Brevet FR2658069A1 — publié le 19910816

Dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins par échographie ultrasonore, à vitesse limite de mesure élevée". Description: La présente invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins par échographie ultrasonore utilisant une onde acous- tique de fréquence fo 0, et comportant une première voie de traitement du signal échographique reçu, comprenant un premier circuit d'intercorrélation délivrant 2 I+ 1 valeurs échantillon- nées de la fonction de corrélation de deux signaux échographi- ques Sn(t) et Sn+ 1 (t) successifs. L'invention trouve une application particulière- ment avantageuse dans le domaine de l'exploration échographi- que d'organes en mouvement, tels que les parois du coeur, et d'écoulements sanguins dans les vaisseaux. Le problème technique général à résoudre par tout dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins est d'obtenir une estimation aussi exacte que possible de la vitesse axiale du mouvement étudié afin de réaliser, à l'aide de dispositifs de visualisation, des images précises des organes et des écoulements sanguins soumis à une exploration échographique ultrasonore. Depuis plusieurs années, diverses solutions à ce problème technique ont été proposées En ce sens, la demande de brevet européen N O O 225 667 décrit un dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins conforme au préambule qui utilise le fait que les signaux ul- trasonores successifs rétrodiffusés par une cible en mouve- ment, lorsque l'émission est récurrente à la période de récur- rence T, sont reliés par l'équation suivante Sn+ 1 (t) = Sn(t-T) ( 1) Ceci signifie que le signal n+ 1 est la réplique du signal n précédent à un décalage temporel T près Ce dernier représente le temps supplémentaire nécessaire à l'onde ultrasonore pour parcourir le trajet transducteurcible-transducteur, d'un tir à l'autre Autrement dit: T = 2 VT/C o V est la vitesse de la cible et C la vitesse du son On voit qu'une mesure de T permet de mesurer la vitesse V cher- chée. La fonction d'intercorrélation entre Sn(t) et Sn+ 1 (t) définie par: C N (to,u) = ft o+W S (t+u)Sn(t)dt nn+l to n+ 1 n vérifie: Cn n+l(to, U) = Cnn(to,U-T) Le temps to est lié à la profondeur d'exploration z par to = 2 z/C et W est la fenêtre d'intégration. La fonction Cnn(t O,u) est une fonction d'autocor- rélation, et, de ce fait, est maximale pour u = o Ainsi, une mesure du décalage temporel r, et donc de la vitesse V, peut se faire en cherchant pour quel paramètre u la fonction Cnn+ 1 (to,u) est maximale A cet effet, la fonction d'inter- corrélation est échantillonnée, à un pas d'échantillonnage At, entre Umin = -I At et umax = I At par pas de 1 de façon à obtenir 21 + 1 valeurs de fonctions de corrélation La valeur maximum de ces 2 I+ 1 valeurs correspondant à u = uo permet de mesurer T en utilisant l'égalité T = uo. Afin de s'affranchir des erreurs inhérentes à l'échantillonnage dans la détermination du maximum de la fonc- tion de corrélation, il est possible d'utiliser un circuit de multiplexage-interpolation fournissant à partir des valeurs des fonctions de corrélation une estimée plus précise de la vitesse et la valeur du pic de corrélation correspondant La demande de brevet français N O 2 590 790 donne un exemple de ce type de traitement du signal échographique dans lequel la cor- rélation entre signaux est une corrélation dite " 1 bit" en ce sens que les signaux Sn+ 1 et Sn utilisés précédemment sont réduits au signe du signal ultrasonore On sait que dans ce cas, le pic de la fonction de corrélation est de forme trian- gulaire isocèle La connaissance de cette forme permet à par- tir du point le plus haut et de ses deux voisins de reconsti- tuer complètement, par interpolation linéaire, le pic de cor- rélation et donc de déterminer avec précision l'emplacement de uo. Cette méthode connue de mesure des vitesses, repo- sant sur l'analyse du décalage temporel, présente de sérieux avantages sur d'autres méthodes fondées, par exemple, sur le décalage de fréquence ou de phase En particulier, elle permet d'utiliser des signaux d'émission à bande large, produisant une bonne résolution axiale de la mesure. Toutefois, la méthode exposée ci-dessus ne permet pas de mesurer