EP1350123A1 - Procede systeme et sonde pour l'obtention d'images - Google Patents

Procede systeme et sonde pour l'obtention d'images

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Publication number
EP1350123A1
EP1350123A1 EP01980609A EP01980609A EP1350123A1 EP 1350123 A1 EP1350123 A1 EP 1350123A1 EP 01980609 A EP01980609 A EP 01980609A EP 01980609 A EP01980609 A EP 01980609A EP 1350123 A1 EP1350123 A1 EP 1350123A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducers
antenna
waves
alignment
reception
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01980609A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
J.L c/o Thales Intellectual Property VERNET
J.F. c/o Thales Intellectual Property GELLY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1350123A1 publication Critical patent/EP1350123A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array
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    • G01S7/52017—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 particularly adapted to short-range imaging
    • G01S7/52046—Techniques for image enhancement involving transmitter or receiver
    • G01S7/52047—Techniques for image enhancement involving transmitter or receiver for elimination of side lobes or of grating lobes; for increasing resolving power

Definitions

  • the invention relates to a method for enabling images to be obtained by means of waves emitted by an antenna, after reflection of these waves at the level of an assembly serving as a target illuminated by the waves emitted and from from which the images are extracted. It also relates to the imaging systems which implement such a method and the antenna transceivers of these systems.
  • the method according to the invention is more particularly intended to be applied to allow the formation of two or three-dimensional images by means of an imaging system the main element of which is for example an ultrasound scanner, a radar or a sonar. It will be more particularly described below in the case of an ultrasound application, although it is equally applicable in the field of radar or sonar, when these work in the near field.
  • acoustic emission-reception probe having an antenna provided with a large number of ultrasonic transducers aligned in one or more rows.
  • 1D acoustic probes having an antenna constituted by a single alignment of transducers, this antenna has a fixed focus and only allows one dimension to be addressed in space. it insonifies.
  • 1.5D probes are also known, having an antenna made up of several alignments of symmetrically controlled transducers, they make it possible to obtain a modifiable focus of the emitted beam.
  • 2D probes are also known, they have an antenna consisting of coplanar transducers which are arranged in a rectangular or square array. They make it possible to vary the direction of the emission and reception beams, spatially, in two beam directions.
  • FIGS. 1 to 6 A known solution to solve this problem consists in transmitting a wide beam so as to reduce the scanning time in a ratio equal to that of the number of reception channels contained in a transmission channel. But this has the consequence of decreasing the value of the ratio of main lobe to overall secondary lobes including transmission and reception.
  • FIGS. 1 to 6 The first three of them respectively show the PSE ratio between a main lobe and the secondary lobes on transmission, in FIG. 1, the PSR ratio on reception which corresponds to it, when the transmission and reception lobes have the same width, in FIG. 2, as well as the overall ratio PSG corresponding to the diagram resulting from the transmission followed by reception, in FIG. 3.
  • Figures 4 to 6 show these same PSE, PSR and PSG ratios, when the transmission beam is wide, as shown in Figure 4, in particular with respect to the reception beam, illustrated in Figure 5, which leads to the fact that the overall PSG report corresponds practically to the PSR report, as indicated in FIG. 6, where only a few reception channels have been represented.
  • the overall PSG report directly affects image quality, an enlargement of the emission diagram therefore reduces image quality.
  • the invention therefore provides for the use of a particular sequence of transmissions which makes it possible to improve the overall PSG ratio by a treatment carried out on reception and which consequently leads to good image quality.
  • the invention therefore proposes a method intended to enable images to be obtained by means of waves emitted by an antenna, after reflection of these waves at the level of an assembly serving as a target illuminated by the waves emitted and from which the images are extracted.
  • the antenna consists of at least one alignment of transducers transmitting-receiving waves.
  • this method provides for carrying out a series of emissions of the same type by attacking the transducers by signals of identical excitation, or differing only by a weighting, which are shifted in time to generate an essentially plane wave at each emission, the delays between transducers being determined so that the equiphase surfaces obtained are in line or in a plane according to the antenna consists of an alignment of transducers or more.
  • the invention also relates to the systems and antennas for transmitting and receiving waves of these systems which make it possible to obtain images by means of waves emitted by an antenna, after reflection of these waves at a level. assembly serving as a target illuminated by the transmitted waves and from which the images are extracted, said antenna comprising at least one alignment of transducers transmitting-receiving waves.
  • such a system and such an antenna respectively comprise software and hardware means for the implementation of the method mentioned above.
  • Figures 1, 2 and 3 respectively present diagrams illustrating an example of main lobe to secondary lobe relationship for a transmission beam, for a reception beam of the same width and for the overall transmission plus corresponding reception, according to known art .
  • FIGS. 4, 5 and 6 respectively present diagrams illustrating an example of the main lobe to secondary lobe relationship for a wide beam of emission, for a beam of reception of lesser width and for the overall emission plus corresponding reception, according to art known.
  • FIG. 7 presents a block diagram of an imaging system and more particularly of a known ultrasound system which is presented by way of explanatory example.
  • FIG. 8 and 10 respectively present sequence diagrams for a linear antenna and for a planar antenna.
  • FIG. 9 presents a diagram representing a sequence of activation pulses of the transducers of an antenna.
  • Figures 1 1 and 12 respectively present diagrams illustrating the formation of channels.
  • Figures 13 and 14 respectively present diagrams illustrating the delay in transmission.
  • FIGS. 16 and 20 each present an illustration of the domains insonified by a sequence of plane waves.
  • FIGS. 17 and 18 respectively present a diagram representing a domain covered by three sequences of different orientations and a detail relating to this diagram.
  • FIG. 19 presents a time diagram relating to the activation pulses of the transducers of a linear antenna.
  • the imaging system presented in FIG. 7 comprises an antenna 1 having a plurality of wave transmitter-receiver transducers which define an antenna and which are intended to allow the insonification of a defined volume of work.
