EP0239167A1 - Echographe ultrasonore apodise à barrette linéaire de transducteurs piezoélectriques et procédé de réalisation d'une telle barrette - Google Patents
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- EP0239167A1 EP0239167A1 EP87200501A EP87200501A EP0239167A1 EP 0239167 A1 EP0239167 A1 EP 0239167A1 EP 87200501 A EP87200501 A EP 87200501A EP 87200501 A EP87200501 A EP 87200501A EP 0239167 A1 EP0239167 A1 EP 0239167A1
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- G10K11/348—Circuits therefor using amplitude variation
Definitions
- the present invention relates to an ultrasound ultrasound system comprising a linear array of elementary piezoelectric transducers arranged, parallel to a direction y, along a direction x perpendicular to the direction y, said elementary piezoelectric transducers being polarized so that the directivity diagram of the bar has attenuated secondary lobes.
- the invention is in particular intended to be used in ultrasonic transceiver devices for ultrasound examination of biological tissues.
- a linear strip of the type mentioned in the preamble is known from British Patent 2,114,857.
- This document indeed discloses a strip of piezoelectric transducers whose polarization is not uniform but presents variations as a function of the position in order to provide a directivity diagram devoid of lateral diffraction lobes which necessarily produces a uniform polarization.
- the bar described in the cited British patent does not allow the focusing of the ultrasonic radiation in the yOz plane (O and z being respectively the center and the normal to the bar).
- the ultrasound ultrasound system according to the present invention is particularly remarkable in that the ultrasound ultrasound system also comprises a cylindrical acoustic lens, attached to said strip, and whose generatrices are parallel to the direction x, and in that each elementary piezoelectric transducer has, along the direction y, a polarization profile taking into account the antiapodization effect due to the inhomogeneous absorption of said lens in the y direction.
- the piezoelectric transducers will be given a polarization profile such that the electromechanical coupling coefficient of said transducers is, relatively , larger in the center than at the edges.
- the presence of a mechanical lens, plano-convex or plano-concave would necessarily have introduced secondary directivity maxima due to the very inhomogeneous absorption of the lens in the y direction.
- said polarization profile consists of a truncated Gaussian curve, divided by the inhomogeneous transmission curve of the acoustic lens in the y direction.
- a Gaussian profile even truncated to 30% for example, of the electromechanical coupling coefficient leads to a directivity diagram practically free of secondary lobes.
- the invention takes account of the inhomogeneous transmission of said lens at the level of the polarization profile given to the elementary piezoelectric transducers.
- British Patent 2,114,857 also describes a method for producing piezoelectric transducers having a non-uniform polarization profile.
- the piezoelectric transducers are selectively polarized, the polarization being, for example, more intense in the center than on the edges of said transducers.
- the Applicant has observed that this process has the drawback of requiring the control of two physical quantities, namely the temperature and the electric field, the temperature control being effected in the vicinity of the Curie temperature of the material and the field control electric effect in the vicinity of the coercive field (Physical Acoustics, Mason, Vol. I, part I, chap. 3, p 199, Academic Press, 1964).
- partial or total depolarization of a piezoceramic can be easily obtained at room temperature by a simple application of an electric field of direction opposite to the initial polarization field (Piezoelectric Ceramics, Section 2.4, p. 16, Mullard Limited , 1974).
- the measurement of the resulting partial polarization state can be carried out by measuring the low frequency capacitance or by measuring the electrical impedance as a function of the frequency in the vicinity of the piezoelectric resonance or even by measuring a characteristic of amplitude (peak-to-peak amplitude, amplitude of the first arch, etc.) of an ultrasonic signal generated by the transducer in a state of partial depolarization.
- the polarization profile of the elementary transducers can be produced by partial depolarization of a linear strip already polarized.
- a method of producing a linear strip for an ultrasound ultrasound system according to the invention is notably remarkable in that said strip is obtained from a piezoelectric plate covered on a first and a second face with a deposit.
- FIG. 1 shows in perspective an ultrasound ultrasound system 10 comprising a linear strip 11 of elementary piezoelectric transducers 12, arranged parallel to a direction y, along a direction x perpendicular to the direction y.
- the ultrasound ultrasound system of FIG. 1 also includes a cylindrical acoustic lens 13, attached to the bar 11, and whose generatrices are parallel to the direction x.
- the lens cylindrical 13 is a plano-convex lens which, due to its variable thickness, has an inhomogeneous absorption in the y direction.
