EP4189832A1 - Dispositif et procédé synchrone d'alimentation d'un transducteur ultrasonore - Google Patents

Dispositif et procédé synchrone d'alimentation d'un transducteur ultrasonore

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EP4189832A1
EP4189832A1 EP21752484.2A EP21752484A EP4189832A1 EP 4189832 A1 EP4189832 A1 EP 4189832A1 EP 21752484 A EP21752484 A EP 21752484A EP 4189832 A1 EP4189832 A1 EP 4189832A1
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EP
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ultrasonic
transducer
signal
controlled
circuit
Prior art date
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Application number
EP21752484.2A
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German (de)
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Inventor
Ming Zhang
Nicolas Llaser
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method and circuit for driving and supplying ultrasonic transducers with synchronous switched capacitor, controlled by digital loop.
  • This circuit includes a power interface controlled by a multi-level square or rectangular signal generator.
  • This device comprises a tuning circuit which is controlled to present, with the transducer, a determined natural frequency.
  • this tuning circuit comprises a series inductor at the input, and at the output a capacitor with controlled connection mounted in parallel with the transducer. This connection is controlled according to a detected phase difference observed between the input and the output of said inductance. It is advantageously controlled to provide a phase difference equal to p/2.
  • the invention also relates to an ultrasonic element, an ultrasonic head, and an ultrasonic system for imaging and/or treatment, in particular medical.
  • Ultrasonic transducers are widely used as transmitters and receivers for ultrasound imaging, and even ultrasound treatment, particularly in the medical field. To do this, a plurality of transducers are typically arranged in a matrix, also called an “ultrasonic head”, in order to emit focused and high-power ultrasound in the area to be imaged or to be treated. Each ultrasonic transducer is supplied with a sinusoidal signal at a given frequency so as to generate an ultrasonic signal of said frequency.
  • the ultrasonic head comprises, for each ultrasonic transducer, an individual control chain.
  • the latter makes it possible to modify, individually for each transducer, the amplitude of the ultrasonic signal emitted by said transducer, but also its frequency and its phase.
  • the characteristics of the ultrasonic wave emitted by each transducer of the matrix can be modified.
  • the known control chains for ultrasonic transducers have degraded yields.
  • the sinusoidal control signals supplied by the known control chains are of poor quality so that the ultrasonic signal is degraded.
  • the known control chains are generally bulky and energy-consuming.
  • Another object of the present invention is to propose a device for supplying an ultrasonic transducer supplying a sinusoidal supply signal of better quality.
  • Another object of the present invention is to propose a device for supplying an ultrasonic transducer that is less bulky, more energy efficient, and/or easier to manufacture in large series.
  • Another object of the present invention is to propose a device for supplying an ultrasonic transducer allowing modification of the power of the ultrasonic signal by modifying the amplitude of the signal supplied to each transducer.
  • Another object of the present invention is to propose a device for supplying an ultrasonic transducer allowing the modification of the focal plane by modifying the frequency or the phase of the signal supplied to each transducer.
  • Another object of the present invention is to make it possible to supply a greater number of ultrasonic transducers in the ultrasonic head.
  • the invention proposes a device for supplying an ultrasonic transducer comprising a power interface configured to receive a control signal, in particular a multi-level square or rectangular signal supplied by a signal generator. square or rectangular multi-level controlled by a digital interface, and to supply an analog power signal, to said transducer ultrasonic so as to produce an ultrasonic wave of a set frequency.
  • the power interface carries out an amplification of a multi-level square or rectangular signal generated by a digital multi-level square or rectangular signal generator, amplification carried out in particular by means of a class “D” amplifier.
  • the power supply device comprises a digital interface which controls a multi-level square or rectangular signal generator, so that the latter generates a multi-level square or rectangular signal whose frequency, phase and amplitude respectively represent the frequency, phase and amplitude of the ultrasonic wave to be emitted.
  • the power supply device further comprises a tuning circuit which is connected between the power interface and the ultrasonic transducer, which tuning circuit is controlled (preferably digitally) by a control circuit of tuning, so that the assembly formed by the transducer and said tuning circuit has a determined resonant frequency, in particular which is tuned with said reference frequency.
  • this impedance modification by means of a connectable or adjustable capacitor mounted in the tuning circuit, for example in parallel with the transducer.
  • the tuning circuit also carries out a filtering of the harmonics of the analog power signal, for example by an inductance connected in series and which is traversed by the analog power signal which supplies the transducer.
  • the tuning circuit comprises an inductance connected in series on its input side, and comprises on its output side a capacitor with controlled connection connected in parallel with the transducer.
  • This connection is controlled according to a detected phase difference observed between an input phase and an output phase, which are detected on the input side and respectively on the output side of said inductance.
  • the tuning circuit comprises a feedback circuit which is arranged to control the connection of the capacitor so as to obtain that the detected phase difference reaches a determined set point value.
  • the servo circuit includes:
  • phase comparator circuit which receives or detects the input phase, in particular before the input of the power interface and for example after the multi-level square or rectangular signal generator, and compares it with the phase of output to derive the detected phase difference
  • this corrector circuit controls an output synchronization circuit, which controls in real time the opening and closing of the capacitor connection, in a slaved manner to bring and/or maintain the detected phase difference to the setpoint.
  • this servo circuit is almost or entirely digital, apart from the synchronization extractor which is a mixed circuit.
  • connection of the capacitor is controlled so that the detected phase difference reaches a tuning value equal to p/2.
  • connection of the capacitor is controlled by a synchronization signal operating in pulse width modulation, or PWM ("Puise Width Modulation").
  • the power supply device further comprises a digital control interface providing, to generate the control signal, any combination of at least one of the following parameters:
  • the tuning control circuit, and the circuits for controlling and generating the analog power signal at the input of the inductance, called the primary power supply signal are made in whole or in part by digital circuits.
