FR2915808A1

FR2915808A1 - Reseau reconfigurable a emetteurs multiniveaux

Info

Publication number: FR2915808A1
Application number: FR0852619A
Authority: FR
Inventors: Robert Gideon Wodnicki
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2008-11-07
Also published as: US20080264171A1; JP2008272471A; US7824335B2; JP4934631B2

Abstract

Sonde d'imagerie (12) comportant des cellules à émetteurs multiniveaux. La sonde d'imagerie (12) comprend une pluralité de sous-éléments acoustiques servant à émettre et recevoir de l'énergie acoustique pour la production d'images. Chacune des cellules à émetteurs multiniveaux est disposée sur un trajet respectif de cellule à émetteur entre une matrice de commutation et l'un des sous-éléments acoustiques . Les cellules à émetteurs multiniveaux présentes dans la sonde (12) sont capables de produire des signaux ayant de multiples niveaux de tension.

Description

B08-1130FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Réseau reconfigurable

à émetteurs multiniveaux Invention de : WODNICKI Robert Gideon Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 26 avril 2007 sous le n 11/796.002

2 Réseau reconfigurable à émetteurs multiniveaux

L'invention concerne de façon générale les systèmes d'échographie et, plus particulièrement, un réseau reconfigurable d'émetteurs multiniveaux. Un tel réseau trouve une application spécifique dans les systèmes médicaux d'imagerie échographique diagnostique. Un autre exemple spécifique concerne l'évaluation non destructive de pièces telles que des pièces moulées, des pièces forgées ou des conduites d'hydrocarbures. Un système d'imagerie échographique forme une image en acquérant des lignes (ou faisceaux) échographiques individuelles. Les lignes sont adjacentes les unes aux autres et couvrent la zone cible à échographier. Chaque ligne est formée en émettant une impulsion ultrasonore dans une direction spatiale particulière et en recevant de cette direction les échos réfléchis. Les caractéristiques spatiales de l'onde émise et les caractéristiques de la sensibilité de réception déterminent la qualité de l'image échographique. Il est souhaitable que la ligne échographique ne recueille des informations de la cible qu'en provenance de la direction voulue et ne tienne pas compte de cibles dans d'autres directions. Les systèmes d'imagerie échographique classiques comprennent un réseau d'éléments transducteurs d'ultrasons qui servent à émettre un faisceau d'ultrasons puis à recevoir le faisceau réfléchi depuis l'objet à étudier. Un tel examen comprend une série de mesures au cours desquelles les ultrasons focalisés sont émis, le système passe en mode réception après un court laps de temps et les ultrasons réfléchis sont reçus, transformés en faisceau et traités pour être affichés. Ordinairement, l'émission et la réception sont focalisées dans la même direction pendant chaque mesure afin d'acquérir des données en provenance d'une série de points le long d'un faisceau acoustique ou d'une ligne de balayage. Le récepteur peut être focalisé de manière dynamique sur une suite de portées le long de la ligne de balayage au fur et à mesure de la réception des ultrasons réfléchis. Pour l'imagerie échographique, le réseau comporte ordinairement une multiplicité d'éléments transducteurs disposés sur une ou plusieurs rangées et commandés par des tensions séparées. En choisissant le retard (ou la phase) et l'amplitude des tensions appliquées, on peut commander les différents éléments transducteurs d'une rangée donnée pour produire des ondes ultrasonores qui se combinent afin de former une onde ultrasonore nette qui se propage dans une

3 direction vectorielle préférée et est focalisée dans une zone choisie le long du faisceau. Les mêmes principes valent lorsque la sonde à transducteurs est employée pour recevoir en mode réception les ultrasons réfléchis. Les tensions produites dans les éléments transducteurs de réception sont additionnées de façon que le signal net indique les ultrasons réfléchis par une seule zone focale de l'objet. Comme avec le mode émission, cette réception focalisée de l'énergie ultrasonore est obtenue en donnant des retards (et/ou des déphasages) et des gains séparés au signal provenant de chaque élément transducteur de réception. Les retards sont réglés par rapport à lo l'augmentation de la profondeur du signal renvoyé pour réaliser une focalisation dynamique à la réception. La qualité ou la résolution de l'image formée dépend partiellement du nombre d'éléments transducteurs qui constituent respectivement les ouvertures d'émission et de réception du réseau de transducteurs. De la sorte, pour parvenir à 15 une grande qualité de l'image, un nombre élevé d'éléments transducteurs est souhaitable pour les applications à l'imagerie en deux et en trois dimensions. Les éléments transducteurs d'ultrasons sont normalement situés dans une sonde manuelle qui est connectée par un câble souple à un dispositif électronique qui traite les signaux des transducteurs et génère des images échographiques. La sonde à 20 transducteurs peut supporter des circuits d'émission d'ultrasons et des circuits de réception d'ultrasons. L'imagerie échographique médicale classique crée des images en coupe, en deux dimensions, à l'aide de transducteurs unidimensionnels linéaires ou à déphasage. Ces transducteurs sont construits avec environ 100 à 200 éléments 25 disposés de façon linéaire. Les éléments transducteurs sont connectés à des émetteurs ou pulseurs qui envoient des formes d'onde aux éléments transducteurs, lesquels convertissent à leur tour les formes d'onde électriques en ondes acoustiques. Une commande appropriée des formes d'onde permet de produire un faisceau d'ultrasons focalisé. Le niveau de signal des formes d'onde électriques peut être de plusieurs 30 centaines de volts afin de produire le niveau d'énergie acoustique voulu. A l'aide de la technologie existante, il est techniquement possible de connecter quelques centaines d'éléments transducteurs au système. Les systèmes échographiques actuels résolvent le problème du nombre accru de canaux en cherchant à intégrer des composants électroniques discrets au niveau de la carte. Ordinairement, ces systèmes 35 ne sont capables de commander que environ 128 à 256 canaux et consomment

