Brevet FR2695999A1 — publié le 19940325

La présente invention concerne le domaine technique des sondes ultrasonores, au sens général, utilisées pour procéder à des mesures de vitesse et/ou de débit et elle vise en particulier, le domaine des sondes ultrasonores aptes à assurer des mesures intracorporelles, en étant introduites dans le corps humain par un orifice naturel. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour la mesure du débit aortique par l'intermédiaire de la sonde introduite à l'intérieur de l'oesophage. Le brevet français 78-14 494 a proposé une sonde intracorporelle composée d'un cathéter formant une gaine souple contenant un flexible relié par l'une de ses extrémités, à un bloc-support sur lequel est monté au moins un transducteur ultrasonore connecté, extérieurement au cathéter, à une unité de commande et de traitement. L'autre extrémité du flexible est montée solidaire d'un organe d'entrainement en rotation du bloc-support sur lui-même. Une telle sonde permet, par effet Doppler, de déterminer la vitesse et, par suite, si le diamètre est par ailleurs connu, le débit du sang circulant à l'intérieur d'un vaisseau. n est rappelé que le débit est égal àla section du vaisseau multiplié par la vitesse spatiale moyenne à l'intérieur du vaisseau. Si la sonde décrite ci-dessus a permis d'effectuer un progrès important en ce qui concerne la mesure des débits aortiques, il apparaît que les mesures de débit effectuées par une telle sonde manquent de précision. En effet, une telle sonde assure la mesure de la vitesse moyenne qui est effectuée à l'aide d'un transducteur ultrasonore dont le faisceau ne couvre pas la totalité de la surface de la section droite du vaisseau. De plus, en pratique, il apparaît difficile, voire impossible, de déterminer la. bonne orientation de la sonde, afin de procéder aux mesures de débits. En effet, des positions incorrectes de la sonde peuvent donner lieu à des signaux Doppler ayant toutes les apparences du signal recherché mais conduisant à des valeurs inexactes du débit. 11 s'ensuit que le faisceau ultrasonore peut couvrir aussi partiellement une zone située au dehors du vaisseau, de sorte que le dispositif de mesure prend en compte des éléments mobiles extérieurs au vaisseau, ce qui est une source d'erreur. il est à noter, également, que dans le dispositif antérieur, le traitement effectué sur le signal Doppler ne permet pas d'exclure le mouvement des parois du vaisseau, puisque tous les signaux provenant des cibles mobiles situées tout au long du faisceau ultrasonore sont pris en compte. Par ailleurs, au cours du cycle cardiaque, et en particulier, pendant la diastole, le profil de vitesse spatiale fait apparaître des zones de vitesses nulles ou suffisamment faibles pour ne pas pouvoir être mesurées à l'aide de la sonde et du dispositif de traitement utilisé conjointement. La vitesse moyenne spatiale ainsi mesurée est erronée, puisque seules les cibles animées d'un mouvement suffisamment rapide sont prises en compte. Dans ces conditions, la mesure du débit conduit à une erreur extrêmement importante dans la mesure où la vitesse moyenne mesurée est alors multipliée par la section totale du vaisseau. Cette erreur est d'autant plus importante que la surface couverte par les veines liquidiennes immobiles ou suffisamment lentes pour ne pas être détectées par la sonde, est elle-même importante par rapport à la section du vaisseau. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant une sonde capable d'améliorer notablement la précision de la mesure de la vitesse spatiale d'une cible mobile pour une mesure précise du débit de la cible et, notamment, du débit aortique. Un autre objet de l'invention vise à proposer une sonde apte à assurer une mesure précise de vitesse exclusivement sur-toute la section de la cible mobile. Un autre objet de l'invention vise à offrir une sonde capable d'effectuer des mesures précises de vitesse et, par suite, de débit, aussi bien pendant la diastole que la systole, ou des débits présentant des veines liquidiennes de faible vitesse. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, la sonde comporte au moins un blocsupport sur lequel est monté au moins un transducteur ultrasonore connecté à une unité de commande et de traitement. Selon l'invention, la sonde comporte: - au moins un transducteur ultrasonore à faisceau large, fixé sur un bloc-support permettant de mesurer, par effet Doppler, la vitesse d'une cible mobile, - au moins un transducteur ultrasonore à faisceau étroit, fixé sur un bloc-support et dont le faisceau se trouve dans une position relative connue par rapport à celle du faisceau large, - et une unité de commande et de traitement comprenant des moyens de mesure et de traitement des caractéristiques du signal du transducteur à faisceau étroit, afin de déterminer l'orientation convenable du transducteur à faisceau large. Conformément à l'invention, la sonde permet de procéder à des mesures exclusivement sur la section complète d'un milieu donné, tel que l'aorte. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La Fig. 1 est une coupe-élévation, de l'objet de l'invention. La Fig. 2 est une vue en projection de la coupe transversale prise sensiblement selon les lignes II-II de la Fig. 1 et montrant un détail caractéristique de l'invention. La Fig. 3 est un diagramme illustrant, dans le temps, l'énergie rétrodiffusée par la cible mobile. La Fig. 4 est un exemple d'une courbe de vitesse en fonction du temps, obtenue à parloir de la sonde selon l'invention avant et après correction. La Fig. 1 montre un exemple de réalisation d'une sonde conforme à l'invention, destinée à assurer des mesures intracorporelles de vitesse et/ou de débit. A cet effet, la sonde intracorporelle comprend un cathéter 1 formant une gaine ou un tube souple réalisé de manière connue par des matières choisies pour leurs caractéristiques de non toxicité et de bonne tolérance pour les muqueuses. La gaine 1 contient un flexible 2 qui est relié, par l'une de ses extrémités, à au moins un blocsupport 3 sur lequel sont montés des transducteurs ultrasonores 4 et 5. D'une manière classique, cette extrémité de la sonde 1, qui est destinée à être introduite dans le corps, est munie d'un ballonnet 6 entourant le bloc-support 3. Les transducteurs 4, 5 sont reliés à un câble électrique 7 placé dans la gaine l et sortant à l'extérieur du cathéter pour être connecté à une unité 8 de commande des transducteurs et de traitement des signaux délivrés par ces derniers.L'extrémité du flexible 2, opposée de celle pourvue du bloc-support 3, est reliée à un organe de manoeuvre 9, tel qu'un bouton moleté assurant une rotation sur lui-même du flexible 2. Selon une caractéristique de l'invention, le bloc-support 3 est aménagé pour recevoir au moins un transducteur ultrasonore 4, présentant un faisceau dit large 4a, à savoir adapté pour couvrir au moins toute la section S d'un milieu 10, tel qu'un vaisseau formant, de préférence, l'aorte et occupé par une cible mobile il formée, par exemple, par un flux sanguin (Fig. 2). Le transducteur 4 est placé sur un plan d'appui 12 ménagé dans le bloc-support 3. Dans le cas où la sonde est destinée à être introduite dans l'oesophage pour permettre la mesure du débit aortique, le transducteur 4 est incliné par rapport à l'axe longitudinal x-x' commun au flexible 2 et au bloc-support 3, de manière à permettre une détection de vitesse du sang par effet Doppler.Par exemple, le transducteur 4 utilisé est le transducteur du type nature Pi 60, de forme en secteur cylindrique de dimensions 4/4 mm, de rayon de courbure de 6 mm et commercialisé par la Société Quartz et Silice. Selon l'invention, le bloc-support 3 est équipé, - également, d'un transducteur ultrasonore 5 présentant un faisceau Sa considéré étroit par rapport à la section S de l'aorte 10 et par rapport au faisceau 4a. Le transducteur 5, du type à faisceau plan ou localisé, est monté sur le bloc-support 3, de manière que son faisceau Sa se trouve, de préférence, centré sur le plan symétrique P du faisceau large, passant par l'axe x-x'. Le faisceau étroit Sa est décalé d'un angle de divergence 8 par rapport au faisceau large 4a et se trouve, de préférence, orienté selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe x-x'. Bien entendu, il doit être considéré que le transducteur 5 peut être fixé sur le-bloc-support 3, de telle manière que son faisceau Sa se trouve dans une position relative différente mais connue par rapport à celle du faisceau large 4a. De plus, les transducteurs 4 et 5 peuvent être montés sur les blocs-supports distincts dont leurs positions relatives sont connues, en particulier par construction. La sonde décrite dans l'exemple illustré est destinée à être introduite par un orifice naturel dans une voie naturelle, tel que l'oesophage 13 représenté en traits mixtes, puis déplacée axialement afin que les transducteurs 4 et 5 se trouvent placés en regard d'une section S de l'aorte 10. Le bloc-support 3 est alors déplacé sur luimême par l'intermédiaire du bouton de manoeuvre 9 transmettant son effet par le flexible 2, de manière à orienter