EP0285482B1 - Transducteur acoustique multifréquences, notamment pour imagerie médicale - Google Patents

Description

• La présente invention se rapporte aux transducteurs acoustiques multifréquences utilisés notamment en médecine pour former des images du corps humain par échographie.
• Il est connu d'utiliser en échographie médicale des sondes dont une coupe transversale est représentée sur la figure 1. Cette sonde est formée d'éléments transducteurs alignés tel que 101 dont l'épaisseur est adaptée à la fréquence de fonctionnement. Les deux faces de ces éléments sont recouverts d'électrodes 102 permettant d'appliquer les tensions électriques qui les font vibrer. La fréquence de vibration choisie est le plus souvent la fréquence de résonance f_r qui correspond au mode fondamental de vibration selon l'épaisseur du transducteur. Pour les matériaux piézoélectriques généralement utilisés dans ces sondes la relation entre f_r exprimée en kilohertz et l'épaisseur h exprimée en millimètres du transducteur est donnée par $${\text{f}}_{\text{r}}\text{=}\frac{\text{2850}}{\text{h}}\text{.}$$

  

  On utilise couramment pour les sondes médicales une épaisseur de 1 mm et la fréquence utilisée est donc alors le plus souvent de 2,85 MHz.
• Le facteur de surtension Q des transducteurs est approximativement égal au rapport entre l'impédance du matériau piézoélectrique constituant ce transducteur et l'impédance du milieu extérieur où va se propager la vibration. Si ρ et ρ_o sont respectivement les masses spécifiques du matériau piézoélectrique et du milieu extérieur, et c et c_o les vitesses du son dans ce matériau et dans ce milieu, Q est donc alors égal à $$\frac{\text{ρc}}{{\text{ρ}}_{\text{o}}{\text{c}}_{\text{o}}}$$

  

  . Dans le cas d'une céramique piézoélectrique telle que le PZT, ce rapport est voisin de 17.
• Les vibrations sont émises sous forme d'impulsions de faible durée afin d'avoir une résolution en distance suffisante. Ceci élargit la bande de fréquences du signal émis et nécessite donc d'avoir une largeur de bande de la sonde relativement importante. Pour obtenir cela, il est connu de placer devant les transducteurs une lame 103 dont l'épaisseur est le quart de la longueur d'onde à la fréquence fondamentale. L'impédance de cette lame quart d'onde est choisie pour être de l'ordre de $\sqrt{{\text{ρc ρ}}_{\text{o}}{\text{c}}_{\text{o}}}\text{.}$

  
• Pour augmenter encore la largeur de bande, la demande de brevet japonaise JP-A-56- 17598 préconise de placer en outre sur cette première lame une deuxième lame dont l'épaisseur est aussi d'un quart de longueur d'onde à la fréquence fondamentale, et d'alimenter la sonde par des circuits résonnants accordés sur des fréquences différentes et commutés par des interrupteurs.
• La fixation des transducteurs sur le corps de la sonde se fait par l'intermédiaire d'un réflecteur 104, connu sous le nom anglo-saxon de backing, qui est avantageusement de type mou c'est-à-dire présentant une impédance acoustique voisine de 0.
• En imagerie médicale on utilise couramment deux types de fonctionnement :
• une imagerie classique, dite en mode B, dans laquelle on représente sectoriellement les échos en fonction de l'angle de tir et de la distance, l'amplitude de ces échos modulant la brillance de l'image ;
• une imagerie codée en couleurs, dite DFM,abréviation de l'expression anglo-saxonne "Doppler Flow Mapping", dans laquelle le décalage Doppler dû à la circulation sanguine est représenté par des variations de couleurs en surcroît des variations de brillance dues à l'amplitude des échos.
• Pour l'irnagerie en mode B, il faut une bonne résolution latérale et en distance. Ceci nécessite une fréquence centrale relativement élevée, par exemple de l'ordre de 5 MHz.
• Pour l'imagerie DFM, il n'y a pas besoin d'une résolution aussi grande que pour l'imagerie en mode B, mais on a besoin d'un rapport signal à bruit aussi grand que possible pour pouvoir mesurer des écarts Doppler faibles, correspondant eux-mêmes à des vitesses sanguines faibles. Le rapport signal à bruit est d'autant plus grand que la fréquence de fonctionnement est plus basse. Une valeur typique de la fréquence utilisée sera par exemple de 2,5 MHz.
• Selon l'art antérieur on utilise deux sondes branchées sur un même appareil, mais ceci augmente bien entendu les coûts de l'appareillage et complique son utilisation. Une autre solution, beaucoup moins satisfaisante, consiste à utiliser une seule sonde fonctionnant sur une fréquence intermédiaire, par exemple 3,5 MHz.
• En outre la demande de brevet allemande DE-A-3 008 553 décrit une sonde ultrasonore fonctionnant sur deux fréquences et conportant sur un réflecteur mou deux lames transductrices et deux lames résonnantes dont les épaisseurs doivent être déterminées par un nombre élevé d'expérimentations.
• Enfin le brevet américain US-A-4 490 640 décrit un transducteur ultrasonore comportant trois lames transductrices d'épaisseurs égales situées entre quatre barreaux métalliques de longueurs variées. L'ensemble présente une courbe de réponse relativement large mais très perturbée.
• Pour pallier ces inconvénients l'invention propose de modifier les sondes traditionnelles en rajoutant des lames supplémentaires d'adaptation afin de pouvoir faire fonctionner ces sondes simultanément sur plusieurs fréquences et d'effectuer donc simultanément une imagerie en mode B et une imagerie DFM avec une sonde unique.
• D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent :
• la figure 1, une coupe transversale d'une sonde connue ;
• la figure 2, une coupe transversale d'une sonde selon l'invention ;
• la figure 3, un diagramme de fonctionnement ; et
• la figure 4, une coupe longitudinale d'une sonde selon l'invention.
• Dans le mode de réalisation bi-fréquence représenté sur la figure 2, selon la même coupe que sur la figure 1, la sonde selon l'invention comporte un transducteur 201 muni de deux électrodes 202 et d'une lame quart d'onde 203. Selon l'invention ce transducteur est fixé sur le réflecteur mou 204 par l'intermédiaire d'une lame demi-onde 205.
• Selon l'invention cette sonde fonctionne pour deux bandes passantes centrées l'une autour d'une fréquence haute f_o, et l'autre autour d'une fréquence basse f₁ égale à $$\frac{{\text{f}}_{\text{o}}}{\text{2}}\text{.}$$