- FIG. 2 gives an example of a transmission curve T (y) of such a plano-convex lens.
- T transmission curve
- the distribution I (y) of the ultrasonic radiation at the outlet of the lens is affected by the non-uniform transmission T (y) of FIG. 2 and it then becomes represented by the dotted curve of Figure 3a. Consequently, the directivity diagram D (u) ceases to be Gaussian to widen and present lateral wings as shown by the dotted curve in FIG. 3b.
- FIG. 4 illustrates a method for producing a linear strip 11 having the polarization profile P (y) of the dotted curve of FIG. 3c.
- the strip 11 is obtained from a piezoelectric plate 14 covered on a first 15 and a second 16 faces with a metal deposit 17, 18 and previously polarized.
- the metallization is restored on the entire first face 15, then one realizes the elementary piezoelectric transducers 12 by sawing the wafer 14 in the y direction.
- FIG. 5 shows a depolarization device in which the bar 11 is placed in a bath 30 of electronic liquid, its first face 15 being disposed facing a block 31 of steel used to reflect the incident ultrasonic wave.
- the bar 11 is fixed by its second face 16, grounded, on a rear support 32.
- the electrodes 19 are brought to the desired potential by means of connection wires embedded in Kapton sheets 33.
- the potential for depolarization is supplied by a power supply 34 (2.5 KV for example) through a separator 35, and measured by a voltmeter 36.
- Two types of control of the state of polarization of the elements of the bar can be carried out: either by direct measurement of the capacity using a capacitance meter 37 (switch K2 closed, switch K1 open), or by peak-to-peak measurement of reference ultrasonic echo by reflection on the steel block 31, generated by the element under polarization (switch K2 open, switch K1 closed) using an analyzer 38 of ultrasonic transducers.
- This device comprises a pulse generator of high voltage values (greater than 100 V) of approximately 20 ns width at half height, a receiver with gain, attenuation and filtering characteristics, a door which can be adjust the width and the opening time, and a peak detector.
- the oscilloscope 39 makes it possible to visualize the ultrasonic echo.
- the invention cannot be limited to the single embodiment presented using a cylindrical acoustic lens of plano-convex section. It is understood that it could also be produced using a lens of plano-concave section for example, with adaptations to the scope of the skilled person who do not depart from the scope of the present invention.
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Abstract
Echographe ultrasonore (10) comportant une barrette linéaire(11) de transducteurs piézoélectriques (12) disposés, parallèlement à une direction y, le long d'une direction x perpendiculaire à la direction y, lesdits transducteurs piézoélectrique étant polarisés de façon que le diagramme de directivité de la barrette (11) présente des lobes secondaires atténués. Selon l'invention, l'échographe ultrasonore (10) comporte également une lentille acoustique cylindrique (13), accolée à ladite barrette, et dont les génératrices sont parallèles à la direction x, et chaque transducteur piézoélectrique (12) présente, le long de la direction y, un profil de polarisation prenant en compte l'effet d'antiapodisation dû à l'absorption inhomogène de ladite lentille (13) dans la direction y.
Application aux dispositifs d'émission-réception ultrasonore pour examen échographique de tissus biologiques.
Description
- La présente invention concerne un échographe ultrasonore comportant une barrette linéaire de transducteurs piézoélectriques élémentaires disposés, parallèlement à une direction y, le long d'une direction x perpendiculaire à la direction y, lesdits transducteurs piézoélectriques élémentaires étant polarisés de façon que le diagramme de directivité de la barrette présente des lobes secondaires atténués.
- L'invention est notamment destinée à être utilisée dans des dispositifs d'émission-réception ultrasonore pour examen échographique de tissus biologiques.
- Une barrette linéaire du type de celle mentionnée dans le préambule est connue du brevet britannique 2 114 857. Ce document divulgue en effet une barrette de transducteurs piézoélectriques dont la polarisation n'est pas uniforme mais présente des variations en fonction de la position afin de fournir un diagramme de directivité dénué des lobes latéraux de diffraction que produit nécessairement une polarisation uniforme. Cependant, la barrette décrite dans le brevet britannique cité ne permet pas la focalisation du rayonnement ultrasonore dans le plan yOz (O et z étant respectivement le centre et la normale à la barrette).
- C'est un but de l'invention de remédier à cet inconvénient.
