FR2848674A1 - Dispositif de production de retards pour appareil de synthese de faisceaux - Google Patents

Abstract

Le procédé de l'invention consiste à mémoriser dans trois tables (5, 6, 7), pour chacun des éléments transducteurs d'une sonde d'échographie, des valeurs d'inverses de temps de réception (1/t -τ∞), des valeurs de décalage (τ∞) et des index correspondants (ND), et des valeurs (Δ2) qui sont fonction du carré de la distance de l'élément K considéré à l'élément central de référence, et on calcule le retard τK(t) à appliquer à l'instant t à cet élément selon la formule :

Description

2 2 TK (t) = '- AI X t -T

DISPOSITIF DE PRODUCTION DE RETARDS POUR APPAREIL DE SYNTHESE DE FAISCEAUX

La présente invention se rapporte à un dispositif de production de retards pour appareil de synthèse de faisceaux.

Dans les appareils numériques d'échographie, la sonde acoustique comporte un réseau de transducteurs piézoélectriques qui, en 5 phase d'émission, reçoivent des impulsions électriques et émettent des faisceaux ultrasonores qu'ils focalisent à une distance plus ou moins importante et selon un angle d'incidence variable en fonction des déphasages ou retards des tensions appliquées aux différents éléments transducteurs. En phase de réception, les échos acoustiques dus à la 10 réflexion de chaque faisceau incident dans le corps à explorer sont captés par la sonde, convertis en signaux électriques et traités pour former une image de l'intérieur du corps exploré. Les signaux élémentaires correspondant aux échos reçus sont retardés selon des retards déterminés variables et additionnés pour former des faisceaux, de façon que ces is faisceaux correspondent à la réception d'une énergie ultrasonore réfléchie par un foyer unique du corps exploré.

Pour créer les retards permettant de réaliser cette focalisation dynamique, on utilise généralement des lignes à retard variable. Par exemple, le document US-A-5 844 139 décrit un procédé de production 20 dynamique de retard variable pour un formateur de faisceaux ultrasonores, et il y est question de la minimisation du cot d'un interpolateur numérique variable, mais le problème du cot de production des retards n'est pas abordé. Un autre document, l'article intituté: " Low Power Delay Calculation for Digital Beamforming in Handheld Ultrasound Systems " de H.T. 25 FeldKâmper, R. Schwann, V. Gierenz et T.G. Noll, paru dans " 2000 IEEE Ultrasonics Symposium ", mentionne le cot de la génération des retards et propose un algorithme pour produire ces retards, mais ne traite pas le problème du cot de calcul et du cot du stockage, qui sont loin d'être négligeables. Pour les échographes haut de gamme, le problème du cot de génération de retard pour chaque élément de la sonde et pour chaque direction de pointage du faisceau émis est relativement négligeable, alors qu'il devient critique pour les appareils portatifs et/ou de faible cot.

La mémorisation directe d'un jeu complet de valeurs de retards pour toutes les périodes d'échantillonnage nécessite une grande capacité de mémoire, mais ne demande aucun calcul et peut accepter n'importe quelle loi d'évolution du retard (pouvant impliquer une anisotropie arbitraire du milieu dans lequel se propagent les ultrasons).

Pour économiser de l'espace mémoire, on pourrait avoir recours à la représentation incrémentale des lois d'évolution de ces retards, car la variation du retard d'un échantillon de signal au suivant est très faible sur une grande étendue, ce qui fait qu'il suffit généralement d'un seul bit pour coder 10 cette variation. Cependant, un tel procédé nécessiterait un décodage complexe, sans toutefois que l'on perde ni en précision, ni sur la définition de la loi générale d'évolution des retards.

Si l'on tolère une faible perte de précision, mais pas de modification de la loi générale, les lois d'évolution des retards peuvent être 15 approximées par une approximation de fonction du premier ordre, comme par exemple une fonction linéaire par morceaux. La diminution de l'espace mémoire nécessaire peut être très importante, mais la puissance de calcul nécessaire est corrélativement augmentée.

La présente invention a pour objet un procédé de production de 20 retards pour un appareil de synthèse de faisceaux d'émission et de réception, ces faisceaux pouvant être à orientation variable ou non, procédé qui ne nécessite ni une grande capacité mémoire ni une grande puissance de calcul, et qui soit simple à mettre en oeuvre.

