FR2476319A1 - Dispositif et procede d'exploration ultrasonore - Google Patents

Abstract

UN DISPOSITIF D'EXPLORATION ULTRASONORE DESTINE A DETECTER L'EXISTENCE DANS UN MILIEU D'ANOMALIES 25 DIFFUSANT LES ONDES ACOUSTIQUES, COMPREND NOTAMMENT UN TRANSDUCTEUR 10 ATTAQUE PAR UN OSCILLATEUR 24 DE FACON A EMETTRE DES ONDES ULTRASONORES QUI SE PROPAGENT AVEC DIVERSES ORIENTATIONS DANS UNE ZONE A EXPLORER 22. LES ONDES ULTRASONORES SONT EMISES SOUS LA FORME D'UN TRAIN D'IMPULSIONS DANS LEQUEL CHAQUE IMPULSION A UNE FREQUENCE CONSTANTE ET PARTICULIERE, LES FREQUENCES DES DIFFERENTES IMPULSIONS D'UN TRAIN COUVRANT UNE CERTAINE GAMME DE FREQUENCE. CETTE CONFIGURATION DES ONDES ULTRASONORES PERMET D'AMELIORER LA RESOLUTION AVEC LAQUELLE UNE ANOMALIE PEUT ETRE DETECTEE.

Description

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Dispositif et procédé d'exploration ultrasonore.

La présente invention concerne l'imagerie ultrasonore et

elle porte plus particulièrement sur une technique de diagnostic ultra-

sonore utilisant une capacité de recueil de données à haute résolution.

L'examen des tissus humains au moyen d'un rayonnement péné- trant est devenu une technique classique pour la détection d'anomalies

dans un fond par ailleurs uniforme. Il est particulièrement souhaita-

ble d'utiliser pour de telles explorations des ondes acoustiques, en particulier dans la gamme de fréquence ultrasonore, soit environ 50 000 Hz et au-delà, ou dans la gamme située directement au-dessus de la gamme sonore, avec des fréquences pouvant descendre jusqu'à 000 Hz. Ces ondes acoustiques se propagent dans les solides et les

liquides et on sait qu'elles sont partiellement réfléchies et par-

tiellement transmises à n'importe quelle frontière entre deux milieux ayant des propriétés acoustiques différentes. Il est également bien connu que le produit de la densité de la matière par la célérité de l'onde acoustique est l'impédance acoustique, dont la variation d'un

milieu au milieu adjacrnt détermine la fraction du rayonnement acous-

tique qui est réfléchielorsque ce rayonnement atteint la surface frontière. On utilise souvent des impulsions d'ondes acoustiques pour la mesure de distances par écho à partir d'une frontière, en

mesurant l'intervalle de temps qui sépare le déclenchement de l'im-

pulsion et le retour de l'écho à la source acoustique. Ainsi, en

utilisant des procédures d'exploration et des réseaux de transduc-

teurs de type approprié, on peut former une image de la position d'objets et dessiner le contour de frontières qui diffusent et réfléchissent l'impulsion d'énergie. On a cependant constaté que

l'information contenue dans une telle image n'est pas une représenta-

tion quantitative de certaines propriétés physiques du milieu, du fait qu'elle dépend également des gradients au niveau des frontières

des tissus et de leur orientation par rapport au faisceau ultra-

sonore qui se propage.

On a utilisé diverses techniques pour obtenir une résolution élevée en échographie ultrasonore. Par exemple, le brevet US 3805596

présente une description complète de techniques d'exploration par

échographie ultrasonore, dans lesquelles une séquence de signaux sous

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forme d'impulsions ultrasonores à phase cohérente sont produits à par-

tir d'un ensemble de Positions de transducteurs. Les signaux sous forme d'impulsions réfléchiessont détectés et traités mathématiquement au moyen de fonctions de filtrage spécifiées pour produire une fonction du temps correspondant à un signal traité,à partir de laquelle on peut

produire une image à haute résolution des corps réfléchissants. Cepen-

dant, dans la technique présentée dans le brevet précité, comme dans

toutes les autres techniques de l'art antérieur qui utilisent l'écho-

graphie ultrasonore, le principe de l'émission d'impulsions et du traitement par convolution bidimensionnelle est considéré comme bien établi. Toute amélioration de la résolution en utilisant ce principe

repose de façon spécifique sur l'aptitude de l'équipement de traite-

ment de données à traiter les données reçues conformément à la dif-

fraction des ondes diffusées par des anomalies dans un milieu de fond

par ailleurs uniforme.

L'invention a donc pour but d'offrir un procédé et un di.sposi-

tif d'échographie ultrasonore nouveaux et originaux qui procurent une résolution accrue par augmentation de la présentation quantitative des

données physiques qui sont déduites de l'exploration ultrasonore.

On parvient au but de l'invention indiqué ci-dessus en inter-

rogeant la cible explorée au moyen d'une séquence d'impulsions rectan-

gulaires longues, avec une fréquence affectée à chaque impulsion, au lieu d'une seule impulsion courte d'une seule fréquence, en procédant d'une manière telle que l'onde ultrasonore couvre la totalité de la

région explorée avec une certaine gamme de fréquence. Plus précisé-

ment, à chaque position du transducteur, on engendre une séquence d'impulsions ayant différentes fréquences porteuses couvrant une gamme de fréquence fixée. On effectue des mesures d'amplitude et de phase sur latotalité de la gamme de fréquence et on déduit de ces données une série d'intégrales des propriétés acoustiques sur des couches d'égale phase. Ces intégrales contribuent à la diffusion totale d'une

région considérée. On répète le processus d'exploration pour plu-

sieurs orientations du transducteur de manière à obtenir pour chaque

point exploré les intégrales des propriétés acoustiques sur les cou-

ches d'égale phase, pour toutes les orientations possibles. Une pro-

cédure de convolution tridimensionnelle extrait ensuite de cette

information les valeurs locales des propriétés acoustiques qui con-

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tribuent au processus de diffusion. On peut ensuite afficher les va-

leurs.locales des propriétés acoustiques conformément aux techniques

d'affichage classiques et habituelles, en vue d'une utilisation ulté-

rieure. On réalise ainsi une reconstitution d'image au moyen d'une technique de formation d'image utilisant à la fois un balayage en fréquence et un balayage mécanique, et d'un système de réduction de

données. La technique précédente est applicable à des zones correspon-

dant à des tissus mous, et en particulier à l'exploration du sein.

