FR2923612A1 - Dispositif d'insonification comprenant un reseau tridimensionnel d'emetteurs disposes en spirale apte a generer un faisceau d'ondes focalisees de grande intensite - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'insonification (1) d'un milieu, apte à générer un faisceau d'ondes focalisées autour d'un point d'une zone dite de focalisation utile pour l'imagerie du milieu ou la modification de propriétés du milieu, le dispositif d'insonification (1) comportant une structure porteuse intrinsèque ou extrinsèque sur laquelle est installé un réseau d'un nombre prédéfini de transducteurs ultrasonores (12) aptes à être commandés indépendamment pour la génération du faisceau d'ondes focalisé.Selon l'invention, les transducteurs (12) servant pour la génération du faisceau d'ondes focalisé sont situés le long d'au moins une spirale (11) enroulée sur une surface tridimensionnelle concave (10) dont la forme et la taille sont choisies pour permettre une focalisation optimale du faisceau à une longueur focale prédéterminée et dont la concavité est tournée vers la zone de focalisation
Description
Titre de l'invention Dispositif d'insonification comprenant un réseau tridimensionnel d'émetteurs disposés en spirale apte à générer un faisceau d'ondes focalisées de grande intensité.
Arrière plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs d'insonification aptes à générer un faisceau d'ondes focalisées en particulier dans le domaine fréquentiel des ultrasons.
De tels dispositifs d'insonification, bien souvent appelés sondes, sont utilisés pour réaliser l'imagerie d'un milieu ou encore pour modifier les propriétés de ce milieu. Par exemple, un dispositif d'insonification selon l'invention pourra être utilisé pour augmenter la température d'une zone bien précise correspondant à la zone de focalisation où l'on souhaite focaliser le faisceau d'ondes ultrasonores. Ces dispositifs peuvent être utilisés en particulier dans le domaine médical mais également dans les domaines de l'imagerie et de la communication sous-marine, de l'imagerie du sous-sol terrestre ou encore dans le domaine du contrôle non destructif de matériaux. Pour mettre en oeuvre la focalisation, il est connu d'utiliser N sources ultrasonores contrôlées indépendamment par voie électronique en phase et en amplitude de manière à ce que leur énergie globale connaisse un maximum local dans une zone de focalisation prédéterminée. Le placement des transducteurs par rapport au milieu et par rapport à la zone de focalisation, est important car il assure l'efficacité et la sécurité de l'action effectuée grâce au dispositif d'insonification, imagerie ou modification des propriétés du milieu. En effet, le champ diffracté par l'ensemble des transducteurs peut être modifié de façon significative en fonction du placement des transducteurs et de leur géométrie. Ainsi, lorsque les répartitions des transducteurs présentent des symétries, ceci engendre la présence de lobes de réseau importants. Cela dégrade la qualité de la focalisation. En particulier, des points n'appartenant pas à la zone de focalisation peuvent alors recevoir une énergie importante alors que, précisément, ces zones-là ne doivent pas être soumises à l'énergie émise par le dispositif d'insonification.
Aussi, le document Sparse Random Ultrasound Phased Array for Focal Surgery , Goss et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vo1.43, n°6, Novembre 1996, propose de générer un réseau de transducteurs selon une répartition quasiment aléatoire sur une surface tridimensionnelle concave, la seule condition étant de respecter une distance minimale entre les différents transducteurs.
La surface tridimensionnelle concave permet de réaliser une pré-focalisation à la focalisation électronique additionnelle qui sera ensuite réalisée en appliquant des retards de phase calculés individuellement à chaque transducteur. Cette application de retards de phase est utilisée couramment dans le domaine ultrasonore. Ces commandes sont réalisées à l'aide d'un nombre limité de voies électroniques indépendantes ce qui limite d'autant le nombre de transducteurs pouvant être implémentés dans les dispositifs d'insonification concernés par l'invention. La distribution aléatoire des transducteurs telle que décrite dans le document cité auparavant présente néanmoins l'inconvénient de proposer un remplissage non homogène pour l'ensemble des transducteurs sur la surface tridimensionnelle concave. En effet, certains transducteurs peuvent être placés très proches et d'autres bien plus éloignés. Cela conduit à une densité d'énergie émise localement hétérogène sur toute la surface d'émission. Une telle hétérogénéité du champ de pression conduit généralement à l'apparition de maxima d'énergie acoustique, également appelés points chauds . Ces maxima peuvent être importants à l'entrée du faisceau ultrasonore dans le milieu et peuvent engendrer des dommages irréversibles et non désirés dans le milieu ou à sa surface. Ils peuvent également être source de parasites renvoyés par le milieu lors de l'imagerie de celui-ci.