des vitesses supérieures à une vitesse limite Vlim donnée par: V = C 1 lm 4 f T o C représente la vitesse de propagation de l'onde ultrasono- re Ce phénomène connu aussi sous le terme d'"aliasing" est lié à l'indétermination induite par la périodicité du signal échographique Une description détaillée en est donnée dans l'ouvrage "Doppler Ultrasound and Its Use in Clinical Measurement", P Atkinson and J P Woodcock, Academic Press, 1982. A titre d'exemple, avec une période de récurrence T de 100 ps, une fréquence acoustique centrale f O de 5 M Hz et une vitesse de propagation C de 1500 m/s, on obtient une vi- tesse limite Vlim de 75 cm/s, alors que certains écoulements sanguins, par exemple, peuvent atteindre des vitesses sensi- blement supérieures. Pour augmenter la vitesse limite de mesure, on pourrait penser à diminuer la fréquence fo, mais cela con- duirait à une réduction de la précision de la mesure et de la résolution De même, une augmentation de la fréquence de ré- currence aurait pour conséquence indésirable de diminuer la profondeur d'exploration. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de me- sure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins, du type de celui décrit dans le préambule, disposi- tif qui permettrait d'augmenter la vitesse limite de mesure Vlim sans diminuer la fréquence fo et sans augmenter la fréquence de récurrence 1/T. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit dispositif com- porte une deuxième voie de traitement du signal échographique reçu, comprenant: deux filtres passe-bande symétriques appliqués au signal Sn(t) , disposés en parallèle et fournissant respectivement des signaux sni(t) et sn 2 (t) centrés respectivement au- tour d'une fréquence f 1 au plus égale à fo et d'une fré- quence f 2 au moins égale à f, la différence f 2-fl étant inférieure à foi un multiplieur réalisant le'produit des signaux Sn I(t) et sn 2 (t), un filtre passe-bas symétrique sélectionnant la composante Sn(t) à la fréquence f 2-fl du produit snl(t) x sn 2 (t), un deuxième circuit d'intercorrélation délivrant 2 I+ 1 va- leurs échantillonnées de la fonction de corrélation de deux signaux Sn(t) et sn+l(t) successifs, dite deuxième fonc- tion de corrélation, et en ce qu'un circuit de multiplexage-interpolation fournit une estimée de la vitesse par recherche du maximum de la pre- mière fonction de corrélation autour de l'échantillon donnant la valeur la plus grande de la deuxième fonction de corréla- tion. Ainsi, le dispositif selon l'invention met en jeu non seulement un signal Sn(t) haute fréquence (fo) comme le dispositif connu de l'état de la technique, mais aussi un deuxième signal Sn(t) basse fréquence (f 2-f 1) qui vérifie également la relation ( 1) et qui peut donc être traité comme le signal Sn(t). Dans la mesure o les filtres utilisés pour former le signal basse fréquence sont symétriques et n'introduisent pas de retards ni de phases dans le domaine fréquentiel, et comme le calcul des corrélations se fait dans les mêmes condi- tions pour l'un et l'autre des deux signaux, les deux fonc- tions de corrélation, la première et la seconde, coïncident exactement, le maximum de l'une correspondant au maximum de l'autre Les deux fonctions de corrélation diffèrent en ce que la première, liée au signal Sn(t), a une fréquence plus éle- vée et présente des pics plus marqués que la seconde, d'o la précision de mesure plus grande, tandis que la seconde fonc- tion de corrélation, liée au signal sn(t), a une fréquence beaucoup plus faible et ne présente, dans le domaine de mesure considéré, pratiquement qu'un seul maximum C'est ce qui per- met, à l'aide de la deuxième fonction de corrélation, de lever totalement l'indétermination, due au phénomène d'"aliasing", dans la mesure de la vitesse à partir de la première fonction de corrélation. En conclusion, on constate que le dispositif selon l'invention combine les avantages d'une précision de mesure élevée, déterminée par le signal haute fréquence, et d'une vi- tesse limite plus grande, imposée par le signal basse fréquen- ce et dont la valeur est donnée par V -c 1 lim 4 (f 2-fl)T On remarquera également qu'indépendamment du phéno- mène d'"aliasing N, le dispositif selon l'invention permet de lever d'autres ambiguïtés, liées à l'échantillonnage, dans la détermination du pic de corrélation Il peut se produire en effet, que le point le plus haut de la fonction de corrélation échantillonnée n'appartienne pas au pic de corrélation recher- ché Cette situation peut survenir lorsqu'on mesure des flux complexes, comportant des gradients de vitesse importants qui tendent à faire baisser le pic de corrélation Cette erreur se traduit par des discontinuités brutales dans la reconstitution du profil de la vitesse en fonction de la profondeur d'explo- ration. 