Le procédé de l'invention est un procédé de production de retards 25 pour les différents éléments transducteurs d'un appareil de synthèse de faisceaux, et il est caractérisé par le fait que l'on mémorise dans au moins une première table des valeurs d'inverses de temps de réception exprimés en multiples de quanta d'échantillonnage, qu'on mémorise dans une deuxième table des valeurs de décalage qui sont fonction de l'élément 30 transducteur considéré par rapport à un élément de référence, ainsi que des index relatifs aux différents éléments considérés, que l'on mémorise dans une troisième table des valeurs de carrés du rapport entre la distance de l'élément transducteur considéré à l'élément de référence et la vitesse de propagation des faisceaux dans leur milieu de propagation, et que pour 35 chaque élément transducteur on retranche de la valeur de décalage correspondante le produit de la valeur lue dans la première table par la valeur lue dans la troisième table à laquelle on retranche le carré du décalage correspondant.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la 5 description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un diagramme montrant les aspects géométriques de l'émission d'ondes ultrasonores émises par une sonde; a la figure 2 est un diagramme de la loi d'évolution du retard à appliquer à des éléments transducteurs en fonction du temps; * la figure 3 est un bloc-diagramme d'un dispositif de production de retards conforme à l'invention.

La présente invention est décrite ci-dessous en référence à un 15 échographe médical à ultrasons, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cette application et qu'elle peut être mise en oeuvre pour d'autres appareils à formation de faisceaux, tels que des sonars, des radars En référence à la figure 1, on va expliciter les principales relations 20 géométriques régissant les temps d'arrivée relatifs des ondes sonores sur les éléments piézoélectriques d'une sonde 1. Sur le dessin, la face frontale 2 de la sonde 1 (face d'émission et de réception des ondes ultrasonores) a été représentée semi-circulaire, mais il est bien entendu que la forme de cette face peut être différente (plane, polygonale, ...) sans que cela influe sur les 25 relations géométriques développées ci-dessous.

On néglige ici l'épaisseur de la couche de production de la face 2, généralement en matière plastique, et d'une épaisseur d'environ 1 mm. L'axe de symétrie de la sonde 1 est référencé 3, et il coupe la face 2 en un point CO, derrière lequel est disposé l'élément piézoélectrique central (non 30 représenté) de la sonde. Du fait que, comme précisé ci- dessus, on néglige l'épaisseur de la couche protectrice, on suppose que le point CO concide avec le centre de la face d'émission/réception dudit élément central de la sonde. Soit un point CKsur la face 2, correspondant au centre de la face d'émission/réception d'un élément piézoélectrique quelconque de rang K, 35 autre que l'élément central de la sonde. On appelle DK la distance entre CO et CK.On suppose qu'à l'instant considéré l'émission et la réception d'une onde ultrasonore se font dans une direction référencée 4. Soit M le foyer du faisceau émis dans la direction 4, M étant situé sur cette direction. On appelle RO la distance focale par rapport à l'élément transducteur central 5 (RO: distance entre CO et M), et RK la distance entre CK et M. On appelle OK l'angle entre les demi-droites COCK et CoM, et cet angle est fixe pour une sonde donnée et pour un angle d'incidence donné.

Les calculs exposés ci-dessous supposent que les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu homogène et isotrope. A la 10 réception, on focalise le faisceau d'écho en appliquant à chacun des éléments transducteurs un retard qui lui est propre, afin d'aligner les signaux provenant du foyer. Il est alors possible, grâce à une sommation cohérente (somme de signaux reçus remis en phase), d'amplifier les signaux comme s'ils provenaient de ce foyer. Le foyer de ce faisceau d'échos est un point du 15 corps exploré et ayant reçu le signal émis. Pendant la période d'observation, ce foyer se déplace le long d'une ligne, qui est déterminée par la direction d'émission, à la vitesse (c) du son dans le corps exploré.