  • the power supply device is integrated, in part or in whole, in at least one integrated circuit, in particular alone or associated with other electronic components.
  • the invention proposes an ultrasonic device which comprises at least:
  • an ultrasonic transducer and - a supply device as disclosed here, which is arranged to supply said at least one ultrasonic transducer.
  • such an ultrasonic device can comprise a single transducer and a single power supply device, itself comprising its own digital interface
  • several power supply devices are controlled by a same digital interface
  • the invention proposes a so-called composite ultrasonic device which comprises several ultrasonic devices which share a common digital interface.
  • the invention proposes an ultrasonic head comprising several ultrasonic devices as disclosed here, which are arranged and/or controlled in parallel.
  • each ultrasonic transducer is associated with a power supply device which is dedicated to it so that each ultrasonic transducer can be controlled individually.
  • the characteristics of the ultrasonic wave generated by each ultrasonic transducer of the ultrasonic head according to the invention can be modified individually.
  • the amplitude, frequency and phase of the ultrasonic wave emitted by each ultrasonic transducer in the head ultrasound can be changed for each ultrasound transducer individually.
  • the ultrasonic head according to the invention can be used for medical imaging, in particular for echographic imaging. Alternatively, or additionally, the ultrasonic head according to the invention can be used for medical therapy.
  • the ultrasonic head according to the invention can be used for aesthetic treatment.
  • the ultrasonic head according to the invention can be used for part inspection imaging, for example in terms of quality control, or even part processing.
  • the invention proposes an ultrasonic system comprising: - an ultrasonic head as set out here, and
  • At least one digital control device for the ultrasonic devices of said ultrasonic head At least one digital control device for the ultrasonic devices of said ultrasonic head.
  • the ultrasonic system may comprise for at least one, and in particular each, ultrasonic device of the ultrasonic head, an individual digital control device dedicated to said ultrasonic device.
  • each ultrasonic device of the ultrasonic head receives the data concerning the ultrasonic wave to be generated from the digital control device dedicated to it.
  • the system according to the invention can be an echographic imaging system.
  • the system can comprise, in known manner, means for processing echographic waves to generate at least one echographic image.
  • the system comprises, in known manner, means for processing the ultrasonic waves emitted to carry out the processing
  • the system is arranged to produce a medical imaging system, and/or a medical therapy system, for example for the lysis of kidney stones.
  • a use of the system according to the invention is proposed for medical imaging.
  • a use of the system according to the invention is proposed for the aesthetic treatment of at least one zone of the body of a human or animal being.
  • the invention proposes a method for supplying an ultrasonic transducer with a so-called secondary supply signal, to produce an ultrasonic wave of a set frequency, characterized in that it comprises the steps following:
  • this method is implemented within a supply device, or an ultrasonic device, or an ultrasonic head, or an ultrasonic system, as disclosed here.
  • the modification of the tuning of the tuning circuit is carried out by synchronous switching of a capacitor connected in parallel with the transducer.
  • the switching of the capacitance is controlled by a servo-control relating to a detected phase difference observed between an input phase and an output phase, which are detected on the input side and respectively on the output side.
  • output of an inductance connected in series between the power interface and the transducer is controlled by a servo-control relating to a detected phase difference observed between an input phase and an output phase, which are detected on the input side and respectively on the output side.
  • the invention helps to solve the problem of controlling a matrix of transducers, in particular in an apparatus which must be compatible with I ⁇ RM for medical treatments by ultrasound.
  • the invention makes it possible to implement a device which does not disturb the magnetic field of the MRI and to allow individual control of the amplitude, the frequency and the phase of the control signal of each transducer. This individual control allows the focus point to be changed. This ability to change the point of focus makes it possible to follow moving organs and treat larger areas, thus facilitating the work of the doctor.
  • the invention makes it possible to offer a high energy conversion efficiency and at the same time to reduce the dimensions of the head and of the overall system, which makes it possible to increase the number of ultrasonic transmitting elements in a transducer array with all the attendant benefits.
  • the invention makes it possible to drive each transducer independently and to control its amplitude, its frequency and its phase, in an MRI apparatus. Compared to existing solutions, this may allow finer control of the parameters of each transducer. This will allow doctors to offer more precise treatments and perhaps new uses for this type of treatment. Several objectives are possible, such as the monitoring of moving organs controlled by MRI or the treatment of larger areas in order to treat larger tumors.
  • the invention makes it possible to use an architecture based mainly on digital circuits, which makes the system more robust and simpler to develop and to implement. This may help to reduce manufacturing costs compared to complex and difficult to adjust analog solutions.
  • the method according to the invention can comprise, in terms of method, any combination of at least one characteristic described above, and which are not repeated here for the sake of brevity.
  • Fig.l is a schematic representation of a non-limiting embodiment of a device for supplying an ultrasonic transducer
  • Fig.2 is a more detailed embodiment of the power supply device of Fig.l;
  • Fig.3 is a schematic representation of a non-limiting exemplary embodiment of an ultrasonic device according to the invention, including the power supply device of Fig.l;
  • Fig.4 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of an ultrasonic head according to the invention, including a matrix of “n” examples of the device of Fig.3; and [Fig.5]: Fig.5 is a schematic representation of a non-limiting exemplary embodiment of an ultrasound system according to the invention, including the head of Fig.4;
  • Fig.6 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of an ultrasound system according to the invention, including a variant of the head of Fig.4 with composite sub-assemblies.
  • the embodiments which will be described subsequently are in no way limiting.
  • variants of the invention may be imagined comprising only a selection of characteristics described below isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection includes at least one preferably functional feature without structural detail, or with only part of the structural detail if this part is sufficient on its own to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the art anterior.
  • the invention proposes a structure making it possible to drive ultrasonic transducers, in particular in the context of medical treatments.
  • the transducers 302 are typically arranged in an array of n transducers, with "i" ranging from 1 to n. Their combination makes it possible to emit high-power ultrasound, which can be focused by causing the various transducers to emit simultaneously but with different phases between them.