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 le schéma d'un dispositif de mesure de vitesse selon l'invention. La figure 2 donne, de façon schématique, les spec- tres des signaux impliqués dans le fonctionnement du disposi- tif de la figure 1. La figure 3 montre des exemples de fonctions de corrélation obtenues à l'aide du dispositif de la figure 1 et comment elles peuvent être utilisées dans la mesure de la vi- tesse recherchée. La figure 1 montre, sous forme schématique, un dis- positif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'é- coulements sanguins Ce dispositif fait partie d'un appareil d'exploration par échographie ultrasonore qui comprend en ou- tre, et non représentés sur la figure 1, au moins un transduc- teur ultrasonore fournissant une onde acoustique centrée au- tour d'une fréquence fo de 5 M Hz par exemple, un étage d'émission périodique par ledit transducteur d'un signal im- pulsionnel de fréquence de récurrence déterminée F = 1/T de k Hz par exemple, et un étage de réception des signaux écho- graphiques renvoyés vers le transducteur et de traitement des signaux reçus La demande de brevet européen N O O 225 667 don- ne une description très détaillée de ces différents étages. L'étage de réception et de traitement comporte, notamment, un éliminateur d'échos fixes permettant d'obtenir un signal écho- graphique Sn(t) à la fréquence fo, débarrassée des échos fixes gênants provenant des réflexions sur les parois fixes des organes ou des vaisseaux Le spectre fréquentiel du signal Sn Comme le montre la figure 1, le signal Sn(t) est dirigé, sur une première voie 100 a de traitement, vers un premier circuit 300 a d'intercorrélation comprenant, de façon classique, une ligne à retard d'une période de récurrence T qui permet de re- cevoir en même temps deux signaux consécutifs Sn(t) et Sn+l(t) Puis, 2 I+ 1 lignes à retard décalent respectivement l'un des deux signaux par rapport à l'autre de la quantité uk = k At, k étant un nombre entier prenant les valeurs -I, -I+ 1,, -1, 0, 1,, I-1, I et At le pas d'échantillonna- ge, par exemple de 50 ns Enfin, des corrélateurs au nombre de 2 I+ 1 fournissent 2 I+ 1 valeurs échantillons de la première fonction de corrélation soit: n n+(to,uk) kel-I,Il Un exemple d'une telle fonction de corrélation est donné aux figures 3 a et 3 c, avec I égal à 4. Le dispositif de la figure comporte également une deuxième voie 100 b de traitement du signal échographique reçu, comprenant: deux filtres passebande 2101, 2102 symétriques appliqués au signal Sn(t), disposés en parallèle et qui fournissent respectivement des signaux snl(t) et sn 2 (t) centrés res- pectivement autour d'une fréquence f 1 au plus égale à fo, par exemple 4 M Hz, et d'une fréquence f 2 au moins égale à fo, par exemple 6 M Hz, la différence f 2-f 1 = 2 M Hz étant inférieure à fo = 5 M Hz Bien entendu, les fréquences f 1 et f 2 doivent, comme l'indiquent les figures 2 b et 2 c se si- tuer dans la bande de fréquence ultrasonore centrée autour de fo. Par filtres symétriques, on entend des filtres dont la réponse temporelle h(t) vérifie h(-t) = h(t) D'autre part, les signaux sn 1 (t) et sn 2 (t) obéissent à la rela- tion générale ( 1) rappelée plus haut. un multiplieur 220 qui réalise le produit des signaux Snl(t) et sn 2 (t), ce qui fait apparaître sur le spectre de fréquence (figure 2 d) deux signaux, l'un basse fréquence centré sur f 2-fl, et l'autre haute fréquence centré sur f 2 +f l. un filtre passe-bas ( 230) également symétrique sélection- nant la composante sn(t) à la fréquence f 3 = fa-fl du pro- duit snl(t) x sn 2 (t), ainsi qu'on peut le voir à la fi- gure 2 e. un deuxième circuit 300 b d'intercorrélation, analogue à