Brevet FR2638884A1 — publié le 19900511

*DISPOSITIF DE FOCALISATION TRIDIMENSIONNELLE D'UN FAISCEAU ULTRASONORE* La présente invention concerne un dispositif de fo- calisation tridimensionnelle d'un faisceau ultrasonore. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'échographie médicale, et plus spécialement dans celui de la formation d'images d'organes. Comme d'autres méthodes d'imagerie médicale, l'échographie tend de plus en plus à se développer vers la réalisation d'images en trois dimensions. Toutefois, cette ex- tension tridimensionnelle pose des problèmes spécifiques à l'échographie. D'abord, la cadence d'acquisition de l'informa- tion est limitée par la vitesse de propagation des ondes dans les tissus biologiques; à titre d'exemple, une vitesse de 1500 m/s donne 5000 lignes/s pour une profondeur de 15 cm. Si l'on veut réaliser une image plane à l'aide de 100 lignes, et une image volumique de 10 plans, on ne dispose alors que de 5 images par plan et par seconde, ce qui est très faible et ne permet pas d'envisager un traitement en temps réel. D'autre part, l'observation d'organes à travers des fenêtres acoustiques de dimensions limitées (2cmx2cm par exemple de passage entre les côtes pour le coeur) exige des sondes de faibles dimensions qui se prêtent mal à l'imagerie en trois dimensions quand on doit empiler plusieurs plans de coupe. Actuellement, on réalise des images tridimension- nelles en déplaçant mécaniquement une barrette linéaire ou un monoélément piézoélectrique afin d'explorer dans toutes les directions l'espace soumis à examen. Toutefois, ces disposi- tifs connus ont l'inconvénient d'être lents, dans la mesure o la vitesse de balayage est limitée par les mouvements mécani- ques. Se trouve donc exclue la possibilité d'acquisition en parallèle des signaux échographiques, qui permet - 2 - d'augmenter la cadence de formation des images comme cela a été proposé dans la demande de brevet européen ne 0 210 624. Dans l'absolu, la solution la plus naturelle au problème de l'imagerie échographique en trois dimensions serait d'utiliser une sonde de transducteurs piézoélectriques élémentaires disposés en un réseau bidimensionnel. En effet, associé à une électronique de formation de voies appropriée, ce type de sonde permet en théorie de focaliser les signaux échographiques dans toutes les directions de l'espace. Il suffit pour cela d'appliquer aux éléments piézoélectriques la loi de phase qui convient. De plus, l'utilisation de disposi- tifs de formation de voies en parallèle (émission et/ou récep- tion simultanée dans plusieurs directions) peut être envisagée de facon à augmenter la cadence de la prise d'information, ce qui conduit & une étude du milieu biologique quasiment en temps réel. Enfin, le problème des fenêtres acoustiques limi- tées est résolu par angulation du faisceau ultrasonore à l'aide de moyens électroniques. Cependant, si la technique qui vient d'être décrite résoud, au moins théoriquement, les problèmes spécifiques de l'imagerie échographique tridimensionnelle, elle reste pourtant extrêmement lourde et coûteuse à mettre en oeuvre. En effet, le réseau de phase à deux dimensions nécessaire pour obtenir une qualité d'image satisfaisante devrait comporter 64x64 transducteurs piézoélectriques élémentaires au pas d'environ A/2. Un tel nombre de transducteurs, 4096, pose de sérieux problèmes non seulement pour la fabrication de la sonde, mais également pour la réalisation de l'électronique de formation de voies qui devrait amplifier, retarder et sommer 4096 canaux. Aussi, le problème technique à résoudre par la pré- sente invention est de proposer un dispositif de focalisation tridimensionnelle d'un faisceau ultrasonore, qui comporterait un nombre moins élevé de transducteurs piézoélectriques élémentaires, et qui, de ce fait, serait plus facile à réali- ser, et dont l'électronique de commande - 3 - serait plus simple et moins onéreuse. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que le dispositif de foca- lisation tridimensionnelle comporte: - une barrette de phase, cylindrique de génératrice X'X, comprenant MxN transducteurs piézoélectriques élémentai- res rangés dans une matrice courbe de M lignes parallèles à la génératrice X'X et N colonnes courbes perpendiculaires auxdi- tes lignes, - un circuit de formation de plans Pj de focali- sation passant par la génératrice X'X, constitué par: * un multiplexeur qui, d'une part, sur les MxN signaux reçus par ladite barrette, sélectionne, pour chaque colonne i, les mo signaux Sjki fournis par les transducteurs piézoélec- triques élémentaires dont le numéro de ligne est j+k avec k=O,1,...,mo-1, mO étant un nombre donné représentant la largeur de l'ouverture du faisceau