Des techniques appropriées, mises en oeuvre par logiciel, peuvent être appliquées à la détection d'anomalies le long de lignes de balayage individuelles du fait qu'on effectue plusieurs balayages

à différentes fréquences le long de lignes correspondant à une orien-

tation similaire des transducteurs.

Un aspect de l'invention porte sur un dispositif d'explora-

tion ultrasonore destiné à explorer un milieu pour y détecter des anomalies diffusant les ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens transducteurs ultrasonores positionnés dans la plage d'exploration du milieu; des moyens d'émission ultrasonores couplés aux moyens transducteurs de façon à produire un train de signaux porteurs ultrasonores sous forme d'impulsions, chaque signal porteur sous forme d'impulsions de ce train ayant une fréquence constante et particulière, le train de signaux porteurs sous forme d'impulsions, pris ensemble, couvrant une gamme de fréquence et les moyens à transducteurs étant orientés de façon à diriger ce train selon

un chemin de propagation traversant le milieu; des moyens qui reposi-

tionnent de façon répétitive les moyens transducteurs afin de diri-

ger d'autres trains selon plusieurs chemins de propagation différents

traversant le milieu, les différents chemins de propagation définis-

sant conjointement une section plane; des moyens qui sont couplés aux moyens: transducteurs et qui réagissent à la phase et à l'amplitude

de régime établi du signal reçu de manière à définir la caractéris-

tique de diffusion totale dans cette section plane; des moyens des-

tinés à calculer à partir de cette caractéristique plusieurs caracté-

ristiques ponctuelles de la propriété acoustique correspondant à la caractéristique de diffusion; et des moyens destinés à comparer les

unes aux autres chacune des caractéristiques ponctuelles pour détec-

ter lesdites anomalies.

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Un autre aspect de l'invention porte sur un dispositif d'ex-

ploration ultrasonore destiné à explorer un milieu pour y détecter des anomalies et à fournir une caractéristique représentative de la compressibilité relative de cette anomalie, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens destinés à effectuer une émission ultrasonore d'une séquence de trains d'impulsions décalées dans le-temps et en fréquence et dirigées de façon à traverser le milieu selon une seule

orientation; des moyens qui réagissent à la diffusion de ces impul-

sions en produisant un signal électrique proportionnel au carré de la

fréquence, au volume de l'anomalie et à la différence entre le coef-

ficient de compressibilité de l'anomalie et le coefficient de com-

pressibilité du milieu environnant; des moyens destinés à réorienter le dispositif d'exploration, à répéter l'émission ultrasonore selon plusieurs orientations traversant le milieu, et à obtenir des signaux

électriques correspondant à toutes les orientations; des moyens des-.

tinés à analyser chaque signal et à déduire de chaque signal sa com-

posante représentative de la compressibilité de l'anomalie; des moyens destinés à reconstituer à partir des différents signaux électriques une représentation composite de l'anomalie sur une

échelle de compressibilité relative; et des moyens destinés à affi-

cher cette représentation composite.

Un autre aspect de l'invention porte sur un procédé d'exploration ultrasonore d'un milieu pour y détecter des conditions représentatives d'anomalies et pour en déduire un certain nombre de caractéristiques individuelles représentatives de ces conditions, caractérisé en ce qu'on émet au moyen de transducteurs ultrasonores un premier groupé de trains d'impulsions décalées en fréquence et dans le temps avec une première orientation par rapport au milieu; on reçoit au moyen de transducteurs toutes les ondes diffusées qui sont produites sous l'effet de la propagation de ces trains et on produit un signal de données à partir des ondes reçues; on réoriente les transducteurs de façon à émettre un secondgroupe de trains d'impulsions décalées en fréquence et dans le temps, avec une autre orientation, pour obtenir un autre signal de données; on poursuit cette réorientation et on obtient d'autres signaux de données jusqu'à ce que le milieu soit exploré sur une zone désirée; on applique tous les signaux de données à un modèle d'interaction afin

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d'en déduire des valeurs de données individuelles qui représentent les valeurs totales d'absorption sur des intervalles radiaux; on applique une transformation de convolution à ces valeurs de données pour en déduire des valeurs locales d'absorption par rapport à l'absorption du fond environnant; et on reconstitue les valeurs locales en fonction de leurs orientations de façon à obtenir un modèle représentatif des

conditions représentatives d'anomalies.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description

qui va suivre d'un mode de réalisation donné à titre non limitatif. La

suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels:

La figure 1 est un schéma synoptique général du fonctionnement logique du dispositif de l'invention; la figure 2a est un diagramme représentant le signal émis; la figure 2b est un diagramme représentant le signal diffusé reçu; la figure 2c est un organigramme des étapes de traitement de l'invention; la figure 2d est une représentation schématique en perspective qui montre la géométrie d'exploration qu'emploie l'invention; les figures 3a et 3b sont des représentations géométriques destinées à expliquer la reconstitution mathématique correspondant à l'invention; les figures 4a et 4b représentent des signaux illustrant certaines caractéristiques de réponse; et les figures 5,6 et 7 sont des diagrammes spécifiques qui illustrent la détermination des caractéristiques de phase

et de fréquence des données obtenues.

On se référera maintenant à la figure 1 sur laquelle on voit un dispositif mettant en oeuvre le principe de construction fondamental de l'invention. Un transducteur ultrasonore 10 est monté sur une piste 12 qui est fixée sur un châssis 14 destiné à recevoir un milieu général 16 à explorer. Le montage du transducteur est conçu

de façon à permettre à la fois un mouvement orbital 17 et un mouve-

ment de rotation 18 à l'intérieur d'un milieu homogène 20 comprenant une zone 22 qui doit être explorée. Le mouvement conduit à une exploration selon plusieurs orientations angulaires traversant le milieu. Le transducteur 10 Est branché à un oscillateur 24 engendrant

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une séquence d'impulsions qui sont émises selon chaque orientation

angulaire traversant le milieu, pour détecter une anomalie 25.