  • each transducer 302 has its own control interface and thus forms an ultrasonic device 300 (also called ultrasonic). These ultrasonic devices form individual ultrasonic elements within an assembly 400 which forms the ultrasonic (or ultrasonic) head.
  • a digital system 502 generally a computer associated with a dialogue interface, allowing the doctor to adjust the power and the point of focus of the ultrasound. These adjustments are translated by the digital system into an individual control of each element of the ultrasonic head, in amplitude, frequency and phase. Via a communication bus 504, each of these individual controls is sent to the digital interface 108 of the ultrasonic element 300 which corresponds to it within the ultrasonic head 500.
  • this structure simultaneously controls and supplies the ultrasonic transducer 302 by an analog power signal “s a ”, which can be qualified as a “primary” supply signal.
  • This primary signal s a is generated by a power interface 106, which is controlled by a digital signal forming a control signal "s p ", coming from a digital multi-level square or rectangular signal generator 102.
  • Each of the digital multi-level square or rectangular signal generators 102 is controlled in frequency "F1", in phase “f ⁇ ”, or even in amplitude "Al”, by means of the digital interface 108 which corresponds to it.
  • Power interface 106 is typically a half "H” bridge, and/or a class “D" amp. Typically, it thus emits a square or rectangular multi-level primary supply signal of the same frequency F1 and of the same phase f ⁇ .
  • the ultrasonic transducer 302 is in series with an inductance L1, which makes it possible to filter the harmonics of the multi-level square or rectangular signal and which supplies to the terminals of the transducer 302 a sinusoidal signal " s'a ", which can be qualified as a power supply signal. "secondary”.
  • a capacitor C1 is placed in parallel with the transducer 302 using the electronic switch K1.
  • the multi-level square or rectangular signal generator 102, the phase comparator 112, the setpoint 110 and its adder 113, the corrector 114 and the output synchronization stage 115 are preferably made entirely by circuits digital.
  • Fig.3 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of an ultrasonic device according to the invention.
  • the ultrasonic device 300 shown in Fig.3 includes a transducer ultrasound 302 powered by a power supply device according to the invention, and in particular the power supply device 100 of FIG.
  • Fig.4 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of an ultrasonic head according to the invention.
  • the ultrasonic head 400 of Fig.4 comprises "n" ultrasonic devices 300i-300 n arranged in parallel and forming a matrix.
  • At least two of the ultrasonic devices 300i-300 n can be identical or different from each other.
  • Each ultrasound device 300 can be identical to the ultrasound device 300 of FIG.
  • Fig.5 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of an ultrasound system according to the invention.
  • the ultrasonic system 500 of Fig.5 comprises an ultrasonic head according to the invention, such as for example the ultrasonic head 400 of Fig.4.
  • the ultrasonic system 500 further comprises a control device 502, such as a computer or a tablet, and more generally any computer device, connected to each ultrasonic device 300, of the ultrasonic head 400, and in particular to the interface of control 108, of said ultrasonic device.
  • a control device 502 such as a computer or a tablet, and more generally any computer device, connected to each ultrasonic device 300, of the ultrasonic head 400, and in particular to the interface of control 108, of said ultrasonic device.
  • control device 502 is connected to each control interface 108, through a digital and wired 504 communication bus 504.
  • each control interface 108 can be in communication with the control device 502 through a wireless link.
  • the control device 502 makes it possible to control each ultrasonic device 300, individually and independently of the other ultrasonic devices 300, with a view to changing the frequency, the phase and/or the amplitude of the ultrasonic wave emitted by each ultrasonic device. 300,.
  • This makes it possible to adjust in a simple, dynamic and reactive manner, the amplitude, the frequency and the phase of each ultrasonic wave emitted by each ultrasonic device 300 ,. Therefore, it is possible to simply, flexibly and responsively adjust the point of focus, typically by controlling for the different elements 300, different phases but coordinated between them, as well as the amplitude of the ultrasonic waves emitted by the ultrasonic devices 300i-300 n .
  • the invention when the invention is implemented in a medical imaging or even therapy device, it is thus possible to quickly and precisely modify the point of focus of the waves of the head 400, for example to carry out a follow-up in real-time moving parts.
  • Fig.6 illustrates a variation of Fig.5, in which the system 600 has a head 406 composed of a plurality of 'h' composite ultrasound devices 306i to 306n .
  • the same common interface 108i controls a plurality of it supply devices 100n to 100i m , which each supply one and only one transducer 302n to 302i m .
  • the block 306 n comprises a single digital interface 108 n which directly controls the power supply devices 100 n at 100 nm of the transducers respectively 302 n at 302 nm -
  • the matrix is then made up of n.m transducers, which are associated in 'h' groups of 'm' transducers.
  • This number 'm' is not necessarily constant, and can be variable within a subset to another within the head. In general, this grouping of transducers is small, for example in number from 2 to 16.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé et circuit (100) de pilotage et d'alimentation de transducteurs ultrasonores à capacité commutée synchrone, contrôlé par boucle numérique. Ce circuit (100) comprend une interface de puissance (106) commandée par un générateur de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux (102). Ce dispositif comprend un circuit d'accordage (104) qui est commandé par un circuit de commande d'accordage (109) pour présenter, avec le transducteur, une fréquence propre déterminée. Typiquement, cette adaptation comprend en entrée une inductance (L1) en série, et en sortie une capacité (C1) à connexion commandée (K1) montée en parallèle avec le transducteur (302). Cette connexion (K1) est commandée selon une différence de phase détectée (Δφ12) constatée entre l'entrée (φ1) et la sortie (φ2) de ladite inductance (L1). Elle est avantageusement asservie pour fournir une différence de phase valant π/2. L'invention se rapporte en outre à un élément ultrasonique, une tête ultrasonique, et un système ultrasonique d'imagerie et/ou de traitement, notamment médical.