  • this volume of work is that in which must be located, or placed, the tissues to be ultrasound for examination and the antenna 1 is an antenna of ultrasound probe.
  • the antenna 1 is then organized, in a manner which will be developed later, in order to allow exploration of target assemblies and more particularly elements of these assemblies which are located inside the tissues and which are illuminated with a determined by the transducers. These are used both to send signals to targets and to recover these signals, after reflection.
  • the signals are acoustic signals from the ultrasonic range.
  • the antenna 1 is here supposed to be connected to an ultrasound system 2 which comprises an emitter stage 3, where the excitation signals are produced which are sent to the transducers of the antenna 1.
  • This sending takes place according to a determined sequencing and with a determined periodicity, under the impulse of a clock circuit 4, connected to this transmitter stage in a conventional manner, not shown here.
  • Control means, for example of the keyboard or desk type, of a man-machine interface 5 allow a user to act, according to his needs, on various constituent elements of the ultrasound system and possibly on the antenna 1
  • excitation signals are transmitted, in the form of periodic pulse trains, to the transducers of the antenna 1, from the transmitter stage 3 and via a separator stage 6 to which a receiving stage 7 is also connected.
  • the excitation signals are transformed into ultrasonic pulse signals at the level of the antenna transducers 1.
  • the separator stage 6 makes it possible to prevent the excitation signals from blinding the stage receiver 7.
  • the reflected ultrasonic signals which are picked up by the transducers in the reception phase are taken into account by the receiver stage where they are organized so as to be grouped together by reception channels and in a determined manner as a function of the choices made available to the user, in particular for focusing purposes.
  • a signal processing stage 8 makes it possible to translate the signals supplied by the receiving stage into signals which can be used by the user and for example into ultrasound images capable of being presented on a display screen 9.
  • the operation of the ultrasound system is functionally governed by means of a management unit programmed in connection with the clock circuit 4, this unit may possibly be more or less confused with the processing stage 8.
  • this unit may possibly be more or less confused with the processing stage 8.
  • it is planned to carry out a series of transmissions of the same type by means of an antenna whose transducers, here assumed to be identical, are attacked by identical excitation signals, possibly with a weighting close, which are offset in time so that a plane wave is generated, except for diffraction.
  • the delays between transducers are therefore provided such that the equiphase surfaces are in line or in a plane depending on the type of antenna, it being understood that the latter is likely to be of the 1D, 1.5D or 2D type, as known .
  • the emissions can in fact be applied in one dimension, as shown diagrammatically in FIG. 8 in the case where the antenna l ′, of type 1D, consists of an alignment of N transducers 10 ′, or in two dimensions, as diagrammed in FIG. 10 for a 1 "antenna, of 2D type, constituted by a matrix of transducers 10".
  • a sequence of four plane waves wl, w2, w3, and w4 is presented in FIG. 8 for an antenna l ', of type 1D, a sequence of three waves Wl, W2, W3 being presented on the Figure 10 for a 1 "2D type antenna.
  • the wave is generated so as to be plane, the excitation signals of the various transducers being offset in time for this purpose, as shown in the figure 9, where individual pulses are represented corresponding to the activation signals of the transducers 1, 2, 3, ..., Nl, N of the antenna l ', these signals being here assumed to vary linearly with the distance.
  • the dimension or dimensions of the antenna composed of a large number of transducers 10 ', or 10 "as the case may be, are large compared to the wavelength and range of the system is weak compared to the Fresnel distance given by the expression D 2 / ⁇ where D is the length alignment of antenna transducers.
  • the wave produced in the insonified volume is then plane with a very good approximation.
  • the central frequency of the signal is equal to 3MHz and where a linear antenna is used consisting of 256 10 'transducers spaced by ⁇ / 2, that is to say by 0.25 mm
  • This distance is therefore very large with respect to the 200 mm which corresponds to the maximum range usually provided for an ultrasound exploration.
  • the Fresnel distance obtained is 512 mm and it remains very much greater than the usual range of 200 mm which has just been mentioned.
  • the introduction of an amplitude weighting makes it possible to reduce these undulations in large proportions, without significantly modifying the planar character of the wave generated.
  • the emission of a plane wave by a network of transducers makes it possible to greatly reduce the time of generation of an image, since a single emission makes it possible to illuminate an area equal to the product of the range R of the system by the length of this antenna, where a traditional broadcast only lights one channel.
  • the illumination by a plane wave decreases the duration of illumination, in a very important report, it involves on the other hand a reduction in the main lobe ratio with secondary lobes PSG.
  • this main lobe to secondary lobe PSG ratio by implementing a particular emission diagram based on the principle of synthetic emission.
  • it is planned to emit a series of plane waves whose directions are different.
  • the various reception signals which are obtained relative to a target point of given geometric coordinates are summed with amplitude and phase weights dependent on this point which are such that it is possible to consider that there has been re-phasing of the waves at the point, as if these waves had been emitted simultaneously.
  • the weights can be slightly different from those which lead to the reshaping, so as to optimize the quality of the final diagram.
  • the equivalent of an emission diagram is thus obtained for each target point, the multiplication of the reception diagram, by the emission diagram obtained, leads to an increase in the PSG ratio.
  • the reception signals can be stored either before or after the reception channels are formed. There is a certain freedom of choice with regard to the transducers of an antenna which are used in reception and they can be part or not of those which were used for the emission. The use of a reduced number of transducers on reception makes it possible to avoid increasing. exaggeratedly the angular opening, when the exploration distances are short. The constitution of several reception beams with or without overlapping is also a solution which may be advantageous in certain cases.
  • R ff (t, M, F) ⁇ ⁇ e (t + - - - - - - - + K - L ) pe (x) pr (u) dxdu J ccce
  • the element R ff (t, M, F) is the contribution of the reflector located in M to the received signal, when the transmission channel and the reception channel are also focused at F. This contribution corresponds to the spatial part of the ambiguity diagram . If point M is confused with F, it is verified that: which corresponds to the product of the transmission and reception weights. Illumination by a single plane wave on emission and the formation of channels with focus on reception are briefly summarized below in connection with FIG. 12.