convenablement les transducteurs 4, 5 en azimut. Afin de placer le faisceau large 4a dans une position où il couvre la section du vaisseau 10 à explorer, le transducteur S à faisceau étroit est relié à l'unité 8 qui comporte des moyens de mesure et de traitement des caractéristiques du signal du transducteur à faisceau étroit S. A cet effet, l'unité de commande et de traitement 8 comporte des moyens 14 reliés au transducteur 5 par une liaison 71, et conçus pour déterminer l'amplitude des signaux reçus en écho par le transducteur à faisceau étroit 5. Les moyens de détermination 14 sont reliés à des moyens 15 conçus pour détecter les maximums de l'amplitude des signaux réfléchis. D'une manière classique, il est à considérer que l'amplitude des échos du transducteur 5 est maximum lorsque son faisceau Sa est perpendiculaire aux parois du vaisseau 10. Le bloc-support 3 est déplacé en azimut par l'intermédiaire du bouton 9, jusqu'à ce qu'il occupe une position dans. laquelle l'amplitude des échos du signal du transducteur S apparaisse maximum.Le transducteur 4 se trouve alors, par construction, convenablement orienté, de sorte que son faisceau large 4a insonifie toute la section S de l'aorte 10. il est ainsi possible de donner une seule et unique orientation correcte à la sonde, dans la mesure où l'amplitude des échos des parois décroît de façon importante pour un faible écart angulaire. Par ailleurs, il est à noter que le transducteur ultrasonore 4 permet de mesurer la vitesse sur toute la section du vaisseau 9, dans la mesure où toute cette section est insonifiée par le faisceau large 4a. fi est à noter que dans le cas où deux transducteurs 5 à faisceau étroit sont utilisés, il peut être envisagé de détecter, par exemple, la position dans laquelle l'amplitude des signaux des deux transducteurs 5 est égale, afin de déterminer l'orientation convenable du transducteur à faisceau large 4. Afin d'augmenter encore la précision des mesures de vitesses par le transducteur 4, il est prévu de prendre en compte uniquement les - échos du transducteur 5 provenant d'un intervalle P2-P1 qui circonscrit la section de l'aorte 10 en deux points extrêmes opposés. A cet effet, l'unité de commande et de traitement 8 comprend des moyens 16 conçus pour déterminer cet intervalle P2-P1. Les moyens 16 sont reliés aux moyens 15, afin de déterminer l'intervalle d2-dl correspondant aux deux points extrêmes de l'aorte détectés à partir des maximums de l'amplitude des échos relatifs au signal du transducteur 5. La connaissance de l'intervalle d2-dl permet de calculer la section puisqu'il est connu ou considéré que le vaisseau est de section circulaire. Les moyens 16 déterminent, ensuite, l'intervalle P2-P1 à partir de l'intervalle d2-dl et de l'angle de divergence 8 entre les deux faisceaux, connu en particulier par construction. Ces moyens de détermination 16 pilotent des moyens de sélection 17 reliés au transducteur 4 par une liaison 72. Ces moyens 17 permettent de sélectionner uniquement les échos des signaux du transducteur 4 qui sont obtenus dans une plage de temps de réponse correspondant à l'intervalle P2-P1. Les moyens de sélection 17 sont reliés à des moyens de traitement classique 19 assurant l'obtention d'un signal Doppler. Ces moyens de traitement 19 sont connectés à des moyens 20 connus en soi, aptes à déterminer la vitesse moyenne spatiale Vm du sang traversant la section S de l'aorte 10. L'utilisation combinée d'au moins un transducteur à faisceau large 4 et d'au moins un transducteur à faisceau étroit 5 autorise la mesure des vitesses sur toute la section de l'aorte 10 sans prendre en compte d'éléments situés à l'extérieur d'un tel vaisseau. Le champ de mesure de vitesse coïncide, ainsi, de la façon la plus étroite possible avec la section S de l'aorte. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la sonde est apte à assurer des mesures précises de vitesse moyenne spatiale qui tiennent compte de la section des veines liquidiennes animées d'une vitesse nulle ou suffisamment faible pour être considérée comme nulle par les moyens 19, 20 fonctionnant de façon classique. La sonde selon l'invention est ainsi apte à assurer des mesures de vitesse qui tiennent compte de la section effective ou réelle occupée par les hématies considérées en mouvement à l'intérieur de l'aorte. A cet effet, l'unité 8 comprend des moyens 21 aptes à mesurer l'énergie rétrodiffusée par les particules en mouvement, à savoir les hématies dans le cas du sang. L'énergie rétrodiffusée E, qui est proportionnelle au nombre d'hématies en mouvement, est