Les lobes de réseau apparaissent dès lors que les transducteurs, qui ne sont pas infiniment petits, sont séparés d'une distance supérieure à quelques fractions de longueurs d'ondes. Le nombre limité de commandes de transducteurs et la nécessité d'obtenir une sonde d'une taille suffisamment importante entraine nécessairement l'apparition de points chauds non désirés.
Un tel problème est exacerbé par la forme de la surface tridimensionnelle concave précisément adapté pour la focalisation.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a pour but principal de pallier les inconvénients des dispositifs d'insonification connus en proposant un dispositif d'insonification d'un milieu, apte à générer un faisceau d'ondes focalisées autour d'un point d'une zone dite de focalisation, utile pour l'imagerie du milieu ou la modification de propriétés du milieu, le dispositif d'insonification comportant une structure porteuse intrinsèque ou extrinsèque sur laquelle est installé un réseau d'au moins dix transducteurs ultrasonores aptes à être commandés indépendamment pour la génération du faisceau d'ondes focalisé, caractérisé en ce que les transducteurs actifs pour la génération du faisceau d'ondes focalisé sont situés le long d'au moins une spirale enroulée sur une surface tridimensionnelle concave dont la forme et la taille sont choisies pour permettre une focalisation optimale du faisceau à une longueur focale prédéterminée et dont la concavité est tournée vers la zone de focalisation. Dans un tel dispositif d'insonification, la répartition des transducteurs le long d'une spirale présente l'avantage de ne pas générer de symétrie, alors même qu'elle permet une distribution globalement régulière dans laquelle il est aisé de contrôler les distances entre les transducteurs.
Dans le cadre d'une répartition des transducteurs sur une surface tridimensionnelle, l'utilisation d'une spirale pour répartir les transducteurs permet de réaliser une insonification ne présentant pas de points chauds indésirables en champ proche tout en permettant de réaliser une focalisation optimale du faisceau à une longueur focale prédéterminée puisque soutenue par le caractère tridimensionnel du dispositif lui-même. L'utilisation d'une pré-focalisation géométrique permet d'obtenir un gain d'antenne important et d'optimiser l'intensité du faisceau ultrasonore au point focal. Cette pré-focalisation géométrique est réalisée en positionnant les transducteurs sur une surface tridimensionnelle en particulier sur une portion de sphère dont le centre coïncide avec le point focal ou bien sur une portion d'ellipsoide de révolution. Ainsi, selon une caractéristique particulière de l'invention, la surface tridimensionnelle est une portion de sphère de rayon égal à la longueur focale désirée.
Une telle caractéristique correspond à une adéquation, dans le but d'une focalisation, de la surface tridimensionnelle concave particulièrement simple et efficace puisque la zone de focalisation naturelle au vu de la géométrie du dispositif est alors le centre de la sphère. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les sources ultrasonores sont disposées le long d'au moins deux spirales concentriques enroulées sur la surface tridimensionnelle concave.
Dans ce mode de réalisation, l'utilisation de deux spirales concentriques enroulées symétriquement sur la même surface tridimensionnelle concave et servant pour répartir les transducteurs ultrasonores, permet de concentrer l'énergie émise par le dispositif d'insonification et cela au point de focalisation choisi. Ainsi qu'il a été observé par les inventeurs, cette caractéristique permet en outre de réduire de manière conséquente l'énergie des lobes secondaires observés en champ proche. En effet, avec l'utilisation d'une seule spirale, l'énergie émise se trouve majoritairement distribuée le long d'une spirale s'enroulant dans la direction du point focal. L'utilisation de deux spirales concentriques permet de distribuer l'énergie sur deux spirales donc de manière plus homogène avec une intensité localement plus faible. La multiplication des spirales concentriques utilisées, tout en préservant une répartition spatiale homogène des transducteurs le long des spirales, permet d'augmenter encore cet effet.
Avec une telle caractéristique, on constate que la répartition de l'énergie est plus homogène que dans le cas où une seule spirale est utilisée. Le nombre de spirales est avantageusement compris entre deux et vingt et, préférentiellement, entre sept et treize spirales. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la ou les spirale(s) est(sont) une(des) spirale(s) plane définie(s) dans un plan et projetée(s) sur la surface tridimensionnelle concave. La spirale plane peut être choisie parmi les spirales d'Archimède, exponentielles, en puissance d'angle etc. Différents types de projection peuvent être utilisés. Lorsqu'une ou des spirales d'Archimède sont utilisées et que la surface tridimensionnelle concave présente une concavité prononcée, la projection est alors préférentiellement stéréographique. Une projection orthogonale peut être avantageuse dès lors que la concavité n'est pas très prononcée. Cela permet de respecter une répartition homogène entre une partie centrale et une partie périphérique de la surface tridimensionnelle concave, en particulier lorsque cette surface est une portion de sphère. Selon une caractéristique distincte, la ou les spirales peuvent être des spirales sphériques, définies directement sur une sphère. Par exemple, les spirales de Clélia pourront être utilisées ainsi que les courbes tridimensionnelles définies par les coordonnées cartésiennes, ou 0 est la variable angulaire et R le rayon de la sphère: x = R cos mO cosO ; y = R cos mO sin O ; z = R sin mO . Cette caractéristique permet, dans le cas où une surface tridimensionnelle en portion de sphère est utilisée, que la spirale ne soit pas déformée lors de la projection sur la surface tridimensionnelle.