- A cet effet, l'échographe ultrasonore selon la présente invention est notamment remarquable en ce que l'échographe ultrasonore comporte également une lentille acoustique cylindrique, accolée à ladite barrette, et dont les génératrices sont parallèles à la direction x, et en ce que chaque transducteur piézoélectrique élémentaire présente, le long de la direction y, un profil de polarisation prenant en compte l'effet d'antiapodisation dû à l'absorption inhomogène de ladite lentille dans la direction y.
- Ainsi, s'agissant par exemple d'une lentille plan-convexe dont l'absorption est plus grande au centre que sur les bords, on donnera aux transducteurs piézoélectriques élémentaires un profil de polarisation tel que le coefficient de couplage électromécanique desdits transducteurs soit, relativement, plus grand au centre qu'aux bords. En l'absence de cette mesure, la présence d'une lentille mécanique, plan-convexe ou plan-concave, aurait introduit obligatoirement des maxima secondaires de directivité du fait même de l'absorption inhomogène de la lentille dans la direction y.
- Aussi, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, il est prévu que ledit profil de polarisation est constitué d'une courbe gaussienne tronquée, divisée par la courbe de transmission inhomogène de la lentille acoustique dans la direction y. On sait, en effet, qu'un profil gaussien, même tronqué à 30% par exemple, du coefficient de couplage électromécanique conduit à un diagramme de directivité pratiquement exempt de lobes secondaires. Afin de restituer ce profil à la sortie de la lentille, l'invention tient compte de la transmission inhomogène de ladite lentille au niveau du profil de polarisation donné aux transducteurs piézoélectriques élémentaires.
- Le brevet britannique 2 114 857 décrit également un procédé de réalisation de transducteurs piézoélectriques présentant un profil de polarisation non uniforme. Selon ce procédé connu, les tranducteurs piézoélectriques sont polarisés sélectivement, la polarisation étant, par exemple, plus intense au centre que sur les bords desdits transducteurs. Cependant, la Demanderesse a observé que ce procédé présentait l'inconvénient de nécessiter le contrôle de deux grandeurs physiques, à savoir la température et le champ électrique, le contrôle de la température s'effectuant au voisinage de la température de Curie du matériau et le contrôle du champ électrique s'effectuant au voisinage du champ coercitif (Physical Acoustics, Mason, Vol. I, part I, chap. 3, p 199, Academic Press, 1964). Par contre, la dépolarisation partielle ou totale d'une piézocéramique peut s'obtenir aisément à température ambiante par une simple application d'un champ électrique de sens opposé au champ initial de polarisation (Piézoelectric Ceramics, Section 2.4, p. 16, Mullard Limited, 1974). La mesure de l'état de polarisation partielle résultant peut s'effectuer par mesure de la capacité basse fréquence ou par mesure de l'impédance électrique en fonction de la fréquence au voisinage de la résonance piézoélectrique ou encore par mesure d'une caractéristique d'amplitude (amplitude crête à crête, amplitude de la première arche, etc...) d'un signal ultrasonore engendré par le transducteur en état de dépolarisation partielle.
- C'est pourquoi il est prévu que le profil de polarisation des transducteurs élémentaires, ainsi adapté à la lentille, peut être réalisé par dépolarisation partielle d'une barrette linéaire déjà polarisée. Dans ce cas, un procédé de réalisation d'une barrette linéaire pour un échographe ultrasonore selon l'invention est notamment remarquable en ce que ladite barrette est obtenue à partir d'une plaquette piézoélectrique recouverte sur une première et une deuxième faces d'un dépôt métallique et préalablement polarisée, en ce qu'on réalise par rainurage de la première face p électrodes parallèles à la direction x de la barrette, en ce qu'on applique successivement entre chacune des p électrodes et la deuxième face de la plaquette un champ électrique opposé au champ initial de polarisation de façon à dépolariser le volume de matériau piézoélectrique compris entre ladite électrode et la deuxième face, et en ce qu'ensuite, on rétablit la métallisation sur toute la première face, puis qu'on réalise les transducteurs piézoélectriques élémentaires par sciage de la plaquette dans la direction y.
- La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
- La figure 1 est une vue en perspective d'une barrette linéaire de transducteurs piézoélectriques élémentaires avec une lentille acoustique cylindrique.
- La figure 2 montre la courbe de transmission d'une lentille acoustique plan-convexe.
