Brevet FR2662815A1 — publié le 19911206

PROCEDE ET APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE" La présente invention concerne un procédé d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant une étape d'émission, par tirs périodiques, de signaux ultrasonores préalablement focalisés vers le milieu à explorer et une étape de réception et traitement des signaux échographiques renvoyés par les obstacles rencontrés dans ce milieu, lesdites étapes d'émission et de réception et traitement comprenant ellesmêmes une étape de focalisation par application de retards appropriés. La présente invention concerne également un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, comprenant un réseau de N transducteurs ultrasonores associé à un étage d'émission, par tirs périodiques, de signaux ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de réception et traitement des signaux échographiques renvoyés vers les transducteurs par les obstacles rencontrés dans ce milieu, lesdits étages d'émission et de réception et traitement comprenant l'un et l'autre des moyens de focalisation par application de retards dans les voies d'émission et les voies de réception et traitement associées respectivement à chaque transducteur ultrasonore. De tels procédé et appareil sont utilisables notamment dans le domaine médical, ou bien pour le contrôle non destructif de matériaux, sans que de telles applications constituent bien entendu une limitation de l'invention. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nb 4471785 décrit un échographe ultrasonore comprenant une telle structure, et pouvant notamment inclure une matrice de transducteurs avec focalisation électronique. Ce document met en évidence que la vitesse des ultrasons est, en fait, très rarement uniforme dans les milieux explorés, et qu'il en résulte des distorsions d'image dues essentiellement à des interférences multiples des ondes ultrasonores. La solution technique alors proposée pour réduire ces interférences consiste à comparer à l'aide d'un circuit de corrélation les différents signaux échographiques reçus par les différents transducteurs et à retarder de façon spécifique chacun de ces signaux avant leur combinaison et les opérations ultérieures de détection d'enveloppe, filtrage et affichage.L'opération ainsi effectuée consiste donc en une seule correction, dans la chaîne de réception, des retards affectant chacun des signaux échographiques reçus. Un but de l'invention est de proposer une méthode améliorée de correction des effets des inhomogénéités de la vitesse ultrasonore dans les milieux explorés. A cet effet l'invention concerne un procédé d'examen de milieux par échographie ultrasonore tel que défini plus haut et caractérisé en ce que l'étape de réception et traitement comprend également (a) une étape de corrélation, deux à deux, de m des n signaux focalisés associés aux voies de réception et traitement (b) une étape de mémorisation des (m-l) retards déterminés au cours de ladite étape de corrélation (c) une étape de correction, en fonction des (m-l) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à l'émission, lors du tir suivant. Un autre but de l'invention est de proposer un échographe ultrasonore mettant en oeuvre, par rapport à la réalisation qui vient d'être décrite, cette méthode améliorée de correction des effets des inhomogénéités de la vitesse ultrasonore dans les milieux explorés. A cet effet l'invention concerne un appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, caractérisé en ce qu'il comprend (a) en parallèle sur m des N voies de réception et traitement, des moyens de corrélation des m signaux focalisés associés à ces m voies et considérés deux à deux (b) un circuit de mémorisation temporaire des (m-l) retards déterminés par lesdits moyens de corrélation (c) des moyens de correction, en fonction des (m-l) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à l'émission, lors du tir suivant. Selon le mode de réalisation proposé, lesdits moyens de corrélation comprennent par exemple (m-l) corrélateurs à deux entrées, et notamment des corrélateurs 1 bit, ou bien un corrélateur à m entrées, là aussi un corrélateur 1 bit de préférence, les m signaux focalisés associés aux m voies de réception et traitement concernées étant traités deux à deux. En outre, il est avantageux de prendre m égal à N : ainsi les retards sont mesurés entre (N-1) paires de signaux reçus sur des transducteurs adjacents, ce qui permet d'obtenir une meilleure précision. Par ailleurs, il est également intéressant, car économique en matière de réalisation, de limiter dans le ou les corrélateurs, le calcul de corrélation à des décalages de l'ordre de plus ou moins une demi-longueur d'onde seulement. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, plus perfectionné, l'appareil est caractérisé en ce que la sortie du circuit de mémorisation temporaire est également reliée à des moyens de correction, en fonction des (m-1) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à la réception, lors du tir suivant, ces moyens de correction pouvant comprendre le séquenceur prévu en général pour définir dans chaque voie de réception et traitement le retard de focalisation. Dans un autre mode de réalisation, également très intéressant, l'appareil est caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de correction, en fonction des (m-i) retards mémorisés, des retards de focalisation à la réception, au cours du même tir. Enfin, lors de ces rebouclages d'information de nature itérative, on peut être amené à considérer que les corrections effectuées sont satisfaisantes et donc à prévoir, dans l'appareil, des moyens d'interruption desdites corrections. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels - la figure 1 montre un premier exemple de réalisation de l'appareil selon l'inventionr ainsi qu'une variante dans cette réalisation - la figure 2 montre un exemple de réalisation d'un des corrélateurs de l'appareil de la figure 1 - la figure 3 illustre des variantes de réalisation de certaines parties de l'appareil de la figure i - la figure 4 montre une variante numérique d'une partie des voies de réception et traitement. Dans l'appareil décrit plus loin, le procédé d'examen mis en oeuvre comprend tout d'abord une étape d'émission de signaux ultrasonores vers le milieu à explorer. Cette émission est réalisée par tirs périodiques, à une fréquence de récurrence déterminée. Le procédé associe à cette étape d'émission une étape de réception et traitement des signaux échographiques renvoyés vers la structure transductrice par les obstacles rencontrés dans ledit milieu. Ces étapes d'émission et de réception et traitement comprennent ellesmêmes une étape de focalisation par application de retards appropriés. Selon l'invention, l'étape de réception et traitement comprend également une étape de corrélation, deux à deux, de m des N signaux focalisés associés aux N voies de réception et traitement. Cette étape de corrélation est suivie, après mémorisation des (m-l) retards ainsi déterminés par corrélation, d'une étape de correction, en fonction de ces (m-l) retards, des retards de focalisation à l'émission, lors du tir suivant. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, un premier exemple de réalisation d'appareil d'échographie ultrasonore est représenté sur la figure 1. Cet appareil comprend tout d'abord un réseau de n transducteurs ultrasonores 10a à 10n destinés à émettre et à recevoir des signaux ultrasonores. Ce réseau de transducteurs est ici linéaire, mais il ne s'agit là que d'un exemple de réalistion non limitatif. Le réseau de transducteurs pourrait être bidimensionnel, ou bien être du type décrit dans le brevet français n 2592720r sans que ces autres exemples soient eux-mêmes limitatifs. L'émission ultrasonore est effectuée par tirs périodiques vers le milieu à explorer (non représenté), les signaux émis ayant été préalablement focalisés, électroniquement, en excitant les transducteurs selon une loi temporelle déterminée. Cette émission est réalisée à l'aide d'un étage d'émission 20 comprenant, dans le cas présent, les éléments suivants (a) un circuit de commande 21 définissant la cadence des tirs ultrasonores, à une fréquence de récurrence de l'ordre de 3 à 5 kilohertz par exemple, un tel circuit de commande comprenant essentiellement un oscillateur et un diviseur de fréquence qui délivre les différents signaux d'horloge nécessaires (b) un circuit 22 d'émission des signaux électriques d'excitation des transducteurs, cette excitation étant commandée soit selon la loi temporelle appropriée pour permettre la focalisation des signaux ultrasonores, soit en phase, les différents retards de focalisation étant alors obtenus à l'aide de lignes à retard 23a à 23n (c'est le cas représenté sur la figure 1) placées respectivement dans les n voies d'émission associées aux transducteurs et constituant un circuit de focalisation 23 (c) si la focalisation n'a pas été réalisée par le circuit 22, le circuit de focalisation électronique 23 (d) un circuit 24 d'activation de la haute