  • the antenna is generally located on any curve or surface; for the simplicity of the figure it is represented located on the x axis; each transducer emits a signal, possibly broadband, creating a plane wave, or one focused at infinity, whose wave vector is directed according to
  • the signal obtained, after focusing, on reception, is written: ] 1 pr ⁇ ) d ⁇
  • Illumination by a series of plane waves on emission, focusing on reception and the formation of synthetic channels on emission are defined as indicated below.
  • the emission is assumed to be obtained by carrying out a sequence of N emissions of plane waves of different directions.
  • the individual receptions for these N transmissions are recorded and the reception signals obtained are temporally offset so that a formation of synthetic channels is obtained on transmission.
  • the reception signal of the emission of rank n results in the equation:
  • the term of this equation which corresponds to the delay relative to the emission, is proportional to the distance between the wave planes passing through the points F and M as shown diagrammatically in FIG. 13.
  • the delay is zero, if the line joining the points F and M is perpendicular to the vector N and therefore in a wave plane passing through F.
  • the phase shift at a frequency / is proportional to the value of the expression 2 ⁇ tf (FM.V).
  • the summation of signals from a reception channel formation which can be focused or not, and which correspond to emissions of plane waves of directions, different and temporally offset according to the point examined, makes it possible to carry out a channel formation on synthetic transmission improving the characteristics of the product transmission reception diagram.
  • the example which follows gives an exemplary embodiment which is not limiting. If the emission consists of two waves of equal amplitude and of respective directions VI and V2 symmetrical with respect to the axis N as shown diagrammatically on the
  • the reception signal is proportional to:
  • an antenna for a transceiver system of an imaging system allows a synthetic emission composed of a sequence of plane waves and it relates more particularly to a probe antenna for ultrasound system.
  • the antenna is intended to be used to transmit a series of plane waves whose directions are close and differ only by a small angle relative to the average angle of emission.
  • the signals received by the transducers after reflection are provided combined after rephasing for each of the target points defined by its individual geometric coordinates.
  • the antennas conventionally used in ultrasound, radar or sonar may be suitable, an antenna structure is proposed at a reduced cost compared to conventional antenna structures in these fields of application.
  • the sequence carried out is intended to allow a specific examination space to be explored by varying the mean angle of the plane emission waves, so that the domains D1 to D4 to which they relate more or less partially overlap, as shown in Figure 16. It is possible to use transmissions with significantly different directions to constitute a synthetic emission diagram covering a given area of examination.
  • Each of the successive plane waves, in each series of illuminations, has a direction close to that of the others and differs therefrom only by a small angle relative to the average angle of emission.
  • the exploration of a volume under examination is obtained by varying the mean direction. This is shown diagrammatically in FIG. 17 where an antenna l 'and the domain covered by the field are presented, which are produced by three sequences of different orientations S I, S2, S3, the respective domains of which overlap partially.
  • the antenna transducers l ' are assumed to be attacked by identical signals, except for the weighting.
  • These signals are broadband B and of short duration, preferably of the order of a few 1 / B and typically of the order of the microsecond for a band B of 3 MHz.
  • the delay time ⁇ obtained is then equal to 26.7 ns and it follows that the pulse Ijg applied to the sixteenth transducer lO'i ⁇ is produced only after the end of the pulse Ii applied to the first transducer 10 'j, as illustrated in FIG. 19.

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Abstract

Le procédé, le système d'imagerie et la sonde sont destinés à permettre l'obtention d'images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne (1), après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne étant constituée d'au moins un alignement de transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes. Le procédé prévoit de réaliser une série d'émissions de même type en attaquant les transducteurs par des signaux d'excitation identiques qui sont décalés dans le temps pour générer une onde essentiellement plane à chaque émission, les retards entre transducteurs étant déterminés pour que les surfaces équiphases obtenues soient en ligne ou dans un plan suivant que l'antenne est constituée d'un alignement de transducteurs ou de plusieurs.

Description

Procédé système et sonde pour l'obtention d'images
L'invention concerne un procédé destiné à permettre l'obtention d'images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites. Elle concerne aussi les systèmes d'imagerie qui mettent en œuvre un tel procédé et les antennes d'émission-réception d'ondes de ces systèmes.
Le procédé selon l'invention est plus particulièrement destiné à être appliqué pour permettre la formation d'images en deux ou trois dimensions par l'intermédiaire d'un système d'imagerie dont l'élément principal est par exemple un échographe, un radar ou un sonar. Il sera plus particulièrement décrit ci- dessous dans le cas d'une application échographique, bien qu'il soit tout aussi bien applicable dans le domaine du radar ou du sonar, lorsque ceux-ci travaillent en champ proche.
Il est notamment connu qu'en échographie, la tendance générale est de réaliser des systèmes équipés d'une sonde d'émission-réception acoustique ayant une antenne dotée d'un grand nombre de transducteurs ultrasonores alignés en un ou plusieurs rangs. Parmi les différents types de sonde acoustique connus, se trouvent notamment des sondes acoustiques 1D, ayant une antenne constituée par un seul alignement de transducteurs, cette antenne a une focalisation fixe et ne permet d'adresser qu'une dimension dans l'espace qu'elle insonifie. On connaît aussi des sondes 1,5D, ayant une antenne constituée de plusieurs alignements de transducteurs symétriquement commandés, elles permettent d'obtenir une focalisation modifiable du faisceau émis. Des sondes 2D sont également connues, elles ont une antenne constituée de transducteurs coplanaires qui sont disposés selon une matrice rectangulaire ou carrée. Elles permettent de faire varier la direction des faisceaux d'émission et de réception, spatialement, dans deux directions de faisceau.
