Brevet FR2652654A1 — publié le 19910405

La présente invention concerne un échographe ultra- sonore comprenant un transducteur piézoélectrique composé de M transducteurs élémentaires fonctionnant à la fréquence centra- le fc, un étage d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage de réception et de traitement des signaux échographiques renvoyés vers chaque transducteur élémentaire. 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'orga- nes. L'étage de réception et de traitement des échogra- phes conformes au préambule doit réaliser la fonction connue sous le nom de formation de voies. Cette opération consiste à focaliser le faisceau ultrasonore en réception, c'est-à-dire, en pratique, à sommer en phase les M échos reçus par les M transducteurs élémentaires venant d'un même point d'explora- tion. Comme les différents transducteurs élémentaires ne sont pas situés à la même distance du point de focalisation, le dispositif de formation de voies comprend essentiellement des lignes à retard qui permettent de compenser ces écarts de dis- tance et d'amener tous les échos en phase pour sommation. Si la fréquence d'échantillonnage des signaux est fe, le pas de retard est 1/fe et on pourra appliquer aux voies des retards pouvant prendre les valeurs discrètes définies par k/fe, k=1, 2,....Il est clair que pour avoir une grande précision de focalisation, il y a avantage à ce que le pas d'échantillonna- ge soit le plus petit possible, ce qui suppose de pouvoir tra- vailler à une fréquence d'échantillonnage fe très élevée. Toutefois, le coût des composants rapides est tel qu'il n'est pas envisageable d'augmenter de façon très sensible la fré- quence fe, d'autant plus que le nombre de composants utili- sés dans les architectures de formation actuelles, fonction- nant de façon analogique, est déjà très grand. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un échographe ultra- sonore conforme au préambule qui présenterait une fréquence d'échantillonnage effective élevée tout en fonctionnant à une fréquence de travail plus basse. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit étage de récep- tion et de traitement comporte un dispositif de formation de M voies qui, pour chaque voie, comprend un convertisseur analo- gique/digital et, outre des moyens de retard par pas de retard 1/fe, un circuit de multiplication de la fréquence d'échan- tillonnage fe par N constitué de: - N lignes parallèles (j=1,...,N), N-1 desdites lignes comprenant chacune un filtre numérique d'interpolation décalé de j/Nfe par rapport au signal non interpolé de la Nième ligne, la Nième ligne restante comportant une ligne à retard de compensation compensant le retard introduit par ledit filtre d'interpolation, - d'un multiplexeur desdites N lignes parallèles. Ainsi, le retard appliqué à chacune des voies en réception de l'échographe selon l'invention se divise en deux parties, à savoir, un multiple entier k du pas d'échantillon- nage 1/fe, soit k/fe, comme dans les échographes connus de l'état de la technique, et d'un multiple entier k' du pas d'échantillonnage réduit 1/Nfe soit k'/Nfe, k' variant de 0 à N-1. Selon la valeur de retard voulu pour une voie donnée, le multiplexeur fournit en sortie le signal échographique de la ligne correspondante. La Nième ligne ne comportant pas de filtre d'interpolation est celle qui donne de façon usuelle les signaux non interpolés retardés de k/fe. En conclusion, pour une fréquence de travail fe donnée, l'échographe ultrasonore selon l'invention présente une fréquence d'échantillonnage effective de Nfe' ce qui permet d'utiliser des composantes basse fréquence, et donc de diminuer le prix de revient de l'appareil, alors que, par ailleurs, la précision de focalisation est améliorée. Le coût de l'échographe est encore réduit de fait du traitement numé- OS rique des signaux, beaucoup plus avantageux que les architec- tures analogiques connues qui nécessitent de nombreux régla- ges, des développements longs et onéreux et plus difficiles à intégrer que les circuits logiques. De plus, l'échographe selon l'invention présente l'avantage très important que, dans la mesure o il permet d'accéder à tous les-points de retard, ledit dispositif numérique de formation voies peut être adapté à tout type de sonde. Cette faculté de pouvoir choisir n'im- porte quel retard à tout moment offre également la possibilité de mettre en oeuvre des formations de voies très variées, no- tamment la focalisation de poursuite ou des images 'compound'. 