Dans le diagramme de la figure 1, la valeur de RK est donnée par: RK = ||CKM|| = |COM -COCK || = JR2+ DK - 2RODKCOS(K)) Par rapport au transducteur de référence (situé en CO), le retard tK(t) à appliquer à un instant donné au transducteur considéré (situé en CK), 25 est donné par: TK(t) R0 -RK c L'instant t auquel ce retard doit être appliqué est l'instant de 30 réception de l'écho par le capteur considéré, et il est donné par: t =R0 + RK c En pratique, on a besoin de connaître la relation reliant le retard TK(t)à l'instant t de réception par le capteur considéré. Cette relation est déterminée de la façon suivante: Dans la relation: c2TK(t) . t = R2 -R2 = 2RoDK cos( K)-D2 du fait que: c(TK (t) + t) = 2Ro, on obtient: c2 T-:K(t)ot = c(K(t)+ t)DK COS( K)-DK et l'on en tire la valeur de TK(t): DK [Pt1DKSin(OK)j2 TK(t): DK COS(K)- (1s) c t_ DK COS(K) c La relation ci-dessous peut également s'écrire TK(t) = Too - (2) t--Too t - ty avec -- =DK COS( K) et A DK C c T.oétant l'asymptote de la courbe d'évolution de T-K(t) (voir en figure 2 I'asymptote AS), et A2 étant un ensemble limité de valeurs pouvant être 20 stocké dans une mémoire de faible capacité, puisque DK est fonction du nombre d'éléments transducteurs de la sonde et c est considéré dans le cas présent comme une constante pour le corps humain.

Ainsi, pour une sonde donnée et pour un angle d'incidence donné, la loi d'évolution du retard TK(t) est de la forme 1/t, à un décalage et à un 25 facteur d'échelle près. Un exemple de cette loi d'évolution a été représenté en figure 2. Sur cette figure 2, les ordonnées sont graduées en quantum de retard, c'est-à-dire, typiquement, la moitié ou le quart de la période d'échantillonnage, et les abscisses en périodes d'échantillonnage, et sont proportionnelles à la profondeur du foyer duquel part l'écho (distance Ro).

Les formules exposées ci-dessus permettent de calculer le retard à appliquer au signal reçu par chaque élément transducteur d'une sonde à réseau d'éléments transducteurs de façon à focaliser dynamiquement le faisceau reçu, pour obtenir la résolution spatiale maximale. Toutefois, ce 5 résultat analytique est difficilement exploitable en pratique, et l'invention propose de le simplifier pour en faciliter la mise en oeuvre.

En premier lieu, du fait que le traitement des échos reçus est réalisé après leur conversion sous forme numérique, il n'y a besoin d'appliquer les retards qu'à la cadence d'échantillonnage des signaux reçus. 10 En pratique, on a constaté que l'on peut arrondir ces retards à la valeur la plus proche d'un multiple de la période d'échantillonnage pour obtenir des lobes latéraux acceptables lors de la formation des faisceaux, ce qui définit ledit " quantum de retard ". Par exemple, il peut suffire de produire un retard dont la valeur diffère d'une demi- période d'échantillonnage de la valeur 15 théorique pour obtenir des lobes latéraux répondant aux spécifications.

En second lieu, on remarquera que le retard varie, en fonction du temps, bien plus rapidement près de la sonde que loin d'elle. Cette variation est d'autant plus grande que l'ouverture de la zone du corps balayée par un faisceau est grande. En pratique, on doit tenir compte d'une profondeur 20 minimale d'exploration et d'une ouverture maximale à proximité de la sonde.

C'est ce que l'on appelle l'ouverture dynamique. A cause de ces caractéristiques, la pente de la loi d'évolution du retard, c'est-à-dire le rapport retard/temps, est limitée, et la plage de temps, dans laquelle les variations du retard rentrent dans les limites acceptables du quantum de retard, est bien 25 plus grande que la période d'échantillonnage du signal.

Enfin, on notera que ce que doit produire le dispositif de traitement numérique est non pas un seul retard, mais une séquence de retards, et ce, de la façon la plus simple possible.