Il existe une tendance actuelle en vue de générer des faisceaux de plus en plus étroits, ceci entraînant la nécessité de contraintes temporelles de plus en plus sévères. Ainsi par exemple, en échographie, où la distance maximale d'exploration est classiquement de l'ordre de 20 cm, la durée aller-retour d'un faisceau acoustique est d'environ 250 μs. Un balayage de l'espace à explorer par 200 voies demande donc 50 ms, ce qui est à la limite de ce qui est acceptable, lorsque l'ensemble cible est un organe d'un être vivant, il n'est pas possible d'effectuer un traitement Doppler des signaux. De plus, ce nombre de voies n'est pas suffisant pour permettre une focalisation à distance variable à l'émission et il ne convient pas dans le cas où l'antenne de sonde comporte un grand nombre de transducteurs et, par exemple, dans le cas d'une antenne à 2500 transducteurs. Une solution connue pour résoudre ce problème consiste à émettre un faisceau large de manière à réduire le temps de balayage dans un rapport égal à celui du nombre de voies de réception contenues dans une voie d'émission. Mais ceci a comme conséquence de diminuer la valeur du rapport lobe principal à lobes secondaires global incluant émission et réception. Ceci qui est connu, est illustré sur les figures 1 à 6. Les trois premières d'entre elles montrent respectivement le rapport PSE entre un lobe principal et les lobes secondaires à l'émission, sur la figure 1 , le rapport PSR à la réception qui lui correspond, lorsque les lobes émission et réception ont même largeur, sur la figure 2, ainsi que le rapport global PSG correspondant au diagramme résultant de l'émission suivie de la réception, sur la figure 3.
Les figures 4 à 6 présentent ces mêmes rapports PSE, PSR et PSG, lorsque le faisceau d'émission est large, comme montré sur la figure 4, notamment vis-à-vis du faisceau de réception, illustré sur la figure 5, ce qui conduit à ce que le rapport global PSG corresponde pratiquement au rapport PSR, comme indiqué sur la figure 6, où seules quelques voies de réception ont été représentées. Comme le rapport global PSG joue directement sur la qualité d'image, un élargissement du diagramme d'émission diminue donc la qualité d'image. L'invention prévoit donc l'emploi d'une séquence particulière d'émissions qui permet d'améliorer le rapport global PSG par un traitement effectué à la réception et qui conduit en conséquence à une bonne qualité d'image. Elle vise notamment à permettre d'obtenir un diagramme d'émission beaucoup plus large que le diagramme de réception correspondant, de manière à autoriser une diminution du temps d'illumination global de l'ensemble ciblé dans d'importantes proportions. Comme déjà indiqué, l'invention propose donc un procédé destiné à permettre l'obtention d'images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites. L'antenne y est constituée d'au moins un alignement de transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes.
Selon une caractéristique de l'invention, ce procédé prévoit de réaliser une série d'émissions de même type en attaquant les transducteurs par des signaux d'excitation identiques, ou ne différant que par une pondération, qui sont décalés dans le temps pour générer une onde essentiellement plane à chaque émission, les retards entre transducteurs étant déterminés pour que les surfaces équiphases obtenues soient en ligne ou dans un plan suivant que l'antenne est constituée d'un alignement de transducteurs ou de plusieurs.
L'invention concerne aussi les systèmes et les antennes d'émission-réception d'ondes de ces systèmes qui permettent d'obtenir des images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne comportant au moins un alignement de transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes.
Selon une caractéristique de l'invention, un tel système et une telle antenne comportent respectivement des moyens logiciels et matériels pour la mise en œuvre du procédé évoqué ci-dessus. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous.
Les figures 1, 2 et 3 présentent respectivement des diagrammes illustrant un exemple de rapport lobe principal à lobes secondaires pour un faisceau d'émission, pour un faisceau de réception de même largeur et pour le global émission plus réception correspondant, selon l'art connu.
Les figures 4, 5 et 6 présentent respectivement des diagrammes illustrant un exemple de rapport lobe principal à lobes secondaires pour un large faisceau d'émission, pour un faisceau de réception de largeur moindre et pour le global émission plus réception correspondant, selon l'art connu. La figure 7 présente un schéma synoptique d'un système d'imagerie et plus particulièrement d'un système d'échographie, connu qui est présenté à titre d'exemple explicatif.
Les figures 8 et 10 présentent respectivement des diagrammes de séquence pour une antenne linéaire et pour une antenne plane. La figure 9 présente un diagramme représentatif d'une suite d'impulsions d'activation des transducteurs d'une antenne.
Les figures 1 1 et 12 présentent respectivement des diagrammes illustrant la formation de voies. Les figures 13 et 14 présentent respectivement des diagrammes illustrant le retard à l'émission.
La figure 15 présente un ensemble de courbes relatives à la pondération du diagramme d'ambiguïté. Les figures 16 et 20 présentent chacune une illustration des domaines insonifiés par une séquence d'ondes planes.
Les figures 17 et 18 présentent respectivement un diagramme représentatif d'un domaine couvert par trois séquences d'orientations différentes et un détail relatif à ce diagramme.
La figure 19 présente un diagramme temporel relatif aux impulsions d'activation des transducteurs d'une antenne linéaire.
Le système d'imagerie présenté en figure 7 comporte une antenne 1 disposant d'une pluralité de transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes qui définissent une antenne et qui sont destinés à permettre l'insonification d'un volume délimité de travail. Dans le cas où le système 7 est un système échographique, ce volume de travail est celui dans lequel doivent être situés, ou placés, les tissus à échographier pour examen et l'antenne 1 est une antenne de sonde échographique. L'antenne 1 est alors organisée, d'une façon qui sera développée plus loin, pour permettre d'explorer des ensembles cibles et plus particulièrement des éléments de ces ensembles qui sont situés à l'intérieur des tissus et qui sont illuminés d'une manière déterminée par les transducteurs. Ceux-ci sont utilisés tant pour émettre des signaux vers les cibles que pour récupérer ces signaux, après réflexion. Comme connu en échographie, les signaux sont des signaux acoustiques de la gamme ultrasonore.
