Fonction détection

Dans un premier temps, il faut produire le signal qui va sonder le milieu et de récupérer l’écho réfléchi par les tissus rencontrés, sur toute la zone étudiée. Il faut réaliser les sous-fonctions émission et réception qui se font par l’intermédiaire d’un transducteur (partie acoustique). La sous-fonction balayage du milieu est réalisée par un moteur qui permet d’orienter le transducteur dans différentes directions (partie mécanique). Les commandes de ces sous-fonctions sont décrites dans la partie électronique.

analyse fonctionnelle de la partie détection

Réalisation de la partie acoustique

Transducteur

conversation électromécanique

Un transducteur à ultrasons permet de convertir un signal électrique en un signal ultrasonore et inversement. Ceci est permis par l’intermédiaire d’un matériau piézo-électrique, qui a la capacité de se dilater et se contracter lorsqu’on lui applique une différence de potentiel. Le milieu qui entoure le piézoélectrique est alors affecté par cette déformation, et une onde s’y propage, comme lorsqu’on fait tomber une pierre dans l’eau. On peut ainsi créer une onde acoustique (ultrasonore-quelques MHz) à partir d’une différence de potentiel (partie émission). Réciproquement, lorsque le matériau piézoélectrique est déformé (quand une onde acoustique le traverse par exemple) une différence de potentiel apparaît entre ses deux faces. La déformation du milieu est traduite par un signal électrique: le piézoélectrique fait alors office de capteur (partie réception).

Le piézoélectrique peut être traité comme un réseau à trois ports, avec deux ports mécaniques représentant l'avant et l'arrière de l'élément piézo-électrique ainsi que d'un port électrique représentant la connexion électrique de l'élément piézo-électrique à l'électronique du système [11], [12]. Le choix du piézoélectrique est important: il fixe la fréquence des ultrasons émis. Celle-ci correspond au gain maximal dans le spectre d’émission\/réception du transducteur donné par le fabricant, eti dépend de la géométrie du matériau. La fréquence va déterminer la profondeur de pénétration de l’onde. Plus la fréquence est élevée, plus l’atténuation est importante pour une même distance.

Table 3: Profondeur maximale de l'exploration échographique pour différentes fréquences [2].

Lorsqu’il n’est pas en train d’émettre un signal, le transducteur passe en mode écoute: l’onde émise va être réfléchie, réfractée, dispersée et absorbée par les tissus. Une partie du signal émis est ainsi renvoyée dans la direction de la sonde et fait vibrer le transducteur, qui va convertir ce signal mécanique en signal électrique.

Le matériau piézoélectrique excité par un pulse analogique vibre de part et d’autre de ses faces, or l’onde qui est recherchée est celle qui se propage vers le milieu à explorer. Il faut donc absorber l’onde se propageant dans l’autre direction, d’autant plus qu’elle peut brouiller le signal si elle se réfléchit et revient vers le capteur piézoélectrique. Cette atténuation se fait à l’aide d’un backing.

ondes se propageant de part et d'autre du piézoélectrique

Il y a désadaptation d’impédance entre le piézoélectrique et le milieu à explorer. Pour éviter des pertes d’énergie par réflexion à l’interface entre ces deux milieux, on dispose d’une couche d’adaptation d’impédance disposée sur la surface du piézoélectrique orientée vers le milieu à explorer.

Enfin, il faut assurer la focalisation du faisceau d’onde. Pour les dispositifs usuels qui sont composés d’une rangée de transducteurs, la focalisation se fait par interférences entre les différentes ondes [13]. Cependant lorsqu’il n’y a qu’une seule source d’émission (cas d’EchOpen), on ne peut créer d’interférences. La focalisation se fait avec la forme même de la sortie. Une forme concave permet de focaliser le faisceau. La distance focale est déterminée en fonction de la fréquence caractéristique du piézoélectrique, qui est liée à la profondeur de pénétration. Cette forme concave peut être obtenue grâce au matériaux piézoélectrique lui-même, la couche d’adaptation d’impédance, ou une lentille.

Fonctionnement du transducteur [14], [15]

Sélection du matériau piézoélectrique

Le composant le plus important du transducteur est l'élément piézoélectrique. Beaucoup de matières actives différentes peuvent être utilisées dans la conception d’un transducteur ; tous ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les différents matériaux piézo-électriques utilisés sont les piézoceramics [16], [17], les polymères piézoélectriques [18], [19], et les monocristaux [20]. Les polymères piézo-électriques tel que le poly (fluorure de vinylidène) PV [PVDF] et co-polymère (DFTrFE) ont une faible impédance acoustique (~ 4 MRayl) qui est idéal pour l’adaptation d’impédance acoustique entre le transducteur et le tissu humain (~ 1,5 MRayl).[21] Comme chaque matériau piézoélectrique a une fréquence de résonance propre qui détermine la profondeur de pénétration, on peut disposer plusieurs transducteurs sur la sonde afin d’avoir un éventail de fréquences de travail. La qualité du matériau est importante: il faut que la réponse électromécanique varie peu d'un milieu à l'autre.

comparaison des propriétés de différents matériaux piézoélectriques

Sélection du backing

On cherche à atténuer au maximum les ondes se propageant du mauvais côté du piézoélectrique. Il faut pour cela un matériau fortement inhomogène. Les résultats de Desilet et al [22] et expériences d’EchOpen montrent qu’il faut privilégier un matériau de faible impédance. (de 3 à 5 MRayl) pour améliorer la forme du pulse.