La diffusion produite par toute anomalie située dans la zone intéressante est détectée par un transducteur de détection 26, qui peut être le transducteur d'émission lui-même, ou un autre transducteur pré- sentant un écart angulaire par rapport au transducteur d'émission. Un détecteur 28 détermine la phase et l'amplitude de régime établi pour chaque fréquence porteuse dans une impulsion de la séquence reçue

par le transducteur de détection.

Un ordinateur 30 assure l'intégration d'un spectre de mesures de fréquence sur des couches d'égale phase, ainsi que l'application de la procédure de convolution pour déterminer la valeur de l'écart local

des propriétés acoustiques par rapport à une valeur de fond uniforme.

Ces écarts des propriétés sont finalement présentés sous forme d'ima-

ges dans l'unité d'affichage 32.

L'invention fait disparaitre les incertitudes présentes dans

les affichages destinés à un diagnostic ultrasonore par trains d'im-

pulsions, en interrogeant le milieu exploré au moyen d'une séquence d'impulsions relativement longues ayant des fréquences déterminées, au lieu de trains d'impulsions courtes d'une seule fréquence. Le milieu est soumis à la séquence ou train d'impulsions ultrasonores, représenté sur la figure 2a, selon chaque orientation angulaire ou chemin de propagation du transducteur. On donne à l'onde ultrasonore d'interrogation T une longueur d'onde et une durée suffisantes pour couvrir la totalité de la région explorée. A l'intérieur du train,on

fait varier la fréquence porteuse sur une gamme de fréquentes déter-

minée, de f1 à fn La plus faible fréquence utilisable est celle qui est suffisante pour faire propager au moins deux cycles complets dans la région explorée, afin de permettre la mesure de phase et

d'amplitude.

On reçoit et on analyse les signaux réfléchis ou diffusés qui sont produits par chaque impulsion émise. Les signaux diffusés, représentés sur la figure 2b, sont analysés pendant leurs conditions de régime établi à t, afin de déterminer les décalages de phase et d'amplitude par rapport à l'impulsion émise, et ces données sont

employées pour déterminer les écarts des propriétés physiques loca-

les désirées, par rapport à la valeur de fond uniforme.

Après achèvement de l'émission et de l'analyse des signaux

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diffusés d'un train complet, on réoriente le transducteur et on répète

la séquence complète.

Le calcul de l'écart des propriétés physiques locales à par-

tir des variations de phase et d'amplitude sur une gamme de fréquence déterminée est basé sur l'hypothèse de petits écarts de la vitesse locale du son par rapport à une vitesse du son constante, et d'un petit

écart des caractéristiques locales du milieu par rapport aux proprié-

tés d'un milieu homogène.

L'organigramme de la figure 2c montre le processus de détection et d'analyse. Les mesures individuelles d'amplitude P s(w) et

de phase f (w) sont obtenues à partir de la mesure de chaque impul-

sion diffusée, pour toutes les fréquences couvrant la gamme qui va de f1 à f, ce qui est représenté par l'étape 40. Aprés l'émission de chaque signal de fréquence, on analyse le signal diffusé reçu pour

déterminer la variation d'amplitude et le décalage de phase par rap-

port à des valeurs de référence, et on élabore un signal y (r), ce

qui est représenté par la case 42. L'application d'un modèle mathéma-

tique d'interaction, à l'étape correspondant à la case 42, aux données de fréquence et de phase provenant des mesures individuelles, donne le signal y<r) qui représente les propriétés physiques intégrées sur

des couches d'égale phase. L'application d'une convolution tridimen-

sionnelle (case 44) au signal y(r) donne le signal I(Q). qui repré-

sente à chaque point Q les valeurs locales des propriétés physiques par rapport au milieu de fond uniforme. Après l'achèvement des mesures

sur un spectre de fréquence complet, pour chaque position du trans-

ducteur, on réoriente le transducteur à une nouvelle position et on répète la séquence. Les données individuelles représentant une seule orientation sont enregistrées dans une mémoire d'ordinateur (case 46), et lues ultérieurement pour fournir une représentation appropriée (case 48). L'orientation peut consister en une rotation pure, autour d'un plan transversal fixe, donnant une représentation d'une section transversale du milieu 16, ou bien elle peut consister à la fois en un riouvement orbital et un mouvement de rotation, donnant ainsi un

modèle tridimensionnel du milieu exploré.

On notera que les transducteurs 10 peuvent être arrangés sous la forme d'un groupe d'émetteurs fonctionnant séquentiellement,

ayant chacun une fréquence fixe appropriée et des orientations angu-

laires affectées. Ainsi, comme le montre la figure 2d, les trans-

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ducteu'rs d'émission 60 sont placés de façon fixe avec des orientations de angulaires décalées y, le long d'une seule piste 62 entourant le milieu à explorer, autour d'un centre C. Chaque transducteur est un cristal qui oscille à l'une des fréquences f. - fn* La piste 62 entoure l'objet qui est exploré. Chaque cristal est excité successivement par une source d'impulsions 64, pour produire le signal qui est représenté sur la figure 2a. L'ordinateur 30 recueille les données reçues sous l'effet de la diffusion après chaque émission d'un cristal respectif et il affecte les données à une position de mémoire correspondant à

l'orientation angulaire de chaque cristal individuel. L'ensemble com-

plet de cristaux situés le long d'une piste reçoit séquentiellement des impulsions dans une orientation fixe de la piste, puis on fait

tourner la piste 62 d'un incrément angulaire y et on répète l'opéra-

tion complète. De cette manière, on émet finalement pour toutes les orientations angulaires sur le plan transversal P1 des impulsions qui

couvrent la totalité du spectre de fréquence. On peut décaler verti-

calement l'ensemble de la piste pour obtenir un autre ensemble de

mesures, le long d'un second plan transversal P2 parallèle au premier.