De manière générale, l'invention est mise en oeuvre à l'aide d'une structure porteuse extrinsèque. Cette structure comporte alors une surface tridimensionnelle concave selon les caractéristiques de l'invention et sur laquelle sont placés les transducteurs par incrustation dans des orifices prévus à cet effet. Les transducteurs sont alors contrôlables indépendamment et individuellement.
Dans un tel cas, les orifices sont réalisés au travers de la structure porteuse extrinsèque en suivant le trajet d'une ou de plusieurs spirales, ainsi que défini dans l'invention. Cependant, selon une caractéristique particulière de l'invention, la structure porteuse est intrinsèque et constituée d'un matériau piézoélectrique ou semi- conducteur dont la surface est tridimensionnelle et concave, le matériau piézoélectrique ou semi-conducteur étant divisé en une pluralité d'éléments transducteurs indépendants dont seuls certains, situés le long d'au moins une spirale enroulée sur la surface tridimensionnelle concave du matériau piézoélectrique ou semi-conducteur, sont activés pour la réalisation du faisceau focalisé. Avec une telle réalisation, on permet la constitution d'un dispositif d'insonification selon l'invention directement à partir d'un matériau piézoélectrique standard ou semi-conducteur, par exemple un dispositif CMUT (pour Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer en anglais), que l'on aura conformé sur une surface tridimensionnelle concave spécifiquement adaptée à la focalisation optimale du faisceau d'ondes à une longueur focale désirée. L'invention consiste alors à activer uniquement un certain nombre de zones du transducteur constitué de matériau tel que piézoélectrique ou semi-conducteur de manière à constituer des transducteurs élémentaires, ces zones du matériau piézoélectrique étant situées le long d'une ou de plusieurs spirales selon le principe de l'invention. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la répartition des transducteurs le long de la ou des spirales et le pas de la ou des spirales est déterminé de manière à assurer une répartition spatiale et homogène de l'énergie moyenne sur la surface tridimensionnelle concave.
L'homogénéité de la répartition des transducteurs est importante pour assurer l'efficacité et garantir la sécurité d'utilisation du dispositif d'insonification selon l'invention. Elle est assurée par plusieurs paramètres : le pas de la spirale, la distance entre deux transducteurs consécutifs sur une même spirale et entre deux spirales, le nombre de transducteurs à répartir, la taille du dispositif d'insonification et la nature de la projection effectuée si le dispositif est conçu à partir d'une spirale plane. Avantageusement, la distance minimale entre deux transducteurs est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes émises par le dispositif.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la taille de la surface tridimensionnelle concave est déterminée en fonction de la taille minimale de la tache focale désirée autour du point de focalisation. Dans la mesure où le nombre donné de transducteurs d'une dimension donnée utilisés est généralement restreint à un nombre de voies électroniques disponibles pour les commander individuellement, leur densité sera d'autant plus faible que la surface tridimensionnelle concave sur laquelle ils sont répartis sera grande. Ainsi, la taille de la surface tridimensionnelle concave est directement corrélée avec la taille minimale de tache focale désirée autour du point de focalisation. Aussi, le choix de la taille du dispositif d'insonification en fonction de la taille de la tache focale désirée est une caractéristique susceptible d'être protégée et particulièrement importante dans le contexte particulier où un nombre limité de commandes indépendantes peut être délivré. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la répartition des transducteurs le long de la ou des spirales étant déterminée, leur position centrée ou latérale par rapport à la courbe géométrique définie par la spirale est déterminée aléatoirement et indépendamment pour chaque transducteur de part et d'autre de la courbe géométrique de la spirale dans un segment géométrique perpendiculaire à la courbe de la spirale et d'une longueur inférieure ou égale à la longueur d'onde.
Avec une telle caractéristique, le placement des transducteurs dans un couloir entourant la structure linéique de la spirale fictive utilisée pour répartir les transducteurs et le caractère aléatoire de ce placement des transducteurs permettent d'introduire une rupture additionnelle de symétrie particulièrement avantageuse.
