Brevet FR2692999A1 — publié le 19931231

i SONDE POUR ECHOGRAPHIE ET SON APPLICATION A L'ECHOGRAPHIE MEDICALE L'invention concerne une sonde pour échographie, notamment un échographe utilisé dans le domaine médical. De façon générale, les échographes utilisent des sondes constituées de barrettes d'éléments transducteurs acoustiques. Différentes structures ont été proposées. On connaît notamment des sondes dites "Phased-Array", selon la terminologie anglo-saxonne, dans lesquelles tous les transducteurs sont utilisés simultanément Cependant, il est nécessaire d'assurer à la fois une direction d'émission au pointage et une focalisation de faisceau émis par la sonde. Pour ce faire, les différents transducteurs sont excités par des signaux électriques généralement sinusoïdaux et suivant une loi de retard déterminée d'un transducteur à l'autre On obtient un balayage sectoriel du faisceau émis en effectuant une série de "tirs" successifs en ajustant ladite loi de retard On assure ainsi un champ image de l'ordre de 900 ou plus. A titre d'exemple non limitatif, une sonde de ce type est décrite dans la demande de brevet français FR-A-2 570 837. Cependant, il existe un phénomène parasite En effet, le diagramme d'émission, pour un tir, dépend d'un certain nombre de paramètres qui vont être détaillés dans ce qui suit En particulier, le diagramme d'émission présente un lobe principal et des lobes secondaires d'amplitudes faibles A ce lobe principal correspond un lobe image indésirable Il est donc nécessaire que ce lobe image soit en dehors du champ image utile. Les transducteurs sont le plus souvent équidistants les uns des autres et séparés par une distance que l'on appellera dans ce qui suit d. Si on trace un diagramme "amplitude en fonction de sin O ", o O est l'angle que fait la direction d'émission par rapport à la normale à la barrette de transducteur, les lobes images sont distants de ( 1/d), en sin ( 6), des lobes principaux Dans cette relation, X est la longueur d'onde des signaux d'excitation. Pour une visée précitée sur + 90 , si l'on désire rejeter le lobe ima e à -90 , il est donc N cessaire que obéisse à la relation > X 2 sin ( 90 ), c'est-à-dire X 2 ou encore d former ce qui est généralement appelé des "macrocapteurs". Si N est le nombre de canaux, la longueur de l'antenne équivalente, que l'on appellera L dans ce qui suit, obéit à la relation L = N X/22; X étant la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. La résolution angulaire est donnée par la relation L = L N Le nombre de canaux N permet donc d'obtenir, comme il vient d'être rappelé, un cham image supérieur à 90 avec une résolution angulaire de l'ordre de S rvo Il peut être nécessaire, pour certaines applications, de disposer d'un champ image plus faible et surtout d'une résolution angulaire plus fine On réalise ainsi une fonction "loupe" ou "zoom acoustique". On pourrait naturellement augmenter la valeur de N ce qui donnerait une résolution angulaire plus fine puisque proportionnelle à (-2) Cependant, le nombre de canaux N est en général limité dans la pratique; typiquement N est de l'ordre de 40. L'invention se fixe pour but d'obtenir une résolution plus fine tout en conservant le même nombre de canaux. L'invention permet avantageusement un choix entre plusieurs modes de fonctionnement: un mode de fonctionnement standard et un mode de fonctionnement "zoom"; celui-ci pouvant être ajustable. Pour ce faire, un groupement sélectif des transducteurs est réalisé en mode "zoom" de manière à constituer N macrocapteurs; le nombre de canaux restant constant d'un mode à l'autre. L'invention a donc pour objet une sonde pour échographie comprenant une barrette de transducteurs électroacoustiques couplés sélectivement à un nombre déterminé de canaux; lesdits transducteurs étant excités par des signaux électriques présentant des retards, d'un transducteur à l'autre, évoluant suivant une loi prédéterminée de manière à émettre une succession de faisceaux focalisés et réaliser un balayage de champ image d'amplitude préétablie; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens permettant le fonctionnement de ladite sonde selon des premier et second modes de fonctionnement; lesdits moyens sélectionnant, dans le premier mode, des transducteurs