Selon une variante, on peut incliner la piste de façon à obtenir un ensemble de données le long d'une famille de plans parallèles au plan P3. Le transducteur de réception 66 peut être placé n'importe o le long de la piste 62, pourvu que sa position par rapport à la piste

demeure constante.

Une analyse mathématique permettra de montrer comment on obtient lès valeurs locales. On considère un transducteur ponctuel situé en T comme il est indiqué sur la figure 3a, qui est utilisé pour émettre et recevoir une onde acoustique dans un milieu uniforme et non dispersif. En l'absence de pertes d'atténuation, une onde de pression d'amplitude constante et de fréquence constante engendrée en

T se propage dans la zone 16 du milieu sous la forme d'une onde sphé-

rique r p = Y e a (1) en désignant par e.: la pulsation, par a la vitesse du son et par r

la distance à partir de T. Y est une constante arbitraire. On suppo-

sera que, comme le montre la figure 3a, il existe à un point Q une ano-

malie de volume & V, dont les dimensions physiques sont faibles par

rapport à la longueur d'onde de l'onde acoustique incidente. On sup-

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pose d'autre part que la longueur d'onde est faible par rapport à la distante r entre Q et T. Si les propriétés acoustiques du milieu dans le volume SV sont différentes de celles du milieu environnant, une

fraction de l'onde acoustique incidente est diffusée par le volume SV.

On suppose que la différence entre les propriétés locales et les propriétés du milieu environnant sont faibles. On suppose également que

le processus d'interaction entre le son et le tissu est linéaire.

L'onde de pression diffusée qui est reçue au point T peut alors s'é-

crire sous la forme: SPs = V '(iw) p. (Q) e i t- 2 (2) r2 en désignant par p une fonction linéaire des différences entre les propriétés physiques locales et environnantes qui contribuent au processus de diffusion et par. (iw) une fonction de la fréquence qui dépend de la section efficace de diffusion de chaque élément du volume 8V. La valeur 4 augmente habituellement assez rapidement

en fonction de la fréquence dans la limite correspondant à des lon-

gueurs d'onde élevées. Les valeurs réelles de i; et p sont

déterminées par une analyse détaillée du processus de diffusion.

L'analyse du processus d'interaction le plus simple peut

être baséesur l'hypothèse d'un milieu uniforme, isotrope, non dis-

persif et sans pertes, dans lequel l'onde acoustique incidente est partiellement diffusée par une sphère dont le rayon est très faible

vis-à-vis de la longueur d'onde minimale du signal acoustique.

L'amplitude de pression complexe P et le vecteur vitesse U d'une onde a; oustique de pulsation w satisfont les équations

2 w2-

v P + - P = O a (3) U= 11e V

U VP

dans lesquelles a et ç désignent respectivement la vitesse du son et la densité du milieu uniforme. On considérera un référentiel sphérique tel que celui représenté sur la figure 3b, dans lequel 6 est l'angle entre la coordonnée radiale 7 et le vecteur t. Une solution de la première équation du système (3), représentant une onde plane qui se propage dans la direction du vecteurln, peut s'écrire sous la forme: Pi A 2n.) in P (cosa) J (;cr) 2 n=O (4) dans laquelle Pn (cos o-) et Jn+ (koF) sont respectivement les fonctions de Legendre et de Bessel de-première espèce, et: k a (5) 0 a a0 étant la vitesse du son dans le Milieu uniforme. Ao est une cons-

tante arbitraire.

On va maintenant considérer un corps sphérique de rayon rs immergé dans le milieu uniforme, avec son centre en O. Le rayon de la sphère remplit la condition: 21ra 2r << (6) w et le milieu qui se trouve à l'intérieur de la sphère est caractérisé par une vitesse du son a et une densité Q légèrement différentes

des valeurs environnantes ao0 et ço.

Dans la limite de l'équation (6), l'interaction de l'onde

incidente et de la sphère se réduit à une compression et une expan-

sion de la sphère avec une symétrie sphérique, et la sphère en oscil-

lation émet dans le milieu environnant une onde sonore sphérique dont l'amplitude de pression complexe est donnée par la relation: Psc H A1 2 (ko) (7) dans laquelle H1/ (2) est la fonction de Hankel et A1 est une 1/2 constante déterminée par les conditions aux limites à la surface de la sphère. Le vecteur vitesse de l'onde diffusée se réduit à la composante radiale Ursc et l'équation (7) permet d'obtenir: p 2iA1 el Sc r: -ik r (8)

U CI 1 (8)

rsc:; + Ok0) r

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La solution à symétrie sphérique de l'équation (3) donne de la'sphère: Pint' A2 J1/2(kr)

en désignant par A2 une seconde constante d'intégration.

la limite de l'équation (6), on obtient à l'intérieur de 2A2 Pint ir et 2A2 i w Ur,int" 2lf-3-2 3Qa à l'intérieur (9) Ainsi, dans la sphère: (10) (11) D'après les équations (10), (11), on a la relation: Ur,int i

r - -3-

Pint -

dans laquelle: c = 2 ça (12) (13)

est le coefficient de compressibilité du milieu qui se trouve à l'in-

térieur de la sphère.

Les conditions aux limites pour r = rs traduisant la conti-

nuité de la pression et de la vitesse à la surface de la sphère donnent le système d'équations: _.i A, +A2 = A (r. A3 + 3 A2 = (14) dans lequel: C0 = Poa0 (15) est le coefficient de compressibilité du milieu environnant. La solution du système d'équations (14) donne la valeur du coefficient A1: A1: -_- (kors)3 (c- - 1) Ao (16) CO

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L'amplitude de pression de l'onde diffusée est ainsi: Ps (kor5)3 Ao(C - 1) e ik (17) PSC -,k,. o (c (17) 0 ko c

la fonction p étant définie par C - 1. En reportant cette ex-

pression dans les équations (1) et (2), on obtient pour la fonction (iw) l'expression: 4lTa 2 (17A) 41oa. L'amplitude Psc est proportionnelle au carré de la fréquence, au

volume de la sphère et à la différence entre le coefficient de compres-

sibilité de la sphère et le coefficient de compressibilité du milieu

O10 environnant.