L'antenne 1 est ici supposée reliée à un échographe 2 qui comporte un étage émetteur 3, où sont produits les signaux d'excitation qui sont envoyés aux transducteurs de l'antenne 1. Cet envoi s'effectue selon un séquencement déterminé et avec une périodicité déterminée, sous l'impulsion d'un circuit d'horloge 4, relié à cet étage émetteur d'une manière classique, non représentée ici. Des moyens de commande, par exemple de type clavier ou pupitre, d'une interface homme-machine 5 permettent à un utilisateur d'agir, en fonction de ses besoins, sur différents éléments constitutifs de l'échographe et éventuellement sur l'antenne 1. En phase d'émission, des signaux d'excitation sont transmis, sous forme de trains périodiques d'impulsions, aux transducteurs de l'antenne 1, depuis l'étage émetteur 3 et par l'intermédiaire d'un étage séparateur 6 auquel est également relié un étage récepteur 7. Les signaux d'excitation sont transformés en signaux impulsionnels ultrasonores au niveau des transducteurs de l'antenne 1. L'étage séparateur 6 permet d'éviter que les signaux d'excitation ne viennent aveugler l'étage récepteur 7. Les signaux ultrasonores réfléchis qui sont captés par les transducteurs en phase de réception, sont pris en compte par l'étage récepteur où ils sont organisés de manière à être regroupés par voies de réception et d'une manière déterminée en fonction de choix mis à disposition de l'utilisateur, notamment à des fins de focalisation. Un étage de traitement de signal 8 permet de traduire les signaux fournis par l'étage récepteur en signaux exploitables par l'utilisateur et par exemple en images échographiques susceptibles d'être présentées sur un écran d'affichage 9. Comme il est connu, le fonctionnement de l'échographe est régi fonctionnellement par l'intermédiaire d'une unité de gestion programmée en liaison avec le circuit d'horloge 4, cette unité peut éventuellement être plus ou moins confondue avec l'étage de traitement 8. Selon l'invention, il est prévu de réaliser une série d'émissions de même type au moyen d'une antenne dont les transducteurs, ici supposés identiques, sont attaqués par des signaux d'excitation identiques, éventuellement à une pondération près, qui sont décalés dans le temps pour que soit générée une onde plane, à la diffraction près. Les retards entre transducteurs sont donc prévus tels que les surfaces équiphases soient en ligne ou dans un plan suivant le type de l'antenne, étant entendu que celle-ci est susceptible d'être de type 1D, 1,5D ou 2D, comme connu. Les émissions peuvent en effet être appliquées dans une dimension, comme schématisé sur la figure 8 dans le cas où l'antenne l', de type 1D, est constituée d'un alignement de N transducteurs 10', ou dans deux dimensions, comme schématisé sur la figure 10 pour une antenne 1", de type 2D, constituée par une matrice de transducteurs 10". A titre d'exemple, une séquence de quatre ondes planes wl, w2, w3,et w4 est présentée sur le figure 8 pour une antenne l', de type 1D, une séquence de trois ondes Wl, W2, W3 étant présentée sur la figure 10 pour une antenne 1", de type 2D. Dans tous les cas, l'onde est générée de manière à être plane, les signaux d'excitation des différents transducteurs étant décalés dans le temps à cet effet, comme montré sur la figure 9, où sont représentées des impulsions individuelles correspondant aux signaux d'activation des transducteurs 1, 2, 3,..., N-l , N de l'antenne l', ces signaux étant ici supposés variant linéairement avec la distance. Dans le cas d'un système d'imagerie en champ proche, la ou les dimensions de l'antenne composée d'un grand nombre de transducteurs 10', ou 10" suivant le cas, sont grandes devant la longueur d'onde et la portée du système d'imagerie est faible devant la distance de Fresnel donnée par l'expression D2/λ où D est la longueur d'un alignement de transducteurs de l'antenne. L'onde produite dans le volume insonifié est alors plane avec une très bonne approximation. Dans le cas où la fréquence centrale du signal est égale à 3MHz et où est utilisée une antenne linéaire constituée de 256 transducteurs 10' espacés de λ/2, soit donc de 0,25 mm, la longueur de l'antenne est 256x0,25 = 64 mm et la distance de Fresnel correspondante est de 642/0,5 = 8192 mm. Cette distance est donc très grande vis-à-vis des 200 mm qui correspondent à la portée maximale usuellement prévue pour une exploration échographique. Pour une antenne ne comportant que 64 transducteurs alignés dans les conditions définies ci-dessus, la distance de Fresnel obtenue est de 512 mm et elle reste très nettement supérieure à la portée habituelle de 200 mm qui vient d'être rappelée. Le champ, généré dans ces conditions par une antenne linéaire de ce genre, de manière que soit émise une onde plane, lorsque cette antenne est attaquée par des signaux d'excitation identiques et retardés, est alors tel qu'il comporte des ondulations en particulier en bord de champ, par suite de la diffraction au niveau des bords. L'introduction d'une pondération d'amplitude permet de réduire ces ondulations dans de grandes proportions, sans modifier significativement le caractère plan de l'onde générée. L'émission d'une onde plane par un réseau de transducteurs permet de diminuer fortement le temps de génération d'une image, puisqu'une seule émission permet d'illuminer une surface égale au produit de la portée R du système par la longueur de cette antenne, là où une émission classique n'illumine qu'une voie. Toutefois si l'illumination par une onde plane diminue la durée d'illumination, dans un rapport très important, elle entraîne par contre une diminution du rapport lobe principal à lobes secondaires PSG.