4 beaucoup d'énergie. La majeure partie de cette énergie est dépensée pour entraîner le câble. Des réseaux de transducteurs en deux dimensions sont nécessaires pour l'imagerie en trois dimensions à guidage électronique. Ces types de réseaux de transducteurs emploient ordinairement plusieurs milliers d'éléments. Pour former correctement des faisceaux, chacun de ces éléments doit être connecté à un canal de formation de faisceau. La connexion de plusieurs milliers d'éléments à des pulseurs respectifs dans le système n'est techniquement pas réalisable car un faisceau de câbles constitué par des fils coaxiaux ou autre comportant un nombre suffisant de conducteurs pour plusieurs milliers d'éléments serait trop épais et lourd pour être viable d'un point de vue ergonomique. Par ailleurs, un câble qui connecterait les pulseurs du système aux éléments transducteurs présenterait une très forte charge capacitive en comparaison de l'impédance de l'élément à réseau en deux dimensions. Par conséquent, une majeure partie du courant des pulseurs serait entraînée vers la capacité du câble tandis que seulement une petite proportion du courant serait entraînée dans l'élément transducteur. De la sorte, seulement une petite fraction de l'énergie fournie par le pulseur serait convertie en ondes acoustiques. Par conséquent, pour un grand réseau d'éléments tous petits, il faudrait fournir encore plus d'énergie à l'aide des circuits de pulseurs qu'il n'en faudrait avec un réseau linéaire. Ce besoin supplémentaire d'énergie pourrait être tolérable pour un appareil d'échographie clinique en poste fixe. Cependant, il serait prohibitif pour un système portatif qui n'aurait pas la possibilité d'assurer un refroidissement suffisant pour les pulseurs. De plus, le système portatif subirait une énorme diminution de la durée de vie de sa batterie.

La demande de brevet des E.U.A. n 10/697 518, déposée le 30 octobre 2003, présente le concept d'intégration de pulseurs ou d'émetteurs directement dans la poignée de la sonde. Cela résout le problème de consommation d'énergie du fait du câble, mais ne répond pas aux préoccupations plus pragmatiques concernant la quantité d'énergie dépensée par l'architecture de commande proprement dite des pulseurs. De plus, cette demande de brevet ne s'intéresse pas à l'architecture réelle du circuit de commande de pulseur et ne traite pas du circuit d'émission/réception. En outre, pour obtenir des images précises, on utilise souvent des émetteurs bipolaires afin de produire les impulsions ultrasonores dans le système. A la différence d'émetteurs unipolaires, ces émetteurs produisent ordinairement des formes d'onde définies par une suite d'impulsions rectangulaires de tensions alternativement négative et positive. Les émetteurs bipolaires offrent l'avantage d'être peu couteux à fabriquer et faciles à commander, ce qui en fait un choix commode par rapport à des émetteurs unipolaires. Cependant, les émetteurs bipolaires permettent un spectre de tension très limité. Dans de nombreux systèmes, un nombre plus grand de niveaux de 5 tension peut être souhaitable pour produire des suites d'impulsions approchant des formes d'onde de signaux telles que des formes d'onde sinusoïdales. Produire de multiples niveaux de tension est globalement couteux et difficile à réaliser. En outre, les émetteurs capables de produire de nombreux niveaux de tension sont souvent peu efficaces et consomment beaucoup d'énergie. Io On a donc besoin de résoudre le problème de la commande d'un grand nombre de petits transducteurs à ultrasons sous la configuration d'un réseau bidimensionnel avec une consommation d'énergie minime et avec un faible encombrement, où l'émetteur puisse produire de multiples niveaux de tension. Des formes de réalisation de la présente invention peuvent apporter des 15 solutions à un ou plusieurs des problèmes décrits plus haut. Selon un premier aspect de la présente technique, il est proposé une sonde. La sonde comprend une pluralité de sous-éléments acoustiques et une pluralité de cellules à émetteurs multiniveaux, chacune des cellules à émetteurs multiniveaux étant couplée à un sous-élément acoustique respectif. Chacune des différentes 20 cellules à émetteurs multiniveaux comprend un décodeur de forme d'onde configuré pour décoder une forme d'onde d'entrée. Chacune des différentes cellules à émetteurs multiniveaux comprend en outre une commande d'émetteur configurée pour recevoir un signal de sortie décodé du décodeur de forme d'onde. Chacune des différentes cellules à émetteurs multiniveaux comprend en outre un étage de sortie configuré 25 pour recevoir un signal de sortie de la commande d'émetteur et configuré en outre pour émettre une forme d'onde vers l'un, respectif, des différents sous-éléments acoustiques. Selon un autre aspect de la présente technique, il est proposé un système d'imagerie. Le système d'imagerie comprend un dispositif électronique d'imagerie et 30 une sonde couplée au dispositif électronique d'imagerie par une pluralité de canaux conducteurs. La sonde comporte une matrice de commutation configurée pour recevoir des informations de formes d'ondes sur chacun des différents canaux conducteurs et pour émettre les informations de formes d'ondes sur une pluralité de trajets de cellules à émetteurs. La sonde comporte en outre une cellule à émetteur 35 multiniveaux respective disposée sur chacun des différents trajets de cellules à

