FR2634089A1 - Ultrasound transducer with improved sensitivity - Google Patents
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Abstract
Description
"TRANSDUCTEUR ULTRASONORE A SENSIBILITE AMELIOREE". "ULTRASONIC TRANSDUCER WITH IMPROVED SENSITIVITY".
La présente invention concerne un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique acoustiquejent adaptee à ladite semelle d'amortissement, et destinée au loins à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant de propagation
L'invention trouve une première application dans le domaine général de l'examen de milieux par échographie ultra sonores et, plus spécialement, dans celui de l'échographie mé- dicale des tissus biologiques. Elle trouve également une autre applicàtion avantageuse dans le domaine de la destruction de concrétions à l'intérieur d'organes (reins, vésicule biliaire), appelée aussi lithotritie.The present invention relates to an ultrasonic transducer comprising a damping soleplate to which an acoustic piezoelectric structure adapted to said damping sole is contiguous, and intended for the purpose of transmitting an ultrasonic beam towards a medium before propagation.
The invention finds a first application in the general field of ultrasonic ultrasound examination of ultrasound media and, more particularly, in the field of medical ultrasound of biological tissues. It also finds another advantageous application in the field of the destruction of concretions inside organs (kidneys, gallbladder), also called lithotripsy.
Dans le domaine de l'échographie, un problème technique qui se pose à tout transducteur ultrasonore est, en émission coolie en réception, de fournir un signal acoustique de faible durée, ceci afin d'obtenir un grand pouvoir de résolution en profondeur. D'où la nécessité de réaliser un trans acteur large bande Pour cela, il est indispensable de limiter le plus possible les réflexions sur la semelle d'amortis serment des ondes acoustiques se propageant vers l'arrière du transducteur.Dans le domaine de la lithotritie, le problème technique est également d'éviter la réflexion sur la se elle d'amortissaient d'ne partie de l'énergie produite, car l'iv- pulsion de dépression résultante peut provoquer, par cavitation, des hé'orragies- ou la destruction des tissus situés autour de la concrétion à détruire. In the field of ultrasound, a technical problem that arises for any ultrasound transducer is, in coolie emission in reception, to provide an acoustic signal of short duration, this in order to obtain a great power of resolution in depth. Hence the need to realize a broadband trans actor For this, it is essential to limit as much as possible the reflections on the outsole of damped oaths acoustic waves propagating towards the back of the transducer. In the field of lithotripsy the technical problem is also to avoid the reflection on whether it absorbs part of the energy produced, because the resulting depression induc- tion can cause, by cavitation, haemorrhages - or the destruction of the tissues around the concretion to be destroyed.
Une solution à ce problème technique général est donnée par la demande de brevet français ne 2 567 394 qui décrit un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique, constituée par une couche de céramique piézoélectrique. De façon à adapter acoustiquement la se elle d'abord tissement à la céramique piézoélectrique, et donc d'éliminer les réflexions sur ladite semelle, celle-ci est réalisée en alliage de cuivre, laiton ou bronze, qui présente une impédan- ce acoustique voisine de celle du matériau piézoélectrique utilisé (environ 30 MRayl). A solution to this general technical problem is given by French Patent Application No. 2,567,394, which describes an ultrasonic transducer comprising a damping soleplate to which a piezoelectric structure consisting of a piezoelectric ceramic layer is joined. In order to adapt acoustically first to the piezoelectric ceramic, and thus to eliminate reflections on said sole, it is made of copper, brass or bronze alloy, which has a similar acoustic impedance of that of the piezoelectric material used (approximately 30 MRayl).
Le transducteur ultrasonore connu de l'état de la technique, composé d'une semelle d'amortissement métallique et d'une couche piézoélectrique acoustiquement adaptées, présente toutefois plusieurs inconvénients. D'abord, du fait même de son amortissement, il offre une faible sensibilité puisqu'une grande partie de l'énergie acoustique produite par la couche piézoélectrique est absorbée dans la semelle d'amortissement. The ultrasonic transducer known from the state of the art, consisting of an acoustically damping metal pad and an acoustically adapted piezoelectric layer, however, has several disadvantages. First, because of its damping, it offers a low sensitivity since a large part of the acoustic energy produced by the piezoelectric layer is absorbed in the damping base.