Description

« Dispositif et procédé synchrone d'alimentation d'un transducteur ultrasonore »
L'invention se rapporte à un procédé et circuit de pilotage et d'alimentation de transducteurs ultrasonores à capacité commutée synchrone, contrôlé par boucle numérique. Ce circuit comprend une interface de puissance commandée par un générateur de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux. Ce dispositif comprend un circuit d'accordage qui est commandé pour présenter, avec le transducteur, une fréquence propre déterminée.
Typiquement, ce circuit d'accordage comprend en entrée une inductance en série, et en sortie une capacité à connexion commandée montée en parallèle avec le transducteur. Cette connexion est commandée selon une différence de phase détectée constatée entre l'entrée et la sortie de ladite inductance. Elle est avantageusement asservie pour fournir une différence de phase valant p/2.
L'invention se rapporte en outre à un élément ultrasonique, une tête ultrasonique, et un système ultrasonique d'imagerie et/ou de traitement, notamment médical.
Etat de la technique
Les transducteurs ultrasonores sont largement utilisés comme émetteurs et récepteurs pour de l'imagerie par échographie, voire du traitement par ultrasons, en particulier dans le domaine médical. Pour ce faire, une pluralité de transducteurs sont arrangés typiquement en matrice, également appelée « tête ultrasonique », afin d'émettre des ultrasons focalisés et à forte puissance dans la zone à imager ou à traiter. Chaque transducteur ultrasonore est alimenté par un signal sinusoïdal à une fréquence donnée de sorte à générer un signal ultrasonique de ladite fréquence.
Généralement, la tête ultrasonique comprend, pour chaque transducteur ultrasonique, une chaîne de contrôle individuelle. Cette dernière permet de modifier, individuellement pour chaque transducteur, l'amplitude du signal ultrasonore émis par ledit transducteur, mais aussi sa fréquence et sa phase. Ainsi, les caractéristiques de l'onde ultrasonore émise par chaque transducteur de la matrice peuvent être modifiées. Cependant, les chaînes de commande connues pour transducteur ultrasonique ont des rendements dégradés. De plus, les signaux de commande sinusoïdaux fournis par les chaînes de commande connues sont de mauvaise qualité de sorte que le signal ultrasonore est dégradé. Enfin, les chaînes de commande connues sont généralement encombrantes et consommatrices d'énergie.
Un but de la présente invention est de remédier en tout ou partie aux inconvénients de l'état de la technique, et en particulier à au moins un des inconvénients précités. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore plus efficace en terme de rendement.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore fournissant un signal d'alimentation sinusoïdal de meilleure qualité.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore moins encombrant, plus économe en énergie, et/ou plus facile à fabriquer en grande série.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore permettant la modification de la puissance du signal ultrasonique en modifiant l'amplitude du signal fourni à chaque transducteur.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore permettant la modification du plan focal en modifiant la fréquence ou la phase du signal fourni à chaque transducteur.
Un autre but de la présente invention est de permettre d'alimenter un plus grand nombre de transducteurs ultrasonores dans la tête ultrasonique.
Présentation de l'invention Pour cela, l'invention propose un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore comprenant une interface de puissance configurée pour recevoir un signal de pilotage, notamment un signal carré ou rectangulaire multi-niveaux fourni par un générateur de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux commandé par une interface numérique, et pour fournir un signal analogique de puissance, audit transducteur ultrasonore de façon à produire une onde ultrasonore d'une fréquence de consigne.
Typiquement, l'interface de puissance réalise une amplification d'un signal carré ou rectangulaire multi-niveaux généré par un générateur numérique de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux, amplification réalisée notamment au moyen d'un ampli de classe "D". Typiquement, le dispositif d'alimentation comprend une interface numérique qui commande un générateur de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux, pour que ce dernier génère un signal carré ou rectangulaire multi-niveaux dont la fréquence, la phase et l'amplitude représentent respectivement la fréquence, la phase et l'amplitude de l'onde ultrasonore à émettre.
Selon l'invention, le dispositif d'alimentation comprend en outre un circuit d'accordage qui est monté entre l'interface de puissance et le transducteur ultrasonore, lequel circuit d'accordage est commandé (de préférence numériquement) par un circuit de commande d'accordage, pour que l'ensemble formé par le transducteur et ledit circuit d'accordage présente une fréquence de résonance déterminée, notamment qui est accordée avec ladite fréquence de consigne.
Typiquement, cette modification d'impédance au moyen d'une capacité connectable ou ajustable montée dans le circuit d'accordage, par exemple en parallèle au transducteur. Typiquement, le circuit d'accordage réalise aussi un filtrage des harmoniques du signal analogique de puissance, par exemple par une inductance montée en série et qui est traversée par le signal analogique de puissance qui alimente le transducteur. De préférence, le circuit d'accordage comprend une inductance montée en série du côté de son entrée, et comprend du côté de sa sortie une capacité à connexion commandée montée en parallèle avec le transducteur.
Cette connexion est commandée en fonction d'une différence de phase détectée constatée entre une phase d'entrée et une phase de sortie, lesquelles sont détectées du côté de l'entrée et respectivement du côté de la sortie de ladite inductance.
Plus particulièrement, le circuit d'accordage comprend un circuit d'asservissement qui est agencé pour commander la connexion de la capacité de façon à obtenir que la différence de phase détectée arrive à une valeur de consigne déterminée. Dans un mode de réalisation préféré, le circuit d'asservissement comprend :
- un circuit d'extraction de synchronisation qui détecte la phase de sortie,
- un circuit comparateur de phase, qui reçoit ou détecte la phase d'entrée, notamment avant l'entrée de l'interface de puissance et par exemple après le générateur de signal carré ou rectangulaire multi-niveaux, et la compare avec la phase de sortie pour en tirer la différence de phase détectée,
- un circuit sommateur qui compare ladite différence de phase détectée avec la valeur de consigne de façon à commander un circuit correcteur,
- et en ce que ce circuit correcteur commande un circuit de synchronisation de sortie, lequel commande en temps réel l'ouverture et la fermeture de la connexion de la capacité, de façon asservie pour amener et/ou maintenir la différence de phase détectée à la valeur de consigne.