- La figure 3a donne la répartition du rayonnement ultrasonore, dans le cas d'une polarisation gaussienne tronquée de la barrette linéaire de la figure 1, en l'absence (trait continu) et en présence (trait pointillé) d'une lentille acoustique plan-convexe.
- La figure 3b donne le diagramme de directivité de la barrette de la figure 1 correspondant aux deux cas présentés à la figure 3a.
- La figure 3c montre (en trait plein) le profil de polarisation des transducteurs piézoélectriques élémentaires permettant d'obtenir le diagramme de directivité en trait plein de la figure 3b.
- La figure 4 illustre par une vue en perspective un procédé de réalisation d'une barrette linéaire pour un échographe ultrasonore selon l'invention.
- La figure 5 donne le schéma d'un dispositif de dépolarisation partielle avec contrôle par mesure de capacité et par mesure de l'amplitude crête à crête d'écho ultrasonore de référence engendré par l'élément sous dépolisation.
- La figure 1 montre en perspective un échographe ultrasonore 10 comportant une barrette linéaire 11 de transducteurs piézoélectriques élémentaires 12, disposés parallèlement à une direction y, le long d'une direction x perpendiculaire à la direction y. L'échographe ultrasonore de la figure 1 comporte également une lentille acoustique cylindrique 13, accolée à la barrette 11, et dont les génératrices sont parallèles à la direction x. Dans l'exemple de la figure 1, la lentille cylindrique 13 est une lentille plan-convexe qui, du fait de son épaisseur variable, présente une absorption inhomogène dans la direction y. La figure 2 donne un exemple de courbe de transmission T(y) d'une telle lentille plan-convexe. Comme cela est indiqué dans le brevet britannique n° 2 114 857, il est possible de polariser sélectivement les transducteurs élémentaires 12 dans la direction y de façon que le diagramme de directivité de la barrette 11 seule présente des lobes secondaires atténués. On peut, en particulier, donner aux transducteurs élémentaires un profil de polarisation P(y) gaussien, tronqué à 30% par exemple, (courbe pointillée de la figure 3c) qui correspond en sortie de la barrette, et en l'absence de la lentille acoustique 13, à la répartition I(y) du rayonnement ultrasonore montrée en trait plein à la figure 3a. Cette répartition quasi gaussienne correspond à un diagramme de directivité D(u) (u étant la variable conjuguée de la variable y) également quasi gaussien représenté en trait plein sur la figure 3b.
- Lorsque la lentille acoustique 13 est mise en place, la répartition I(y) du rayonnement ultrasonore en sortie de la lentille se trouve affectée par la transmission non uniforme T(y) de la figure 2 et elle devient alors représentée par la courbe en pointillé de la figure 3a. En conséquence, le diagramme de directivité D(u) cesse d'être gaussien pour s'élargir et présenter des ailes latérales ainsi que le montre la courbe en pointillé de la figure 3b. Afin de remédier à cet inconvénient et de restituer un diagramme de directivité quasi gaussien, il est prévu de prendre en compte l'effet d'antiapodisation de la lentille acoustique 13 au niveau du profil de polarisation P(y) des transducteurs piézoélectriques élémentaires 12. Pour cela, le profil gaussien de polarisation représenté en pointillé sur la figure 3c est divisé par la courbe de transmission T(y) de la figure 2 pour donner la courbe en trait plein montrée à la figure 3c. La répartition I(y) du rayonnement ultrasonore en sortie de la lentille redevient alors celle de la courbe en trait plein de la figure 3a, et, par conséquent, le diagramme de directivité D(u) de l'échographe 10 retrouve le profil gaussien de la figure 3b.
- La figure 4 illustre un procédé de réalisation d'une barrette linéaire 11 présentant le profil de polarisation P(y) de la courbe en pointillé de la figure 3c. Selon ce procédé, la barrette 11 est obtenue à partir d'une plaquette piézoélectrique 14 recouverte sur une première 15 et une deuxième 16 faces d'un dépôt métallique 17, 18 et préalablement polarisée. On réalise d'abord par rainurage de la première face 15 p électrodes 19 parallèles à la direction x de la barrette 11. On applique ensuite successivement entre chacune des p électrodes 19 et la deuxième face 16 de la plaquette 14 un champ électrique E opposé au champ initial Eo de polarisation de façon à dépolariser de manière connue le volume 20 de matériau piézoélectrique compris entre ladite électrode 19 et la deuxième face 16. A la suite de cette opération, on rétablit la métallisation sur toute la première face 15, puis on réalise les transducteurs piézoélectriques élémentaires 12 par sciage de la plaquette 14 dans la direction y.