6 émetteurs et comportant à la fois un décodeur de forme d'onde, une commande d'émetteur et un étage de sortie, la cellule à émetteur multiniveaux étant configurée pour produire un signal ayant au moins deux niveaux de tension. Selon un autre aspect de la présente technique, il est proposé un procédé d'utilisation d'une sonde d'imagerie. Le procédé comprend l'émission d'un ou de plusieurs signaux vers la sonde d'imagerie. Le procédé comprend en outre le décodage de chaque signal ou de chacun des signaux dans une cellule à émetteur respective disposée le long de chacun d'une série de trajets de cellules à émetteurs. Le procédé comprend en outre la production d'un signal de tension multiniveaux à partir de chacune des cellules à émetteurs respectives. Le procédé comprend en outre l'utilisation d'un transducteur respectif à l'aide d'un signal de tension multiniveaux respectif. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est un schéma de principe d'un système d'imagerie selon des modes de réalisation de la présente invention ; les figures 2 à 4 sont des chronogrammes illustrant des exemples de signaux qui peuvent être produits selon des modes de réalisation de la présente invention ; la Fig. 5 est un schéma de principe représentant une vue plus détaillée du système d'imagerie de la Fig. 1, selon des modes de réalisation de la présente invention ; la Fig. 6 est une vue plus détaillée du système d'imagerie de la Fig. 5, représentant les cellules à émetteurs multiniveaux selon des modes de réalisation de la présente invention ; les figures 7 à 9 représentent des vues schématiques partielles pour divers modes de réalisation des cellules à émetteurs multiniveaux selon des exemples de modes de réalisation de la présente invention ; et la Fig. 10 illustre un exemple de commande d'émetteur qui peut être employée dans une cellule à émetteur multiniveaux selon des modes de réalisation de la présente invention. La Fig. 1 représente un schéma de principe d'un système d'imagerie 11 selon un mode de réalisation de la présente invention. Par exemple, le système d'imagerie 11 peut être constitué par un système d'échographie. Comme on le comprendra, le système d'imagerie comprend typiquement un dispositif électronique d'imagerie 10 et

7 une sonde 12. Le dispositif électronique d'imagerie 10 et la sonde 12 seront décrits plus en détail ultérieurement en référence à la Fig. 5. Selon des modes de réalisation de la présente invention, la sonde 12 comprend un réseau de cellules à émetteurs multiniveaux, capables chacune de produire de multiples niveaux de tension pour une émission vers un élément transducteur respectif. Le dispositif électronique d'imagerie 10 et la sonde 12 sont généralement couplés l'un à l'autre par un ou plusieurs câbles 14. Chaque câble comporte un certain nombre de conducteurs électriques 16, chacun des conducteurs électriques 16 correspondant à un canal unique. Selon une autre possibilité, il peut ne pas y avoir de câble, comme ce serait le l0 cas pour un système manuel entièrement portatif. De façon générale, et comme décrit et illustré plus en détail ultérieurement en référence aux figures 5 à 9, le système d'imagerie 11 comprend des émetteurs multiniveaux qui commandent des transducteurs à l'intérieur de la sonde 12 pour émettre vers un corps des signaux ultrasonores pulsés. Il est possible d'employer 15 diverses géométries. Les signaux ultrasonores sont rétrodiffusés depuis des structures du corps telles que des globules sanguins ou des tissus musculaires pour produire des échos qui reviennent aux transducteurs. Les échos sont reçus par un récepteur et sont amenés à passer par un conformateur de faisceau qui exécute une formation de faisceau et délivre un signal RF. Le signal RF peut ensuite être traité ou démodulé 20 pour former des paires de données IQ représentant les signaux d'échos. Pour un système d'échographie, le système d'imagerie 11 peut également comprendre un ou plusieurs processeurs de signaux servant à traiter les informations échographiques acquises (c'est-à-dire des données de signaux RF ou des paires de données IQ) et élaborer des trames d'informations échographiques à afficher. Le 25 processeur de signaux est conçu pour exécuter, sur les informations échographiques acquises, une ou plusieurs opérations de traitement suivant une pluralité de modalités échographiques qu'il est possible de choisir. Les informations échographiques acquises peuvent être traitées en temps réel pendant une séance d'examen au fur et à mesure de la réception des signaux d'échos. En outre ou selon une autre possibilité, 30 les informations échographiques peuvent être stockées pendant une séance d'examen et traitées plus tard qu'en temps réel. Bien que des signaux à niveau unique et des signaux à deux niveaux puissent être utilisés pour la détection dans un système d'échographie, des signaux multiniveaux sont souvent souhaitables. Par exemple, les figures 2 à 4 représentent 35 diverses ondes de sortie qui peuvent être souhaitables dans un système d'échographie

8 et qui peuvent être formées à l'aide des émetteurs multiniveaux décrits ici. Plus particulièrement, la Fig. 2 représente une forme d'onde 18 ayant, à divers instants T1 û T12, divers niveaux de tension discrets, par exemple V1, V2, V3, OV, -V1, -V2 et û V3. Il est possible de produire n'importe quel nombre de niveaux de tension, en fonction de la capacité de l'émetteur multiniveaux qui produit celui-ci. Comme illustré, si l'émetteur multiniveaux est capable de produire un nombre suffisant de niveaux de tension, la forme d'onde 18 peut être très proche d'une forme d'onde sinusoïdale idéale 20. D'autres formes d'onde utiles peuvent, par exemple, prendre la forme d'une impulsion gaussienne d'une durée de 1,5 périodes ou plus, et/ou d'impulsions codées pour améliorer la pénétration des signaux dans le corps. Dans certains cas, il peut être souhaitable d'émettre de multiples impulsions successives sur la même voie où chaque impulsion a une tension de crête-à-crête différente, comme illustré par la forme d'onde 22 de la Fig. 3. Ces formes d'ondes peuvent être produites à l'aide des procédés décrits ici en codant des tensions d'émission différentes au cours de multiples cycles de cadencement. Par exemple, dans chaque cellule il pourrait y avoir le circuit de sélection de tension, décrit et illustré en référence à la Fig. 9, lequel pourrait servir à faire un choix entre cinq tensions de commande réparties de manière globale, dont chacune amènerait le circuit à produire l'une des tensions requises OV, +/-V1 ou +/-V2. Comme on le comprendra d'après la description de la Fig. 9, les besoins pour ce circuit sont nettement moindres que pour avoir un convertisseur numérique-analogique suivi d'un amplificateur haute tension dans chaque cellule à émetteur multiniveaux, et la quantité d'informations à communiquer est elle aussi très réduite. Cela constituera un avantage dans les modes de réalisation décrits ici, où les émetteurs multiniveaux sont situés dans la sonde exiguë 12, comme expliqué plus loin. Dans d'autres applications, il peut être avantageux de pouvoir émettre des formes d'ondes similaires sur des canaux différents, chaque canal ayant une tension de sortie de crête-à-crête exclusive, comme illustré sur la Fig. 4. Comme illustré, la forme d'onde 24 sur le canal 1 (CHI) a une tension de crête-à-crête de 2 * V 1. La forme d'onde 26 sur le canal 2 (CH2) a une tension de crête-à-crête de 2*V3, V1, V2 et V3, étant des tensions différentes. Comme avec les formes d'ondes multiniveaux illustrées sur les figures 2 et 3, ces formes d'ondes peuvent là encore être produites à l'aide de n'importe lequel des procédés décrits ici. En outre, comme on le comprendra, diverses autres formes d'ondes multiniveaux peuvent être souhaitables et peuvent également être produites en employant les techniques et les modes de