L'équation 07) et les valeurs résultantes de y et résultent d'un modèle d'interaction dans lequel le terme n = 0 dans

l'équation d'expansion (4) est drminant. Dans ce cas, la seule pro-

priété mécanique du milieu qui est représentée par le coefficient de

compressibilité c est le paramètre reconstitué à partir de l'explora-

tion et de la technique de reconstitution décrite ici. Dans le cas extrême dans lequel la sphère de rayon rs est un corps rigide, un mode dipole d'onde diffusée est excité par le terme n = i de l'équation

d'expansion (4), et ce mode peut être le mode dominant tant que la con-

dition de l'équation (6) est satisfaite. L'amplitude de pression com-

plexe de l'onde sonore diffusée est: sc 1.t 2-- (2) co-c 1 H(/2) (kor) cos o (18) avec une cormposante radiale du vecteur vitesse A x. Z _2_ 3/2 Il,(2) 2 r 1=_ (2) /2-r (k H Or_)Jcoscr (19) U, pa r. A i () /r) 3/2 (kOr) 1/2 R)J (19) La condition aux limites à la surface de la sphère est une valeur zéro de la composante radiale totale du vecteur vitesse, ce qui donne la valeur de A1.1: A11 = - m (kors) 3Ao (20) et à une grande distance de la sphère, l'amplitude de pression de l'onde diffusée est:

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13 ik-

33 eiko pSc (k0rs) A0 k cos C- (21) kO7: <1 L'amplitude Psc est donc à nouveau proportionnelle au carré de la fréquence et au volume de la sphère, et les fonctions p et Mi peuvent être définies de la manière suivante, dans le cas d'un corps rigide pour lequel c = O, -1 3 Lu2 (22) Cu ffi =- 1. (ira) - 1 Z zv (22) Le mode dipôle diffusé par la sphère rigide qui est décrit par l'équation (21) correspond à une oscillation de la sphère autour du point d'équilibre r = O parallèlement à la direction de l'onde incidente. Comme l'indique l'équation (21), l'amplitude de l'onde de pression diffusée est O dans le plan qui passe par le centre de la sphère et qui est perpendiculaire à la direction de propagation

de l'onde incidente.

Dans une situation plus générale d'interaction onde-

tissu, les propriétés visco-élastiques du milieu déterminent le niveau des modes qui sont excités par les termes de l'équation d'expansion (4) à l'intérieur de l'élément de volume 6V. Les propriétés élastiques, définies par le coefficient de compressibilité c envisagé ci-dessus,

peuvent être déterminées séparément à partir de la mesure de la pres-

sion diffusée Psc' et indiquées ou représentées sur la base de carac-

téristiques numériques ou d'autres caractéristiques relatives. On peutdonc déterminer, à partir d'une exploration complète, l'élasticité relative d'un milieu par rapport à son environnement. Cette valeur est importante dans la définition de propriétés physiologiques qui sont

des fonctions de la compressibilité.

Pour formuler l'algorithme qui détermine la valeur locale

de p on va maintenant envisager une distribution d'éléments diffu-

sants dans tout le volume V qui est indiqué sur la figure 3. Dans un référentiel sphérique, avec l'origine en T, la pression diffusée que reçoit le transducteur devient: 2 ei(t r P I(iw) '<(r) e r dr (23) s c és r1 Dans cette équation, r1, r2 sont les distances minimale et maximale

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de points du volume V par rapport à T, et: y(r) = Jf S p d S (24) en désignant par S l'aire de la surface sphérique comprise dans le

volume'V et centrée en T. On peut immédiatement généraliser l'équa-

tion (24) au cas d'une forme arbitraire du signal acoustique émis, ) devenant une fonction de la pulsationw tandis que l'onde de pression reçue qui est diffusée par le volume V devient: Pi (t) X CO dw /2 el (i) (iw)yr) eiw(t-2r) dar 25) r2

On supposera par exemple que le transducteur T produit de façon idé-

lO aie une onde de pression impulsionnelle. L'onde impulsionnelle est représentée par la fonction & définie par: î(t)t/0 = O -oe Dans ce cas, la fonction complexe w(i,) se réduit à: ( i) I (i W) = -2î (26) (27) De plus, si on suppose que le milieu contenu dans le volume V est non dispersif, 1 (iw) se réduit à une constante et l'équation (25) devient: 2(t) =1r2 dr Ps ( t)= b r1 a 2 y(r) 6(:

r1 r-2-

f fr a y (r) Ps (t)= rz at J

r= -y-

-y+(r)+. 2r - '/ eio(t - a)dw Co r r - at) dr 2 d (28) (29) soit: avec

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La valeur instantanée de la pression reçue est proportionnelle à la

valeVr de Y à la distance r = at/2. Ainsi, en mesurant la distribu-

tion temporelle de ps, on obtient la valeur de.l'intégrale de u sur les surfaces sphériques concentriques intérieures au volume V. En pratique, le transducteur ne peut émettre et recevoir que sur une gamme de fréquence finie. Ceci signifie que même dans la situation idéale définie ci-dessus, la mesure de ps(t) ne conduit

pas à la séparation simple de la contribution de chaque couche sphé-

rique d'éléments diffusants, que décrit l'équation (29.