Les effets de cette rupture de symétrie sont particulièrement observables lorsque la focalisation se fait en angulation électronique hors de l'axe de la sonde, c'est-à-dire sur les axes Ox et Oy. En effet, dans ce cas où une loi de phase est appliquée sur les transducteurs pour déplacer le point de focalisation, on observe généralement un lobe symétrique de la tache focale par rapport à l'axe focal du transducteur défini par sa géométrie et ce lobe est précisément diminué de manière conséquente par l'introduction d'un caractère aléatoire dans le placement des transducteurs de part et d'autre de la structure linéique de la spirale.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective schématique d'un dispositif d'insonification selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe du dispositif d'insonification dans le plan (OXZ) de la figure 1 sur laquelle est explicité le principe de focalisation pour un dispositif d'insonification présentant une géométrie spécifiquement adaptée ; - la figure 3 donne un exemple de spirale plane ; - la figure 4 est un exemple de répartition des transducteurs sur une surface plane et représente une vue de face du dispositif d'insonification de la figure 1 et portant, selon l'invention, un réseau de transducteurs ultrasonores placés le long d'une spirale plane projetée sur le volume tridimensionnel du dispositif d'insonification ; - la figure 5 illustre la disparité de densité des transducteurs lorsqu'une spirale plane est projetée sur une surface tridimensionnelle ; - la figure 6 représente une spirale sphérique pouvant être utilisée dans la réalisation d'un dispositif d'insonification selon l'invention ; - la figure 7 représente une spirale plane d'équation en puissance d'angle particulièrement adaptée à une projection orthogonale sur une surface tridimensionnelle concave ; -la figure 8 est une vue de face d'un dispositif d'insonification selon l'invention portant un réseau de transducteurs placé le long de deux spirales concentriques projetées sur la surface tridimensionnelle du dispositif d'insonification ; - la figure 9 représente l'énergie reçue dans le milieu en champ proche exprimée en décibels par rapport à l'énergie au point focal, autour de l'axe focal en fonction de la distance au point focal pour un dispositif d'insonification de l'art antérieur et pour deux modes de réalisations d'un dispositif d'insonification selon l'invention ; - la figure 10 représente le rapport entre la puissance maximale des lobes secondaires dans le plan focal et la puissance au point focal en fonction de la distance d'angulation, par exemple sur l'axe Oy, exprimée en mm ; - les figures 11a, iib, 11c et 11d illustrent divers principes d'amélioration du dispositif d'insonification présenté auparavant, elles représentent respectivement quatre spirales d'Archimède concentriques, quatre spirales à puissance d'angle concentriques, quatre spirales sphériques concentriques et enfin la répartition des transducteurs le long des quatre spirales représentées sur la figure 11c ; - les figures 12a et 12b représentent schématiquement deux répartitions d'un même nombre de transducteurs sur onze spirales concentriques pour deux surfaces tridimensionnelles concave d'ouvertures et de tailles distinctes ; - la figure 13 représente l'énergie reçue dans le milieu en champ proche exprimée en décibels par rapport à l'énergie au point focal, autour de l'axe focal en fonction de la distance au point focal pour un dispositif d'insonification de l'art antérieur et pour quatre modes de réalisations d'un dispositif d'insonification selon l'invention ; - la figure 14 illustre le principe d'introduction d'un caractère aléatoire dans le placement des transducteurs de part et d'autre de la structure linéique définie par la spirale.
Description détaillée des modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif d'insonification 1 selon l'invention. Dans ce mode de réalisation illustratif de l'invention, le dispositif d'insonification 1 comporte une surface tridimensionnelle concave 10 en forme de portion de sphère de centre O sur laquelle est enroulée une spirale 11 le long de laquelle sont placés N transducteurs 12 à intervalles réguliers. On remarque que la spirale 11, représentée sur cette figure, n'est en réalité qu'un élément fictif uniquement matérialisée dans la réalité par la répartition des transducteurs 12.