9 réalisation décrits ici. Les formes d'ondes des figures 2 à 4 sont simplement données à titre d'exemple pour illustrer quelques-unes des applications possibles des émetteurs multiniveaux selon des modes de réalisation de la présente invention. Considérant maintenant la Fig. 5, il y est illustré un exemple de système d'imagerie 11 selon des modes de réalisation de la présente invention. Pour simplifier, on n'a pas représenté les organes et circuits classiques du système d'imagerie 11 pour traiter les données permettant de produire une image. Selon un mode de réalisation de la présente invention représenté sur la Fig. 5, la sonde échographique 12 comprend un certain nombre de sous-éléments acoustiques 30 et un nombre correspondant de cellules à émetteurs multiniveaux à haute tension 32. Les sous-éléments acoustiques 30 peuvent être constitués par un transducteur ultrasonore capacitif micro-usinés (cMUT), un capteur au polyfluorure de vinylidène (PVDF), un capteur au tellurure de cadmium et de zinc (CZT), un transducteur piézoélectrique (PZT) ou un transducteur ultrasonore piézoélectrique micro-usiné (PMUT), par exemple. Divers exemples de modes de réalisation des cellules à émetteurs multiniveaux 32 seront décrits plus en détail en référence aux figures 6 à 9. Dans un mode de réalisation, il y a une cellule à émetteur multiniveaux 32 pour chaque sous-élément acoustique 30. Selon des modes de réalisation de la présente invention, les sous-éléments acoustiques 30 sont disposés dans la tête 34 de sonde et les cellules à émetteurs multiniveaux 32 sont disposées dans la poignée 36 de la sonde, comme illustré. Comme décrit plus haut, la sonde 12 est couplée électriquement au système électronique d'imagerie échographique 10 par un ou plusieurs câbles 14 comportant une multiplicité de conducteurs électriques 16. Chaque câble est couplé au dispositif électronique d'imagerie 10 et à la sonde 12 par des connecteurs respectifs 38 et 40 de câbles. Les cellules à émetteurs multiniveaux 32 reçoivent des signaux impulsionnels de cadencement via une matrice de commutation de basse tension 42 qui est également intégrée dans la poignée 36 de la sonde. Le fait de placer les cellules à émetteurs multiniveaux 32 dans la poignée 36 de la sonde permet avantageusement que les circuits d'impulsions de cadencement 44 (commandés par les circuits de commande 46 de cadencement d'impulsions) soient situés dans le système électronique d'imagerie 10, comme représenté sur la Fig. 5, ou dans la poignée (non représentée) de la sonde. Pendant la phase d'émission, chaque sousélément acoustique 30 reçoit un train d'impulsions d'une cellule à émetteur multiniveaux respective 32. Les paramètres du train d'impulsions respectifs sur

10 chaque voie sont modifiés de façon à réaliser une émission focalisée de faisceaux d'ultrasons. Par exemple, les cellules à émetteurs multiniveaux 32 situées dans la poignée 36 de la sonde peuvent être conçues pour produire une ou plusieurs des exemples de formes d'ondes multiniveaux représentés sur les figures 2 à 4. Le circuit de cadencement 46 d'impulsions produit de multiples signaux de commande d'émission à basse tension (c'est-à-dire de cadencement) qui sont transportés par les câbles coaxiaux 14 depuis le système électronique d'imagerie 10 jusqu'à la sonde 12. Lorsque les signaux de cadencement atteignent la poignée 36 de la sonde, ils sont acheminés vers des cellules à émetteurs multiniveaux individuelles 32 via la matrice de commutation basse tension 42, qui est reprogrammée avant chaque opération d'émission. L'acheminement des signaux est tel que tous les sous-éléments acoustiques 30 qui font partie d'un élément d'émission donné sont connectés les uns aux autres pour recevoir le même signal de commande d'émission basse tension. De même, tous les sous-éléments 30 qui font partie d'un élément de réception donné sont connectés les uns aux autres de façon que leurs signaux de réception contribuent au signal de réception net pour cet élément. Selon des modes de réalisation décrits ici, il y a une correspondance individuelle de chacune des cellules à émetteurs multiniveaux haute tension 32 avec chacun des sous-éléments acoustiques 30. Les signaux de commande d'émission basse tension sont acheminés par l'intermédiaire de la matrice de commutation basse tension 42. Une fois que les signaux de commande d'émission basse tension ont atteint une cellule individuelle 32, ils sont décodés et servent à commander les émetteurs multiniveaux locaux ou l'étage de sortie des cellules à émetteurs multiniveaux 32 pour commander des sous-éléments acoustiques individuels 30, comme décrit plus en détail plus loin en référence à la Fig. 6. Considérant maintenant la Fig. 6, il y est illustré l'architecture pour un réseau multiniveaux reconfigurable selon des modes de réalisation de la présente invention. De façon générale, l'architecture d'un réseau multiniveaux reconfigurable comprend des composants qui produisent des descriptions codées de formes d'ondes qui sont communiquées aux cellules à émetteurs multiniveaux 32 par l'intermédiaire de la matrice de commutation 42 située dans la sonde 12. Plus particulièrement, une commande 48 d'émission de formes d'ondes présente dans le dispositif électronique d'imagerie 10 produit des informations de commande dont des informations de cadencement 50 et des informations de formes d'ondes 52. Les informations de cadencement 50 indiquent le moment où l'émetteur ou le pulseur de forme d'onde

