoélectrique utilisé (environ 30 MRayl). Le transducteur ultrasonore connu de l'état de la technique, composé d'une semelle d'amortissement métallique et d'une couche piézoélectrique acoustiquement adaptées, présente toutefois plusieurs inconvénients. D'abord, du fait même de son amortissement, il offre une faible sensibilité puisqu'une grande partie de l'énergie acoustique produite par la couche piézoélectrique est absorbée dans la semelle d'amortissement. Les performances d'un transducteur ultrasonore résultent donc généralement d'un compromis entre brièveté de l'onde et rendement énergétique. En échographie, ltexploitation du signal issu d'un transducteur ainsi amorti nécessite l'emploi d'une électronique assez lourde en raison du faible rapport signaltbruit obtenu. D'autre part, l'utilisation d'un matériau métallique à base de cuivre pour réaliser la semelle d'anortissement conduit à un transducteur beaucoup plus lourd qu'un transducteur comportant une semelle d'amortissement en résine epoxy par exemple. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique acoustiquelent adaptée à ladite semelle d'amortissement, et destinée au moins à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant de propagation, transducteur ultrasonore qui présenterait une structure plus légère et une sensibilité améliorée sans que préjudice ne soit porté à ses qualités d'amortissement La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite structure piézo électrique est composée d'au moins deux couches piézoélectri ques empilées, de même épaisseur e, réalisées en un même matériau piézoélectrique composite, et dont les impédances acoustiques sont égales à l'impédance acoustique de la semelle d'amortissement, et en ce que ledit transducteur ultrasonore dispose de moyens d'émission fournissant un retard I=e/v entre les excitati i"s deux couches piézoélectriques consécutives, v désignant la vitesse de, propagation des ondes longitudinales du matériau piézoélectrique composite. Ainsi, à l'émission, les couches piézoélectriques sont excitées l'une après l'autre en commençant par la couche la plus éloignée de la face avant du transducteur avec, pour chaque couche piézoélectrique, une loi de retard 5 à l'excita tion qui tient compte du chemin parcouru par l'onde acoustique engendrée par la couche qui la précède. De cette manière, le signal de force émis par une couche est remis en phase avec les précédents, de sorte qu',au niveau de la face avant du transducteur, la force de pression émise est la résultante des forces engendrées par chaque couche piézoélectrique.On obtient donc, en sortie, un signal ultrasonore amorti, large bande, dont l'amplitude est multipliée par un facteur égal au nombre de couches piézoélectriques utilisées dans la structu re. Par ailleurs, la semelle d'amortissement, constituée par tin matériau prEsentatt la la même impédance acoustique que la première couche piézoélectrique qui y est directement accolée, permet d'éviter qu'un r,éu d'ondes stationnaires ne se déve loppe à l'intér,ieu'r;'de Cette couche par réflexions multiples aux interfaces. Comme la première couche piézoélectrique joue également le relue de semelle d'amortissement pour la première ~couche, le fait de prendre pour cette dernière un matériau identique conduit' a ttre la deuxième couche piézoélectrique dans les ;ée'es conditions acoustiques que la première. Le,même raisonnement s'étend de façon itérative quand on passe, éventuellement, de. la deuxième à une troisième couche, puis aux suivantes. Il convient donc de souligner qu'à l'effet coopératif des couches piézoélectriques dans la production d'un signal ultrasonore plus intense, l'invention associe de façon synergique un effet coopératif d'adaptation d'impédance assurant un amortissement idéal. D'autre part, l'utilisation1 pour réaliser les couches piézoélectriques, d'un matériau composite dont l'impédan- ce acoustique est de l'ordre de 9 MRayl permet d'envisager de constituer la semelle d'amortissement dans une résine epoxy chargée dont l'impédance acoustique peut atteindre facilement 9 MRayl. Ceci avec l'avantage que le transducteur ultrasonore ainsi obtenu est beaucoup plus léger que celui décrit dans l'état de la technique mentionné ci-dessus mettant en oeuvre du cuivre. Il faut également signaler que la taille et le poids du transducteur ultrasonore selon l'invention peuvent encore être réduits en relation avec les dispositions conduisant, pour une même surface, à une augmentation de sensibilité en émission, ce qui est très appréciable dans le domaine de la lithotrithie, notamment, compte-tenu de l'encombrement des systèmes actuels. Les matériaux composites présentent bien d'autres avantages par rapport aux céramiques piézoélectriques classiques. D'abord, les composites offrent une bien meilleure adaptation acoustique avec le corps humain dont l'impédance est de l'ordre de 1,5 HRayl. D'autre part, leur constante diélectrique étant plus faible, les composites ont une impédance électrique plus élevée que les céramiques. Ils ont, de plus, un meilleur coefficient de couplage piézoélectrique et donc un meilleur rendement énergétique. Enfin, mécaniquement plus souples, les composites peuvent amortir plus facilement les déformations transversales particulièrement indésirables dans le cas des transducteurs ultrasonores dédiés à la lithotritie. Lorsque le transducteur ultrasonore doit être utilisé en échographie, il est prévu que ladite structure est également destinée à latréception des signaux échographiques renvoyés vers le transducteur, et que celui-ci dispose de moyens de réception fournissant un retard 6=e/v entre les détections des signaux reçus par deux couches piézoélectriques consécutives. De cette façon, l'effet coopératif qui se produit en émission se produit aussi à la réception, le signal de réception résultant étant égal à la somme des signaux individuels reFus par chacune des couches piézoélectriques. Enfin dans le cas où l'impédance acoustique des matériaux composite utilisés est très différente de celle du milieu d'exploration, on envisage que la dernière couche pié zoéîectrique de ladite structure comporte une couche d'adaptation quart d'onde avec le milieu avant de propagation. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée La figure 1 est Un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention, plus spécialement destiné à l'échographie. La figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, approprié à une utilisation en lithotrithie. La figure t montre un transducteur ultrasonore 10 pour application échographique, comprenant une semelle 20 d'amortissement en résine époxy chargée de poudre de tungstène, de minime, etc. . présentant une impédance acoustique ZB de l'ordre de 9 MRayl. Sur la semelle 20 est accolée une structure piézoélectrique 30 composée, dans l'exemple de la figure i, de deux couches piézoélectriques 301, 302 empilées, de même épaisseur et réalisées dans un même matériau composi- te.Ce nouveau type de matériau est constitué, de façon connue, d'une céramique piézoélectrique 31 en zirconate-tita- nate de plomb (P; T > ou en métaniobate de plomb par exenple, dans laquelle st inséré un polymère piézoélectrique 32 comme du difluorure de polyvinylidème. Le matériau composite ainsi obtenu a l'avantage, entre autres, que les couches piézoélectriques 301, 302 offrent une impédance acoustique Z1, Z2 également de l'ordre de 9 MRayl, ce qui confère une adaptation acoustique très satisfaisante des couches avec la semelle 20 d'amortissement. Le transducteur ultrasonore 10 est destiné, en particulier, à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant 70 de propagation. A cet effet, il dispose d'un étage d'émission 401 comprenant, de façon classique, un séquenceur composé d'un oscillateur et d'un diviseur de fréquence qui commande à la fréquence de récurrence de 5kHz un générateur dont les signaux électriques d'excitation sont envoyés, d'une part, vers la couche piézoélectrique 301t et, d'autre part, vers la couche piézoélectrique 302 via une ligne à retard 402 qui fournit un retard 6=e/v entre les excitations de la couche 302 et de la couche 301, v étant la vitesse de propagation des ondes longitudinales du matériau piézoélectrique composite.Ainsi, du fait du déphasage 6, la force acoustique résultante en sortie est le double de la force acoustique produite par chacune des couches piézoélectriques, d'où un gain de 6dB. Les contacts électriques entre les couches piézoélectriques 301, 302 (mise à la masse), entre les couches et la semelle 20 d'amortissement et une éventuelle couche 60 d'adaptation d'impédance acoustique avec le milieu avant 70 de propagation, sont réalisées par des électrodes en pâte d'argent et epoxy, par exemple. En échographie, la structure piézoélectrique 30 est également destinée à la réception des signaux échographiques renvoyés vers le transducteur 10. De façon à reproduire, en réception, l'effet avantageusement cumulatif obtenu en émis,- sion, le transducteur ultrasonore 10 dispose, ainsi que l'indique la figure 1, d'une ligne à retard 5 2 fournissant un retard 6=e/v entre les signaux échographiques produits par les couches 301, 302, d'un additionneur 51 faisant la somme des signaux ainsi mis en phase, et d'un étage 501 de réception et de traitement comprenant un amplificateur haute-fréquence incluant la compensation du gain en fonction de la profondeur, un amplificateur de compression logarithmique, un dispositif de mémorisation et de conversion de balayage et un dispositif de visualisatiofl t > ans le cas d'une structure 30 à deux couches piézoelectriques, le gain obtenu en émission et en réception est de 12dB. La figure 2 montre un transducteur ultrasonore 10 plus spécialement destiné à la lithotritie, en ce sens que la semelle 22 d'amortissei-ent présente une face 21 d'accolement de forme sphérique, de centre 0, point de focalisation de l'énergie ultrasonore issue du transducteur. Les couches piézoélectriques 30t, 30z sont reliées, coince sur la figure 11 à des moyens d'émission' 401, 402 non représentés. Le transducteur de la figure 2 offre l'avantage particulier que, du fait de l'élasticité du polymère piézoélectrique 32 composant les couches piézoélectriques, les déformations mécaniques, diri gées sensiblement vers l'axe de la sphère, et susceptibles de provoquer un décollement des couches de la face 21 d'accolement, sont bienabsorbes, ce qui n'est pas le cas lorsque les couches sont réalisées en céramique pure, beaucoup plus rigi REVENDICATIONS 1. Transducteur ultrasonore (10) comprenant une semel- le (20) d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique (30) acoustiquement adaptée à ladite semelle d'amortissement, et destinée au moins à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant (70) de propagation, caractérisé en ce que ladite structure piézoélectrique (30) est composée d'au moins deux couches piézoélectriques empilées (301,302 ] , de même épaisseur e, réalisées en un même matériau piézoélectrique composite, et dont les impédances acoustiques (Z1,Z2) sont égales à l'impédance acoustique (ZB) de la semelle (20) d'amortissement, et en ce que ledit transducteur ultrasonore (10) dispose de moyens (401,402) d'émission fournissant un retard 6=e/v entre les excitations de deux couches piézoélectriques (301,302) consécutives, v désignant la vitesse de propagation des ondes longitudinales du matériau piézoélectrique composite. 2. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure (30) est également destinée à la réception des signaux échographiques renvoyés vers le transducteur, et en ce que celui-ci dispose de moyens (50150251) de réception fournissant un retard 6=e/v entre les détections des signaux reçus par deux couches piézoélectriques (301,302) consécutives. 3. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que la semelle (20) d'amortissement présente une face (21) d'accolement de forme sphérique. 4. Transducteur ultrasonore selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que la dernière couche piézoélectrique (302) de ladite structure (30) comporte une couche (60) d'adaptation quart d'onde avec le milieu avant (70) de propagation.