Selon l'invention, il est donc prévu d'augmenter ce rapport lobe principal à lobes secondaires PSG par mise en œuvre d'un diagramme d'émission particulier fondé sur le principe de l'émission synthétique. A cet effet, il est prévu d'émettre une série d'ondes planes dont les directions sont différentes. Les différents signaux de réception qui sont obtenus relativement à un point cible de coordonnées géométriques données sont sommés avec des pondérations en amplitude et en phase dépendant de ce point qui sont telles qu'il est possible de considérer qu'il y a remise en phase des ondes au niveau du point, comme si ces ondes avaient été simultanément émises. Comme il est classique de le faire, les pondérations peuvent être légèrement différentes de celles qui conduisent à la remise en phase, de façon à optimiser la qualité du diagramme final. L'équivalent d'un diagramme d'émission est ainsi obtenu pour chaque point cible, la multiplication du diagramme de réception, par le diagramme d'émission obtenu, conduit à une augmentation du rapport PSG.
La mise en mémoire des signaux de réception peut être indifféremment réalisée avant ou après la formation des voies de réception. Il y a une certaine liberté de choix en ce qui concerne les transducteurs d'une antenne qui sont utilisés en réception et ils peuvent faire partie ou non de ceux qui ont servi à l'émission. L'utilisation d'un nombre réduit de transducteurs en réception permet d'éviter d'augmenter . exagérément l'ouverture angulaire, lorsque les distances d'exploration sont courtes. La constitution de plusieurs faisceaux de réception avec recouvrement ou non est aussi une solution susceptible d'être avantageuse, dans certains cas.
La formation de voies avec focalisation à l'émission et à la réception est succinctement résumée ci-dessous en liaison avec la figure 11, où l'on suppose une antenne située sur l'axe x émettant une onde focalisée en un point F. Le signal émis au point S situé sur cet axe se définit par l'équation: S(t,x) = e(t + SF(x)lc)pe(x) où e(t) est le signal d'émission, SF est la distance entre S et F, c la vitesse de propagation d'onde et pe(x) est la pondération de s(t) en x. Le signal reçu au niveau d'un point M se traduit par l'équation:
»„ , f r, SM(x,M). .
M(t, F) = \ S(t — — -)dx
J c
Si le point M est confondu avec F, on a M(t) =
Le signal reçu au point R situé sur l'axe x se traduit par l'équation R τ,(rt,u ,) = M *,(,t MR( —u, —M) -^) Le signal reçu globalement à la sortie de l'antenne de réception est: r RF ( u R ff (t, M , F ) = } R (t + ) pr ( M )
Cette équation se développe, comme indiqué ci-dessous:
T. , i, ff SF(χ) SM(x,M) MR(u,M) RF(u)^ . .
Rff (t,M,F) = \ \ e(t + — — — — — — - + K—L)pe(x)pr(u)dxdu J c c c e
L'élément Rff (t, M, F) est la contribution du réflecteur situé en M au signal reçu, lorsque la voie émission et la voie réception sont également focalisées en F. Cette contribution correspond à la partie spatiale du diagramme d'ambiguïté. Si le point M est confondu avec F, il se vérifie que: ce qui correspond au produit des pondérations émission et réception. L'illumination par une seule onde plane à l'émission et la formation de voies avec focalisation à la réception sont succinctement résumées ci-dessous en liaison avec la figure 12. L'antenne est située généralement sur une courbe ou une surface quelconque ; pour la simplicité de la figure elle est représentée située sur l'axe x ; chaque transducteur émet un signal, éventuellement à large bande, créant une onde plane, ou focalisée à l'infini, dont le vecteur d'onde est dirigé suivant
V de longueur unitaire.
Comme l'onde est plane, le retard du signal reçu en un point M par rapport à un
— ^ — ^ point O pris comme référence est égal à OM. Vie et l'équation correspondante s'écrit:
M(t)= S(t - ÔM. V/c)
Le signal reçu en un point R de l'antenne est défini par l'équation: r( /t,M , -r,R τ.)N = M(,t MR( —x, —M) -) Le signal obtenu, après focalisation, à la réception, s'écrit: ]1 pr{χ)dχ
L'illumination par une série d'ondes planes à l'émission, la focalisation à la réception et la formation de voies synthétiques à l'émission se définissent comme indiqué ci-dessous. L'émission est supposée obtenue en réalisant une suite de N émissions d'ondes planes de directions différentes. Les réceptions individuelles pour ces N émissions sont enregistrées et les signaux de réception obtenus sont temporellement décalés pour que soit obtenue une formation de voies synthétiques à l'émission. En utilisant les mêmes notations que ci-dessus, le signal de réception de l'émission de rang n se traduit par l'équation:
Ô OMM..VVnn MMRR((xx,,MM)) RRFF((xx)).
RpJ,n (t,M,F) = jS[t - + - -]pr(x)dx c c c
Le signal de réception avec émission synthétique focalisée en F est traduit par l'équation:
R sPf ( t , M ,
ou r, , » ,
RSpf ,M, F) =
Le terme de cette équation, qui correspond au retard relatif à l'émission, est proportionnel à la distance entre les plans d'onde passant par les points F et M comme schématisé sur la figure 13. Le retard est nul, si la droite joignant les points F et M est perpendiculaire au vecteur N et donc dans un plan d'onde passant par F. Le déphasage à une fréquence / est proportionnel à la valeur de l'expression 2τtf(FM.V ) .
La sommation de signaux issus d'une formation de voie réception, qui peuvent être focalisés ou non, et qui correspondent à des émissions d'ondes planes de directions, différentes et décalées temporellement en fonction du point examiné, permet de réaliser une formation de voie à l'émission synthétique améliorant les caractéristiques du diagramme produit émission réception. L'exemple qui suit donne un exemple de réalisation qui n'est pas limitatif. Si l'émission est constituée par deux ondes d'égale amplitude et de directions respectives VI et V2 symétriques par rapport à l'axe N comme schématisé sur la
— ^ — ^ ~ ^ — ^ figure 14, les temps de retard sont proportionnels à FM. VI et FM.V2.