11 doit produire une impulsion. Les informations de formes d'ondes 52 indiquent l'allure de la forme d'onde à produire en indiquant à quels niveaux de tension ou d'intensité les pulsions doivent être émises. Les informations de commande de chaque conducteur ou canal électronique 16 sont ensuite codées par un codeur respectif 54 de forme d'onde sur chaque canal de façon à pouvoir être communiquées plus efficacement à la matrice de commutation 42. Bien que seulement deux canaux 16 soient illustrés, comme décrit plus haut, on peut prévoir n'importe quel nombre de canaux 16 (c'est-à-dire de 1 à k canaux). Une fois que les informations pour chaque canal 16 sont codées par un codeur respectif 54 de forme d'onde, elles sont acheminées via la matrice de commutation basse tension 42 présente dans la sonde 12. La matrice de commutation 42 sert à sélectionner des groupes de cellules à émetteurs multiniveaux, désignées collectivement par le repère 32 et désignées individuellement par le repère 58. Chaque cellule à émetteur multiniveaux respective 58 a un trajet exclusif 56 de cellule à émetteur qui est installé entre la matrice de commutation 42 et un sous-élément acoustique respectif 30 tel qu'un transducteur. Comme on le comprendra, on peut employer pour cela n'importe quel nombre souhaitable de cellules à émetteurs 58 (c'est-à-dire de 1 à N cellules d'émission).Chaque groupe de cellules à émetteurs 58 reçoit simultanément les mêmes informations de forme 52 de forme d'onde et de synchronisation 50. Après avoir quitté la matrice de commutation 42, les signaux de commande sont émis vers les différentes cellules à émetteurs multiniveaux 58. Selon des formes de réalisation de la présente invention, chaque cellule à émetteur multiniveaux 58 comprend un décodeur 60 de forme d'onde, une commande 62 d'émetteur et un étage d'émission ou de sortie multiniveaux 64. Le décodeur 60 de forme d'onde détaille les informations regroupées concernant le cadencement et l'allure de la forme d'onde et s'en sert pour les fournir à la commande 62 d'émetteur. La commande 62 d'émetteur génère les tensions de commande pour activer l'émetteur ou l'étage de sortie 64. L'émetteur 64 commande ensuite l'élément acoustique 30, ici un transducteur, à l'aide de la forme d'onde multiniveaux requise. Comme on le comprendra, divers modes de réalisation du décodeur 60 de forme d'onde, de la commande 62 d'émetteur et de l'étage 64 peuvent être employés selon des modes de réalisation de l'invention. On présentera plus amplement par la suite des détails de divers modes de réalisation du décodeur 60 de forme d'onde, de la commande 62 d'émetteur et de l'étage de sortie 64 ainsi que de leur fonctionnement.

12 Cependant, avant de décrire en détail diverses méthodes de codage/décodage (décodeur 60 de forme d'onde), de la commande 62 d'émetteur et de l'étage de sortie 64, on va illustrer en référence aux figures 7 à 9 et on va décrire de façon générale des exemples de modes de réalisation de la cellule à émetteur multiniveaux 58.

Considérant pour commencer la Fig. 7, un premier mode de réalisation de la cellule à émetteur multiniveaux 58 comprend un décodeur 60 de forme d'ondecomportant un comparateur 66 et un translateur de tension 68. Dans ce mode de réalisation, le comparateur 66 sert de décodeur. En outre, l'étage de sortie 64 comporte un transistor PMOS 70 et un transistor NMOS 72 montés chacun respectivement en série entre une source de tension et la masse. Comme on le comprendra, bien que la masse serve de référence, il est entendu que cette référence pourrait être remplacée par une alimentation négative égale à l'alimentation positive ou par une valeur différente de l'alimentation positive, sans changer la fonctionnalité du circuit. La commande 62 d'émetteur se comporte comme un régulateur de valeur de consigne de telle manière que la tension de sortie est comparée avec la tension de commande d'entrée et que toute erreur sert à amener la sortie à s'adapter à la tension de commande, comme le comprendront les spécialistes de la technique. Il est également entendu que les dispositifs de commande de sortie sont arrêtés une fois que la tension voulue est atteinte et, ainsi, ils ne sont pas soumis à une polarisation statique, ce qui économise une quantité considérable d'énergie en comparaison des circuits pulseurs multiniveaux selon la technique antérieure. La Fig. 8 illustre un deuxième mode de réalisation de la cellule à émetteur multiniveaux 58. Au lieu de prévoir une boucle de rétroaction entre l'étage de sortie 64 et le décodeur de forme d'onde 60, des convertisseurs numérique-analogique (CNA) 74 sont employés comme commande 62 d'émetteur pour commander l'étage de sortie 64 et l'émission vers le sous-élément acoustique 30. La Fig. 9 illustre un troisième mode de réalisation de la cellule à émetteur multiniveaux 58. Dans le mode de réalisation illustre sur la Fig. 9, la commande 62 d'émetteur comporte un commutateur 76 pour permettre la commutation entre quatre tensions de grille Vgsi à Vgs4 par rapport à la haute tension HVP de la source de tension, en fonction de la forme d'onde de commande d'entrée. Dans un mode de réalisation, par exemple, Vgsi = HVP-OV, Vgs2 = HVP-1,OV, Vgs3 = HVP-2,5V et Vgs4 = HVP-5V. La tension de grille est appliquée à un étage de sortie 64 à résistance de charge, comportant un transistor 78 et une résistance 80. La grille du transistor 78 est commandée par la tension de grille Vgsi. Dans ce cas, le transistor 78 est un transistor