Typiquement, ce circuit d'asservissement est presque ou entièrement numérique, en dehors de l'extracteur de synchronisation qui est un circuit mixte.
Selon une particularité avantageuse, la connexion de la capacité est commandée pour que la différence de phase détectée arrive à une valeur d'accord valant p/2.
Selon une autre particularité, la connexion de la capacité est commandée par un signal de synchronisation fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion, ou PWM ("Puise Width Modulation").
De préférence, le dispositif d'alimentation comprend en outre une interface de commande numérique fournissant, pour générer le signal de pilotage, une combinaison quelconque d'au moins un des paramètres suivants :
- une fréquence dudit signal de pilotage,
- une amplitude dudit signal de pilotage,
- une phase dudit signal de pilotage ; et déterminant lesdits paramètres à partir de données d'instructions qu'elle reçoit et qui représentent respectivement :
- une fréquence d'un signal sonore à émettre par le transducteur,
- une amplitude d'un signal sonore à émettre par le transducteur, - une phase d'un signal sonore à émettre par le transducteur.
Possiblement, plusieurs dispositifs d'alimentation sont commandés par une même interface numérique.
De façon avantageuse, le circuit de commande d'accordage, et les circuits de commande et de génération du signal analogique de puissance en entrée de l'inductance, dit signal d'alimentation primaire, sont réalisés en tout ou partie par des circuits numériques.
De préférence, le dispositif d'alimentation est intégré, en partie ou en totalité, dans au moins un circuit intégré, notamment seul ou associé à d'autres composants électroniques.
Suivant un autre aspect, l'invention propose un dispositif ultrasonore qui comprend au moins :
- un transducteur ultrasonore, et - un dispositif d'alimentation tel qu'exposé ici, qui est agencé pour alimenter ledit au moins un transducteur ultrasonore.
Selon une particularité, un tel dispositif ultrasonore peut comprendre un seul transducteur et un seul dispositif d'alimentation, comprenant lui- même sa propre interface numérique Selon une autre particularité, plusieurs dispositifs d'alimentation sont commandés par une même interface numérique, et l'invention propose un dispositif ultrasonore dit composite qui comprend plusieurs dispositifs ultrasonores qui partagent une interface numérique commune. Suivant encore un autre aspect, l'invention propose une tête ultrasonique comprenant plusieurs dispositifs ultrasonores tels qu'exposés ici, qui sont disposés et/ou commandés en parallèle.
Dans la tête ultrasonique selon l'invention, à chaque transducteur ultrasonore est associé un dispositif d'alimentation qui lui est dédié de sorte que chaque transducteur ultrasonore peut être contrôlé individuellement. Ainsi, les caractéristiques de l'onde ultrasonore générée par chaque transducteur ultrasonore de la tête ultrasonique selon l'invention peuvent être modifiées individuellement.
En particulier, l'amplitude, la fréquence et la phase de l'onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore de la tête ultrasonique peuvent être modifiées pour chaque transducteur ultrasonore individuellement.
La tête ultrasonique selon l'invention peut être utilisée pour l'imagerie médicale, en particulier pour l'imagerie échographique. Alternativement, ou en plus, la tête ultrasonique selon l'invention peut être utilisée pour la thérapie médicale.
Alternativement, ou en plus, la tête ultrasonique selon l'invention peut être utilisée pour le traitement esthétique.
Alternativement, ou en plus, la tête ultrasonique selon l'invention peut être utilisée pour une imagerie de contrôle de pièces, par exemple en matière de contrôle de qualité, voire de traitement de pièces.
Encore suivant un autre aspect, l'invention propose un système ultrasonore comprenant : - une tête ultrasonique telle qu'exposée ici, et
- au moins un appareil de commande numérique des dispositifs ultrasonores de ladite tête ultrasonique.
Suivant un mode de réalisation, le système ultrasonore selon l'invention peut comprendre pour au moins un, et en particulier chaque, dispositif ultrasonore de la tête ultrasonique, un appareil de commande numérique individuel dédié audit dispositif ultrasonore.
Dans ce cas, chaque dispositif ultrasonore de la tête ultrasonique reçoit les données concernant l'onde ultrasonore à générer de la part de l'appareil de commande numérique qui lui est dédié. Le système selon l'invention peut être un système d'imagerie échographique. Dans ce cas, le système peut comprendre, de manière connue, des moyens de traitement des ondes échographiques pour générer au moins une image échographique.
Il peut aussi être un système de traitement. Dans ce cas, le système comprend de manière connue des moyens de traitement des ondes ultrasonores émises pour réaliser le traitement
Selon une particularité préférée, le système est agencé pour réaliser d'un système médical d'imagerie, et/ou un système médical de thérapie, par exemple pour la lyse de calculs rénaux. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation du système selon l'invention, pour l'imagerie médicale.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation du système selon l'invention, pour le traitement esthétique d'au moins une zone du corps d'un être humain ou animal.
Suivant encore un autre aspect, l'invention propose un procédé d'alimentation d'un transducteur ultrasonore avec un signal d'alimentation dit secondaire, pour produire une onde ultrasonore d'une fréquence de consigne, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- génération par une interface de puissance d'un signal analogique de puissance dit signal d'alimentation primaire utilisé pour alimenter un transducteur ultrasonore au travers d'un circuit d'accordage à impédance ajustable, notamment comprenant une capacité connectable ou ajustable ;
- commande d'un circuit d'accordage pour qu'il commande ledit circuit d'accordage de façon à en modifier l'impédance, pour que l'ensemble formé par le transducteur et ledit circuit d'accordage présente une fréquence de résonance déterminée, notamment qui est accordée avec ladite fréquence de consigne.