La concavité de la surface tridimensionnelle concave 10 est tournée vers une zone de focalisation dite naturelle du dispositif d'insonification 1 qui est ici la zone équidistante de tous les transducteurs 12, c'est-à-dire la zone entourant le centre O de la sphère portant la surface tridimensionnelle concave 10. Le principe de focalisation et celui de la localisation de la zone de focalisation naturelle est illustrée sur la figure 2, représentant une coupe du dispositif d'insonification 1 de la figure 1 dans le plan (OYZ). Sur cette figure, chaque transducteur 12 provoque un champ de pression sensiblement conique. Chaque transducteur 12 étant placé sur la surface tridimensionnelle concave 10 en forme de sphère, ils sont tous orientés vers le centre O de cette sphère et génèrent donc un champ de pression maximum au voisinage de ce point O. On définit alors une zone de focalisation 20 autour de ce point focal O. La géométrie du dispositif d'insonification 1 est donc particulièrement adaptée à l'insonification de cette zone de focalisation 20. La distance à laquelle cette zone de focalisation 20 se situe par rapport au dispositif d'insonification 1 est préalablement choisie et la courbure, ou, ici, le rayon R, de la surface tridimensionnelle concave 10 est alors choisie en fonction d'une longueur focale voulue lors de la conception du dispositif d'insonification 1. Ensuite, les techniques bien connues d'introduction de retards de phase individuellement calculés dans les signaux émis par chacun des transducteurs 12 permettent de déplacer la zone de pression maximale au voisinage de la zone de focalisation naturelle 20 représentée sur la figure 2. Une certaine latitude est alors offerte par le dispositif d'insonification 1 selon l'invention pour déplacer la zone de pression maximale selon l'axe Z et/ou selon les axes X et Y. Les déplacements de la zone de pression maximale le long des axes OX, OY et OZ correspondent à la mise en oeuvre d'une angulation électronique du faisceau d'ondes focalisées. Comme schématisé sur la figure 1, afin de contrôler l'émission des transducteurs 12 de manière indépendante, le dispositif d'insonification 1 est relié à un module de contrôle 13. Ce module de contrôle 13 comprend un nombre N de voies électroniques chacune apte à contrôler de manière individuelle un des N transducteurs 12 du dispositif d'insonification 1 représenté sur la figure 1. Chaque transducteur 12 étant généralement contrôlable en phase cp et en amplitude A, le module de contrôle 13 est alors apte à envoyer N signaux S1(A,(p) à SN(A,(p). Le nombre N de voies électroniques indépendantes disponibles à la date du dépôt de la demande de brevet est généralement de 512. Néanmoins, le principe de l'invention reste valable quel que soit ce nombre N même s'il est augmenté dans le futur dès lors que la distance entre deux transducteurs n'est pas inférieure à une longueur d'onde. On sait d'ailleurs que la distance entre les transducteurs est généralement supérieure à une longueur d'onde puisqu'il est nécessaire d'utiliser des transducteurs assez larges pour générer une énergie ultrasonore suffisamment importante au point focal avec un nombre limité de transducteurs. De tels transducteurs présentent alors des tailles supérieures à quelques longueurs d'ondes et leurs centres sont donc au moins séparés de leur taille qui est supérieure à la longueur d'onde. Par exemple, des transducteurs de 6 mm de diamètre peuvent être utilisés, ce qui correspond déjà à quatre fois la longueur d'onde quand les transducteurs fonctionnent avec une fréquence de 1 MHz dans de l'eau ou des tissus mous. La figure 3 propose un exemple de spirale plane 30 à pas constant. Ces spirales sont connues sous le nom de spirales d'Archimède. Dans une telle spirale, la distance d entre deux points consécutifs définis par l'intersection d'un axe (OX) ou (OY) avec la spirale 30, est toujours constante. L'équation de la spirale est p =a8 +b avec p, rayon polaire et 8, l'angle considéré. a désigne le pas de la spirale. La valeur de b correspond au point de départ de la spirale 30. Ce point de départ est le centre de la spirale lorsque b=0 ce qui est le cas sur la figure 3. Selon l'invention, les N transducteurs 12 sont alors répartis le long de cette spirale 30. Comme vu précédemment, le nombre N de transducteurs 12 est généralement défini à partir du nombre de voies électroniques indépendantes offertes par le module de contrôle 13.
La distance entre deux transducteurs 12 consécutifs sur la spirale est choisie de manière à respecter la distance physique minimale entre les deux transducteurs 12 et une répartition homogène des transducteurs 12 sur la surface tridimensionnelle 10. Cette répartition homogène tient compte du pas a de la spirale 30 qui définit la distance minimale observée entre deux transducteurs 12 portés par deux spires successives de la spirale 30 sur une même droite passant par le centre de la spirale 30. Le pas de la spirale 30 ainsi que la répartition des transducteurs 12 le long de cette spirale 30 sont donc définis en fonction de la taille globale du dispositif d'insonification 1 et du nombre N de transducteurs pouvant être commandés de manière indépendante. En effet, pour respecter l'homogénéité de la répartition des transducteurs 12, ceux-ci sont avantageusement séparés les uns des autres par une distance constante et identique sur l'ensemble de la surface tridimensionnelle. Ceci implique que le pas de la spirale soit sensiblement identique à la distance séparant deux transducteurs 12 consécutifs portés par la spirale 30.
Ceci est illustré sur la figure 4 où N= 512 transducteurs sont placés sur une spirale plane 30. Dans une réalisation de l'invention, cette répartition des transducteurs 12 est projetée sur la surface tridimensionnelle concave 10 du dispositif d'insonification 1.