Si le signal est sinusoïdal de fréquence f, le signal de réception est proportionnel à:
,. .. FM.VL , ._ .. FM.V2. . .. v FM.v . ,_ _ E .sincr exp(2πjf ) + exp(2π7 ) = 2 eπp(2τgf ) cos(2ττf ) soit: m -r FT.cosa. .-. . FH.sinα. RE J Sppff = 2exp(2π// )cos(2π )
Si le point M se déplace perpendiculairement à la bissectrice des deux vecteurs VI et V2 d'onde d'émission, après focalisation synthétique de l'émission, la contribution du signal reçu en F par M est pondérée par l'expression
,. sine. . cos(27T x) où x est la distance de F à la bissectrice et donc de période l/sin indépendante de la distance à l'antenne, puisque les deux ondes interfèrent de façon homogène sur tout le domaine où elles sont planes. Si plusieurs couples d'émission de ce type, mais d'angles α différents, sont sommés avec des coefficients d'amplitude et de phase différents, la pondération globale obtenue correspond à la somme des termes en cosinus, avec des périodes différentes. Ceci permet donc d'améliorer le diagramme d'ambiguïté des points d'image en le pondérant par une fonction décroissante dans un certain domaine de distances, sur un axe perpendiculaire à la direction moyenne de propagation. L'effet de cette pondération varie avec la distance du point pris en compte par rapport à l'antenne, car la largeur de la tache focale suivant ledit axe est de l'ordre de (λlL)D , où L est la longueur de l'antenne et D est la distance de focalisation, voir figure 15. Une pondération destinée par exemple à introduire une atténuation aux grandes distances au voisinage de la tache focale introduira cette même atténuation loin de cette tache focale à des distances plus courtes. Pour remédier à ceci, il est possible de créer un mode d'émission par distance. Ainsi, par exemple, si les distances varient d'un facteur deux, la position des lobes variera aussi dans un rapport deux.
Bien entendu la disposition ci dessus est donnée à titre d'exemple non limitatif et d'autres séquences d'ondes planes avec des pondérations et des directions différentes variables ou non avec la distance peuvent être utilisées. Un exemple d'antenne pour système émetteur-récepteur d'un système d'imagerie est décrit ci-dessous. Il permet une émission synthétique composée d'une séquence d'ondes planes et il se rapporte plus particulièrement à une antenne de sonde pour système échographique. L'antenne est destinée à être exploitée pour émettre une série d'ondes planes dont les directions sont voisines et ne diffèrent que d'un angle faible par rapport à l'angle moyen d'émission. Les signaux reçus par les transducteurs après réflexion sont prévus combinés après remise en phase pour chacun des points de cible défini par ses coordonnées géométriques individuelles. Bien que les antennes classiquement utilisées en échographie, radar ou sonar puissent convenir, il est proposé une structure d'antenne de coût réduit par rapport aux structures d'antenne classiques dans ces domaines d'application.
Il est prévu que l'exploration du volume soumis à examen, situé devant l'antenne, soit effectuée en faisant varier la direction moyenne des ondes planes mentionnée ci-dessus. II est donc prévu d'émettre une séquence comportant un nombre déterminé d'ondes planes, qui permettent chacune d'insonifier un domaine qui est considéré comme délimité par un rectangle, dans le cadre d'une représentation plane, telle que figurant sur la figure 16 où est illustrée une séquence à quatre domaines référencés Dl, D2, D3, D4, supposés obtenus à l'aide d'une antenne ici envisagée linéaire. Dans chacun de ces domaines et tant que la distance maximale est inférieure à la distance de Fresnel, il est possible d'assimiler à une onde plane le champ acoustique créé. La séquence réalisée est prévue pour permettre d'explorer un espace d'examen déterminé en faisant varier l'angle moyen des ondes planes d'émission, de manière que les domaines Dl à D4 auxquelles elles se rapportent se recouvrent plus ou moins partiellement, comme montré sur la figure 16. Il est possible d'utiliser des émissions dont les directions sont nettement différentes pour constituer un diagramme synthétique d'émission couvrant un domaine d'examen déterminé.
Chacune des ondes planes successives, dans chaque série d'illuminations, a une direction voisine de celle des autres et n'en diffère que d'un angle faible par rapport à l'angle moyen d'émission. L'exploration d'un volume soumis à examen est obtenu en faisant varier la direction moyenne. Ceci est schématisé sur la figure 17 où est présentée une antenne l' et le domaine couvert par le champ que produisent trois séquences d'orientations différentes S I, S2, S3 dont les domaines respectifs se recouvrent partiellement. Les transducteurs de l'antenne l' sont supposés attaqués par des signaux identiques, à la pondération près. Ces signaux sont à large bande B et de brève durée, préférablement de l'ordre de quelques 1/B et typiquement de l'ordre de la microseconde pour une bande B de 3 MHz. Le temps de retard τ qui sépare les signaux appliqués à deux transducteurs successifs distants d'une longueur p est égal à (p/c)sin φ, voir figures 17 et 18. Si les domaines correspondant à ces transducteurs sont jointifs, l'angle φ est donné par l'équation sin φ = D/2L, dans laquelle D est la longueur de l'antenne et L la portée prévue pour le système. L'angle φ est relativement grand si le nombre N de transducteurs est élevé, ainsi pour une fréquence moyenne f de 3 MHz et une bande de 3 MHz et une antenne linéaire constituée de 256 transducteurs au pas p de 0,25 mm, correspondant à la demi-longueur d'onde à fréquence f, on obtient: sin φ = D/2L = 0J6 avec une portée L fixée à 200 mm.
Le temps de retard τ obtenu est alors égal à 26,7 ns et il s'en déduit que l'impulsion Ijg appliquée au seizième transducteur lO'i β n'est produite qu'après la fin de l'impulsion Ii appliquée au premier transducteur 10' j, comme illustré sur la figure 19.