en nombre égal audit nombre déterminé de canaux et couplant chaque transducteur sélectionné à un des canaux; et, dans le second mode de fonctionnement, constituant des groupements de transducteurs en parallèle, en nombre égal audit nombre déterminé de canaux, et couplant chacun des groupements constitués à un des canaux; et en ce que le nombre de transducteurs de chaque groupement est un nombre entier supérieur ou égal à deux, de manière à, simultanément, réduire ladite amplitude du champ image balayé et à augmenter la résolution de chaque faisceau émis. L'invention a encore pour objet l'application d'une telle sonde à l'échographie médicale. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit et des figures annexées, et parmi lesquelles: La figure 1 illustre une sonde d'échographie de l'Art Connu réalisée sous forme de barrette linéaire de transducteurs; La figure 2 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'une sonde selon l'invention; La figure 3 illustre schématiquement un second mode de réalisation d'une sonde selon l'invention; Les figures 4 et 5 sont des diagrammes illustrant le fonctionnement des sondes selon l'invention; La figure 6 est l'application des enseignements de l'invention à une sonde à géométrie courbe. On va tout d'abord rappeler brièvement le fonctionnement d'une sonde pour échographe selon l'Art Connu en se référant au dispositif illustré schématiquement par la figure 1. La sonde 1 est constituée par une barrette de M transducteurs: Tl à TM Des circuits électroniques (non représentés) alimentent individuellement ces transducteurs en signaux électriques déphasés selon une loi déterminée, de manière à ce que, pour chaque tir, les axes moyens A 1 à Ax des x faisceaux successifs émis, F 1 à Fx, fassent des angles O avec un axe à orthogonal à la barrette 1, O variant par exemple entre -45 et + 45 Le champ image couvert est alors de 900, comme il a été indiqué La loi de variation de phase est telle que l'on obtienne un balayage régulier de -45 à + 450 entre le premier (faisceau F 1) et le dernier tir (faisceau Fx) comme illustré par la figure 1. Si le nombre de canaux de l'échographe est N il y aura autant de valeurs discrètes de l'angle O En d'autres termes x = N. Une première variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention va maintenant être décrite par référence à la figure 2 On se place, pour fixer les idées, dans le cadre d'une structure similaire à celle illustrée par la figure 1; c'est-à-dire une sonde constituée d'une barrette linéaire de M transducteurs Comme précédemment, ces transducteurs ont été repérées Ti à TM. Le nombre de canaux est égal à N. Selon l'un des aspects importants de l'invention, en mode que l'on appellera dans ce qui suit "standard", on sélectionne N transducteurs pour créer N canaux En général, on sélectionne les N transducteurs centraux de la barrette constituant la sonde 1. Pour ce faire, on utilise un circuit de sélection Ce circuit peut être réalisé de façon classique à l'aide de commutateurs électroniques ou électriques Il est à la portée de l'Homme de Métier et ne nécessite pas d'être décrit plus avant. En mode standard, ce circuit réalise donc les connexions nécessaires entre les canaux C 1 à CN et les N transducteurs sélectionnés. Selon l'invention, en mode "zoom", on obtient un champ image plus étroit en groupant les M transducteurs T 1 à TM de la sonde 1 en N macrocapteurs Plus précisément, chaque macrocapteur est réalisé en associant en parallèle des transducteurs Dans une variante de réalisation préférée, on roupe les capteurs de façon jointive Chaque groupement comprend ( transducteurs Les valeurs relatives de M et N doivent être naturellement telles que le rapport (-) soit un nombre entier. A priori N étant le nombre de canaux, nombre fixé à l'avance, M est un multiple entier de N On réalise ainsi une antenne lacunaire, c'est-à-dire dont le pas d' est plus grand que la longueur d'onde. Dans une variante préférée de l'invention, l'association de transducteurs en parallèle est obtenue par des commutations internes des circuits sélecteurs 2. Pour ce faire, dans une variante de réalisation par circuits de commutation électroniques, les circuits sélecteurs 2 sont commandés par un signal Vc à deux états. Chaque macrocapteur est alors connecté à un des canaux: Cl à CN. On a représenté sur la figure 2 des liaisons bidirectionnelles pour indiquer que les transducteurs reçoivent, en émission, des signaux d'excitation propres à obtenir le balayage décrit en relation avec la figure 1; et, en réception, à capter les signaux issus de la réflexion sur une cible Ce processus ne diffère pas, en soi, de l'Art Connu. Comme dans l'Art Connu, à chaque lobe principal ou lobe utile, on doit associer un lobe image ou lobe parasite. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, on peut éliminer les inconvénients apportés par ces lobes images en adoptant une configuration particulière des macrocapteurs de la sonde en mode "zoom". Pour ce faire, on sélectionne un pas différent entre macrocapteurs, selon qu'il s'agit de l'émission ou de la réception On définit les pas inter-macrocapteurs comme étant la longueur de ceux-ci. Par ce biais, on obtient un pointage dans des directions différentes des lobes principaux et des lobes images. La figure 3 illustre schématiquement une telle disposition. Dans un but de simplicité, on a représenté, sur cette figure, une sonde constituée de vingt quatre transducteurs au total. Pour fixer les idées, les macrocapteurs en émission comportent chacun quatre transducteurs jointifs réunis en parallèle et les macrocapteurs de réception six transducteurs jointifs en parallèle Il y a donc quatre macrocapteurs, Mcr 1 à Mcr 4, en réception, et six en émission, Mce 1 à Mce 6 Les liaisons de sortie (réception) ou d'entrée (émission), dont une seule, respectivement lr 4 et le 6, a été représentée pour chaque série de macrocapteurs, seront reliées à deux sélecteurs (non représentés); un pour la réception et un pour l'émission Dans une autre variante, il peut s'agir d'un sélecteur unique comprenant un double réseau de commutateurs Comme précédemment, en mode standard, seuls N transducteurs sont sélectionnés et associés aux N canaux En mode "zoom", les macrocapteurs d'émission sont également au nombre de N, c'est-à-dire le nombre de canaux. Dans un exemple de réalisation pratique, le nombre de transducteurs sera en général plus grand que les vingt quatre de l'exemple décrit Pour fixer les idées, on suppose que le nombre de canaux est égal à quarante (N = 40) On choisit une fréquence du signal d'excitation égale à 5 M Hz (longueur d'onde X = 0 3 mm dans l'eau). En mode standard, l'antenne comportera donc quarante transducteurs, soit le nombre N de canaux, au pas de 0,5 X comme il a été indiqué La longueur utile de l'antenne est donc I = 40 x 0,5 x, soit 6 mm. Dans ces conditions, la résolution angulaire est de 1/20 rds, soit 3 environ. Si on désire passer en mode "zoom", avec un grossissement de 4, il sera nécessaire de disposer d'une sonde constituée de x 4 = 160 transducteurs Le pas doit rester égal à 0,5 X, soit une longueur de 24 mm pour la fréquence précitée Chaque macrocapteur comporte alors quatre transducteurs en parallèle. On appellera dans ce qui suit dr la distance inter- macrocapteurs en réception et de la distance inter-macrocapteurs en émission. Le champ image est réduit, conformément à la relation habituelle, à d r Les limites du champ image sont donc comprises entre et + en sin ( 0) 2 d r 2 d La figure 4 illustre le diagramme de réception lamplitude-sin O e d'un macrocapteur pour une des voies, voie pour laquelle le déport du faisceau est maximal, par exemple égal à + X/dr. Dans ces conditions le lobe image est à -X/2 dr On trouverait une valeur symétrique pour le lobe principal à -X/2 dr Le champ image est donc limité à -X/dr. En réception, selon les dispositions illustrées par la figure 3, la distance inter-macrocapteurs d'émission n'est plus égale à dr mais égale à de En outre, on choisit dr > de. Comme illustré par le diagramme de la figure 5 représentant également les variations de la fonction lamplitude-sin(O)1, le lobe image se trouve à la distance X/de (en sin (e" de la direction de pointage 1/2 dr (déport maximal du faisceau émis). La largeur du lobe principal pour l'amplitude nulle est égale à 21/L, avec L longueur de l'antenne On peut donc obtenir une extinction ou du moins une atténuation très forte du lobe image en effectuant le produit des diagrammes émission-réception, tel que la relation suivante soit satisfaite: X _ > 2 _ de dr L On choisit de = 2 k, c'est-à-dire un macrocapteur d'émission formé, dans l'exemple précité, de quatre transducteurs de longueur ?