La figure 5 présente le principe d'une projection orthogonale sur une surface tridimensionnelle concave 10 en forme de calotte sphérique. On constate alors que la zone centrale ZC de la calotte sphérique et la zone périphérique ZP présentent alors nécessairement des concentrations en transducteurs 12 distinctes.
La partie de la calotte sphérique centrale ZC présentera une concentration élevée de transducteurs 12, alors que la partie périphérique ZP présentera des transducteurs 12 plus éloignés puisque les spires de la spirale 30 s'éloignent lors de la projection. La concentration en transducteurs 12 en périphérie est donc plus faible. Cette inhomogénéité de la répartition des transducteurs 12 entraîne une concentration de l'énergie émise au niveau de la zone centrale ZC de la calotte sphérique. L'accumulation d'énergie au niveau de la zone centrale ZC peut causer des dommages dans le milieu ou en surface de celui-ci. On peut effectivement observer des zones où l'intensité d'énergie reçue engendre un échauffement en surface du milieu qui se situe dans le champ proche du dispositif 1. La spirale 30 de la figure 3 peut également être projetée selon une projection stéréographique inverse sur la surface tridimensionnelle concave 10. Le point de référence de la projection est alors choisi avantageusement comme se trouvant sur la sphère incluant la surface tridimensionnelle concave 10.
La projection stéréographique permet une meilleure répartition des transducteurs 12 entre partie centrale ZC et partie périphérique ZP de la surface tridimensionnelle concave 10. Dans une seconde réalisation, une spirale sphérique 60 telle que représentée sur la figure 6 est directement utilisée pour placer les transducteurs 12 sur la surface tridimensionnelle concave 10 en portion de sphère du dispositif d'insonification 1.
La figure 6 présente une spirale de Clélia 60. L'équation de cette spirale 60 correspond au mouvement d'un point M tournant à une vitesse constante autour de l'axe polaire d'une sphère sur la surface de celle-ci. En coordonnées cartésiennes, les équations ci-dessous définissent ce mouvement et donc la spirale 60 : x=RcosmOcosO; y=RcosmOsinO; z=RsinmO Ces équations sont données pour x, y et z, coordonnées cartésiennes du point M, R rayon de la sphère, O angle du point M dans le plan XOY. m est un paramètre permettant de fixer l'aspect global du volume obtenu. Dans le cas de la figure 6, le paramètre m est choisi de manière à pouvoir obtenir une spirale sphérique. De manière similaire à ce qui a été décrit précédemment, une portion de cette spirale sphérique 60, correspondant à la portion de sphère de la figure 1, est alors utilisée pour placer les N transducteurs 12. La répartition surfacique des transducteurs 12 alors obtenue est bien uniforme entre la partie centrale ZC et la partie périphérique ZP de la portion de sphère. La distance entre deux spires successives de la spirale se trouve effectivement être constante lorsque l'on suit un périmètre de la sphère passant par le centre de la spirale 60 alors qu'elle augmentait dans le cas de la projection de la spirale plane 30 sur la surface tridimensionnelle 10. Dans une troisième réalisation, illustrée sur la figure 7, vu que l'utilisation d'une projection orthogonale a pour effet de dilater la périphérie du réseau de transducteurs 12 placés sur une spirale plane d'Archimède, une spirale plane d'équation en puissance d'angle peut être utilisée de manière à obtenir une spirale plane 70 dilatée au centre et resserrée en périphérie. L'équation d'une telle spirale s'écrit : p =a.Ob Lorsqu'une telle spirale 70 est projetée orthogonalement, le pas de la spirale sphérique obtenue se trouve pouvoir être sensiblement constant permettant une répartition homogène sur la surface tridimensionnelle concave 10. Le choix des paramètres a et b permet précisément d'adapter la forme de la spirale 70 à la courbure de la surface tridimensionnelle concave 10. De manière générale, la répartition des transducteurs 12 selon le principe de l'invention, c'est-à-dire le long d'une spirale tridimensionnelle, présente l'avantage de ne générer aucune symétrie tout en permettant une distribution régulière et homogène des transducteurs. Dans cette distribution, il est possible de contrôler les distances entre les transducteurs 12 avec le pas de la spirale et la distance entre deux transducteurs 12 consécutifs sur la spirale. La figure 8 représente un mode de réalisation amélioré de l'invention. Selon ce mode de réalisation, deux spirales concentriques sont utilisées pour définir la répartition des N transducteurs 12. Le nombre N=512 est identique à celui de la figure 4. Les deux spirales sont symétriques par rapport à un axe vertical et débutent donc leur enroulement à 180° l'une de l'autre. L'utilisation de ces deux spirales permet de recentrer le centre de gravité de l'énergie globalement émise par le dispositif d'insonification de la figure 4 pour un même nombre de transducteurs. Dans ce mode de réalisation amélioré de l'invention, il est possible d'utiliser comme base de répartition des transducteurs chacun des types de spirales évoqués précédemment, planes, d'équations et de projections diverses, ou sphériques. L'angle de départ des spirales ainsi que leur pas sont adaptés afin qu'elles ne se chevauchent pas et afin d'obtenir une répartition