Pour analyser l'effet de la gamme de fréquence finie, on

supposera que le signal émis est de façon idéale une impulsion rectan-

gulaire d'amplitude constante pendant l'intervalle de temps to, comme le montre la figure 2a. V (iw) est alors: V(iw) = 1 sin (T) (30) Si la fréquence émise est comprise entre une valeur minimale w1 et une valeur maximale ouJ2, y(iw) a alors la valeur donnée par l'équation (30), dans l'intervalle de fréquence: cu1 <lwl<w2 (31) et v (i W) est égal à zéro à l'extérieur de cette gamme. La gamme de fréquence limitée donne pour la valeur du signal émis: *sin(w t) eiwt dw 7Tr wr-< ---t Si[.a (t'+ to)] Si[w2 (t' -)] (32) 7rr( 22 2 2 (2 -Si [ to)] + si ( -]to a v e c t= t- r a en désignant par Si unrs-inus intégral. Si la fréquence de coupure inférieure óu1 est très inférieure à w 2, la contribution des deux derniers termes de l'équation (32) est négligeable vis-à-vis des deux premiers termes, pour les valeurs It'l de l'ordre de to. La

figure 4 montre un exemple de l'équation (32) dans le cas particu-

lier o on a w 1 = 0 et 2t o = 2 (34)

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* Si on limite les valeurs dominantes de l'équation (32) à l'intervalle

de temps de l'ordre de to centré sur t' = 0, le comportement asympto-

tique de l'équation (32) pour >v2t'> 1 est-: 2 t0 p (t- --.sin 0)sn(5 p(t) 2rt sin (w2 ()t sin2w2t' (wl"w2) (35) Le signal émis n'est donc pas limité à un intervalle de temps fini et, même dans le cas d'un processus de diffusion non dispersif, chaque élément de volume contribue à la valeur instantanée de l'onde de pression reçue qui est définie par l'équation (25). L'amplitude de cette oscillation asymptotique de p(t) définie par l'équation (35)

O10 est minimisée pour les valeurs de to remplissant la condition sui-

vante: bo2to = 2 h1T (h= 1,2....) (36) L'équation (25) s'écrit sous la forme: r Jf Ps(i) eiwt do:.(r F(r - C) dr (37) s r, avec: J aF(r - at 3 (i@) e1 W d t (38) = t 2r En se basant sur le modèle d'interaction ondetissu qui est établi par l'équation (17), on définit la fonction l de l'équation (24) par: - c 1 (39) c La fonction (i w) de l'équation (38) est alors W2

(i vi) - (40)a -

W (40)

En supposant à nouveau que l'équation (30) définit la

distribution spectrale de l'onde émise, dans l'intervalle de fré-

quence compris entre wu et wu2, la valeur de la fonction F dans l'équation (38) devient: F(r -2') Cà 1 T-L i [OOsw(T d -COSW(T - JdL (41) et dans le cas particulier de L1 = O, F(r - A) se réduit: t t F(r at) - cos, (T) -sinrW (T + j F F(r - -) _M 2a2i(m in 2. 47r aO L W2 (T- + W2(T tti CCrZ.J2( - 4iL 8siLI T(42)

W2( C-1 -2 W27(

La limite asymptotique de F pourw 2'1; >> 1 est t o sin wa2l F(r 9 2 Ei[2S l(t>a 22 T() 2 (43)

La figure 4b montre un tracé de l'équation (42) dans le cas particu-

lier o on a: W2to = 2.

On supposera qu'on mesure l'amplitude et la phase de la quantité complexe Ps(iw) pour chaque valeur de la pulsation dans l'intervalle de l'équation (31). On peut alors calculer la valeur du membre de droite de l'équation (37) pour chaque valeur de

temps t, et la contribution principale à l'intégrale doit nécessaire-

ment se trouver dans l'intervalle radial dans lequel F atteint une valeur dominante. Pour une fonction!E(iw) variant lentement et

avec t (iw) définie par l'équation (30), la contribution princi-

pale à l'intégrale du membre de droite de l'équation (37) est donnée

par la diffusion qui est produite au voisinage de la couche sphéri-

que: r = _at (44) Pour l'équation (37), on obtient un système d'équations qui est valable pour toutes les valeurs de t comprises dans un intervalle de temps suffisamment long, et on peut donc résoudre ce système pour calculer la distribution radiale de 'X(r). On peut calculer en particulier les valeurs moyennes de y sur des intervalles radiaux ro suffisamment petits vis-à-vis de-Ta/2uY, et ceci devient: r2 - r j+w je_+ r_jr) r0 rX F -Y - --)tes P ()ei do> / J (r jr0)2 Js(45) r-r1 > r0

avec -

r =ait_ (46) Fj et le système d'équations (45) écrit pour des intervalles radiaux hF(r h =r (47) r-1 h neut ainsi être résolu pour calculer Connaissant les valeurs de y sur des couches d'égale phase, on utlise une technique de convolution pour calculer les valeurs de

ya partir des valeurs des intégrales de surface Y qui ont été obte-

Io nues par la résolution du système d'équations (45). On supposera tout d'abord que la distance du transducteur T à partir de chaque point du volume V est suffisamment grande pour qu'on puisse négliger la

courbure de S dans l'intervalle d'échantillonnage radial rO. On sup-

pose ainsi qu'on connaît les valeurs de y sur des surfaces planes limitées à l'intérieur du volume V. On supposera également que les mesures d'amplitude et de phase de P S(iw) (équation (45)) sont accomplies pour toutes les positions possibles du transducteur T sur une moitié d'une surface sphérique centrée en O et comprise dans le volume V. Ainsi, à chaque point du volume V, on connaît les valeurs de y pour toutes les orientations possibles des surfaces S passant par lé même point. On choisit un référentiel rectangulaire x,y,z avec l'origine en O et on désigne par n un vecteur perpendiculaire à une surface S. La position de S est identifiée en coordonnées sphériques par sa distance D à partir de 0, par l'angle V entre n et l'axe z et par l'angle X entre la projection de n sur le

plan x,y, et l'axe x, comme le montre la figure 5.