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 général d'un échographe ultrasonore selon l'invention. La figure 2 est le schéma d'un dispositif de forma- tion de voies de l'échographe de la figure 1. La figure 3 est le schéma d'une première variante du dispositif de formation de voies de la figure 2. La figure 4 est le schéma d'une deuxième variante du dispositif de formation de voies de la figure 2. Les figures 5 et 6 donnent le schéma de deux fil- tres numériques d'interpolation qui peuvent être utilisés dans les dispositifs de formation de voies des figures 2 à 4. La figure 1 est le schéma d'un échographe ultraso- nore comprenant un transducteur piézoélectrique 100 composé de M transducteurs élémentaires 101i (i=1,2,...,M) fonctionnant à la fréquence centrale fc, et relié à un dispositif 102 de commande de balayage électronique. Un étage 200 d'émission as- sure la formation d'un faisceau ultrasonore d'exploration tandis qu'un étage 300 de réception et de traitement des signaux échographiques renvoyés vers chaque transducteur élémentaire 101i permet de réaliser des images échographi- ques du milieu observé. De façon classique, l'étage d'émission 200 comprend un séquenceur composé d'un oscillateur et d'un diviseur de fréquence qui commande à la fréquence de récurrence choisie un générateur dont les signaux électriques d'excitation sont en- royés vers le transducteur 100 qui les convertit en trains pé- riodiques de signaux impulsionnels ultrasonores. Un séparateur 103 des étages d'émission 200 et de réception et de traitement 300 est inséré entre le transducteur 100 et lesdits étages , 300 et évite l'aveuglement des circuits de réception par les signaux d'émission. L'étage de réception et de traitement 300 comprend en sortie du séparateur 103, un dispositif 400 de formation de voies, un amplificateur de compression logarithmique 500, un dispositif de mémorisation et de conversion de balayage 600 commandant, par exemple, un dispositif de visualisation. La figure 2 montre un dispositif de formation des voies qui, pour chaque voie i, comprend un convertisseur analogique-digital 410i qui transforme l'écho ei reçu par le ième transducteur élémentaire en un signal numérique, après filtrage et amplification. Comme l'indique la figure 2, le dispositif de formation de voies comporte un circuit 420i de multiplication de la fréquence d'échantillonnage fe constitué ici de N=2 lignes parallèles, comprenant l'une (j=1) un filtre numérique 421 d'interpolation et une ligne à retard 423 donnant un retard ATo multiple du pas de retard 1/re, alors que l'autre ligne (j=2) est constituée d'une ligne 422 à retard compensant.le retard AT introduit par le filtre 421 d'interpolation sur la ligne j=1 et d'une ligne à retard 423 identique à celle de la ligne j=1. La ligne j=2 fournit, de façon classique, un signal échantillonné à la fréquence fe que l'on peut retarder de k/fer k étant choisi en fonction de la focalisation en réception souhaitée. La ligne j=1 donne une autre série d'échantillons, également à la fréquence d'échantillonnage fe, calculés par le filtre 421 d'interpolation et décalés d'un demi pas d'échantillonnage 1/2fe. Ainsi en sortie du circuit 420i de multiplication de fréquence, on dispose de deux séries de signaux, directs ou interpolés, dont l'ensemble représente un signal à la fréquen- ce 2fe. Un multiplexeur 422i des 2 lignes parallèles choisit celui des signaux direct ou interpolé qui convient au retard désiré pour la voie i. La résolution en:ocalisation se trouve améliorée puisque selon le dispositif de formation de voies connu, on peut réaliser sur des retards variant par pas de 1 du pas d'échantillonnage soit 1/fe, 2/fe, 3/fe,... alors que le dispositif décrit en regard de la figure 2 permet d'obtenir les retards intermédiaires 1,5/fe, 2,5/fer 3,5/fe...* Dans l'exemple de la figure 1, N a été pris égal à 2, mais il est bien entendu qu'on pourrait donner à N des valeurs supérieures 3, 4, 5..., ce qui revient à multiplier la fréquence d'échantillonnage et la résolution de focalisation par 3, 4, 5... Dans le but d'éliminer les pieds dans la courbe de directivité du transducteur piézoélectrique, on effectue une opération d'apodisation, connue en soi, qui consiste à pondé- rer les signaux de chaque voie i par un coefficient Ai, va- leur au transducteur élémentaire 101i considéré, d'une cour- be gaussienne centrée au milieu du transducteur piézoélectri- que 100. Cette apodisation est réalisée par le multiplieur 430i. La Demanderesse a montré que ledit multiplieur d'apo- disation pouvait être simplement constitué d'un nombre de registres à décalage au plus égal à celui du nombre de bits des coefficients d'apodisation et d'un additionneur, sans nuire de façon sensible à l'efficacité de l'apodisation. Après apodisation éventuelle, tous les signaux pro- venant de chaque voie i ainsi remis en phase sont additionnés par des additionneurs 440i et envoyés vers le circuit 500. La figure 5 donne un premier exemple de filtre nu- mérique 421 d'interpolation pouvant être utilisé dans le cir- cuit 420i de multiplication de fréquence. Ce filtre est connu sous le nom de FIR pour Finite Impulse Response. L'en- trée et la sortie de ce filtre sont désignés par I et 0 respectivement, il comprend des lignes à retard Tir...TN ainsi que