/2; et dr = 2,5 X, c'est-à-dire un macrocapteur de réception formé de cinq transducteurs. La relation qui vient d'être rappelée est amplement satisfaite car on obtient alors 1/10 > 1/40, soit un rapport de un à quatre. En outre, la longueur maximale d'un macrocapteur doit satisfaire une autre contrainte Elle doit être telle que sa distance de Fresnel soit inférieure à la distance minimale d'observation Dmin Cette distance est définie comme étant la distance pour laquelle la différence de marche de l'onde émise est égale à X/4. A titre d'exemple, si Dmin = 10 mm pour une fréquence de M Hz, dans le cadre l'exemple retenu pour illustration, cette condition supplémentaire est telle que: d 90 résolution: # 3 Mode "zoom": utilisation de 40 macrocapteurs à l'émission (nombre de canaux) et de 32 macrocapteurs à la réception champ image: # 200 résolution: # 0,750 L'exemple de réalisation qui vient d'être décrit n'est naturellement pas limitatif de la portée de l'invention. On peut notamment utiliser une fréquence différente d'un mode à l'autre (standard et "zoom") On peut également permuter le dimensionnement des macrocapteurs émission-réception. On peut aussi obtenir, en mode "zoom", plusieurs grossissements différents Il faut naturellement, pour les différents coefficients de grossissement, que les conditions qui ont été énoncées soient satisfaites Dans la pratique, le nombre de coefficients possibles sera limité à une gamme restreinte. Enfin, dans ce qui précède, la structure géométrique de la sonde a été supposée linéaire Il existe cependant, dans l'Art Connu, des sondes de structure géométrique différente, notamment des sondes à géométrie courbe La demande de brevet français précité illustre, parmi d'autres possibles, une structure de ce type. La figure 6 illustre schématiquement une telle structure pour ce type de sonde Habituellement, le balayage est obtenu par décalage Il faut entendre par là que, l'antenne 1 comprenant k transducteurs au pas de 0, 5 X, seul un sous-ensemble comprenant N transducteurs est utilisé pour une direction de tir donnée Ay; par exemple le sous-ensemble 100 sur la figure 6. L'enseignement de l'invention peut s'appliquer également à cette structure Pour un sous-ensemble de N transducteurs utilisés pour un tir dans une direction donnée, en mode "zoom", les macrocapteurs seront réalisés de façon temporaire, par exemple par multiplexage électronique. Dans la pratique, en mode standard, des circuits de sélection seront utilisés pour sélectionner, pour chaque tir, un sous- ensemble de N transducteurs et réaliser un décalage d'un tir à l'autre, N étant égal au nombre de canaux. En mode "zoom", cette opération est également réalisée en sélectionnant M transducteurs, avec M = g N; g étant le coefficient de grossissement En outre pour chaque sous-ensemble sélectionné, c'est-à- dire pour chaque tir, des macrocapteurs sont formés conformément à ce qui a été décrit précédemment, mais avec une différence explicitée dans ce qui suit. Si I est la longueur d'un macrocapteur, sa directivité propre possède un lobe principal de largeur égale à XII Il est nécessaire que cette directivité intercepte le champ image en mode "zoom", ce qui impose une longueur maximum des macrocapteurs: maxi= Omin étant la valeur minimale de O 20 min Avantageusement, la longueur des macrocapteurs peut être variable; la relation suivante restant vérifiée: I minimale et maximale de 0. Suivant une variante, on peut envisager un système hybride dans lequel, pour un système d'observation de largeur donnée, dont l'axe est fixé par décalage, on dépointe autour de cet axe par déphasage des signaux des macrocapteurs. Ces macrocapteurs comprennent, dans une variante préférée de réalisation, g transducteurs jointifs câblés en parallèle. On conçoit que les circuits assurant la sélection et le multiplexage seront plus complexes que ceux à mettre en oeuvre pour réaliser les dispositifs décrits en relation avec les figures 2 ou 3. Ces circuits peuvent être réalisés, par exemple, en faisant appel à une matrice de commutateurs