On va reconstituer la valeur de s à un point Q de coor-

données sphériques r, a; e, comme l'indique la figure 6. On con-

sidère le plan qui contient le point Q et l'axe z, et on désigne

2476319.

par C un cercle contenu dans ce plan dont le diamètre est r et qui passe par Q et par l'origine 0 du système de coordonnées. La valeur de p à Q est donnée par l'équation: 'r p1 (r,,a) r- 4 g[rj cos(p-O)I,4]di (48) dans laquelle: rIJcos(P-) J, (49) sont les coordonnées polaires du point Q sur le cercle C, comme le montre la figure 6 et +oe g[rJco$(< -O)!, i:] = rjk[rjcos(i-t)J+jro,1] (50) en désignant par k l'intégrale: +X k a p (51) calculée au point: r [cos(t- 9) 1 + iro, >,L (52) le long de la ligne droite t qui appartient au plan du cercle C et qui est perpendiculaire à la ligne OQ1. Les multiplicateurs de convolution j dans l'équation (50) sont définis par: ro 2Mo

F 1 M

r.: -b-Ci (Ml -'o) r (M -M 02 r-, 3 2 12 o :....

Tj =]j T_ j =e [iaj Mo J3,o -<j-i)o_,2rj -r. -

01.r J

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alec: M= - = e '# (54)

et les-paramètres gh,k sont définis par':-

O,,k: 2 _ 2 (55) 9hk = I (h+k)2 -- \(_ h+k-1)2 - h (55) > étant un paramètre arbitraire qui définit fondamentalement le nombre d'intervalles d'échantillonnage ro sur lequel s'effectue le

calcul de la valeur moyenne de p dans la reconstitution de l'image.

La figure 6 montre un cercle C1 de diamètre r cos(y-9) qui passe par O et Q1 et qui appartient à un plan perpendiculaire au plan du cercle C. Lorsque Q1 se déplace sur C dans l'intégrale de l'équation (48), le cercle C1 décrit une sphère de diamètre r qui passe par O et Q. On peut obtenir les valeurs de k figurant dans l'équation (51) à partir des valeurs de Y calculées sur les surfaces S qui sont perpendiculaires au plan du cercle C1. On désigne par 0 l'angle entre OQ et le vecteur n perpendiculaire à S. La famille de plans perpendiculaires à n est définie par la distance d de ces plans par rapport à 0: d = [r Icos(Y-G)l + iro] coso+ jro; (56) l'angle V entre n et l'axe z, comme il est indiqué sur la figure 7,

et l'angle X entre la projection de n sur le plan z = O et l'axe x.

Les angles V et 'X sont donnés par: cos V = cos p sint sin 0 S"" _ fi = sn, (57) VI1 - cos7o sin-Ft La valeur de l'intégrale de l'équation (1) à un point dont les coordonnées sont définies par l'expression (52) est donnée par: k- 1 9' it[r cos('-9)l + iro] cos,)' ad (58) avec: g9' [trcos (-O)J+irO] co0,,i V,X = I rj. < Icos(i-y)| +iro]cos>,I+ jro,v, (59)

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L'équation qui donne p à partir de la valeur de) est: 167. r sj ij (60) Y Qrîcos(c-9) I+iro]cos+ jro,V,Xj

avec -

iqj =1 j (61) On peut réécrire l'énuation (60) sous la forme: ) 7rE r -, tta) - 1, 2d U, drl i, jj ij [rcose + rO (j+i cos),vx] (62) avec cosf, = cos P cos(?-9) (63)

étant l'angle entre n et OQ.

L'équation (62) représente l'algorithme qui est utilisé pour reconstituer les valeurs de p. Les valeurs individuelles de p

qui sont ainsi obtenues sont affectées dans la mémoire de l'ordina-

teur à des positions de mémoire spécifiques correspondant à cette orientation, et on peut les lire en mémoire conformément à leur orientation, pour afficher une représentation composite des valeurs de p conformément aux techniques classiques de reconstitution par

ordinateur en tomographie par ultrasons.

La gamme de fréquence couverte par le train d'impulsions

détermine la résolution spatiale des anomalies qui sont explorées.

Dans le contexte de l'invention, on désigne par homogénéité une uni-

formité suffisante pour éviter que tout front d'onde qui se propage soit perturbé au-delà de la résolution spatiale du système. A titre d'exemple pratique, la gamme de fréquence allant de 0,01 MHz à 1,0 MHz, par pas de 0,01 MHz, peut être utilisée dans un système capable de fonctionner effectivement. Si on suppose que w2to = 2, comme sur la figure 4b, une fréquence maximale de 1 MHz permettrait

d'obtenir une résolution spatiale de l'ordre de 1 mm.

Du fait que la fréquence minimale est de 10 kHz et que la période d'un signal à 10 kHz est de 100 ps et du fait qu'il est souhaitable de disposer d'au moins deux cycles pour obtenir une

information significative, une longueur d'impulsion minimale d'envi-

ron 300 jus à la plus basse fréquence serait suffisante. Une sépa-

ration entre impulsions d'une autre durée approximative de 600 jus, laissant le temps pour les réflexions produites par diffusion, fixe la longueur d'exploration totale pour chaque train d'impulsions. Au fur et à mesure que l'ordinateur accumule les données, une position spécifique correspondant à une orientation particulière est affectée

à chaque catégorie de données. On peut également affecter aux don-

nées une valeur dans une échelle de gris et enregistrer en mémoire avec des indicateurs d'ordinateur appropriés toutes les valeurs

d'échelle de gris qui correspondent à une orientation particulière.

Au moment de l'affichage, la reconstitution s'effectue en fonction des données lues, affectées d'indicateurs, qui correspondent à une orientation particulière. On reconstitue l'orientation d'une manière connue pour présenter une section plane qui peut être définie au moyen d'un seul réseau, dans un plan commun avec des orientations multiples.