Typiquement ce procédé est mis en œuvre au sein d'un dispositif d'alimentation, ou d'un dispositif ultrasonore, ou d'une tête ultrasonore, ou d'un système ultrasonore, tels qu'exposés ici.
Selon une particularité, la modification de l'accord du circuit d'accordage est réalisée par commutation synchrone d'une capacité montée en parallèle du transducteur.
Selon une autre particularité, la commutation de la capacité et commandée par un asservissement portant sur une différence de phase détectée constatée entre une phase d'entrée et une phase de sortie, lesquelles sont détectées du côté de l'entrée et respectivement du côté de la sortie d'une inductance montée en série entre l'interface de puissance et le transducteur.
L'invention aide à résoudre le problème du pilotage d'une matrice de transducteurs, en particulier dans un appareil qui doit être compatible à I Ί RM pour des traitements médicaux par ultrason. L'invention permet de mettre en œuvre un dispositif ne perturbant pas le champ magnétique de l'IRM et de permettre le contrôle individuel de l'amplitude, la fréquence et la phase du signal de pilotage de chaque transducteur. Ce contrôle individuel permet de modifier le point de focalisation. Cette capacité de modification du point de focalisation permet de suivre des organes en mouvement et de traiter des zones plus importantes, facilitant ainsi le travail du médecin. Grâce à son système d'accord à base de capacités commutées synchrones, l'invention permet d'offrir un rendement de conversion énergétique élevée et en même temps de réduire les dimensions de la tête et du système global, ce qui permet d'augmenter le nombre d'éléments transmetteurs ultrasonores dans une matrice de transducteur avec tous les avantages qui en découlent.
Ainsi, l'invention permet de piloter indépendamment chaque transducteur et de contrôler son amplitude, sa fréquence et sa phase, dans un appareil IRM. Par rapport aux solutions existantes, cela pourra permettre un pilotage plus fin des paramètres de chaque transducteur. Ce qui permettra aux médecins de proposer des traitements plus précis et peut- être de nouvelles utilisations de ce type de traitement. Plusieurs objectifs sont possibles comme le suivi d'organe en mouvement contrôlé par IRM ou le traitement de zones plus grandes afin de traiter des tumeurs de tailles plus importantes.
L'invention permet d'utiliser une architecture basée principalement sur des circuits numériques ce qui rend le système plus robuste et plus simple à développer et à mettre en œuvre. Cela pourra permettre de diminuer les coûts de fabrication par rapport aux solutions analogiques complexes et difficile à régler.
Elle permet en particulier les possibilités suivantes :
- Architecture essentiellement numérique : simple à mettre en œuvre, avec une réduction des coûts, une perspective d'intégration élevée et une robustesse augmentée
- Contrôle individuel pour chaque transducteur de l'amplitude, la fréquence et de la phase du signal de contrôle
- Réglage automatique "Autotuning" des transducteurs, ce qui permet un réglage de l'amplitude, de la fréquence et de la phase permettant au médecin de régler le point de focalisation, et assure aussi un rendement de la conversion énergétique optimal à tout instant.
- Augmentation de déflexion du signal ultrasonore, par un réglage de la profondeur et du point de focalisation, grâce au changement de fréquence et/ou de phase.
- Meilleure précision de la focalisation.
Bien entendu, le procédé selon l'invention peut comprendre, en termes de procédé, une combinaison quelconque d'au moins une caractéristique décrite plus haut, et qui ne sont pas reprises ici par souci de concision.
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
Brève description des dessins D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
[Fig.l] : la Fig.l est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif d'alimentation d'un transducteur ultrasonore ;
[Fig.2] : la Fig.2 est un exemple plus détaillé de réalisation du dispositif d'alimentation de la Fig.l ;
[Fig.3] : la Fig.3 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif ultrasonore selon l'invention, incluant le dispositif d'alimentation de la Fig.l ;
[Fig.4] : la Fig.4 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une tête ultrasonique selon l'invention, incluant une matrice de "n" exemplaires du dispositif de la Fig.3 ; et [Fig.5] : la Fig.5 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un système ultrasonore selon l'invention, incluant la tête de la Fig.4 ;
[Fig.6] : la Fig.6 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un système ultrasonore selon l'invention, incluant une variante de la tête de la Fig.4 à sous-ensembles composites. Les modes de réalisation qui seront décrits par la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détail structurel, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est suffisante à elle seule pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Sur les figures les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Description des modes de réalisation L'invention propose une structure permettant de piloter des transducteurs ultrasonores, notamment dans le cadre de traitements médicaux.
Les transducteurs 302, sont typiquement arrangés en matrice de n transducteurs, avec "i" allant de 1 à n. Leur réunion permet d'émettre des ultrasons à forte puissance, et qui peuvent être focalisés en faisant émettre les différents transducteurs simultanément mais avec des phases différentes entre elles. Dans une telle architecture, chaque transducteur 302 possède sa propre interface de contrôle et forme ainsi un dispositif ultrasonore 300 (appelé aussi ultrasonique). Ces dispositifs ultrasonores forment des éléments ultrasoniques individuels au sein d'un ensemble 400 qui forme la tête ultrasonore (ou ultrasonique).
Au sein d'un système ultrasonore 500 opérationnel, tous les éléments ultrasoniques 300 sont contrôlés par un système numérique 502, généralement un ordinateur associé à une interface de dialogue, permettant au médecin de régler la puissance et le point de focalisation des ultrasons. Ces réglages sont traduits par le système numérique en un contrôle individuel de chaque élément de la tête ultrasonique, en amplitude, en fréquence et en phase. Par un bus de communication 504, chacun de ces contrôles individuels est envoyé à l'interface numérique 108 de l'élément ultrasonique 300 qui lui correspond au sein de la tête ultrasonique 500. Pour chaque élément ultrasonique 300, cette structure réalise simultanément le pilotage et l'alimentation du transducteur ultrasonore 302 par un signal analogique de puissance "sa", pouvant être qualifié de signal d'alimentation "primaire". Ce signal primaire sa est généré par une interface de puissance 106, laquelle est contrôlée par un signal numérique formant un signal de pilotage "sp", issu d'un générateur de signaux carrés ou rectangulaires multi-niveaux numériques 102.