ultrasonore, et qui, d'autre part, réalise la somme Sjki des signaux sjki et sji,mo-k-1 fournis par des transducteurs piézoélec- triques élémentaires symétriques par rapport au centre de l'ouverture définie en largeur par mo, * N circuits de focalisation plane identiques qui, pour chaque colonne i, appliquent aux signaux Sjki un retard Tk de remise en phase, et réalisent la somme Sji des signaux Sjki ainsi remis en phase, le plan Pj de focalisation étant alors constitué par le plan médiateur de l'ouverture de largeur mo, - un circuit d'angulation qui, pour j donné, appli- que, avant de les sommer, aux N signaux Sji une loi de phase définissant, dans le plan Pj de focalisation, une di- rection de focalisation D. En pratique, on choisira une barrette de phase courbe de 16 lignes et de 64 colonnes, ce qui correspond à 1024 éléments piézoélectriques au lieu de 4096, soit 4 fois moins, d'o une plus grande facilité de fabrication. D'autre part, avec un nombre mo de lignes actives égal à 8, par -4- exemple, et le repliement des éléments symétriques, on aboutit à 64 circuits de focalisation plane identiques relativement simples puisqu'ils appliquent chacun seulement 3 retards Tk de remise en phase indépendants de j. Comme on le verra en détail plus loin, une des caractéristiques essentielles du dispositif de focalisation tridimensionnelle selon l'invention est de rendre séparables les lois de phase, de focalisation plane d'une part, et d'angulation d'autre part. Cette disposition a pour conséquence avantageuse de n'exiger qu'un seul circuit d'angulation. Aussi, le dispositif selon l'invention ne comporte au total que 64+1=65 circuits de focalisation tridimensionnelle au lieu de 4096 nécessaires pour la mise en oeuvre d'une barrette bidimensionnelle plane de 64x64 éléments piézoélectriques. La focalisation tridimensionnelle est réalisée en faisant varier la position des plans Pj de focalisation à l'aide du multiplexeur et la direction de focalisation D par modification de la loi de phase du circuit d'angulation. De façon à augmenter la cadence de formation d'ima- ges, il est prévu que le dispositif de focalisation tridimen- sionnelle conforme à l'invention dispose de P circuits d'angu- lation en parallèle de P faisceaux ultrasonores provenant de P directions de focalisation Dl(l=1,2,...,P). La cadence d'ac- quisition des images est alors multipliée par P. 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 montre, en perspective, une barrette de phase courbe et la définition de ses principaux paramètres. La figure 2 est une vue en coupe de la barrette de phase de la figure 1. La figure 3 est le schéma d'un circuit de formation de plans de focalisation. La figure 4 est le schéma d'un circuit d'angula- tion. La figure 5 montre schématiquement un dispositif - 5 - d'angulation en parallèle. La figure 1 montre, en perspective, une barrette de phase ayant une forme cylindrique de génératrice X'X. Cette barrette comprend MxN transducteurs piézoélectriques OS élémentaires rangés dans une matrice courbe de M lignes paral- lèles à la génératrice X'X et N colonnes courbes perpendicu- laires auxdites lignes. A titre d'exemple, M et N peuvent valoir respectivement 16 et 64, ce qui correspond en tout à 1024 éléments piézoélectriques. Ce type de barrette courbe peut être réalisé conformément au mode de réalisation décrit dans le brevet américain né 4 747 192. La barrette 100 de phase de la figure 1 est desti- née à équiper un dispositif de focalisation tridimensionnelle d'un faisceau ultrasonore fonctionnant sur le principe général suivant: une première focalisation plane définit un plan de focalisation P passant par la génératrice X'X et repéré par un angle 8, puis une angulation, dans le plan P, détermine la di- rection D de focalisation, l'angle entre la génératrice X'X et la direction D étant noté p. La focalisation tridimension- nelle recherchée est obtenue en faisant varier de façon indé- pendante les angles 8 et c selon des moyens de mise en oeuvre qui sont maintenant décrits. Un multiplexeur 201, représenté à la figure 3, et faisant partie d'un circuit 200 de formation de plans de foca- lisation, sélectionne, parmi les MxN signaux reçus par la bar- rette 100, mo signaux sjki fournis par les transducteurs piézoélectriques élémentaires appartenant à la même colonne i (i=1,2,...,N) et dont le numéro de ligne est j+k avec k=O,1,...,mo-1. Cette action du multiplexeur 201 sur la barrette est résumée à la figure 2 sur laquelle les éléments piézoélectriques rendus efficaces par le multiplexeur sont re- présentés par des hachures. mo est un nombre donné qui, comme l'indique la figure 2, correspond à la largeur de l'ou- 35.verture du faisceau ultrasonore, sa longueur étant celle de la barrette 100. D'autre part, conformément à la figure 3, - 6 - le multiplexeur 201 réalise la somme Sjki des signaux sjkl et sjl,mO-k-1 fournis, ainsi que le montre la figure 2, par des transducteurs piézoélectriques élémentaires symétriques par rapport au centre de l'ouverture définie en largeur par mo. Ensuite, revenant à la figure 3, N circuits 202i de focalisation plane identiques appliquent aux signaux Sjki, pour chaque colonne i, un retard Tk de remise en phase. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3 o mo=8, il est nécessaire de créer, à l'aide de 3 lignes à retard, 3 retards Tk,. à savoir T1, T2, T3. Du fait de la forme cylin- drique de la barrette 100 de phase, les quantités Tk sont indépendantes du nombre j, avec comme conséquence éminemment avantageuse la simplification de l'électronique de traitement puisque chaque circuit 202i de focalisation plane peut trai- ter tous les signaux Sjki quelque soit la valeur de j, donc quelque soit la position de l'ouverture latérale du fais- ceau ultrasonore. Les circuits 202i de focalisation réali- sent ensuite la somme Sji des signaux Sjki ainsi remis en phase. Le plan Pj de focalisation est alors constitué, comme indiqué à la figure 2, par le plan médiateur de l'ouver- ture de largeur mo. Le retard Tk est donné par (dj+k-dj)/C, C étant la vitesse de l'onde ultrasonore et dj+k et di étant la distance des éléments piézoélectriques de numéro de ligne j+k et j au point Fj de focalisation situé dans le plan Pj de focalisation. Tk dépend donc de la profondeur d'explora- tion, du pas de lignes et de la courbure de la barrette 100 de phase. Ainsi que le montre la figure 4, un circuit 300 d'angulation applique pour une valeur de j donnée, une loi de phase aux N signaux Sij, puis fait la somme des signaux Sji déphasés de façon à obtenir le signal final S(8j,e), l'angle e définissant, dans le plan Pj de focalisation, une direction de focalisation D. Le circuit 300 d'angulation et la loi de phase appliquée sont connus en soi et classiquement - 7 - utilisés en imagerie échographique à deux dimensions. Le balayage spatial est réalisé en faisant varier le nombre j, c'est à dire en imposant au multiplexeur 201 de déplacer par pas discret l'angle 8j qui fixe la position de l'ouverture latérale mo du faisceau ultrasonore. De son côté, l'angle w peut être modifié en changeant la loi de phase appliquée par le circuit 300 d'angulation. Dans le but d'augmenter la cadence de saisie des images, et conformément à l'enseignement de la demande de brevet européen n O 210 624, la figure 5 montre que le dispo- sitif de focalisation selon l'invention dispose de P=3 cir- cuits 301, 302, 303 d'angulation en parallèle, à l'aide de 3 lois de phase adéquates, de 3 faisceaux ultrasonores provenant de 3 directions de focalisation D1, D2, D3 repérées par les angles w1, W2, w3. La cadence de formation d'images est alors multipliée par P=3. - 8 - REVENDICATIONS: 1. Dispositif de focalisation tridimensionnelle d'un faisceau ultrasonore, caractérisé en ce qu'il comporte: - une barrette (100) de phase, cylindrique de os05 génératrice X'X, comprenant MxN transducteurs piézoélectriques élémentaires rangés dans une matrice courbe de M lignes parallèles à la génératrice X'X et N colonnes courbes perpendiculaires auxdites lignes, - un circuit (200) de formation de plans Pj de focalisation passant par la génératrice X'X, constitué par: * un multiplexeur (201) qui, d'une part, sur les MxN signaux reçus par ladite barrette (100), sélectionne, pour chaque colonne i, les mo signaux sjki fournis par les transducteurs piézoélectriques élémentaires dont le numéro de ligne est j+k avec k=0,1,...,mo-1, mo étant un nombre donné représentant la largeur de l'ouverture du faisceau ultrasonore, et qui, d'autre part, réalise la sommne Sjk des signaux sjki et sjiom-k-1 fournis par des transducteurs piézoélectriques élémentaires symétriques par rapport au centre de l'ouverture définie en largeur par mo, * N circuits (202i) de focalisation plane identiques qui, pour chaque colonne i, appliquent aux signaux Sjki un retard Tk de remise en phase, et réalisent la somme Sji des signaux Sjki ainsi remis en phase, le plan Pj de focalisation étant alors constitué par le plan médiateur de l'ouverture de largeur mo, - un circuit (300) d'angulation qui, pour j donné, applique, avant de les sommer, aux N signaux Sji une loi de phase définissant, dans le plan Pj de focalisation, une direction de focalisation D. 2. Dispositif de focalisation tridimensionnelle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il dispose de P circuits (301, 302, 303) d'angulation en parallèle de P faisceaux ultrasonores provenant de P directions de focalisation D1 (l=1,2,...,P).