Les performances d'un transducteur ultrasonore résultent donc généralement d'un compromis entre brièveté de l'onde et rendement énergétique. En échographie, ltexploitation du signal issu d'un transducteur ainsi amorti nécessite l'emploi d'une électronique assez lourde en raison du faible rapport signaltbruit obtenu. D'autre part, l'utilisation d'un matériau métallique à base de cuivre pour réaliser la semelle d'anortissement conduit à un transducteur beaucoup plus lourd qu'un transducteur comportant une semelle d'amortissement en résine epoxy par exemple.The performance of an ultrasonic transducer therefore generally results from a compromise between short wave and energy efficiency. In ultrasound, the use of the signal from a transducer thus damped requires the use of a fairly heavy electronics due to the low signal-to-noise ratio obtained. On the other hand, the use of a copper-based metallic material to produce the mooring sole leads to a much heavier transducer than a transducer having a damping base of epoxy resin for example.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un transducteur ultrasonore comprenant une semelle d'amortissement à laquelle est accolée une structure piézoélectrique acoustiquelent adaptée à ladite semelle d'amortissement, et destinée au moins à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant de propagation, transducteur ultrasonore qui présenterait une structure plus légère et une sensibilité améliorée sans que préjudice ne soit porté à ses qualités d'amortissement
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite structure piézo
électrique est composée d'au moins deux couches piézoélectri
ques empilées, de même épaisseur e, réalisées en un même
matériau piézoélectrique composite, et dont les impédances
acoustiques sont égales à l'impédance acoustique de la semelle
d'amortissement, et en ce que ledit transducteur ultrasonore
dispose de moyens d'émission fournissant un retard I=e/v entre
les excitati i"s deux couches piézoélectriques consécutives,
v désignant la vitesse de, propagation des ondes longitudinales
du matériau piézoélectrique composite. Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer comprising a damping soleplate to which is attached a piezoelectric structure acoustiquelent adapted to said damping sole, and intended at least for the emission of an ultrasonic beam towards a medium before propagation, ultrasonic transducer which would have a lighter structure and an improved sensitivity without prejudice being brought to its damping qualities
The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said piezo structure
electrical is composed of at least two piezoelectric layers
stacked, of the same thickness, made in the same
composite piezoelectric material, and whose impedances
acoustic are equal to the acoustic impedance of the sole
damping, and in that said ultrasonic transducer
has means of emission providing a delay I = e / v between
the excitati i "s two consecutive piezoelectric layers,
v denoting the velocity of, propagation of longitudinal waves
composite piezoelectric material.
Ainsi, à l'émission, les couches piézoélectriques
sont excitées l'une après l'autre en commençant par la couche
la plus éloignée de la face avant du transducteur avec, pour
chaque couche piézoélectrique, une loi de retard 5 à l'excita
tion qui tient compte du chemin parcouru par l'onde acoustique
engendrée par la couche qui la précède. De cette manière, le
signal de force émis par une couche est remis en phase avec
les précédents, de sorte qu',au niveau de la face avant du
transducteur, la force de pression émise est la résultante des
forces engendrées par chaque couche piézoélectrique.On
obtient donc, en sortie, un signal ultrasonore amorti, large
bande, dont l'amplitude est multipliée par un facteur égal au
nombre de couches piézoélectriques utilisées dans la structu
re. Par ailleurs, la semelle d'amortissement, constituée par
tin matériau prEsentatt la la même impédance acoustique que la première couche piézoélectrique qui y est directement accolée, permet d'éviter qu'un r,éu d'ondes stationnaires ne se déve
loppe à l'intér,ieu'r;'de Cette couche par réflexions multiples aux interfaces. Comme la première couche piézoélectrique joue également le relue de semelle d'amortissement pour la première ~couche, le fait de prendre pour cette dernière un matériau identique conduit' a ttre la deuxième couche piézoélectrique dans les ;ée'es conditions acoustiques que la première. Le,même raisonnement s'étend de façon itérative quand on passe, éventuellement, de. la deuxième à une troisième couche, puis aux suivantes.Thus, on emission, the piezoelectric layers
are excited one after the other starting with the diaper
the farthest from the front of the transducer with, for
each piezoelectric layer, a delay law 5 excitedly
which takes into account the path traveled by the acoustic wave
generated by the layer that precedes it. In this way, the
force signal emitted by a layer is brought into phase with
precedents, so that at the front of the
transducer, the pressure force emitted is the resultant of the
forces generated by each piezoelectric layer.