des multiplieurs et des additionneurs. Ce type de filtre a l'avantage d'être disponible commercialement. La figure 6 montre un autre exemple de filtre numé- rique d'interpolation. Il s'agit du filtre IIR pour Infinite Impulse Response. Ce filtre connu exige moins de composants que le FIR, mais, par contre, il est plus difficile à optimi- ser et peut conduire à des filtres divergents. Notons qu'en choisissant la fréquence d'échantil- lonnage fe égale à un multiple de la fréquence centrale fc de fonctionnement du transducteur piézoélectrique, on rend fixes les coefficients des filtres d'interpolation quelle que soit la fréquence de fonctionnement fc, ce qui permet d'éli- miner les multiplieurs desdits filtres, d'o un gain en compo- sants. A l'inverse, si la fréquence fe était indépendante de fe, les coefficients d'interpolation devraient être adaptés à la fréquence fc, et il faudrait maintenir les multi- plieurs. La figure 3 représente une variante du dispositif de la figure 2 dans laquelle une seule ligne 423 de retard ATo est utilisée et placée à la suite du multiplexeur 422i. Ce mode de réalisation présente l'avantage de diviser au moins par 2 le nombre de lignes à retard et donc de diminuer le nom- bre de composants utilisés. Toutefois, la Demanderesse a éta- bli que dans certains cas une erreur dans le retard appliqué pouvait se produire. La figure 4 montre une autre variante d'exécution du dispositif de la figure 2 ayant pour objet de diminuer encore le nombre de composants électroniques. Elle s'appuie sur l'idée que, même dans le cas de retards importants à ap- pliquer, le retard entre voies consécutives est faible et n'exige que des lignes à retard courtes donc moins onéreuses. La figure 4 illustre, de façon non limitative, l'exemple de deux voies consécutives. Le retard total a été séparé en deux: d'abord, un retard AT1 faible entre les voies consécutives pris en compte à l'aide d'un dispositif identique à celui de la figure 3, puis, un second retard AT2 plus important introduit après sommation des deux voies i et i-1. Le nombre de voies ainsi conjuguées peut valoir 3, 4, 5... REVENDICATIONS 1. Echographe ultrasonore comprenant un transducteur piézoélectrique (100) composé de M transducteurs élémentaires (110i, i=1,...,M) fonctionnant à la fréquence centrale fc, un étage (200) d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage (300) de réception et de traitement des signaux échogra- phiques renvoyés vers chaque transducteur élémentaire (110i), caractérisé en ce que ledit étage (300) de réception et de traitement comporte un dispositif (400) de formation de M voies qui, pour chaque voie (i), comprend un convertisseur analogique/digital (410i) et, outre des moyens (423; 423i; 423i, 424i) de retard (ATo; AT1+AT2) par pas de retard 1/fe, un circuit (420i) de multiplication de la fréquence d'échantillonnage fe par N constitué de: - N lignes parallèles (j=1,...,N), N-1 desdites li- gnes comprenant chacune un filtre numérique (421j) d'inter- polation décalé de j/Nfe par rapport au signal non interpolé de la Nième ligne, la Nième ligne restante comportant une ligne (422) à retard de compensation compensant le retard introduit par ledit filtre d'interpolation, - d'un multiplexeur (422i) desdites N lignes pa- rallèles. 2. Echographe ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (423j) de retard sont constitués par N lignes à retard (ATo) identiques placées sur chacune des N lignes parallèles. 3. Echographe ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (423i) de retard sont constitués par une seule ligne à retard (ATo) placée à la sui- te du multiplexeur (422i). 4. Echographe ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (423i,424i) de retard sont constitués par une ligne (423i) à retard (AT1) placée à la suite du multiplexeur (422i) et par une ligne (424i) à retard (AT2) appliqué au signal résultant de la somme des si- gnaux issus de p voies consécutives (i,i-1) conjuguées. 5. Echographe ultrasonore selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la fréquence d'échantillon- nage fe est un multiple de la fréquence centrale fc de fonctionnement du transducteur piézoélectrique (100). 6. Echographe ultrasonore selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que chaque voie (i) comprend en sortie un multiplieur (430i) d'apodisation. 7. Echographe ultrasonore selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit multiplieur (430i) d'apodisation est constitué d'un nombre de registres à décalage au plus égal à celui du nombre de bits des coefficients d'apodisation et d'un additionneur. 8. Echographe ultrasonore selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que ledit filtre numérique (421j) d'interpolation est un filtre F.I.R. 9. Echographe ultrasonore selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que ledit filtre numérique (421j) d'interpolation est un filtre I.I.R.