mesurée à chaque instant, afin de connaître la masse de liquide en mouvement (Fig. 3). Ainsi, l'énergie E du signal reçu, est donnée par la formule suivante: E E = e.c.l.S. avec c étant la concentration en particules, à savoir en hématies, e l'énergie rétrodiffusée par une particule et, le produit 1.S étant le volume de mesure dans lequel se trouvent les particules en mouvement. Les moyens de calcul de l'énergie 21 qui reçoivent le signal Doppler issu des moyens de traitement l9, déterminent à chaque instant l'amplitude ou l'énergie E rétrodiffusée par les cibles en mouvement. L'amplitude de signal Doppler est proportionnelle à la racine carrée de l'énergie rétrodiffusée. La sortie des moyens de calcul 21 est connectée à des moyens 22 conçus pour déterminer la valeur de l'énergie apparaissant à un ou plusieurs instants définis, en particulier, lors de la systole. Les moyens 22 sont ainsi reliés à des moyens 23 aptes à déterminer les instants où se produit la systole. D'une manière classique, la systole peut être détectée à partir de la vitesse maximale du sang, de l'énergie rétrodiffusée ou d'un électrocardiogramme. Les moyens 22 délivrent donc la valeur de l'énergie rétrodiffusée Es pendant la systole. De préférence, l'énergie rétrodiffusée Es, lors de la systole, est mesurée sur plusieurs cycles cardiaques, par exemple de l'ordre d'une dizaine, puis moyennée, afin de tenir compte des variations physiologiques normales. n doit être considéré que pendant la systole toutes les hématies sont en mouvement, de sorte que l'énergie totale rétrodiffusée Es à cet instant correspond au mouvement des cibles occupant la section totale S du vaisseau. En dehors de la systole et, notamment, pendant la diastole, la surface SD couverte par les particules effectivement en mouvement est susceptible de se trouver réduite par rapport à la section complète S. La prise en compte de l'énergie rétrodiffusée, lors de la systole Es et lors de la diastole ED, permet de déterminer la surface réelle ou effective théorique SD participant au débit. Un telle surface est telle que: SD = S.(ED/E5) = S.K. Le facteur de correction K est déterminé par des moyens de correction 24 reliés au moyens 21, 22. D'une manière avantageuse, les moyens de correction 24 pondèrent le facteur K par un coefficient de correction pratique qui tient compte des caractéristiques techniques du transducteur 4 utilisé et des moyens l9, en particulier de la valeur minimale des vitesses détectées et de la bande passante du signal Doppler. Ces moyens de correction 24 sont connectés à des moyens 25 qui sont reliés aux moyens 20 de détermination de la vitesse moyenne spatiale. Ces moyens 25 permettent de calculer, à partir des valeurs de la vitesse moyenne spatiale et du facteur de correction K, la vitesse moyenne Vc corrigée, et par suite, le débit du sang en mouvement sur la surface localisée SD, à partir de la connaissance de la section du vaisseau. La Fig. 4 illustre un exemple de courbe donnant la vitesse corrigée Vç en fonction du temps. Cette courbe permet d'apprécier la correction effectuée à partir des vitesses brutes de mesure qui sont schématisées en traits discontinus lors de la diastole D. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une précision élevée sur les mesures de vitesses et, par suite, de débits du sang, puisque ces valeurs mesurées tiennent compte de la section effective participant au débit de sang. Tel que cela apparaît plus précisément à la Fig. 3, le facteur de correction déterminé par les moyens 24 est appliqué uniquement lorsque l'énergie rétrodiffusée est inférieure à un seuil N donné, de nature fixe ou réglable, pour tenir compte à la fois des variations physiologiques et des variations statistiques normales du signal Doppler connues par ailleurs. Avantageusement, le seuil N est compris entre 10 et 50 % de l'énergie rétrodiffusée maximale rétrodiffusée Es pendant la systole et, de préférence, de l'ordre de 25 %. Une telle comparaison effectuée par des moyens 26 interposés entre les moyens 21-22 et 24 permet de corriger à chaque instant du cycle cardiaque, les valeurs de vitesse et de débit, particulièrement lors de la diastole D, comme cela apparaît plus précisément à la Fig. 4. Bien entendu, les divers moyens constitutifs de l'unité 8 peuvent être réalisés d'une manière programmée ou câblée. De plus, il est à noter que les différents circuits nécessaires au fonctionnement des transducteurs 4, 5 n'ont pas été décrits plus précisément, car ils ne font pas partie de l'invention et sont connus en soi. Par ailleurs, il doit être considéré que la description qui précède concerne une sonde intracorporelle. Bien entendu, il est clair que l'objet de l'invention peut être appliqué à une sonde extracorporelle. Dans ce cas, la sonde ne comporte pas le cathéter l et le flexible 2. Par exemple, il peut être envisagé d'utiliser une telle sonde; afin de mesurer le débit de l'aorte ascendante par voie susternale. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: l - Sonde comportant au moins un bloc-support (3) sur lequel est monté au moins un transducteur ultrasonore connecté à une unité de commande et de traitement (8), caractérisée en ce qu'elle comporte: - au moins un transducteur ultrasonore (4) à faisceau large (4a), fixé sur un bloc-support (3) permettant de mesurer, par effet Doppler, la vitesse d'une cible mobile (11), - au moins un transducteur ultrasonore (S) à faisceau étroit (5a), fixé sur un bloc-support (3) et dont le faisceau se trouve dans une position relative connue par rapport à celle du faisceau large (4a), - et une unité de commande et de traitement (8) comprenant des moyens (14, 15) de mesure et de traitement des caractéristiques du signal du transducteur à faisceau étroit (5), afin de déterminer la seule orientation convenable du transducteur à faisceau large qui puisse permettre une mesure exacte du débit. 2 - Sonde selon la revendication l, caractérisée en ce que le transducteur à faisceau étroit (5) est montée sur le bloc-support (3), de manière que le faisceau (5a) se trouve orienté selon une direction sensiblement perpendiculaire à un axe (x-x'). 3 - Sonde selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le transducteur (5) à faisceau étroit est monté sur le bloc-support (3) de manière que son faisceau (5a) se trouve centré selon le plan de symétrie du faisceau large (4a) du transducteur (4). 4 - Sonde selon l'une des revendications l à 3, caractérisée en ce que le transducteur (5) est monté sur le bloc-support (3), de manière que son faisceau étroit se trouve décalé d'un angle de divergence (@) par rapport au faisceau large du transducteur (4) qui est fixé sur le bloc-support (3) avec une inclinaison relative par rapport à l'axe (x-x'). 5 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mesure et de traitement du signal du transducteur (5) à faisceau étroit comportent des moyens (14) pour déterminer l'amplitude des signaux reçus par le transducteur (5) et des moyens (15) pour détecter les maximums de l'amplitude de tels signaux. 6 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité de commande et de traitement (8) comporte des moyens (16) pour permettre de sélectionner les signaux reçus par le transducteur à faisceau large (4), dans une plage de distance (P2-P1) correspondant aux limites du milieu, cette plage de distance étant délimitée à partir de l'angle de divergence (8) des deux faisceaux et de la zone de distance ( & d,) obtenus à partir des moyens de traitement des signaux reçus par le transducteur à faisceau étroit (5). 7 - Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité de commande et de traitement (8) comporte: - des moyens (15) pour détecter le moment où la cible mobile occupe complètement une section (S) du milieu exploré par le transducteur (4), - des moyens (19, 20, 21) aptes à mesurer la vitesse et l'énergie rétrodiffusée par la cible mobile, pilotés par des moyens de détection (23) pour permettre la détermination de la cible sur les sections complète et partielle du milieu, - et des moyens (24) de correction de la vitesse ou du débit par un facteur dépendant de l'énergie à chaque instant et de l'énergie lors de la phase de circulation de la cible sur la section complète du milieu. 8 - Sonde selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'unité de commande et de traitement (8) comporte des moyens (26) de comparaison avec un seuil donné (N), de l'énergie rétrodiffusée, en dessus duquel la correction de vitesse ou de débit est effectuée. 9 - Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que le seuil donné (N) est compris entre 10 et 50 % de l'énergie rétrodiffusée maximale (Es) et, de préférence, de l'ordre de 25 %. 10 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée, en ce qu'elle comporte un cathéter (l) formant une gaine souple contenant un flexible (2) relié par l'une de ses extrémités au bloc-support (3) des transducteurs (4,5) connectés extérieurement au cathéter à l'unité de commande et de traitement (8), l'autre extrémité du flexible étant reliée à l'organe (9) d'entraînement en rotation du support (3) selon l'axe (x, x').