Brevet FR2658298A1 — publié le 19910816

PROCEDE ET APPAREIL POUR GENERER UNE ONDE ULTRASONORE EN WE DE SON UTILISATION EN ECHOGRAPHIE AVEC OBTENTION D'UNE BONNE RESOLUTION. L'invention est relative à un procédé pour générer une onde ultrasonore en vue de son utilisation en échographie, avec obtention d'une bonne résolution. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, l'échographie ultrasonore utilisée en recherche dermatologique, notamment pour réaliser une imagerie de la peau. L'invention peut s'appliquer à l'échographie en général, par exemple pour l'étude des traitements de surfaces, tels que le chromage. De telles applications de l'échographie sont connues. Par exemple en ce qui concerne l'échographie appliquée à la peau, on peut se reporter à l'article "L'échographie ultrasonore en recherche dermatologique" de J.L. LEVEQUE et B. QUERLEUX (Ann. Dermatol. Vénéréol. 1989, 116 : pages 503-509). D'une manière classique, on excite électriquement un transducteur pour produire des ultrasons qui sont envoyés dans le milieu à étudier, on recueille et on analyse des échos provenant des interfaces du milieu à étudier. Les applications de l'échographie à l'étude de surfaces nécessitent une résolution longitudinale et une résolution latérale aussi bonnes que possible. Ces résolutions sont fonction de la fréquence de résonance du transducteur utilisé. Dans le cas de l'imagerie de la peau, par exemple, l'échographie ultrasonore nécessite l'utilisation de transducteurs fonctionnant à des fréquences élevées de 20MHz au moins. Or, à ces fréquences, l'impulsion générée présente des oscillations ou rebondissements, comme illustré sur la figure 1 des dessins annexés, qui nuisent à la résolution longitudinale et latérale. On a donc cherché à générer une onde ultrasonore de largeur 1 (voir figure 1) minimale pour réduire les effets de rebondissement. L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé qui permette de générer une onde, de préférence unipolaire dont le schéma est donné sur la figure 2 du dessin annexé, en vue de son utilisation en échographie. Le procédé conforme à l'invention, pour générer une onde ultrasonore,en vue de son utilisation en échographie, prévoit d'utiliser un transducteur épais dont la face, tournée vers le milieu où les ultrasons sont envoyés, est une surface courbe concave pour permettre une focalisation de l'onde ultrasonore dans le milieu à étudier et obtenir une bonne résolution latérale. De préférence, le procédé permet de générer une onde ultrasonore unipolaire, les moyens d'excitation électrique du transducteur étant propres à appliquer un échelon de tension, sur ce transducteur, pour produire une impulsion de pression. Par transducteur épais, on désigne un transducteur pour lequel le temps mis par une impulsion ultrasonore pour parcourir l'épaisseur du transducteur d'une face à l'autre est nettement supérieur à la durée de l'impulsion, notamment au moins cinq fois plus grand. L'utilisation d'un transducteur épais, excité par une impulsion électrique, pour produire une onde ultrasonore a été décrite, par exemple dans l'article "Use of thick transducers to generate short-duration stress pulses in thin specimens" par Ronald G. PETERSON et Moshe ROSEN - The Journal of the Acoustical Society of America - Vol. 41 - n0 2 - 1967, P. 336-345. Cet article explique qu'un transducteur épais, lorsqu'il est excité par une impulsion de tension, fournit alternativement une impulsion de pression positive et négative, séparées dans le temps d'une quantité égale au temps de vol des ultrasons dans le transducteur épais. L'utilisation d'un tel transducteur épais en échographie n'est cependant pas envisagée. Les autres caractéristiques de l'invention ne sont pas non plus évoquées. Pour la réception, on peut utiliser soit le meme transducteur qui joue alors le rôle de récepteur, soit un capteur, qui peut Entre de nature différente, disposé entre le transducteur émetteur et le milieu ou objet à analyser. L'invention est également relative à un appareil pour générer une onde ultrasonore en vue de son utilisation en échographie, comprenant un transducteur et des moyens d'excitation électrique de ce transducteur, cet appareil étant caractérisé par le fait que, pour produire une onde - le transducteur est épais ; - la face du transducteur épais, tournée vers le milieu où les ultrasons sont transmis, est limitée par une surface courbe concave permettant une focalisation de l'onde ultrasonore. De préférence, l'appareil produit une onde ultrasonique unipolaire, les moyens d'excitation électrique étant propres à appliquer un échelon de tension au transducteur. La face concave du transducteur peut entre formée par une calotte sphérique. L'appareil comprend un récepteur qui peut utiliser le transducteur épais d'émission ; dans ce cas, des moyens électroniques sont prévus pour dériver le signal reçu afin de retrouver l'image de l'impulsion de pression. Selon une autre possibilité, pour éviter de dériver le signal reçu, ce qui risque d'entrainer des parasites, le récepteur comprend un capteur piézoélectrique disposé entre le transducteur émetteur et le milieu ou objet à analyser. Ce capteur piézo-électrique peut entre un PVDF (difluorure de polyvinyle) dont la sensibilité à la réception est excellente. Un film de PVDF peut Entre soit collé sur l'émetteur, soit disposé à distance de 1' émetteur. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin ci-annexé, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ce dessin, est un schéma d'un émetteur d'ultrason de l'art antérieur et de l'onde oscillante produite par cet émetteur, le temps étant porté en abscisse, et l'amplitude en ordonnée. La figure 2 est un schéma d'une onde unipolaire, le temps étant porté en abscisse, et l'amplitude en ordonnée. La figure 3 est un schéma illustrant la réponse d'un transducteur épais excité par une impulsion. La figure 4 est un schéma d'impulsions bipolaires. La figure 5, enfin, est un schéma d'un appareil selon l'invention. Avant de décrire le procédé et l'appareil conformes à l'invention, on rappelle qu'en matière d'échographie ultrasonore, notamment pour l'imagerie et en particulier pour l'imagerie de la peau, il est important d'obtenir une bonne résolution des images. Jusqu'à présent, les transducteurs ultrasonores 1 (figure 1) utilisés en matière d'échographie étaient relativement minces, c'est-à-dire que leur épaisseur e était telle que le temps de parcours d'une face à l'autre de ce transducteur 1 par une onde ultrasonore était égal ou voisin de la demi-longueur d'onde. Un tel transducteur 1, généralement formé par un matériau piézo-électrique, entre en résonance et l'onde ultrasonore émise 3 présente des oscillations correspondant à une onde sinusoldale amortie avec une pseudo-fréquence Fo= 1/T, la pseudo-période T étant fonction de e : T = f(e), la pseudo-période T augmentant avec e. La résolution axiale, dans le cas d'une imagerie par échographie ultrasonore, dépend de la durée du signal ultrasonore, c'est-à-dire de la largeur 1 du signal 3. La résolution axiale est améliorée si la largeur 1 est diminuée. Comme le nombre d'oscillations amorties, pour un signal ultrasonore produit par une impulsion 2, est sensiblement constant, la diminution de la largeur 1 est obtenue par l'augmentation de la fréquence des ondes ultrasonores, c'est-à-dire la réduction de la pseudo-période, ce qui entraine la diminution de l'épaisseur e du transducteur 1. On en est arrivé, pour des fréquences de l'ordre de 20 MHz, à une épaisseur du transducteur piézo de l'ordre de e = 0,015 mm. Le transducteur est alors réalisé à l'aide d'un film de plastique piézoélectrique. Bien que l'on atteigne ainsi les limites de l'art antérieur, on conserve toujours une impulsion 3 présentant des oscillations et ayant une largeur 1 qui demande encore à etre réduite. L'invention, au lieu de proposer de réduire encore l'épaisseur du transducteur piézo-électrique, propose, d'une manière surprenante pour l'échographie ultrasonore, d'utiliser un transducteur épais 4 (figure 5) d'épaisseur h dont la face avant 5, tournée vers le milieu M où sont envoyés les ultrasons, est formée par une surface courbe concave permettant une focalisation de l'onde ultrasonore en un point B. De plus, des moyens électriques 6 sont prévus pour exciter le transducteur ultrasonore 4, non plus par une impulsion électrique telle que l'impulsion 2 de la figure 1, mais par un échelon de tension 7. En opérant de la sorte, comme on le verra plus loin, du fait que l'onde reçue au voisinage du foyer B est la dérivée de l'onde de pression générée par la face avant 5 du transducteur, on obtient bien une impulsion de pression au niveau du point focal B. D'une manière générale, il est connu (voir l'article déjà cité de Ronald G. PETERSON et Moshe ROSEN) qu'un transducteur épais 8 (figure 3), à faces d'extrémité planes, parallèles, excité par une impulsion électrique 2, fournit alternativement une impulsion de pression positive 9 et une impulsion de pression négative 10. Le temps t séparant deux impulsions successives 9, 10 dépend de l'épaisseur el du transducteur et de la vitesse ou célérité c des ultrasons dans le matériau piézo-électrique du transducteur 8 : t = el/c. Pendant le temps O-t, on peut considérer que l'on a produit une onde unipolaire 9, plane puisque la face de sortie 8a du transducteur épais 8 est plane. Du fait que l'onde transmise est plane, l'utilisation d'un tel transducteur en échographie ne donnerait aucune résolution latérale. La solution de l'invention, qui prévoit une face avant 5 concave pour le transducteur épais 4, permet, par la focalisation de l'onde ultrasonore, d'obtenir une bonne résolution latérale qui s'ajoute à la bonne résolution axiale. On peut également moduler la résolution axiale en agissant sur le temps de montée du signal électrique. Cet agencement de la face avant 5 sous forme d'une surface concave a pour conséquence que l'onde de pression reçue au voisinage du foyer B est la dérivée de l'onde de pression générée par la face avant 5 du transducteur. De ce fait, si le transducteur 4 était excité par une impulsion électrique 2, les ondes de pression sur la face avant 5 seraient semblables aux ondes 9, 10 de la figure 3. Au foyer B, la dérivée de l'onde 9 serait constituée par une onde bipolaire telle que 11 représentée sur la figure 4. Grace à l'invention, en excitant le transducteur 4 avec un échelon de tension 7, on obtient, au foyer