Tenant compte de ces remarques, le procédé de l'invention 30 permet une mise en oeuvre optimisée, et fait appel à trois tables et à deux opérateurs. La première table utilisée est une table de valeurs d'inverses, ce qui permet d'éviter l'opération de division dans la formule (2) du retard exposée ci-dessus. Le concept de base du dispositif de mise en oeuvre est 35 une transposition directe du résultat du calcul analytique exposé ci-dessus. Il consiste en une table de valeurs de la fonction 1/T (avec T=t-To) de longueur et largeur (c'est-à-dire de précision numérique et d'étendue) appropriées. Cette table est universelle, seuls son adressage et son facteur d'échelle sont spécifiques du transducteur utilisé et de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le corps exploré..

Chaque fois que cette table de valeurs de 1/T est adressée, et que le calcul du retard est effectué, la valeur obtenue reste valable jusqu'au prochain adressage de la table (qui correspond à l'adresse immédiatement suivante dans cette table). Etant donné que l'erreur sur la détermination du 10 retard doit rester inférieure à un quantum de retard, il suffit en général d'échantillonner cette table à un rythme inférieur au rythme d'échantillonnage, par exemple une fois tous les huit échantillons de signal reçus. Comme précisé ci-dessus, la table de valeurs de 1/T est 15 indépendante à la fois des transducteurs et de la direction d'émission, mais il est nécessaire d'y accéder une fois par transducteur différent et une fois par direction différente (dans le cas o l'on a simultanément plusieurs directions de réception pour le même tir). Il en résulte que, selon la puissance de calcul disponible, il peut être nécessaire de dupliquer la table de valeurs de 1/T afin 20 qu'elle soit accessible simultanément à plusieurs processus de calcul. La longueur de cette table est déterminée par la profondeur de focalisation maximale. De façon typique, il suffit de 1 024 valeurs de 1/T.

Pour calculer la valeur finale du retard, il faut d'abord mettre à l'échelle les valeurs de 1/T de la table 5 en les multipliant par (A2 O'O) et en 25 les retranchant de TO>. La largeur de cette table 5 est le nombre de bits des mots (nombres) stockés dans la table. Etant donné que le format de ces mots est fixe, ces bits correspondent à la fois à la dynamique et à la précision (parties entière et fractionnaire) des mots. La valeur minimale de T correspond au nombre le plus grand de la table et donc à la profondeur 30 d'exploration minimale. On a trouvé que dans la plupart des cas, il suffisait de définir sur 12 bits les mots de la table 1/T.

On va maintenant décrire le dispositif de calcul de -rK(t) en référence à la figure 3.

La table de valeurs de 1/T contient N valeurs, par exemple N = 35 1 024. On remarquera que parmi ces N valeurs, les valeurs 1/Tmin et 1/Tmax sont répétées au début et à la fin de la table. Ces valeurs 1/Tmin et 1/Tmax correspondent aux profondeurs d'exploration maximale et minimale.

Le fait qu'elles soient répétées chacune plusieurs fois (par exemple 10. fois, de façon typique) est d à la nécessité d'afficher des images au tout début 5 du tir (au contact de la sonde), même si leur vraisemblance est sujette à caution à cause de la sélectivité spatiale des éléments piézoélectriques de la sonde à cause de leur longueur non nulle. Ainsi, la distance focale (R0) minimale effective est limitée à environ 5 mm, même si on observe à une distance de 0 mm, c'est-à-dire au contact de la sonde. De façon similaire, 10 l'exploration maximale est artificiellement limitée, bien que l'affichage continue au-delà de cette distance focale maximale avec un faisceau légèrement défocalisé. Cela peut par exemple être le cas avec une sonde linéaire affichant des images jusqu'à 130 mm avec un faisceau focalisé à 120 mm de la sonde.

Le dispositif de l'invention comporte une deuxième table 6 de décalages ('o,). Cette table contient des mots formés de deux parties de types indépendants. La première partie correspond au décalage temporel Tc, , alors que la deuxième partie est la donnée ND, correspond au décalage des éléments transducteurs par rapport à l'élément (central) de référence, et 20 qui est un index d'adressage de la troisième table 7. Les informations contenues dans la table 6 ne sont appelées qu'une fois au début de chaque ligne de tir, afin de préparer les variables nécessaires au calcul des retards.

Cette table n'est donc appelée que NI fois par ligne de tir, NI étant le nombre d'éléments transducteurs de la sonde.

La table 7 comporte les valeurs correspondant aux distances entre l'élément de référence et les différents éléments de la sonde. En fait, ces valeurs sont les valeurs de A2 (A=Dk/c). Ces valeurs A2 sont arrondies et définies, par exemple sur 12 bits.