Chacun des générateurs de signaux carrés ou rectangulaires multi niveaux numériques 102 est contrôlé en fréquence "Fl", en phase "fΐ", voire en amplitude "Al", au moyen de l'interface numérique 108 qui lui correspond.
L'interface de puissance 106 est typiquement un demi-pont en "H", et/ou un ampli de classe "D". Typiquement, elle émet ainsi un signal d'alimentation primaire carré ou rectangulaire multi-niveaux de même fréquence Fl et de même phase fΐ.
Le transducteur ultrasonore 302 est en série avec une inductance Ll, qui permet de filtrer les harmoniques du signal carré ou rectangulaire multi niveaux et qui fournit aux bornes du transducteur 302 un signal sinusoïdal "s'a", pouvant être qualifié de signal d'alimentation "secondaire". Un condensateur Cl est mis en parallèle au transducteur 302 à l'aide de l'interrupteur électronique Kl. En commutant le condensateur Cl durant seulement une partie déterminée du temps, typiquement durant une partie déterminée de chaque période du signal primaire sa sortant de l'interface de puissance 106, on obtient une modification de l'impédance du circuit d'accordage 104, ce qui permet pour déplacer le point de résonance (c'est à dire sa fréquence de résonance F30) de l'ensemble 301 formé par l'inductance Ll, le condensateur Cl et le transducteur 302, ensemble que l'on peut qualifier de "transducteur accordé" 301.
Il faut noter que le générateur de signaux carrés ou rectangulaire multi-niveaux 102, le comparateur de phase 112, la consigne 110 et son sommateur 113, le correcteur 114 et l'étage de synchronisation de sortie 115 sont de préférence entièrement réalisés par des circuits numériques.
La Fig.3 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif ultrasonore selon l'invention. Le dispositif ultrasonore 300 représenté sur la Fig.3 comprend un transducteur ultrasonore 302 alimenté par un dispositif d'alimentation selon l'invention, et en particulier le dispositif d'alimentation 100 de la Fig.l.
La Fig.4 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une tête ultrasonique selon l'invention. La tête ultrasonique 400 de la Fig.4 comprend « n » dispositifs ultrasonores 300i-300n disposés en parallèle et formant une matrice.
Au moins deux des dispositifs ultrasonores 300i-300n peuvent être identiques ou différents entre eux.
Chaque dispositif ultrasonore 300, peut être identique au dispositif ultrasonore 300 de la Fig.3 et comprend tous les éléments du dispositif 300 avec les mêmes références complétées par « i » en indice.
La Fig.5 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un système ultrasonore selon l'invention.
Le système ultrasonore 500 de la Fig.5 comprend une tête ultrasonique selon l'invention, telle que par exemple la tête ultrasonique 400 de la Fig.4.
Le système ultrasonore 500 comprend en outre un appareil de commande 502, tel qu'un ordinateur ou une tablette, et plus généralement tout appareil informatique, relié à chaque dispositif ultrasonore 300, de la tête ultrasonique 400, et en particulier à l'interface de commande 108, dudit dispositif ultrasonore.
Dans l'exemple représenté, l'appareil de commande 502 est relié à chaque interface de commande 108, au travers d'un bus de communication 504 numérique et filaire 504. Alternativement et à titre d'exemple, chaque interface de commande 108,, ou seulement certaines d'entre elles, peut être en communication avec l'appareil de commande 502 au travers d'une liaison sans fil.
L'appareil de commande 502 permet de commander chaque dispositif ultrasonore 300, de manière individuelle et indépendante des autres dispositifs ultrasonores 300, en vue de changer la fréquence, la phase et/ou l'amplitude de l'onde ultrasonore émise par chaque dispositif ultrasonore 300,. Cela permet d'ajuster de manière simple, dynamique et réactive, l'amplitude, la fréquence et la phase de chaque onde ultrasonore émise par chaque dispositif ultrasonore 300,. Par conséquent, il est possible d'ajuster de manière simple, flexible et réactive le point de focalisation, typiquement en commandant pour les différents éléments 300, des phases différentes mais coordonnées entre elles, ainsi que l'amplitude des ondes ultrasonores émises par les dispositifs ultrasonores 300i-300n.
Par exemple, lorsque l'invention est mise en œuvre dans un dispositif d'imagerie médicale, voire de thérapie, il est ainsi possible de modifier rapidement et précisément le point de focalisation des ondes de la tête 400, par exemple pour réaliser un suivi en temps réel des organes en mouvement.
La Fig.6 illustre une variante de la Fig.5, dans laquelle le système 600 présente une tête 406 composée d'une pluralité de 'h' dispositifs ultrasonores composites 306i à 306n. Au sein de chacun de ces dispositifs ultrasonores composites, par exemple celui référencé 306n, une même interface commune 108i commande une pluralité de 'it dispositifs d'alimentation 100n à 100im, qui alimentent chacun un et un seul transducteur 302n à 302im. De la même façon, le bloc 306n comprend une seule interface numérique 108n qui pilote directement les dispositifs d'alimentations 100ni à 100nm des transducteurs respectivement 302ni à 302nm-
Cela permet de réaliser un bloc d'interface numérique 1081 à 108m, qui est chacun capable de piloter directement un groupe de 'm' transducteurs de la matrice.
La matrice est alors constituée de n.m transducteurs, qui sont associés en 'h' groupes de 'm' transducteurs. Ce nombre 'm' n'est pas forcément constant, et peut être variable au sein d'un sous-ensemble à l'autre au sein de la tête. En général, ce regroupement de transducteurs est petit, par exemple en nombre de 2 à 16.