  

  Ces fréquences sont par exemple égales à celles mentionnées plus haut, soit 5 MHz et 2,5 MHz.
• Les termes de demi-onde et de quart d'onde utilisés respectivement pour le transducteur 201 et la lame 205 d'une part et pour la lame 203 d'autre part, correspondent à la fréquence haute. Dans ces conditions, les matériaux utilisés n'étant pas dispersifs, à la fréquence basse le transducteur 201 et la lame 205 sont quart d'onde, tandis que la lame 203 est au 1/8e de la longueur d'onde.
• Si le transducteur était tout seul, comme dans la figure 1, il ne résonerait bien évidemment pas à la fréquence f₁ et le signal acoustique éventuellement émis serait extrêmement faible.
• La présence de la lame 205 ne change rien à la fréquence f_o puisque, étant demi-onde à cette fréquence, elle est transparente aux ondes acoustiques et elle ramène au niveau du transducteur la même impédance que celle du réflecteur 204.
• Par contre à la fréquence f₁ cette lame, étant quart d'onde à cette fréquence, tout se passe comme si le transducteur était prolongé d'un quart de longueur d'onde et que l'ensemble transducteur 201-lame 205 soit équivalent à une demi-onde. Dans ces conditions l'excitation ramenée par les électrodes 202 permet à cet ensemble de vibrer à la résonance sur la fréquence f₁.
• Pour mieux expliquer les phénomènes, on peut faire en première approximation une comparaison avec l'électromagnétisme et considérer la lame 205 comme une ligne quart d'onde ou demi-onde selon le cas. Cette comparaison est explicitée par la figure 3 qui représente l'amplitude A de la vitesse vibratoire le long du transducteur 201 et de la lame 205.
• Une telle ligne serait court-circuitée en extrémité du côté du réflecteur où il y aurait donc toujours un maximum de vitesse vibratoire, connue sous le nom de ventre, quelle que soit la fréquence, en particulier aux fréquences f_o et f₁.
• A la fréquence f_o, comme la ligne est demi-onde elle ramène à son autre extrémité, c'est-à-dire au niveau du transducteur, une impédance égale à celle du réflecteur c'est-à-dire en l'occurrence 0. Il y a donc ainsi dans ce cas un ventre de vibrations à la jonction transducteur-ligne.
• A la fréquence f₁, comme la ligne est quart d'onde, elle ramène sur cette même interface une impédance infinie, qui correspond donc à un minimum de vitesse vibratoire, appelé noeud.
• En ce qui concerne la lame 203, celle-ci est toujours quart d'onde à la fréquence f_o et joue donc son rôle d'élargisseur de bande passante. A la fréquence f₁ par contre cette lame n'a plus qu'une longueur équivalente à 1/8e de longueur d'onde et l'adaptation à cette fréquence est donc bien différente de celle obtenue à la fréquence f_o, de sorte que la bande de fréquences obtenues autour de f₁ est plus étroite que celle autour de f_o. Cependant comme cette fréquence f₁ est utilisée pour l'imagerie DFM, un tel rétrécissement de la bande passante n'est pas gênant.
• En ce qui concerne l'impédance caractéristique longitudinale à choisir pour la lame 205, comme celle-ci est transparente pour la fréquence f₀, il y a lieu de choisir cette impédance essentiellement compte tenu des caractéristiques souhaitées pour la bande passante autour de f₁. On a déterminé que la fourchette la meilleure était comprise entre 3.10⁶ et 20.10⁶ kg/m² sec.
• Bien entendu l'appareillage électronique associé à la sonde comprend des circuits qui permettent d'exploiter les deux fréquences f_o et f₁ aussi bien à l'émission qu'à la réception.
• On a représenté sur la figure 4 une coupe longitudinale d'une sonde selon l'invention fonctionnant à 5 MHz et à 2,5 MHz. On constate que cette sonde comporte un ensemble de transducteurs 201 revêtus de métallisations 202. Ces transducteurs sont obtenus par des coupes d'un bloc de céramique préalablement métallisé sur ses deux faces pour former les électrodes. Cet ensemble de transducteurs est collé sur la lame 205 qui est elle-même collée sur le réflecteur 204. La lame 203 vient elle-même recouvrir les transducteurs sur lesquels elle est également collée. On remarque que seul le bloc de transducteurs est formé d'éléments individuels, alors qu'aussi bien les lames 203 et 205 que le réflecteur 204 sont continus. Dans cet exemple représenté la barrette est linéaire, mais l'invention s'applique également aux barrettes présentant une autre forme et en particulier aux barrettes courbes.
• L'invention n'est pas limitée au cas des sondes fonctionnant sur deux fréquences dont l'une est la moitié de l'autre. Elle s'étend également aux sondes et de manière générale aux transducteurs acoustiques fonctionnant sur un ensemble de fréquences distinctes formant les fréquences centrales de bandes de fréquences séparées. Pour cela on multiplie le nombre de lames d'adaptation supplémentaires de façon à créer le nombre de degrés de liberté suffisant dans la fonction de transfert pour déterminer ces bandes passantes.