Les dispositif de l'invention comporte en outre deux opérateurs 8, 30 9. L'opérateur 8 a deux rôles principaux: * Il détermine l'instant auquel le retard calculé doit être appliqué.

Cette fonction est importante parce que les valeurs de retard sont mises à jour à une fréquence inférieure à celle de l'échantillonnage du signal d'écho reçu par la sonde. Il faut 35 donc pouvoir avoir une valeur fiable de retard initial pour minimiser l'erreur de calcul. Cette fonction est appelée " réglage fin du cadencement ".

+ Il doit fournir à la table 5 l'adresse de l'élément pour lequel va être calculé le retard. Cette fonction inclut le traitement des 5 périodes initiale et finale pendant lesquelles le débordement d'adressage par valeurs inférieures et supérieures peut se produire, c'est-à-dire que les valeurs de t-o,,o, peuvent être soit négatives soit dépasser la capacité de la table. Cette fonction est appelée " réglage grossier du cadencement ".

L'opérateur 8 reçoit en tant que signaux d'horloge les mêmes que ceux de l'échantillonnage des échos reçus, et il reçoit de la table 6 les valeurs de -coo L'opérateur 9 fournit à une ligne à retard (non représentée) branchée à la sortie du dispositif de la figure 3 la valeur de retard à appliquer 15 à chaque échantillon courant du signal reçu. Ce retard est arrondi au quantum de retard le plus proche, et n'est calculé qu'une fois tous les NI échantillons incidents, avec Ni = 8 par exemple. Cet opérateur réalise le calcul du délai selon la relation A2 _ CI vK (t) = - - X t-T Ce calcul est effectué en deux étapes: calcul de t2 X A2- puis calcul de -K(t)K. Le terme A2 est fourni par la table 7, tandis que T2x est fourni par un sous-ensemble 10 de l'opérateur 9 à partir des valeurs de toe 25 de la table 6, un autre sous-ensemble 11 de l'opérateur 9 réalisant l'opération A2 -_r2. Ainsi, l'opérateur 9 reçoit rto de la table 6, et il lui retranche le produ it (1/it - )*(t2), pour obtenir finalement -K(t), le terme (i/t - Lo,) étant fourni par la table 5 et t2 par l'opérateur 11.

Des essais ont montré que l'erreur sur la valeur de tK(t) était très 30 faible: le rapport rK (t)/quantum de retard était, au maximum, d'environ 0,5 quantum. Dans ce qui a été exposé ci-dessus, on a décrit l'utilisation d'une seule table 5, mais il est bien entendu que si l'on voulait améliorer le procédé, en particulier dans le cas d'un milieu exploré à plusieurs couches différentes, chacune d'elles étant homogène dans son volume, on pourrait utiliser plusieurs telles tables (ou plusieurs zones différentes d'une même table), chacune d'elles étant adaptée à chacune de ces couches. . il

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Procédé de production de retards pour les différents éléments transducteurs d'un appareil de synthèse de faisceaux, caractérisé par le fait que l'on mémorise dans au moins une première table (5) des valeurs d'inverses de temps de réception exprimés en multiples de quanta 5 d'échantillonnage (1Itoe), qu'on mémorise dans une deuxième table (6) des valeurs de décalage (TOe) qui sont fonction de l'élément transducteur considéré par rapport à un élément de référence, ainsi que des index (ND) relatifs aux différents éléments considérés, que l'on mémorise dans une troisième table (7) des valeurs de carrés (A2) du rapport (DK/C), entre la 10 distance de l'élément transducteur considéré à l'élément de référence et la vitesse de propagation des faisceaux dans leur milieu de propagation, et que pour chaque élément transducteur on retranche de la valeur de décalage correspondante (Tx) le produit de la valeur lue dans la première table par la valeur lue dans la troisième table (A2) à laquelle on retranche le carré du 15 décalage correspondant (C2).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les valeurs minimale et maximale mémorisées dans la première table sont répétées.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par 20 le fait que la première table est appelée à une fréquence inférieure à la fréquence d'échantillonnage du signal reçu.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à une sonde d'échographie médicale.