tension, pour l'exécution de l'émission par les transducteurs. La réception des signaux échographiques renvoyés vers les transducteurs par les obstacles rencontrés dans le milieu exploré est assurée par un étage 30 de réception et traitement, composé de n voies de réception et traitement comprenant elles-mêmes, dans le cas présent, les éléments suivants (a) un préamplificateur 31a à 31n, l'ensemble des n préamplificateurs constituant un circuit de préamplification 31 (b) un compensateur de gain en fonction du temps 32a à 32n, l'ensemble de ces n éléments constituant un circuit de compensation de gain en fonction du temps 32 (c) une ligne à retard 33a à 33n, l'ensemble de ces lignes à retard constituant un circuit 33 de focalisation à la réception, commandé par un séquenceur 34 qui définit pour chaque voie le retard permettant la focalisation à la réception (focalisation dynamique). Un additionneur 41 reçoit les sorties des n voies de réception et traitement ainsi constituées, et est suivi de circuits connus (détecteur d'enveloppe, amplificateur de compression logarithmique, circuit de mémorisation et de conversion de balayage, dispositif de visualisation avec éventuel codage de couleur,...) permettant l'obtention d'images de plans de coupe des milieux explorés. L'ensemble de ces circuits est regroupé, par commodité et par souci de simplification de la figure 1, sous le terme de sous-ensemble de traitement et de visualisation et désigné par la référence 42. Conformément à l'invention, l'appareil décrit sur la figure 1 comprend tout d'abord, en parallèle sur m (avec m = N dans l'exemple particulier ici décrit) des N voies de réception et traitement, m-l corrélateurs 1 bit à deux entrées, référencés ici 54a à 54n-1 et décrits plus en détail ci-dessous (on précisera cependant ici que des corrélateurs en circuit intégré sont actuellement disponibles sur le marché des composants, par exemple le corrélateur TDC 1023 de la société TRW, La Jolla, CA 92038, Etats-Unis d'Amérique), en référence à la figure 2 montrant un tel corrélateur 54i. Comme indiqué sur cette figure 2, le corrélateur 54i, comme chacun des m-2 autres corrélateurs; comprend tout d'abord deux convertisseurs analogiques-numériques 1bit 541 et 542, dont l'un reçoit la sortie de la i-ième ligne à retard 33i et l'autre la sortie de (i+l)ième ligne à retard 33i+i. Ces convertisseurs 541 et 542, commandés ici par une fréquence d'horloge de 40 mégahertz, sont suivis de registres à décalage 543 et 544, le registre 543 étant en série en sortie du convertisseur 541 et le registre 542 en série en sortie du convertisseur 542. L'entrée de chaque registre et les sorties de ces registres sont envoyées deux à deux sur les deux entrées de circuits NON-OU exclusif, ici au nombre de il et référencés 550 à 560, de façon à pouvoir effectuer les onze comparaisons suivantes - dans le circuit 550, comparaison des sorties i et itl, non retardées - dans les circuits 551r 553, 555, 557 et 559, comparaison de la sortie itl et de la sortie i successivement retardée d'une à cinq périodes de décalage du registre 543 - dans les circuits 552, 554, 556, 558 et 560, comparaison de la sortie i et de la sortie i+i successivement retardée d'une à cinq périodes de décalage du registre 544. Onze compteurs 570 à 580 du nombre de i, présents de façon respectivement correspondante en sortie des circuits NON-OU exclusif 550 à 560, et suivis d'un circuit 581 de sélection du plus grand des signaux de sortie de ces compteurs, permettent finalement l'estimation du retard correspondant à la corrélation maximale entre les deux signaux échographiques concernés. Chaque corrélateur permet ainsi d'estimer le retard entre deux signaux échographiques focalisés de façon dynamique dès le premier tir, la focalisation étant effectuée comme s'il n'existait pas d'inhomogénités dans le milieu exploré. Pour m voies de réception et traitement considérées, on va donc disposer de (m-i) retards, qui sont, de préférence, mesurés entre des signaux reçus sur des transducteurs adjacents, afin d'obtenir la meilleure précision. Les retards dûs aux inhomogénéités à corriger sont relativement faibles, en général, et l'on peut donc n'effectuer les corrélations que pour des décalages de l'ordre de plus ou moins une demi-longueur d'onde seulement, ce qui justifie de n'utiliser ici, dans les corrélateurs, que des registres à décalage de cinq cellules seulement. Les retards ainsi estimés sont stockés dans un circuit de mémorisation 55 puis introduits dans les voies d'émission à l'aide de lignes à retard 56a à 56n constituant un circuit 56 de correction à l'émission. Une nouvelle émission peut alors être effectuée, qui tient compte, dans la focalisation à l'émission, des corrections effectuées sur les retards propres à chaque voie d'émission. A la réception des signaux échographiques correspondant à ce nouveau tir, les retards entre ces signaux sont à nouveau estimés par corrélation, comme précédemment, puis réintroduits dans chaque voie d'émission, et ainsi de suite. On réalise donc, par ces corrélations successives, une correction itérative des inhomogénéités de vitesse ultrasonore dans les milieux explorés. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, à partir duquel des variantes peuvent être proposées, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, les retards estimés et stockés dans le circuit de mémorisation 55 peuvent être réintroduits non seulement dans les voies d'émission lors du tir suivant, mais également, au cours de ce tir suivant, dans les voies de réception et traitement. Cette variante est illustrée sur la figure 1, qui montre, en trait interrompu, une connexion supplémentaire entre le circuit 55 et le séquenceur 34, ce dernier modifiant alors en conséquence, pour chaque voie, le retard permettant la focalisation dynamique à la réception. Dans une autre variante, représentée sur la figure 3, les retards estimés et stockés dans le circuit de mémorisation 55 peuvent être réintroduits dans les voies de réception et traitement non pas lors du tir suivant, mais immédiatement, tant que le tir en cours n'est pas achevé. Les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, mais, par rapport à la figure i, une connexion supplémentaire est prévue entre le circuit 55 et l'étage de réception et traitement 30. Celui-ci comprend maintenant un circuit 57 de correction à la réception, constitué de lignes à retards 57a à 57n prévues en série dans chacune des voies de réception et traitement respectivement. Par ailleurs, il est tout à fait possible d'interrompre de tels processus de correction itérative lorsqu'on estime que ladite correction est efficace et suffisante. Cette interruption peut survenir par exemple soit après un nombre de tirs prédéterminé, soit à l'aide d'un critère d'interruption. On peut, par exemple, réaliser l'interruption lorsque l'énergie de la ligne échographique atteint un seuil prédéfini. On peut considérer en effet que cette énergie est maximale lorsque la focalisation est correcte à l'émission et à la réception. Un circuit 61 de commande d'interruption, mis en place par exemple sur la figure 3, est alors prévu. Ce circuit 61 comprend d'une part un circuit de calcul de l'énergie de la ligne échographique, dont l'entrée est à cet effet reliée à la sortie de l'additionneur 41, et d'autre part, afin de disposer d'une valeur normalisée de cette énergie, un circuit de calcul des énergies des signaux individuels, qui prélève donc, par l'intermédiaire de n connexions, les n signaux présents sur les n entrées de cet additionneur. Si Si(t) est l'énergie du i-ième signal individuel présente sur la i-ième entrée de l'additionneur 41, l'énergie normalisée C de la ligne échographique est égale au rapport de l'énergie de la ligne sur N fois la somme des énergies Sa(t) à Sn(t) des signaux individuels.Cette énergie normalisée C est bien entendu comprise entre O et 1. En fait, dans le cas où l'on explore un milieu diffuseur, sa valeur dépend de la focalisation et s'avère être égale au maximum à 2/3 si la matrice de transducteurs est linéaire et au maximum égale à 0,45 si celle-ci est circulaire. L'interruption du processus itératif est commandée lorsque la valeur C atteint un seuil prédéterminé. Un diviseur et un comparateur effectuent lesdites opérations de calcul du rapport et de comparaison au seuil. Enfin, il faut bien considérer que la correction selon l'invention, par rebouclages successifs d'information de l'étage de réception et traitement soit vers l'étage d'émission, soit vers l'étage de réception et traitement luimême, est obtenue aussi bien lorsque les voies d'émission et/ou de réception sont numériques qu'analogiques. En effet, les voies de réception et traitement sont analogiques sur les figures 1 et 3, mais peuvent être numériques, un convertisseur analogique-numérique étant alors inséré dans chacune de ces voies, en série, par exemple en sortie du circuit de compensation de gain en fonction du temps 32. Cette variante n'est pas représentée, sa réalisation étant facilement déduite des figures 1 ou 3. On a par contre