13 à effet de champ à haute tension qui sert à moduler un courant appliqué à la résistance 80. La tension de sortie dans le transducteur 30 est celle apparue dans la résistance 80 du fait du courant d'excitation. De manière avantageuse, un étage de sortie 64, selon le présent exemple de mode de réalisation, peut être réalisé sous une forme très compacte et laissera passer un courant non négligeable pendant la phase d'émission, mais pourra être rendu bloquant pendant la phase de réception. Les modes de réalisation illustrés sur les figures 6 à 9 seront mieux compris avec une présentation plus complète de diverses techniques et modes de réalisation pouvant être employés en ce qui concerne le décodeur 60 de forme d'onde, la commande 62 d'émetteur et l'étage de sortie 64. Considérant tout d'abord le codage/décodage des données de forme d'onde (c'est-à-dire le codeur 54 et le décodeur 60), diverses techniques peuvent être employées. Par exemple, on peut recourir à la modulation de durée d'impulsion (MDI) pour coder/décoder les formes d'ondes. Dans la présente forme de réalisation, la durée d'une impulsion de commande peut représenter la quantité de courant à injecter à un instant donné par l'étage de sortie 64. Selon une autre possibilité, le codage/décodage peut être facilité à l'aide d'une forme d'onde de tension ou d'intensité analogique. Par exemple, le niveau de tension dans le signal codé est directement appliqué aux grilles des dispositifs de sortie d'émission ou par l'intermédiaire d'un réseau de décalage de niveau et de gain, et servir à moduler directement l'intensité de sortie en modifiant la tension de grille-source de ces dispositifs. La tension analogique peut être une description linéaire de la forme d'onde de sortie, ou bien elle peut être pré-déformée pour tenir compte de la caractéristique non linéaire Ids/Vgs des dispositifs de sortie.

Dans un autre exemple de mode de réalisation, des données numériques peuvent être employées pour le codage/décodage des formes d'ondes. Par exemple, de multiples bits de données numériques peuvent être émis simultanément pour chaque canal 16. Lorsque ces bits parviennent à la cellule à émetteur multiniveaux respective 58, ils sont décodés dans le décodeur 60 de forme d'onde et servent à faire un choix parmi un groupe de niveaux de tension pour commander l'étage de sortie 64. Des données numériques peuvent être émises sous n'importe quel format approprié, dont, mais de manière nullement limitative, un format série, un format parallèle ou de multiples formes d'ondes bipolaires, chaque forme d'onde codant pour un des bits commandant le signal de sortie, et l'impulsion positive codant pour 1 sortie positive tandis que l'impulsion négative code pour la sortie négative.

14 Dans un autre exemple de mode de réalisation, une émission découplée de données peut être employée pour le codage/décodage de forme d'onde. Ici, les informations de cadencement et de niveau sont émises séparément, comme décrit plus haut en référence à la Fig. 6. Les informations peuvent être envoyées simultanément, à différents instants ou de manière paramétrique. Par exemple, si les informations de cadencement et de forme d'onde sont envoyées simultanément, un signal de cadencement est émis sur une ligne de signal différente de celle des informations de forme d'onde. (On se reportera par exemple à la Fig. 6). Si des informations sont envoyées à différents instants, les informations de forme d'onde sont programmées à l'avance dans chaque cellule à émetteur 58, puis sont déclenchées par des signaux de cadencement ultérieurs. Si les informations sont envoyées de manière paramétrique, des paramètres de commande se propagent de manière séparée des informations de commande générale de forme d'onde et servent à configurer la forme d'onde en temps réel pendant la formation de l'image. En outre, comme on le comprendra, il est possible d'employer, selon des modes de réalisation de l'invention, une combinaison de n'importe lesquelles de ces techniques de codage/décodage. Considérant maintenant divers modes de réalisation de la commande 62 d'émetteur, la commande 62 d'émetteur peut comporter un régulateur de valeur de consigne, où la tension de sortie est comparée avec la tension de commande d'entrée et toute erreur sert à amener la sortie à adapter la tension de commande, comme illustré sur la Fig. 7. Dans un autre mode de réalisation, un CNA mis en oeuvre localement peut être utilisé dans chaque cellule à émetteur 58 pour convertir les signaux numériques de commande en tensions analogiques de commande qui peuvent servir à exciter l'étage de sortie, comme illustré sur la Fig. 8. Selon une autre possibilité, la commande 62 d'émetteur peut comporter un commutateur pour sélectionner localement une tension de sortie, comme illustré sur la Fig. 9. Comme décrit précédemment, la tension de commande d'entrée est décodée pour opérer un choix parmi un certain nombre de niveaux de tension de manière locale dans chaque cellule à émetteur multiniveaux 58 pour commander l'étage de sortie 64. Ces tensions sont générées globalement de façon optimale pour toute la matrice d'émetteurs afin d'améliorer le rapport signal/bruit et l'uniformité. A mesure que la tension de commande se propage dans la matrice de commutation 42, l'allure de sa forme d'onde est altérée du fait de la fonction de transfert des commutateurs eux-mêmes. Un décodage de cette forme d'onde imparfaite et une utilisation de celle-ci pour opérer