B, l'onde de pression unipolaire u, de la figure 2, qui correspond bien à la dérivée, par rapport au temps, de l'échelon de tension électrique 7. Ainsi, pendant une durée 0-t, on peut considérer que l'on a généré une onde de pression unipolaire u avec les moyens de l'invention. Dans un exemple de réalisation, le transducteur épais 5 était cylindrique avec un diamètre de 20 mm et une longueur de 25 mm, et était réalisé en zirconate de baryum. L'échelon de tension 7 correspondait à une variation de tension de 6000 volts en un temps de 10 ns, ce qui a permis d'obtenir une résolution de 7,5 microns. A l'échelon de tension électrique correspondait un échelon de pression sur la face 5 d'une durée de 17 ns. La distance focale était de 25 mm. La qualité du transducteur portait la référence P1 60 ou P1 68, commercialisées par la société Quartz et Silice. Au foyer B, l'onde unipolaire u avait une durée d égale à 50 ns. La tache focale avait un diamètre d'environ 20 microns. La surface concave 5 était une surface sphérique, polie au micron près (selon les procédés utilisés en optique pour polir les miroirs). Deux possibilités de réception des échos ultrasonores peuvent être envisagées. Une première possibilité consiste à utiliser le meme transducteur épais 4 qui joue alors le rôle de récepteur. On sait que, dans ces conditions, une impulsion de pression telle que u qui arrive sur le transducteur épais 4 donne un échelon de tension. Pour retrouver l'image de l'impulsion de pression, les moyens électriques 6 comprennent un circuit électronique différenciateur (6a) propre à dériver le signal d'écho reçu par le transducteur 4 et à fournir, sur sa sortie, l'image de l'impulsion de pression. Il est à noter que le fait de dériver le signal d'écho reçu risque d'entratner des parasites. Une autre possibilité, avantageuse, de réception des échos, consiste à disposer, entre le transducteur émetteur 4 et le milieu M à analyser, un capteur piézo-électrique 12 relié à des moyens d'analyse électronique 13. Dans un exemple de réalisation, on a utilisé un PVDF (difluorure de polyvinyle), dont la sensibilité à la réception est excellente, comme capteur piézo-électrique 12. Le film de PVDF peut être collé sur tout ou partie de la face 5 de l'émetteur. En variante, il peut entre disposé à distance de l'émetteur 4. Il est possible de faire varier le temps de montée, donc la largeur de l'impulsion et donc la résolution. REVENDICATIONS 1. Procédé pour générer une onde ultrasonore en vue de-son utilisation en échographie, avec obtention d'une bonne résolution, selon lequel on excite électriquement un transducteur pour produire des ultrasons qui sont envoyés dans le milieu à étudier, on recueille et on analyse des échos provenant des interfaces du milieu à étudier, caractérisé par le fait qu'on utilise un transducteur épais (4) dont la face, tournée vers le milieu (M) où les ultrasons sont envoyés, est une surface courbe concave (5) pour permettre une focalisation de l'onde ultrasonore dans le milieu à étudier (M) et obtenir une bonne résolution latérale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il permet de générer une onde ultrasonore unipolaire (u), les moyens d'excitation électrique (6) du transducteur étant propres à appliquer un échelon de tension (7), sur ce transducteur, pour produire une impulsion de pression. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, pour la réception, on utilise le meme transducteur (4) qui joue alors le rôle de récepteur. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, pour la réception, on utilise un capteur (12) qui est disposé entre le transducteur émetteur (4) et le milieu à analyser (M). 5. Appareil pour générer une onde ultrasonore en vue de son utilisation en échographie, comprenant un transducteur et des moyens d'excitation électrique de ce transducteur, caractérisé par le fait que, pour produire une onde, le transducteur (4) est épais, et que la face du transducteur épais, tournée vers le milieu où les ultrasons sont transmis, est limitée par une surface courbe concave (5) permettant une focalisation de l'onde ultrasonore. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il produit une onde ultrasonore unipolaire (u), les moyens d'excitation électrique (6) étant propres à appliquer un échelon de tension (7) au transducteur (4). 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'épaisseur (h) du transducteur (4) est telle que le temps mis par une impulsion ultrasonore pour parcourir cette épaisseur, d'une face à l'autre, est nettement supérieur à la durée de l'impulsion, notamment au moins cinq fois plus grand. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que la face concave (5) du transducteur (4) est formée par une calotte sphérique. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un récepteur utilisant le transducteur épais d'émission, et des moyens électroniques (6a) pour dériver le signal reçu. 10. Appareil selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur piézo-électrique (12) disposé entre le transducteur émetteur (4) et le milieu (M) à analyser. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le capteur piézoélectrique (12) est constitué par un film de PVDF collé sur l'émetteur (4).