Il est donc possible, dans ce cas, de multiplexer les 256 transducteurs d'une antenne par groupe de 16 et en conséquence de desservir les transducteurs de même rang' des différents groupes par une même liaison filaire de transmission de signal, à partir de l'échographe 2 auxquels ils sont associés, n'étant pas considérées ici les liaisons de commande qui leur sont nécessaires. D'une manière générale, dans le cas d'une antenne linéaire, de portée L, qui comporte un nombre N+l de transducteurs alignés avec un pas p et émettant des impulsions de durée T, il est possible de n'émettre vers l'antenne que N+l/M signaux à l'émission, à partir de l'échographe et dans les conditions évoquées ci- dessus. M correspond à la part entière du quotient m =
(p I c)sm(Np 1 L)
Une telle émission laisse une portion du domaine d'examen non insonifiée, telle la zone triangulaire ABH sur la figure 20, il est toutefois possible d'insonifier cette zone en n'utilisant qu'une portion réduite de l'antenne, si besoin est. Dans le cas d'une antenne linéaire ou plane, il est aussi possible d'insonifier cette zone en attaquant simultanément tous les transducteurs de l'antenne par un même signal. Ceci peut être obtenu par une modification du dispositif de multiplexage de signaux de commande prévue pour l'antenne, d'une manière simple et à la portée de l'homme de métier.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé destiné à permettre l'obtention d'images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne (1), après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne étant constituée d'au moins un alignement de transducteurs (10' ou 10") émetteurs-récepteurs d'ondes, caractérisé en ce qu'il prévoit de réaliser une série d'émissions de même type en attaquant les transducteurs par des signaux d'excitation identiques qui sont décalés dans le temps pour générer une onde essentiellement plane à chaque émission, les retards entre transducteurs étant déterminés pour que les surfaces équiphases obtenues soient en ligne ou dans un plan suivant que l'antenne est constituée d'un alignement de transducteurs ou de plusieurs.
2/ Procédé selon la revendication 1 , dans lequel une série d'émissions est composée par mise en œuvre de signaux d'excitation qui sont décalés les uns par rapport aux autres et qui attaquent sélectivement les transducteurs d'antenne pour permettre d'obtenir une série d'ondes planes dont les directions sont différentes. 3/ Procédé, selon la revendication 2, dans lequel les séries d'émission sont constituées de couples d'émission, de même nature, symétriquement réalisées au niveau de chaque couple par rapport à la direction moyenne de propagation choisie et avec un angle (α) différent pour chaque couple par rapport à cette direction moyenne et/ou une amplitude différente par couple. 4/ Procédé, selon l'une des revendications 2, 3, dans lequel les signaux reçus par les transducteurs d'antenne pour une série d'émissions sont sommés pour chacun des points cibles avec des pondérations en amplitude et/ou en phase particulières à ce point de manière à permettre d'obtenir, par calcul, une remise en phase des ondes planes émises qui ont atteint ce point.
5/ Procédé, selon les revendications 3 et 4, dans lequel les signaux reçus par les transducteurs d'antenne pour une série d'émissions sont sommés pour chacun des points cibles et affectés d'une pondération réalisée selon une fonction décroissante de la distance du point sur un axe perpendiculaire à la direction moyenne de propagation.
6/ Procédé, selon l'une des revendications 4, 5, dans lequel les signaux de réception pour une série d'émissions sont mis en mémoire avant formation des voies de réception. 7/ Procédé, selon l'une des revendications 4, 5, dans lequel les signaux de réception pour une série d'émissions sont mis en mémoire après formation des voies de réception. 8/ Procédé, selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le nombre de transducteurs d'antenne qui sont utilisés en réception est réduit par rapport au nombre de transducteurs d'antenne utilisés en émission pour au moins une même série d'émissions. 9/ Procédé, selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les transducteurs sont organisés de manière que plusieurs faisceaux de réception indépendants, se recouvrant ou non, soient formés.
10/ Système d'imagerie permettant d'obtenir des images par l'intermédiaire d'ondes émises par une antenne (1) du système, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne comportant au moins un alignement de transducteurs (10' ou 10") émetteurs-récepteurs d'ondes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens logiciels et matériels pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9. 1 1/ Système d'imagerie échographique, permettant d'obtenir des images par l'intermédiaire d'ondes ultrasonores émises par une antenne acoustique d'une sonde du système, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne comportant au moins un alignement de transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes ultrasonores, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens logiciels et matériels pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9.
12/ Sonde d'émission-réception d'ondes pour système d'imagerie échographique permettant d'obtenir des images par l'intermédiaire d'ondes ultrasonores émises par une antenne (1) de ladite sonde, après réflexion de ces ondes au niveau d'un ensemble servant de cible qu'illuminent les ondes émises et à partir duquel les images sont extraites, ladite antenne comportant au moins un alignement de transducteurs (10') émetteurs-récepteurs d'ondes, caractérisée en ce que les transducteurs constituant le ou les alignements sont multiplexes par groupes de N, où chaque transducteur est multiplexe avec le transducteur de même rang de chacun des groupes comportés par l'alignement, le nombre de transducteurs par groupe étant choisi pour que le signal d'activation, constitué par une impulsion, d'un transducteur d'un groupe de transducteurs d'un alignement, soit terminé avant l'impulsion correspondant au signal d'activation du transducteur de même rang du groupe suivant.
13/ Sonde d'émission-réception d'ondes, selon la revendication 12, comportant un nombre (N+l) de transducteurs dans un alignement où les transducteurs sont répartis avec un pas donné (p) et sont commandés à l'émission par des impulsions de durée donnée (T), caractérisé en ce qu'elle est agencée pour que les transducteurs de l'alignement soient commandés par un nombre donné
((N+1)/M)de signaux à l'émission tel que le nombre (M) du dénominateur soit
T égal à la part entière du quotient m = , où c est la vitesse de
(p I c)sm(Np 12L) propagation d'onde et L la portée prévue pour le système.
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