15 un choix parmi un certain nombre de sources de tension idéale, il est possible de réaliser une forme d'onde de sortie d'une grande qualité. Dans un autre mode de réalisation, un dispositif de décalage de niveau peut être employé. Dans ce mode de réalisation, le signal de commande sert à exciter directement les bornes de commande des dispositifs de sortie d'émetteurs dans l'étage de sortie 64. Dans ce cas, il peut être nécessaire de convertir le signal de commande afin qu'il puisse commander des dispositifs à haute tension du côté haut et du côté bas. Considérant maintenant l'étage de sortie 64, l'étage de sortie peut être constitué par une mémoire tampon/un amplificateur analogique. Selon le présent mode de réalisation, le signal de commande est amplifié ou mémorisé par l'étage de sortie 64 de manière à pouvoir commander les transducteurs 30. Il s'agit de l'étage de sortie le plus polyvalent 64, mais il peut pâtir d'une déformation du signal de commande due à la fonction de transfert du commutateur ainsi que d'une forte consommation d'énergie en raison de l'utilisation de circuits de sortie à polarisation statique. Pour économiser l'énergie, il peut être souhaitable de couper les circuits de sortie pendant la phase de réception. Dans un autre exemple de mode de réalisation, on peut employer un convertisseur numérique analogique (CNA). Un CNA local haute tension peut être employé pour convertir un signal de commande à codage numérique en sortie haute tension. Il est également possible d'utiliser un CNA basse tension suivi d'un amplificateur haute tension. Cette technique prend beaucoup de place et consomme beaucoup d'énergie, mais elle donne la représentation la plus précise de la forme d'onde de sortie. Selon une autre possibilité, illustrée sur la Fig. 9, un étage de sortie 64 à résistance de charge peut être employé. Comme décrit plus haut, un seul transistor à effet de champ haute tension de sortie T78 est employé pour moduler un courant qui est appliqué à une résistance 80. La tension de sortie dans le transducteur 30 est la même que la tension produite dans la résistance 80 du fait du courant d'excitation. Le circuit peut être réalisé sous une forme très compacte. Il prélèvera une quantité non négligeable de courant pendant la phase d'émission, mais il pourra être coupé à la réception. Selon une autre possibilité, un étage de sortie 64 à durées proportionnelles peut être employé. Selon ce mode de réalisation, les signaux de commande d'entrée pour l'étage de sortie 64 ont des proportions telles que la sortie ne produit un courant de commande que pendant un bref laps de temps (par exemple, 5 à 10

16 nanosecondes). Pendant ce court laps de temps, l'étage de sortie 64 charge la capacité de la charge, produite par le transducteur 30. Comme la charge est surtout capacitive (par exemple, à 90% ou plus), la tension de sortie augmente de manière à peu près linéaire avec le temps, aussi longtemps qu'un courant constant est présent. Lorsque le courant constant est coupé, la sortie reste à la valeur finale. Puisque le courant est maintenu constant, la tension finale de sortie peut être établie en fixant de manière appropriée le laps de temps pendant lequel le circuit de sortie reste passant. Bien que ce laps de temps soit court, il peut être produit localement à l'aide d'une chaine d'inverseurs, dans laquelle le temps de propagation des différents inverseurs peut servir à établir le retard voulu. Par exemple, la Fig. 10 illustre un exemple de commande 62 d'émetteur constitué par un circuit de production 82 de signal de commande comportant des chaines 84 d'inverseurs individuels 86 qui peuvent servir à produire de multiples niveaux de sortie pouvant être appliqués à un étage de sortie 64. Dans la présente forme de réalisation illustrée, le circuit 82 comprend trois chaines 84. Chaque chaine 84 produit une sortie à retard respectif (DELAY 1, DELAY 2 et DELAY 3). Un commutateur 88 sert à opérer un choix parmi les sorties à retard (DELAY 1, DELAY 2 ou DELAY 3), en fonction du niveau d'émission requis. Une porte ET logique 90 peut être utilisée pour combiner le signal produit par le décodeur 60 de forme d'onde avec l'inverse d'une sortie à retard choisie (DELAY 1, DELAY 2 et DELAY 3), qui peut être produite à l'aide d'un inverseur 92, afin de produire le signal de sortie (OUTPUT) servant à commander l'étage de sortie 64. La sortie de ce type de commande 62 d'émetteur n'est au niveau haut que lorsque l'entrée ainsi que la sortie à retard sélectionnées sont au niveau haut en même temps. Cela amène le courant de sortie à continuer à passer pendant un laps de temps prédéterminé très court qui peut être commandé avec précision, puisque le temps de propagation est un paramètre théorique bien connu. Comme illustré sur la Fig. 10, le laps de temps pendant lequel le courant de sortie est entraîné peut être accru par incréments proportionnels en ajoutant de nouveaux inverseurs.

Dans le circuit 82, le retard du signal de sortie (OUTPUT) de la commande 62 d'émetteur peut être choisi en commandant le sélecteur 88 pour sélectionner une sortie à retard (DELAY 1, DELAY 2 et DELAY 3) selon qu'un retard court est souhaitable (DELAY 1), un retard plus long est souhaitable (DELAY 2) ou un retard encore plus long (DELAY 3) est souhaitable. Lorsque le signal de sortie (OUTPUT) sert à mettre en marche un pulseur, ces trois signaux pourraient servir à opérer une