Ainsi, il est par exemple possible de gagner en compacité et en nombre de composants au niveau des interfaces numériques au sein de la tête. Il est aussi possible de réaliser de façon industrielle un sous-ensemble compact et standard incluant une interface numérique et 'm' transducteurs ; lequel sous-ensemble 306 standard pourra être utilisé dans différentes configurations pour réaliser différents types de têtes.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications
1. Dispositif (100) d'alimentation d'un transducteur ultrasonore (302) comprenant une interface de puissance (106) configurée pour recevoir un signal de pilotage (sp), notamment un signal carré ou rectangulaire multi- niveaux fourni par un générateur de signal carré ou rectangulaire multi niveaux (102) commandé par une interface numérique (108), et pour fournir un signal analogique de puissance (sa, s'a), audit transducteur ultrasonore de façon à produire une onde ultrasonore (US) d'une fréquence de consigne (F3), caractérisé en ce comprend en outre un circuit (104) d'accordage qui est monté entre l'interface de puissance (106) et le transducteur ultrasonore (302), lequel circuit d'accordage (104) est commandé par un circuit de commande d'accordage (109) pour que l'ensemble (301) formé par le transducteur et ledit circuit d'adaptation (104) présente une fréquence de résonance (F30) déterminée, notamment qui est accordée avec ladite fréquence de consigne (F3).
2. Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit d'accordage (104) comprend une inductance (Ll) montée en série du côté de son entrée, et comprend du côté de sa sortie une capacité (Cl) à connexion commandée (Kl) montée en parallèle avec le transducteur (302), laquelle connexion (Kl) est commandée en fonction d'une différence de phase détectée (Dfi2) constatée entre une phase d'entrée (fi) et une phase de sortie (f2), lesquelles sont détectées du côté de l'entrée et respectivement du côté de la sortie de ladite inductance (Ll).
3. Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit d'accordage (104) comprend un circuit d'asservissement (109) qui est agencé pour commander la connexion (Kl) de la capacité (Cl) de façon à obtenir que la différence de phase détectée (Dfi2) arrive à une valeur de consigne (Df0) déterminée.
4. Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la connexion (Kl) de la capacité (Cl) est commandée pour que la différence de phase détectée (Dfi2) arrive à une valeur d'accord valant p/2.
5. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la connexion (Kl) de la capacité (Cl) est commandée (115) par un signal de synchronisation (M2) fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion.
6. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une interface de commande (108) numérique fournissant, pour générer le signal de pilotage (sp), une combinaison quelconque d'au moins un des paramètres suivants :
- une fréquence (F) dudit signal de pilotage, - une amplitude (A) dudit signal de pilotage,
- une phase (f) dudit signal de pilotage ; et déterminant lesdits paramètres à partir de données d'instructions qu'elle reçoit (504) et qui représentent respectivement :
- une fréquence (F3) d'un signal sonore (US) à émettre par le transducteur,
- une amplitude (A3) d'un signal sonore (US) à émettre par le transducteur,
- une phase (f3) d'un signal sonore (US) à émettre par le transducteur.
7. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande d'accordage (109), et les circuits (108, 102, 106) de commande et de génération du signal analogique de puissance (sa) en entrée de l'inductance (Ll), dit signal d'alimentation primaire, sont réalisés en tout ou partie par des circuits numériques.
8. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est intégré, en partie ou en totalité, dans au moins un circuit intégré, notamment seul ou associé à d'autres composants électroniques.
9. Dispositif ultrasonore (300) comprenant au moins :
- un transducteur ultrasonore (302), et
- un dispositif d'alimentation (100), selon l'une quelconque des revendications précédentes, agencé pour alimenter ledit au moins un transducteur ultrasonore (302).
10. Tête ultrasonique (400) comprenant plusieurs dispositifs ultrasonores (300i-300n) selon la revendication précédente, disposés et/ou commandés en parallèle.
11. Système ultrasonore (500) comprenant : - une tête ultrasonique (400) selon la revendication précédente, et
- au moins un appareil de commande (502) numérique des dispositifs ultrasonores (300i-300n) de ladite tête ultrasonique (400).
12. Système (500) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est agencé pour réaliser d'un système médical d'imagerie et/ou de thérapie.
13. Procédé d'alimentation d'un transducteur ultrasonore (302) avec un signal d'alimentation dit secondaire (s'a), pour produire une onde ultrasonore d'une fréquence de consigne (F3), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- génération par une interface de puissance (106) d'un signal analogique de puissance dit signal d'alimentation primaire (sa) utilisé pour alimenter
(s'a) un transducteur ultrasonore (302) au travers d'un circuit d'accordage (104) à impédance ajustable ;
- commande d'un circuit d'accordage (109) pour qu'il commande ledit circuit d'accordage (104) de façon à en modifier l'impédance, pour que l'ensemble (301) formé par le transducteur et ledit circuit d'accordage (104) présente une fréquence de résonance (F30) déterminée, notamment qui est accordée avec ladite fréquence de consigne (F3).
14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la modification d'impédance du circuit d'accordage (109) est réalisée par commutation (Kl) synchrone d'une capacité (Cl) montée en parallèle du transducteur.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 14, caractérisé en ce que la commutation (Kl) de la capacité (Cl) et commandée par un asservissement portant sur une différence de phase détectée (Dfi2) constatée entre une phase d'entrée (fi) et une phase de sortie (f2), lesquelles sont détectées du côté de l'entrée et respectivement du côté de la sortie d'une inductance (Ll) montée en série entre l'interface de puissance (106) et le transducteur (106).
EP21752484.2A 2020-07-30 2021-07-30 Dispositif et procédé synchrone d'alimentation d'un transducteur ultrasonore Pending EP4189832A1 (fr)

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