therefore, at the output, a damped ultrasound signal, wide
band, the amplitude of which is multiplied by a factor equal to
number of piezoelectric layers used in the structure
re. In addition, the damping base, consisting of
a material exhibits the same acoustic impedance as the first piezoelectric layer directly attached to it, which prevents a wave of stationary waves from developing.
loppe at the inter, ieu'r;'This layer by multiple reflections at the interfaces. Since the first piezoelectric layer also plays the damping base layer for the first layer, the fact of taking for it an identical material leads to the second piezoelectric layer in the same acoustic conditions as the first one. The same reasoning extends iteratively when one passes, eventually, from. the second to a third layer, then to the following ones.
Il convient donc de souligner qu'à l'effet coopératif des couches piézoélectriques dans la production d'un signal ultrasonore plus intense, l'invention associe de façon synergique un effet coopératif d'adaptation d'impédance assurant un amortissement idéal. It should therefore be emphasized that, in view of the cooperative effect of the piezoelectric layers in the production of a more intense ultrasonic signal, the invention synergistically combines a cooperative impedance matching effect providing ideal damping.
D'autre part, l'utilisation1 pour réaliser les couches piézoélectriques, d'un matériau composite dont l'impédan- ce acoustique est de l'ordre de 9 MRayl permet d'envisager de constituer la semelle d'amortissement dans une résine epoxy chargée dont l'impédance acoustique peut atteindre facilement 9 MRayl. Ceci avec l'avantage que le transducteur ultrasonore ainsi obtenu est beaucoup plus léger que celui décrit dans l'état de la technique mentionné ci-dessus mettant en oeuvre du cuivre. Il faut également signaler que la taille et le poids du transducteur ultrasonore selon l'invention peuvent encore être réduits en relation avec les dispositions conduisant, pour une même surface, à une augmentation de sensibilité en émission, ce qui est très appréciable dans le domaine de la lithotrithie, notamment, compte-tenu de l'encombrement des systèmes actuels. On the other hand, the use1 for producing the piezoelectric layers of a composite material whose acoustic impedance is of the order of 9 mMayl makes it possible to envisage forming the damping base in a charged epoxy resin. whose acoustic impedance can easily reach 9 MRayl. This with the advantage that the ultrasonic transducer thus obtained is much lighter than that described in the state of the art mentioned above using copper. It should also be pointed out that the size and the weight of the ultrasonic transducer according to the invention can be further reduced in relation to the arrangements leading, for the same surface area, to an increase in transmission sensitivity, which is very appreciable in the field of lithotrithy, especially, given the congestion of current systems.
Les matériaux composites présentent bien d'autres avantages par rapport aux céramiques piézoélectriques classiques. D'abord, les composites offrent une bien meilleure adaptation acoustique avec le corps humain dont l'impédance est de l'ordre de 1,5 HRayl. D'autre part, leur constante diélectrique étant plus faible, les composites ont une impédance électrique plus élevée que les céramiques. Ils ont, de plus, un meilleur coefficient de couplage piézoélectrique et donc un meilleur rendement énergétique. Enfin, mécaniquement plus souples, les composites peuvent amortir plus facilement les déformations transversales particulièrement indésirables dans le cas des transducteurs ultrasonores dédiés à la lithotritie. Composite materials have many other advantages over conventional piezoelectric ceramics. First, the composites offer a much better acoustic adaptation with the human body whose impedance is of the order of 1.5 HRayl. On the other hand, their dielectric constant being lower, composites have a higher electrical impedance than ceramics. They have, moreover, a better coefficient of piezoelectric coupling and thus a better energetic efficiency. Finally, mechanically more flexible, composites can more easily dampen transversal deformations particularly undesirable in the case of ultrasonic transducers dedicated to lithotripsy.
Lorsque le transducteur ultrasonore doit être utilisé en échographie, il est prévu que ladite structure est également destinée à latréception des signaux échographiques renvoyés vers le transducteur, et que celui-ci dispose de moyens de réception fournissant un retard 6=e/v entre les détections des signaux reçus par deux couches piézoélectriques consécutives. De cette façon, l'effet coopératif qui se produit en émission se produit aussi à la réception, le signal de réception résultant étant égal à la somme des signaux individuels reFus par chacune des couches piézoélectriques. When the ultrasonic transducer is to be used ultrasound, it is expected that said structure is also intended for the reception of ultrasound signals returned to the transducer, and that it has receiving means providing a delay 6 = e / v between the detections signals received by two consecutive piezoelectric layers. In this way, the cooperative effect that occurs in transmission also occurs on reception, the resulting reception signal being equal to the sum of the individual signals reFus by each of the piezoelectric layers.