La technique précédente offre certains avantages parti-

culiers qui ne ressortent pas de façon évidente des techniques de l'art antérieur. L'utilisation de plusieurs émissions sur une seule

orientation permet d'employer le traitement des données pour élimi-

ner les anomalies qui n'apparaissent pas le long de lignes d'orien-

tation similaire. Ainsi, une anomalie résultant d'interférences

acoustiques sur une seule fréquence émise parmi la série de fré-

quences émises peut par exemple apparaître le long du chemin de signal réfléchi à 15 kHz, cette anomalie n'apparaissant pas pour des émissions suivantes de fréquence différente. le long du même chemin commun. Le logiciel peut alors être conçu de façon à ignorer cette

anomalie particulière. De ce fait, la seule anomalie qui sera re-

constituée est celle qui réapparaît et sur toute la gamme de fréquences, pour une seule orientation. En trains d'émission à plusieurs fréquences correspondant à des impulsions d'une durée relativement longue, les anomalies normalement présentes qui résultent d'interférences entre fronts d'ondes acoustiques dans les

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systèmes de l'art antérieur n'apparaissent pas dans la représentation

obtenue par l'invention.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir.du cadre de l'invention.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'exploration ultrasonore destiné à explorer un milieu pour y détecter des anomalies diffusant les ondes acoustiques,

caractérisé en ce qu'il comprend. des moyens(io)transducteurs ultra-

sonores positionnés dans la plage d'exploration du milieu; des moyens d'émission ultrasonores couplés aux moyens transducteurs de façon à

produire un train de signaux porteurs ultrasonores sous forme d'impul-

sions, chaque signal porteur sous forme d'impulsions de ce train ayant une fréquence constante et particulière, le train de signaux porteurs

sous forme d'impulsions, pris ensemble, couvrant une gamme de fréquen-

ces et les moyens transducteurs étant orientés de façon à diriger ce train selon un chemin de propagation traversant le milieu; des moyens qui repositionnent de façon répétitive les moyens transducteurs afin

de diriger d'autres trains selon plusieurs chemins de propagation dif-

férents traversant le milieu, les différents chemins de propagation définissant conjointement une section plane; des moyens qui sont couplés aux moyens transducteurs et qui réagissent à la phase et à l'amplitude de régime établi du signal reçu de manière à définir la caractéristique de diffusion totale dans cette section plane; des moyeYadâestinés à calculer à partir de cette caractéristique plusieurs caractéristiques ponctuelles de la propriété acoustique correspondant à la caractéristique de diffusion; et des moyens destinés à comparer

les unes aux autres chacune des caractéristiques ponctuelles pour.

détecter lesdites anomalies.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens transducteurs comprennent un transducteur d'émission

<26)écarté radialement d'un transducteur de réception.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2

caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'affichage, des moyens qui affectent des valeurs d'échelle de gris à chacune des caractéristiques ponctuelles, et des moyens qui représentent les valeurs d'échelle de gris sur les moyens d'affichage pour fournir

une indication visuelle desdites anomalies.

4. Dispositif d'exploration ultrasonore destiné à explorer un milieu pour y détecter des anomalies et à fournir une caractéristique représentative de la compressibilité relative de cette anomalie,

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caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens destinés à effectuer une émission ultrasonore d'une séquence de trains d'impulsions décalées dans le temps et en fréquence et dirigées de façon à traverser le milieu selon une seule orientation; des moyens qui réagissent à la

diffusion de ces impulsions en produisant un signal électrique pro-

portionnel au carré de la fréquence, au volume de l'anomalie et à la différence entre le coefficient de compressibilité de l'anomalie et le coefficient de compressibilité du milieu environnant; des moyens

destinés à réorienter le dispositif d'exploration, à répéter l'émis-

sion ultrasonore selon plusieurs orientations traversant le milieu, et

à obtenir des signaux électriques correspondant à toutes les orienta-

tions; des moyens destinés à analyser chaque signal et à déduire de chaque signal sa composante représentative de la compressibilité de

l'anomalie; des moyens destinés à reconstituer à partir des diffé-

rents signaux électriques une représentation composite de l'anomalie sur une échelle de compressibilité relative; et des moyens destinés

à afficher cette représentation composite.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que

les moyens d'émission ultrasonores comprennent un transducteur d'émis-

sion qui est écarté radialement d'un transducteur de réception, et

'ce transducteur de réception comprend les moyens qui réagissent à la-

dite diffusion.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5,

caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'affichage, des

moyens qui affectent des valeurs d'échelle de gris à des caractéristi-

ques ponctuelles, et des moyens qui représentent ces valeurs d'échelle de gris sur les moyens d'affichage pour fournir une indication

visuelle desdites anomalies.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6,

caractérisé en ce que ladite séquence comprend, pour chaque orienta-

tion, plusieurs impulsions de fréquence qui sont décalées dans le temps, chacune de ces impulsions ayant une fréquence constante sur au moins deux cycles et chacune des impulsions ayant une fréquence décalée par rapport à celle de l'impulsion immédiatement précédente

comme par rapport à celle de l'impulsion immédiatement suivante.

8. Procédé d'exploration ultrasonore d'un milieu pour y détecter des conditions représentatives d'anomalies et pour en déduire un certain nombre de caractéristiques individuelles représentatives

de ces conditions, caractérisé en ce qu'on émet au moyen de trans-

ducteurs ultrasonores un premier groupe de trains d'impulsions déca-

lées en fréquence et dans le temps avec une première orientation par rapport au milieu; on reçoit au moyen de transducteurs toutes les ondes diffusées qui sont produites sous l'effet de la propagation de ces trains et on produit un signal de données à partir des ondes reçues; on réoriente les transducteurs de façon à émettre un second groupe de trains d'impulsions décalées en fréquence et dans le temps, avec une autre orientation, pour obtenir un autre signal de données; on poursuit cette réorientation et on obtient d'autres signaux de données jusqu'à ce que le milieu soit exploré sur une zone désirée; on applique tous les signaux de données à un modèle d'interaction afin d'en déduire des valeurs de données individuelles qui représentent les valeurs totales d'absorption sur des intervalles radiaux; on applique une transformation de convolution à ces valeurs de données pour en déduire des valeurs locales d'absorption par rapport à l'absorption du fond environnant; et on reconstitue les valeurs locales en fonction de leurs orientations de façon à obtenir un modèle représentatif des

conditions représentatives d'anomalies.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la reconstitution comprend en outre l'opération consistant à affecter des valeurs d'échelle de gris à chacune des valeurs locales obtenues et à afficher ces valeurs d'échelle de gris conformément au modèle

représentatif.