homogène des transducteurs, la distance entre deux transducteurs 12 consécutifs sur une même spirale étant sensiblement égale à la distance entre les spires adjacentes des deux spirales. La figure 9 montre les caractéristiques du champ proche pour trois types de répartition des transducteurs 12 en spirale simple 1S, en répartition quasi aléatoire QR et en spirale double 2S. Les courbes représentent l'énergie E observée en fonction de la distance au point focal DF. On constate la présence d'un lobe secondaire LS approximativement similaire pour le dispositif d'insonification présentant une spirale simple 1S et pour le dispositif d'insonification présentant une répartition quasi aléatoire QR des transducteurs 12. En revanche, on observe que l'utilisation d'une double spirale 2S permet de diminuer significativement, voire de supprimer, un tel lobe secondaire LS. La figure 10 représente la puissance relative PR maximum des lobes observés dans le plan focal en décibels par rapport à l'amplitude de la pression au point focal en fonction de l'angulation A, par exemple sur l'axe Oy, exprimée en mm. Ces puissances relatives PR correspondent à trois réalisations, deux selon l'art antérieur et une selon l'invention. La première correspond au cas d'un dispositif portant des transducteurs disposés de manière annulaire AN, la seconde au cas où les transducteurs sont disposés sur une spirale simple 1S selon l'invention et la troisième au cas où les transducteurs sont disposés de manière quasi aléatoire. On constate que la disposition des transducteurs selon une ou des spirales permet d'observer un comportement à l'angulation similaire aux comportements observés avec les dispositions connues de transducteurs. En ce qui concerne la puissance absolue des lobes secondaires hors cas d'angulation, la multiplication des spirales concentriques entraine une diminution des lobes d'énergie secondaires de manière inattendue. Ainsi, dans les réalisations préférentielles de l'invention, le nombre de spirales concentriques est augmenté. L'augmentation du nombre de spirales sur lesquelles les transducteurs sont répartis entraine une distribution de l'énergie spatialement plus homogène. Cela a une incidence inattendue et prononcée sur l'importance des lobes secondaires. Les figures lia et iib représentent respectivement quatre spirales d'Archimède et quatre spirales à puissance d'angle concentriques et équidistantes entre elles. Pour réaliser le dispositif d'insonification selon l'invention, ces spirales sont ensuite projetées sur la surface tridimensionnelle concave 10 et les transducteurs sont placés le long de ces spirales. Les figures 11c et 11d représente respectivement, en perspective, quatre spirales sphériques de Clélia concentriques présentant la même distance entre elles et une répartition d'un réseau de N transducteurs sur ces quatre spirales. Les figures 12a et 12b représentent en perspective deux sondes de tailles différentes, sur lesquelles sont implémentés N= 512 transducteurs placés le long de onze spirales concentriques. Ici, les onze spirales concentriques sont obtenues par projection orthogonale de onze spirales d'Archimède sur la surface tridimensionnelle concave. Le dispositif d'insonification de la figure 12a présente un diamètre global de 180 mm, alors que le dispositif d'insonification de la figure 12b présente un diamètre global de 300 mm. Leurs rayons de courbure sont identiques. Le nombre de transducteurs étant identiques, du fait de la projection et de l'augmentation de la surface, ils sont donc globalement plus éloignés l'un de l'autre sur la figure 12b que sur la figure 12a. On observe très clairement sur ces répartitions des transducteurs obtenues avec une projection orthogonale de onze spirales planes sur une surface tridimensionnelle concave que, plus la sonde présente un diamètre global important, plus le problème de la disparité de la distance entre les transducteurs entre la zone centrale ZC de la surface tridimensionnelle concave 10 et sa zone périphérique ZP est crucial. En effet, en périphérie de la sonde de la figure 12b, on observe que les transducteurs 12 sont bien plus éloignés entre transducteurs portés par deux spirales distinctes qu'entre transducteurs successifs portés par la même spirale. Ce sera dans ce contexte que l'utilisation de spirales sphériques ou de la projection stéréographique de la spirale plane ou encore d'une projection orthogonale d'une spirale en puissances d'angle sera la plus utile. La figure 13 représente la répartition d'énergie dans le champ proche pour un dispositif d'insonification présentant une seule spirale 1S, présentant une répartition quasi aléatoire QR des transducteurs 12, une répartition des transducteurs sur sept spirales 7S, sur onze spirales 11S, ainsi que sur seize spirales 16S. On constate que la diminution des lobes secondaires est plus prononcée pour les dispositifs d'insonification présentant une répartition des transducteurs sur onze spirales 11S ou sur seize spirales 16S. On constate que l'énergie est effectivement mieux répartie dans ces deux derniers cas. Pour diminuer l'apparition des lobes secondaires, il a été découvert selon l'invention qu'il est efficace d'introduire un élément aléatoire dans le placement des transducteurs de part et d'autre de la structure linéique définie par la spirale.