17 sélection parmi des sorties d'impulsions à niveaux de sortie bas, moyen et haut. Le même principe peut être étendu à autant d'incréments dans le retard de commande qu'il en faut pour réaliser une quantification très fine du signal de sortie en commande numérique. Bien que la commande d'impulsion puisse être générée localement pour chaque émetteur, il peut également être possible de produire un signal global sur la même puce que le réseau d'émetteurs, hors de la matrice d'émetteurs. Ce signal pourrait ensuite être amené à passer par une matrice de commutateurs basse tension et pourrait être appliqué aux émetteurs qui en ont besoin. Cependant, comme on le comprendra, les fronts à haute fréquence des impulsions très courtes peuvent être plus faciles à générer et émettre sur la puce plutôt qu'être générés par un dispositif hors puce. Dans un autre exemple de mode de réalisation, un étage de sortie à proportions de courant peut être employé. L'étage de sortie 64 est similaire à l'étage de sortie à proportions de durées, mais ici le laps de temps reste constant, tandis que le courant de sortie est commandé par la forme d'onde d'entrée. Le laps de temps peut être déterminé à l'aide des mêmes circuits que ceux décrits pour la solution à proportions de durée, mais avec un seul groupe à retard câblé. Par conséquent, conformément à la formule dV = I * dT / C, la tension de sortie apparaît dans la capacité (C) des transducteurs en fonction de la quantité de courant (I) qui est injectée par les dispositifs de sortie d'émetteurs. En ce qui concerne l'émetteur à proportions de durée, la forme d'onde de tension de sortie est construite à l'aide d'une série de transitions commandées d'un pas à un autre, comme dans l'étage de sortie de la Fig. 7. De manière avantageuse, l'étage de sortie 64 à proportions de durée et à proportions de courant peut être miniaturisé et consommer une énergie minime, puisque le courant n'est injecté que pour faire progresser la tension pas à pas. Il est également possible de combiner les étages de sortie à proportions de durée et à proportions de courant sous la forme d'un seul étage de sortie d'émetteurs qui peut être commandé soit en commandant le courant de sortie soit en commandant le laps de temps autorisé pour chaque pas du courant de sortie. Une souplesse complète à cet égard peut être assurée par le circuit illustré sur la Fig. 8.

Claims

REVENDICATIONS

1. Sonde (12) comprenant : une pluralité de sous-éléments acoustiques (30) ; et une pluralité de cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux, chacune des cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux étant couplée à un sous-élément acoustique respectif (30), et chacune des différentes cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux comportant : un décodeur (60) de forme d'onde configuré pour décoder une forme d'onde d'entrée ; une commande (62) d'émetteur configurée pour recevoir du décodeur (60) de forme d'onde une sortie décodée ; et un étage de sortie (64) configuré pour recevoir une sortie de la commande (62) d'émetteur et configuré en outre pour émettre une forme d'onde vers l'un, respectif, des différents sous-éléments acoustiques (30).

2. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle chacun des différents sous-éléments acoustiques (30) comprend un transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné (cMUT), un capteur au polyfluorure de vinylidène (PVDF), un capteur au tellurure de cadmium et de zinc (CZT), un transducteur piézoélectrique (PZT) ou un transducteur ultrasonore piézoélectrique micro-usiné (PMUT).

3. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle chacune des différentes cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux comporte un trajet d'émission configuré pour coupler électriquement le décodeur (60) de forme d'onde, la commande (62) d'émetteur et l'étage (64) de sortie respectifs sur le trajet.

4. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle le décodeur (60) de forme d'onde comporte un translateur (38) de tension configuré pour recevoir de l'étage de sortie (64) un signal d'entrée et comportant en outre un comparateur (66) configuré pour recevoir le signal de sortie du translateur (68) de tension et la forme d'onde d'entrée.

5. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte une pluralité de convertisseurs numérique-analogique (74).

6. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte un commutateur (76) configuré pour coupler l'étage de sortie (64) à l'une quelconque d'une pluralité de sources de tension. 19

7. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte un régulateur de valeur de consigne ou un dispositif de décalage de niveau.

8. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte un circuit qui active l'étage de sortie (64) pendant un court laps de temps prédéterminé et invariable durant lequel un courant variable est amené à passer jusqu'à l'étage de sortie (64) en proportion de la sortie décodée du décodeur (60) de forme d'onde.

9. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte un circuit qui active l'étage de sortie (64) en amenant un courant prédéterminé et fixe à circuler jusqu'à l'étage de sortie (64) pendant un laps de temps court et variable dont la durée est proportionnelle à la sortie décodée du décodeur (60) de forme d'onde.

10. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle la commande (62) d'émetteur comporte un circuit qui active l'étage de sortie (64) en amenant un courant variable proportionnel à un premier aspect de la sortie décodée du décodeur (60) de forme d'onde à circuler pendant un laps de temps court et variable dont la durée est proportionnelle à un deuxième aspect de la sortie décodée du décodeur (60) de forme d'onde.

11. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle l'étage de sortie (64) comporte un premier transistor (70) monté en série avec un deuxième transistor (72), le montage en série entre les premier et deuxième transistors (70, 72) étant couplé à l'un, respectif, des différents sous-éléments acoustiques (30).

12. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle l'étage de sortie (64) comporte un transistor (78) monté en série avec une résistance (80), le montage en série entre le transistor (78) et la résistance (80) étant couplé à l'un, respectif, des différents sous-éléments acoustiques (30).

13. Sonde (12) selon la revendication 1, comprenant en outre une matrice de commutation basse tension (42) configurée pour recevoir des informations de cadencement et de forme d'onde et configurée en outre pour émettre ces informations vers chacun des différents décodeurs (60) de forme d'onde.

14. Sonde (12) selon la revendication 1, dans laquelle chacun des différents sous-éléments acoustiques (30) réagit à l'une, correspondante, des différentes cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux. 20

15. Sonde (12) selon la revendication 1, comprenant une tête (34) de sonde et une poignée (36) de sonde, chacun des différents sous- éléments acoustiques (30) étant situé dans la tête (34) de sonde et chacune des différentes cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux étant située dans la poignée (36) de sonde.

16. Sonde (12) selon la revendication 1, comprenant une tête (34) de sonde et une poignée (36) de sonde, chacun des différents sous- éléments acoustiques (30) étant situé dans la tête (34) de sonde et chacune des différentes cellules (32, 58) à émetteurs multiniveaux étant également située dans la tête (34) de sonde, au voisinage immédiat des souséléments acoustiques (30).