ce- lui 300 a de la première voie 100 a de traitement, qui délivre 2 I+ 1 valeurs échantillonnées, au pas d'échantillonnage At, de la fonction de corrélation Cb (touk) de deux signaux n,n+l k sn(t) et sn+l(t) successifs La figure 3 b montre un exemple de deuxième fonction de corrélation Cb (touk) n,n+l k qui, comme on peut le voir, a une fréquence plus basse que la première fonction de corrélation Ca n,n+l' Les corrélateurs utilisés dans l'un et l'autre des circuits 300 a et 300 b d'intercorrélation peuvent être des cor- rélateurs dits "I bit", comme rappelé plus haut, qui donnent aux fonctions de corrélation de la figure 3 une forme triangu- laire. En sortie des circuits d'intercorrélation, un cir- cuit de multiplexage-interpolation fournit une estimée de la vitesse V par recherche du maximum de la première fonction de corrélation Ca autour de l'échantillon ko donnant la nn+l valeur la plus grande de la deuxième fonction de corrélation Cbnn+ La figure 3 illustre cette démarche sur un exemple concret La première fonction de corrélation Cnn+l présente deux valeurs maximales relatives pour les échantillons k = -2 et k = 1 et, a priori, la valeur maximale à k = 1 étant la plus grande, on pourrait penser que la vitesse V est voisine de k C At/2 T soit C At/2 T En fait, la deuxième courbe de corré- lation Cb lève cette indétermination car elle indique n,n+l clairement que le calcul de la vitesse doit se faire autour de l'échantillon ko = -3, ce qui impose l'échantillon k = -2, deuxième valeur maximale de C a L'interpolation linéaire n,n+l' destinée à déterminer avec plus de précision la position du maximum de C a autour de k = -2 se fait avec 5 échantillons encadrant k = 2 soit -4, -3, -2, -1, O Ce nombre 5 de points choisis provient du fait que dans l'exemple considéré ici, la fréquence d'échantillonnage 1/At est 4 fois la fréquence fo; on peut donc faire 5 échantillons dans une période de signal ultrasonore Cette interpolation linéaire, liée à la corrélation 1 bit reconstruit le triangle isocèle à partir du point maximum et des deux points adjacents Avec les valeurs numériques précédentes pour fo, fl et f 2, on voit que la va- leur limite Vlim de la vitesse est multipliée par f,/(f 2-f 1) soit 2,5 On peut ainsi atteindre des vitesses près de 200 cm/s, soit toutes les vitesses de mouvements ou d'écoulements du corps humain. Revendications: 1 Dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'écoulements sanguins par échographie ultrasono- re utilisant une onde acoustique de fréquence centrale fo, et comportant une première voie ( 100 a) de traitement du signal échographique reçu, comprenant un premier circuit ( 300 a) d'in- tercorrélation délivrant 2 I+ 1 valeurs échantillonnées de la fonction de corrélation de deux signaux échographiques Sn(t) et Sn+l(t) successifs, dite première fonction de corréla- tion, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte une deu- xième voie ( 100 b) de traitement du signal échographique reçu, comprenant: deux filtres passe-bande ( 2101, 2102) symétriques appli- qués au signal Sn(t), disposés en parallèle et fournissant respectivement des signaux snl(t) et Sn 2 (t) centrés res- pectivement autour d'une fréquence f 1 au plus égale à fo et d'une fréquence f 2 au moins égale à fo, la différence f 2-fl étant inférieure à fo, un multiplieur ( 220) réalisant le produit des signaux Snl(t) et Sn 2 (t), un filtre passe-bas ( 230) symétrique sélectionnant la compo- sante Sn(t) à la fréquence f 2-fl du produit snl(t) X Sn 2 (t), un deuxième circuit ( 300 b) d'intercorrélation délivrant 2 I+ 1 valeurs échantillonnées de la fonction de corrélation de deux signaux Sn(t) et Sn+l(t) successifs, dite deu- xième fonction de corrélation, et en ce qu'un circuit ( 400) de multiplexage-interpolation fournit une estimée de la vitesse par recherche des coordon- nées du maximum de la première fonction de corrélation autour de l'échantillon (ko) donnant la valeur la plus grande de la deuxième fonction de corrélation. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits ( 300 a,300 b) d'intercorrélation compor- tent des corrélateurs 1 bit, et en ce que ledit circuit ( 400) de multiplexage-interpolation effectue une interpolation re- construisant le triangle isocèle.