Claims (4)

1. Transducteur acoustique multifréquence pour imagerie médicale comportant :

- au moins un transducteur piézoélectrique (201) destiné à être excité pour émettre des vibrations acoustiques ;

- un matériau mou (204), dénommé réflecteur, servant de support au transducteur piézoélectrique (201) ;

- au moins une lame résonante (205) placée sur au moins l'une des faces du transducteurs piézoélectrique, entre le transducteur et le réflecteur, pour permettre à l'ensemble de résonner sur au moins deux fréquences distinctes f₀ et f₁ du fait des épaisseurs choisies pour la lame résonante et le transducteur, qui sont égales à une demi-onde à la première fréquence de résonance f₀ et un quart d'onde à la fréquence f₁.
et caractérisé en ce que :

- Une lame d'adaptation d'impédance (203) dont l'épaisseur est quart d'onde à la première fréquence de résonance f₀ utilisée pour l'imagerie médicale en mode B, est disposée sur l'autre face du transducteur piézoélectrique (201) par rapport à la lame résonante (205), son impédance caractéristique ρ_a C_a étant choisie pour être de l'ordre de la moyenne géométrique $\sqrt{{\text{ρ Cρ}}_{\text{0}}{\text{C}}_{\text{0}}}$

impédances caractéristiques du matériau piézoélectrique ρC et du milieu extérieur ρ₀C₀ à examiner, ce qui permet d'obtenir une large bande passante à cette fréquence f₀ ;

- ladite lame d'adaptation d'impédance (203) a donc une épaisseur équivalente à 1/8e d'onde à la deuxième fréquence de résonance f₁ utilisée pour l'imagerie médicale DFM, et de ce fait la bande passante autour de f₁ est plus étroite qu'autour de f₀, ce qui n'est pas gênant en imagerie DFM.

2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième fréquences (f₀, f₁) sont sensiblement égales à 5 et 2, 5 MHz.

3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'impédance caractéristique longitudinale de la lame résonante (205) est située entre 3.10⁶ et 20.10⁶ kg/m² sec.

4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de lames résonantes (205) permettant de le faire fonctionner sur un ensemble de fréquences distinctes.

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