- La figure 5 montre un dispositif de dépolarisation dans lequel la barrette 11 est placée dans un bain 30 de liquide électronique, sa première face 15 étant disposée en regard d'un bloc 31 d'acier servant à réfléchir l'onde ultrasonore incidente. La barrette 11 est fixée par sa deuxième face 16, mise à la masse, sur un support arrière 32. Les électrodes 19 sont portées au potentiel désiré par l'intermédiaire de fils de connexion noyés dans des feuilles de Kapton 33. Le potentiel de dépolarisation est fourni par une alimentation 34(2,5 KV par exemple) à travers un séparateur 35, et mesuré par un voltmètre 36. Deux types de contrôle de l'état de polarisation des éléments de la barrette peuvent être réalisés : soit par mesure directe de la capacité à l'aide d'un capacimètre 37 (interrupteur K₂ fermé, interrupteur K₁ ouvert), soit par mesure crête à crête d'écho ultrasonore de référence par reflexion sur le bloc 31 d'acier, engendré par l'élément sous polarisation (interrupteur K₂ ouvert, interrupteur K₁ fermé) à l'aide d'un analyseur 38 de transducteurs ultrasonores. Cet appareil comporte un générateur d'impulsions de hautes valeurs en tension (supérieure à 100 V) d'environ 20 ns de largeur à mi-hauteur, un récepteur avec caractéristiques de gain, d'atténuation et de filtrage, une porte dont on peut régler la largeur et l'instant d'ouverture, et un détecteur de crête. L'oscilloscope 39 permet de visualiser l'écho ultrasonore.
- L'invention ne saurait être limitée au seul exemple de réalisation présenté mettant en oeuvre une lentille acoustique cylindrique de section plan-convexe. Il est bien entendu qu'elle pourrait également être réalisée à l'aide d'une lentille de section plan-concave par exemple, moyennant des adaptations à la portée de l'homme de métier qui ne sortent pas du cadre de la présente invention.
Claims (3)
1. Echographe ultrasonore (10) comportant une barrette linéaire (11) de transducteurs piézoélectriques élémentaires (12) disposés, parallèlement à une direction y, le long d'une direction x perpendiculaire à la direction y, lesdits transducteurs piézoélectriques élémentaires étant polarisés de façon que le diagramme de directivité de la barrette (11) présente des lobes secondaires atténués, caractérisé en ce que l'échographe ultrasonore (10) comporte également une lentille acoustique cylindrique (13), accolée à ladite barrette, et dont les génératrices sont parallèles à la direction x, et en ce que chaque transducteur piézoélectrique élémentaire (12) présente, le long de la direction y, un profil de polarisation prenant en compte l'effet d'antiapodisation dû à l'absorption inhomogène de ladite lentille (13) dans la direction y.
2. Echographe ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit profil de polarisation est constitué d'une courbe gaussienne tronquée, divisée par la courbe de transmission inhomogène de la lentille acoustique dans la direction y.
3. Procédé de réalisation d'une barrette linéaire (11) pour un échographe ultrasonore (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite barrette est obtenue à partir d'une plaquette piézoélectrique (14) recouverte sur une première (15) et une deuxième (16) faces d'un dépôt métallique (17, 18) et préalablement polarisée, en ce qu'on réalise par rainurage de la première face (15) p électrodes (19) parallèles à la direction x de la barrette (11), en ce qu'on applique successivement entre chacune des p électrodes (19) et la deuxième face (16) de la plaquette (14) un champ électrique (E) opposé au champ initial (Eo) de polarisation de façon à dépolariser le volume (20) de matériau piézoélectrique compris entre ladite élecrode (19) et la deuxième face (16), et en ce qu'ensuite, on rétablit la métallisation sur toute la première face (15), puis qu'on réalise les transducteurs piézoélectriques élémentaires (12) par sciage de la plaquette (14) dans la direction y.
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18D | Application deemed to be withdrawn |
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RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: COURSANT, ROGER-HENRISOCIETE CIVILE S.P.I.D. Inventor name: GAUCHET, MAURICESOCIETE CIVILE S.P.I.D. Inventor name: TELLIER, JEAN-MICHELSOCIETE CIVILE S.P.I.D. |