Enfin dans le cas où l'impédance acoustique des matériaux composite utilisés est très différente de celle du milieu d'exploration, on envisage que la dernière couche pié zoéîectrique de ladite structure comporte une couche d'adaptation quart d'onde avec le milieu avant de propagation. Finally, in the case where the acoustic impedance of the composite materials used is very different from that of the scanning medium, it is envisaged that the last piezoelectric layer of said structure comprises a quarter-wave adaptation layer with the medium beforehand. spread.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée
La figure 1 est Un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention, plus spécialement destiné à l'échographie.The following description, with reference to the accompanying drawings given by way of non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be achieved.
Figure 1 is a diagram of a first embodiment of the invention, especially for ultrasound.
La figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, approprié à une utilisation en lithotrithie. Fig. 2 is a diagram of a second embodiment of the invention suitable for use in lithotrithy.
La figure t montre un transducteur ultrasonore 10 pour application échographique, comprenant une semelle 20 d'amortissement en résine époxy chargée de poudre de tungstène, de minime, etc. . présentant une impédance acoustique ZB de l'ordre de 9 MRayl. Sur la semelle 20 est accolée une structure piézoélectrique 30 composée, dans l'exemple de la figure i, de deux couches piézoélectriques 301, 302 empilées, de même épaisseur et réalisées dans un même matériau composi- te.Ce nouveau type de matériau est constitué, de façon connue, d'une céramique piézoélectrique 31 en zirconate-tita- nate de plomb (P; T > ou en métaniobate de plomb par exenple, dans laquelle st inséré un polymère piézoélectrique 32 comme du difluorure de polyvinylidème. Le matériau composite ainsi obtenu a l'avantage, entre autres, que les couches piézoélectriques 301, 302 offrent une impédance acoustique Z1,
Z2 également de l'ordre de 9 MRayl, ce qui confère une adaptation acoustique très satisfaisante des couches avec la semelle 20 d'amortissement.Fig. 1 shows an ultrasound transducer 10 for ultrasound application, comprising an epoxy resin damping pad 20 loaded with tungsten powder, of minimal, etc. . having an acoustic impedance ZB of the order of 9 MRayl. On the flange 20 is joined a piezoelectric structure 30 composed, in the example of Figure i, two piezoelectric layers 301, 302 stacked, the same thickness and made of the same composite material.This new type of material is constituted in a known manner, a piezoelectric ceramic 31 of lead zirconate-titanate (P; T) or of lead metanob formerly, in which st is inserted a piezoelectric polymer 32 such as polyvinylidemide difluoride. obtained to the advantage, inter alia, that the piezoelectric layers 301, 302 provide an acoustic impedance Z1,
Z2 also of the order of 9 MRayl, which confers a very satisfactory acoustic adaptation of the layers with the sole 20 damping.