Sélection de l’adaptation d’impédance

Elle permet d’éviter une réflexion de l’onde à l’interface piézoélectrique\/surface à sonder. La valeur de l’impédance du milieu d’adaptation, dans le case de régime impulsionnel, pour une seule lame d’adaptation, doit vérifier:

Les lames généralement utilisées sont des lames quart d’onde: l’épaisseur correspond au quart de la longueur d’onde caractéristique du piézoélectrique dans le milieu de propagation à explorer.

Réalisation de la partie mécanique

Sonde à balayage

Lorsque les ultrasons ne sont envoyés que dans une seule direction (un seul transducteur, un seul tir), l’échographe n’obtient qu’une ligne d’image. Afin d’avoir une image complète, il faut effectuer un balayage sur la surface à échographier. Si, autrefois, c’était au praticien de faire le balayage, de nos jours les sondes le font automatiquement. C'est grâce à l'automatisme du balayage que l'on dit souvent que l'échographie est "dynamique".

Moteur

Le moteur permet d’effectuer le balayage de la surface à explorer. Il faut adapter le type de moteur au balayage choisi [23]. On fixe le (ou les) transducteurs sur la tête du moteur. Il faut savoir qu'un balayage oscillant par le moteur implique des accélérations et des décelerations qui bruitent le signal. On peut néanmoins transformer la rotation du moteur en mouvement pendulaire.

Le moteur utilisé doit être asservi en vitesse, angle, précision angulaire. Un moteur à courant continu peut être utilisé, à condition d’avoir un bon encodeur pour toujours connaître précisément la position. Le moteur synchrone pas-à-pas est moins contraignant en terme d’asservissement et permet une grande précision angulaire, car on peut faire des micro-pas.

vitesse de balayage: constante, 7,5 tours\/sec
déplacement: horaire et anti-horaire (oscillations)
précision: de 30 à 1060 pas en 60°

exemple de cahier des charges

Réalisation de la partie électronique

Alimentations

Alimentation générale

Pour les tests, il faut privilégier une alimentation continue de laboratoire plutôt qu’une pile. En effet le débit de courant étant contrôlé, on évite de griller les composants au cours du montage avec une telle alimentation. En revanche, le pile sera préférable à terme, une fois la sonde fonctionnelle, car il y a moins de bruits.

Circuit d’adaptation

Tous les composants qui seront utilisés par la suite ne fonctionnent pas à la même tension, il faut donc un circuit pour diviser la tension d’entrée qui est de l’ordre de 18V.
Fonction attendue, exemples de valeurs.

Commande du moteur

Le moteur est commandé par un microcontrôleur, qui intervient dans d’autres sous-fonctions afin de synchroniser les sous-fonctions. Par exemple l’émission du pulse et la commande du moteur peuvent être synchronisées. Il faut faire attention au courant d’alimentation au cours des tests pour ne pas griller le moteur!

Fonction attendue

Commande du pulse

Fonction attendue

Circuit haut voltage

Pour produire le pulse qui va simuler le piézoélectrique, il faut atteindre -100V car le gain de la fonction caractéristique du transducteur est faible. Si on veut produire une onde acoustique de l’ordre de 10% de la pression atmosphérique, il faut une telle tension en entrée. [24]

Fonction attendue

Pulser

A partir d’une commande sous forme d’un pulse logique et d’une alimentation continue de -100V, on génère un pulse de -100V de la même durée. On doit passer par l’intermédiaire d’un pulser car les circuits de commande qui permettent de créer un pulse logique ne fonctionnent pas à des tensions si élevées.

Fonction attendue

Commande du pulser

La durée du pulse doit correspondre à la moitié de la période caractéristique du transducteur pour obtenir le meilleur taux de conversion (la réponse attendue est sous forme d’un pulse ultra-sonore). La fréquence d’émission de pulse est choisie en fonction de la vitesse du moteur, et de la précision souhaitée. Pour un moteur pas-à-pas on peu décider d’envoyer un pulse tous les X pas. La commande du pulse doit alors être couplée à la commande du moteur. Elle est contrôlée par un microcontrôleur.

Mode réception

Premier filtrage

Réponse d’un transducteur à un pulse électrique:

Explication: la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique n’est pas totale: lorsqu’on envoie un pulse sur le piézoélectrique, une grande partie de l’énergie électrique est réfléchie. La réponse impulsionnelle électrique sous simulation électrique du transducteur n’est pas une impulsion pure: il y a une résonance de temps caractéristique long. Il est si long que lorsque les échos en retour de l’onde sonore, qui vont exciter le piézoélectrique, vont produire une réponse qui va s’ajouter à celle de résonance. Or ce sont ces échos qui nous intéressent. Comme la fréquence de résonance est faible, on utilise un filtre passe-haut pour couper la résonance et ne récupérer que le signal d'intérêt. Il faut absolument effectuer ce premier filtrage car la résonance basse-fréquence est de forte amplitude et risque de griller les composants des circuits suivants.

Signal d'intérêt

On ne veut analyser que l’écho retransmis par les tissus après qu’on ait envoyé un pulse. Tout le reste n’est que du bruit. L’acquisition de données est géré par un microprocesseur. Une solution est de synchroniser le début de l’acquisition avec l’émission d’un pulse, et de fixer la durée d’écoute dt en fonction de la profondeur de pénétration de l’onde dans les tissus (liée à la fréquence fc), en considérant comme vitesse moyenne de propagation de l’onde sonore dans les tissus la vitesse d’une onde acoustique dans l’eau. De plus, il faut protéger les circuits suivants de la réponse électrique du transducteur au pulse (cette réponse est de l’ordre de 100V et les hautes fréquences du pulse de réponse n’ont pas été filtrées par le passe-haut). On utilise pour cela un T\/R switch.

Différents modes du circuit analogique