électroniques dont les états successifs sont commandés par un mot numérique de commande, via un circuit décodeur Le mot numérique peut être élaboré par un processeur tel qu'un micro- ordinateur, ou un circuit spécialisé comprenant, par exemple, une mémoire connue sous le sigle anglo-saxon de "PROM", dans laquelle est enregistrée une séquence d'instructions de commande. Les différentes valeurs que prend le mot de commande sont transmises aux circuits de sélection et de multiplexage et déterminent le mode de fonctionnement (standard ou "zoom"), le sous-ensemble de transducteurs sélectionnés et la configuration des macrocapteurs (en mode "zoom"). L'invention s'applique notamment à l'échographie médicale. 1 1 R E V E N D I C A T I O N S 1 Sonde pour échographie comprenant une barrette ( 1) de transducteurs électroacoustiques (T 1 à TM) couplés sélectivement à un nombre (N) déterminé de canaux (C 1 à CN); lesdits transducteurs étant excités par des signaux électriques présentant des retards, d'un transducteur à l'autre, évoluant suivant une loi prédéterminée de manière à émettre une succession de faisceaux (F 1 à Fx) focalisés et réaliser un balayage de champ image d'amplitude préétablie; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens ( 2) permettant le fonctionnement de ladite sonde selon des premier et second modes de fonctionnement; lesdits moyens sélectionnant, dans le premier mode, des transducteurs en nombre égal audit nombre (N) déterminé de canaux et couplant chaque transducteur sélectionné à un des canaux (C 1 à CN); et, dans le second mode de fonctionnement, constituant des groupements de transducteurs en parallèle, en nombre égal audit nombre (N) déterminé de canaux, et couplant chacun des groupements constitués à un des canaux (C 1 à CN); et en ce que le nombre de transducteurs de chaque groupement (Cl à CN) est un nombre entier supérieur ou égal à deux, de manière à, simultanément, réduire ladite amplitude du champ image balayé et à augmenter la résolution de chaque faisceau émis. 2 Sonde selon la revendication 1; caractérisée en ce que, le nombre déterminé de canaux étant égal à N la barrette ( 1) ayant une structure linéaire et étant constituée de M transducteurs, le nombre M est choisi tel que le rapport lM/Nl soit un nombre entier supérieur à l'unité; et en ce que, dans ledit second mode, chaque groupement de transducteurs est constitué par un nombre de transducteurs jointifs réunis en parallèle égal audit rapport. 3 Sonde selon la revendication 1 i; caractérisée en ce que, le nombre déterminé de canaux étant égal à N, la barrette ( 1) ayant une structure géométrique courbe et étant constituée de k transducteurs; en ce que, pour chaque émission de faisceau pendant ledit balayage, un sous- ensemble ( 100) de M transducteurs étant sélectionné, le nombre M est choisi tel que le rapport lM/Nl soit un nombre entier supérieur à l'unité; et en ce que, dans ledit second mode, chaque groupement de transducteurs est constitué par un nombre de transducteurs jointifs réunis en parallèle égal audit rapport. 4 Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisée en ce que lesdits groupements constitués forment, pendant l'émission desdits faisceaux, une première série de groupements (Mce 1 à Mce 6) de transducteurs; et en ce que lesdits transducteurs sont groupés, pendant la réception des faisceaux réfléchis par un obstacle, pour former une seconde série de groupements (Mcr 1 à Mcr 4) de transducteurs jointifs en parallèle; le nombre de transducteurs réunis en parallèle dans les groupements de cette seconde série étant différent dudit rapport lM/Nl. Sonde selon la revendication 4; caractérisée en ce que le pas entre groupements (Mce 1 à Mce 6) de transducteurs de ladite première série étant égal à une valeur de et le pas entre groupements (Mcr 1 à Mcr 4) de transducteurs de ladite seconde série étant égal à une valeur dr, la relation suivante est satisfaite: dr > de. 6 Sonde selon la revendication 5; caractérisée en ce que X étant la longueur d'onde desdits signaux électriques d'excitation, L la longueur totale de la sonde, la relation suivante est en outre satisfaite X X> 21 _ _-2 d d L e r 7 Application d'une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 à l'échographie médicale.