représenté, par rapport à la figure 3, une autre variante de réalisation des voies de réception et traitement. Comme le montre la figure 4, une partie de ces voies est numérique et comprend successivement un circuit 71 de conversion analogique-numérique, un circuit 72 de focalisation à la réception, et un circuit de corrélation 73 réalisant comme précédemment la détermination des retards à mémoriser et à utiliser pour la correction, tandis que la suite des voies de réception et traitement reste analogique, avec successivement un convertisseur tension-courant 74, un circuit d'établissement de connexions cômmandable 75 (dit circuit "cross-switch", en anglais) et un circuit d'addition 76 consistant en une ligne analogique qui additionne directement les courants reçus Le séquenceur 34 commande d'une part le circuit de focalisation 72, et d'autre part le circuit 75 d'établissement de connexions commandable. REVENDICATIONS 1. Procédé d'examen de milieux par échographie ultrasonore comprenant une étape d'émission, par tirs périodiques, de signaux ultrasonores préalablement focalisés vers le milieu à explorer et une étape de réception et traitement des signaux échographiques renvoyés par les obstacles rencontrés dans ce milieu, lesdites étapes d'émission et de réception et traitement comprenant elles-mêmes une étape de focalisation par application de retards appropriés, caractérise en ce que l'étape de réception et traitement comprend également (a) une étape de corrélation, deux à deux, de m des n signaux focalisés associés aux voies de réception et traitement (b) une étape de mémorisation des (m-l) retards déterminés au cours de ladite étape de corrélation (c) une étape de correction, en fonction des (m-l) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à l'émission, lors du tir suivant. 2. Appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, comprenant un réseau de N transducteurs ultrasonores associé à un étage d'émission, par tirs périodiques, de signaux ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de réception et traitement des signaux échographiques renvoyés vers les transducteurs par les obstacles rencontrés dans ce milieu, lesdits étages d'émission et de réception et traitement comprenant l'un et l'autre des moyens de focalisation par application de retards dans les voies d'émission et les voies de réception et traitement associées respectivement à chaque transducteur ultrasonore, caractérisé en ce qu'il comprend (a) en parallèle sur m des N voies de réception et traitement, des moyens de corrélation des m signaux focalisés associés à ces m voies et considérés deux à deux (b) un circuit de mémorisation temporaire des (m-l) retards déterminés par lesdits moyens de corrélation (c) des moyens de correction, en fonction des (m-1) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à l'émission, lors du tir suivant. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de corrélation comprennent (m-l) corrélateurs à deux entrées, recevant deux à deux les m signaux focalisés associés auxdites m voies de réception et traitement. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les (m-l) corrélateurs sont des corrélateurs 1 bit à deux entrées. 5. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de corrélation comprennent un corrélateur à m entrées prévues pour recevoir et traiter deux à deux les m signaux focalisés associés auxdites m voies de réception et traitement. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le corrélateur est un corrélateur 1 bit à m entrées. 7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les nombres m et N sont égaux. 8. Appareil selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la corrélation est calculée pour des décalages de l'ordre de plus ou moins une demi-longueur d'onde seulement. 9. Appareil selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la sortie du circuit de mémorisation temporaire est également reliée à des moyens de correction, en fonction des (m-1) retards ainsi mémorisés, des retards de focalisation à la réception, lors du tir suivant. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction comprennent un séquenceur prévu pour définir dans chaque voie de réception et traitement le retard de focalisation. 11. Appareil selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de correction, en fonction des (m-1) retards mémorisés, des retards de focalisation à la réception, au cours du même tir. 12. Appareil selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'interruption desdites corrections.