La figure 14 illustre cette caractéristique. Cette figure représente deux portions de spires d'une spirale 30. Une fois les emplacements théoriques des transducteurs 12i, 12i+1 et 12j définis sur le trajet des spirales pour assurer une répartition spatiale homogène des transducteurs et représentés par des croix, la position réelle des transducteurs est définie aléatoirement dans la surface définie par un disque C12i, C12i+1, C12j dont le centre est déterminé par les emplacements théoriques des transducteurs. Le rayon du disque est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes émises par les transducteurs dans le milieu de focalisation. Avantageusement, la latitude de placement aléatoire des transducteurs de part et d'autre de la spirale est limitée à une longueur d'onde de chaque coté de la structure linéique de la spirale. Cette caractéristique introduit une rupture additionnelle de symétrie bénéfique du point de vue de la répartition spatiale de l'énergie émise par le dispositif d'insonification. Il se trouve que cette rupture de symétrie produit d'autant plus de résultat que l'angulation du faisceau est importante. On limite en alors en effet l'apparition en champ proche de lobes symétriques du faisceau par rapport à l'axe focal naturel du dispositif d'insonification. On remarque enfin que diverses mises en oeuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.
Claims (13)
1. Dispositif d'insonification (1) d'un milieu, apte à générer un faisceau d'ondes focalisées autour d'un point d'une zone dite de focalisation (20), utile pour l'imagerie du milieu ou la modification de propriétés du milieu, le dispositif d'insonification comportant une structure porteuse intrinsèque ou extrinsèque sur laquelle est installé un réseau d'un nombre prédéfini de transducteurs ultrasonores (12) aptes à être commandés indépendamment pour la génération du faisceau d'ondes focalisé, caractérisé en ce que les transducteurs (12) servant pour la génération du faisceau d'ondes focalisé sont situés le long d'au moins une spirale (11) enroulée sur une surface tridimensionnelle concave (10) dont la forme et la taille sont choisies pour permettre une focalisation optimale du faisceau à une longueur focale prédéterminée et dont la concavité est tournée vers la zone de focalisation (20).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface tridimensionnelle (10) est une portion de sphère de rayon (R) égal à la longueur focale désirée.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources ultrasonores (12) sont disposées le long d'au moins deux spirales concentriques enroulées sur la surface tridimensionnelle concave.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre de spirales est compris entre deux et vingt.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre de spirales est compris entre sept et treize spirales.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les spirale(s) est(sont) une(des) spirale(s) plane définie(s) dans un plan et projetée(s) sur la surface tridimensionnelle concave (10).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les spirale(s) (11) est(sont) choisie(s) parmi les spirales d'Archimède, exponentielles, en puissance d'angle.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les spirale(s) (11) est(sont) une(des) spirale(s) sphérique(s) définie(s) sur une sphère.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ou les spirale(s) (11) est(sont) choisie(s) parmi les spirales de Clélia, les courbes tridimensionnelles définies par les coordonnées cartésiennes, ou 9 est la variable angulaire et R le rayon de la sphère: x = R cos mO cosO ; y = R cos mO sin O ; z = R sin mO .
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure est intrinsèque et constituée d'un matériau piézoélectrique ou semi-conducteur dont la surface (10) est tridimensionnelle et concave, le matériau piézoélectrique ou semi-conducteur étant divisé en une pluralité d'éléments transducteurs indépendants dont seuls certains (12), situés le long d'au moins une spirale (11), enroulée sur la surface tridimensionnelle concave (10) du matériau piézoélectrique ou semi-conducteur, sont activés pour la réalisation du faisceau focalisé.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la répartition des transducteurs (12) le long de la ou des spirales (11) est déterminée de manière à assurer une répartition d'énergie moyenne spatialement homogène sur la surface tridimensionnelle concave (10).
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille et la forme de la surface tridimensionnelle concave (10) est déterminée en fonction de la taille minimale et la forme de la tache focale (20) désirée autour du point de focalisation (0). 30
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la répartition des transducteurs (12) le long de la ou des spirales (11) étant déterminée, la position du centre des transducteurs (12i) est ajustée aléatoirement dans la surface définie par un disque (C12i) dont le centre est la 35 position initiale du centre du transducteur (12i) préalablement déterminée et le rayon est inférieur ou égal à la longueur d'onde dans le milieu de focalisation.25
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