Le transducteur ultrasonore 10 est destiné, en particulier, à l'émission d'un faisceau ultrasonore vers un milieu avant 70 de propagation. A cet effet, il dispose d'un étage d'émission 401 comprenant, de façon classique, un séquenceur composé d'un oscillateur et d'un diviseur de fréquence qui commande à la fréquence de récurrence de 5kHz un générateur dont les signaux électriques d'excitation sont envoyés, d'une part, vers la couche piézoélectrique 301t et, d'autre part, vers la couche piézoélectrique 302 via une ligne à retard 402 qui fournit un retard 6=e/v entre les excitations de la couche 302 et de la couche 301, v étant la vitesse de propagation des ondes longitudinales du matériau piézoélectrique composite.Ainsi, du fait du déphasage 6, la force acoustique résultante en sortie est le double de la force acoustique produite par chacune des couches piézoélectriques, d'où un gain de 6dB. Les contacts électriques entre les couches piézoélectriques 301, 302 (mise à la masse), entre les couches et la semelle 20 d'amortissement et une éventuelle couche 60 d'adaptation d'impédance acoustique avec le milieu avant 70 de propagation, sont réalisées par des électrodes en pâte d'argent et epoxy, par exemple. The ultrasonic transducer 10 is intended, in particular, for the emission of an ultrasonic beam to a medium before 70 of propagation. For this purpose, it has a transmission stage 401 comprising, in a conventional manner, a sequencer composed of an oscillator and a frequency divider which controls at the frequency of recurrence of 5 kHz a generator whose electrical signals d excitation are sent, on the one hand, to the piezoelectric layer 301t and, on the other hand, to the piezoelectric layer 302 via a delay line 402 which provides a delay 6 = e / v between the excitations of the layer 302 and of the layer 301, v being the speed of propagation of the longitudinal waves of the composite piezoelectric material. Thus, because of the phase shift 6, the resulting acoustic force at the output is twice the acoustic force produced by each of the piezoelectric layers, whence a gain of 6dB. The electrical contacts between the piezoelectric layers 301, 302 (grounding), between the layers and the damping base 20 and a possible acoustic impedance matching layer 60 with the propagation medium before 70 are carried out by silver and epoxy paste electrodes, for example.
En échographie, la structure piézoélectrique 30 est également destinée à la réception des signaux échographiques renvoyés vers le transducteur 10. De façon à reproduire, en réception, l'effet avantageusement cumulatif obtenu en émis,- sion, le transducteur ultrasonore 10 dispose, ainsi que l'indique la figure 1, d'une ligne à retard 5 2 fournissant un retard 6=e/v entre les signaux échographiques produits par les couches 301, 302, d'un additionneur 51 faisant la somme des signaux ainsi mis en phase, et d'un étage 501 de réception et de traitement comprenant un amplificateur haute-fréquence incluant la compensation du gain en fonction de la profondeur, un amplificateur de compression logarithmique, un dispositif de mémorisation et de conversion de balayage et un dispositif de visualisatiofl t > ans le cas d'une structure 30 à deux couches piézoelectriques, le gain obtenu en émission et en réception est de 12dB. In echography, the piezoelectric structure 30 is also intended to receive the echographic signals returned to the transducer 10. In order to reproduce, on reception, the advantageously cumulative effect obtained in transmission, the ultrasonic transducer 10 has, as well as 1, a delay line 2 providing a delay 6 = e / v between the ultrasound signals produced by the layers 301, 302, of an adder 51 making the sum of the signals thus put in phase, and a receiving and processing stage 501 comprising a high frequency amplifier including gain compensation as a function of depth, a logarithmic compression amplifier, a storage and scan conversion device, and a display device. in the case of a structure with two piezoelectric layers, the gain obtained in transmission and in reception is 12 dB.
La figure 2 montre un transducteur ultrasonore 10 plus spécialement destiné à la lithotritie, en ce sens que la semelle 22 d'amortissei-ent présente une face 21 d'accolement de forme sphérique, de centre 0, point de focalisation de l'énergie ultrasonore issue du transducteur. Les couches piézoélectriques 30t, 30z sont reliées, coince sur la figure 11 à des moyens d'émission' 401, 402 non représentés. Le transducteur de la figure 2 offre l'avantage particulier que, du fait de l'élasticité du polymère piézoélectrique 32 composant les couches piézoélectriques, les déformations mécaniques, diri gées sensiblement vers l'axe de la sphère, et susceptibles de provoquer un décollement des couches de la face 21 d'accolement, sont bienabsorbes, ce qui n'est pas le cas lorsque les couches sont réalisées en céramique pure, beaucoup plus rigi FIG. 2 shows an ultrasonic transducer 10 more especially intended for lithotripsy, in the sense that the cushioning sole 22 has a spherical-shaped spherical face 21 of center 0, the point of focus of the ultrasonic energy. from the transducer. The piezoelectric layers 30t, 30z are connected, wedged in FIG. 11 to transmission means 401, 402, not shown. The transducer of FIG. 2 offers the particular advantage that, due to the elasticity of the piezoelectric polymer 32 constituting the piezoelectric layers, the mechanical deformations, directed substantially towards the axis of the sphere, and capable of causing a detachment of the layers of the face 21 of consolation, are wellabsorbes, which is not the case when the layers are made of pure ceramic, much more rigorous
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2634089B1 (en) | 1990-10-05 |
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