Physique pour la médecine

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Echographie

Chapitre II: Les transducteurs.

 

 

II.D. Transducteurs multi-éléments.

 

Un transducteur formé de plusieurs éléments piézoélectriques disposés côte à côte présente des propriétés d'émission à peu près équivalentes à un transducteur unique qui aurait les mêmes dimensions que l'ensemble, à condition que tous les éléments soient activés de la même manière au même moment.

 

Echogr ChIID 1 

 

Dès lors que les différents éléments peuvent être activés non plus simultanément mais selon des séquences temporelles variées, la seconde configuration s'est avérée un terrain d'innovation fertile pour l'électronique et l'informatique, à tel point qu'un des axes de développement de l'échographie moderne passe par le nombre, la densité et la disposition des éléments piézoélectriques qui équipent la sonde.

 

1)Barrettes linéaires.

 

Les barrettes actuelles sont équipées de 256 ou 512 éléments en ligne. Ils ne sont pas tous excités en même temps, ce qui nuirait à la résolution latérale, mais par sous-groupes d'une vingtaine d'éléments. Ces groupes sont activés rapidement les uns après les autres de façon à couvrir au total un FOV ("field of view", ou champ de vue) assez large.

 

Echogr ChIID 2 

 

 

Comme variante on connaît les barrettes curvilinéaires, qui permettent d'ouvrir le FOV en une sorte de trapèze.

 

 Echogr ChIID 3

 

N.B: Au §II.C on a signalé la présence aux côtés du faisceau principal de lobes d'émission secondaires relevant de la physique ondulatoire et de l'interférence entre les ondes provenant des différentes régions émettrices. Quand la source est faite d'un ensemble d'éléments voisins et équidistants on note en plus l'apparition de lobes de type "réseau". Il existe en effet dans ce cas plusieurs directions pour lesquelles les ondes émises se développent de manière cohérente. Outre le faisceau principal vers l'avant, il existe un premier lobe dans une direction qui, partant d'une source, file tangentiellement au premier cercle de la source voisine, au second de la source suivante et ainsi de suite.

 

Echogr ChIID 4 

 

La direction de ce lobe, dit d'ordre un, dépend de l'intervalle d entre deux sources et de la longueur d'onde λ[1]. On déduit cela du dessin ci-dessus, qui montre un triangle rectangle tel que:

 

 Echogr ChIID 12

 

Le lecteur intéressé retrouvera facilement l'angle d'émission de l'ordre 2, de l'ordre 3, ainsi que la limite au nombre d'ordres possibles.

Il faut souligner que l'intensité des ondes diffractées est rapidement décroissante, et toujours très faible comparée au faisceau principal.

 

2)Barrettes "phased array".

 

a)Phasage à l'émission

 

Une barrette "phased array" comporte 64, 128 ou 256 éléments activés en une fois selon une séquence temporelle qui entraîne une focalisation ou un changement de direction du faisceau. Par exemple, en retardant les signaux centraux par rapport aux signaux extérieurs, on obtient une zone focale plutôt proche de la sonde, ce qui améliore la résolution dans cette région. En réduisant les écarts temporels entre les signaux, on éloigne la zone focale de la sonde.

 

Echogr ChIID 5 

 

On obtient ainsi l'équivalent d'une lentille acoustique, mais avec l'avantage notable sur celle-ci, qui présente une distance focale f fixe, de pouvoir régler cette distance f de manière électronique. Les sondes actuelles peuvent souvent travailler en focalisation dynamique, mode de travail où le système varie progressivement la valeur de f, ce qui permet en définitive d'accroître la profondeur de la zone de bonne résolution. Puisque c'est l'électronique qui définit f, et que par ailleurs elle mesure la profondeur d'où lui proviennent les différents échos, elle peut n'en retenir à chaque fois que ceux qui proviennent de la zone focale.

 

Echogr ChIID 6 

 

Si le décalage temporel entre les différents signaux d'excitation est progressif mais non symétrique, on obtient une réorientation du faisceau dans une direction autre que l'avant, réorientation toujours accompagnée de focalisation. En faisant varier la direction d'émission, on obtient un balayage sur un champ de vue largement ouvert.

 

Echogr ChIID 7 

 

 

b)Phasage à la réception.

 

Soit un écho issu d'un point de l'axe principal et revenant vers la sonde: Le chemin à parcourir pour atteindre les extrémités est plus grand que celui qui mène au centre. Cela allonge la durée de récolte de l'information et réduit en conséquence la résolution temporelle. L'effet est plus important pour les points proches que pour les points éloignés, donc varie avec la distance moyenne.

 

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Pour une sonde qui fonctionne en "phased array", les signaux reçus par les différents éléments sont au départ isolés les uns des autres, ce qui permet au système de leur attribuer des retards différents selon leur origine (les signaux centraux seront retardés davantage que les signaux périphériques) et d'ainsi les remettre en phase. L'addition finale donne un résultat plus ramassé dans le temps, donc une meilleure résolution temporelle. L'importance de la correction dépendra de la distance d'origine de l'écho.

 

3)Matrices 1,5D

 

Les barrettes linéaires ont un champ de vue qui se ramène à une tranche de la zone explorée. Pour une sonde mono-barrette, le profil du faisceau dans le sens de l'épaisseur de tranche (on parle parfois de dimension élévationnelle) présente toutes les caractéristiques de ce qui a été dit ci-dessus (Ch.IIC) pour les transducteurs mono-élément, en particulier une zone de Fresnel de longueur fixe qui se termine par un rétrécissement environ égal à la moitié de la hauteur de la barrette.

 

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Comme pour les transducteurs mono-élément, la présence d'une lentille acoustique associée à l'épaisseur de coupe permet d'obtenir une meilleure convergence du faisceau dans une région où la résolution se voit ainsi améliorée. Toutefois, la distance entre la sonde et la région de focalisation ne peut être modifiée puisqu'elle est définie une fois pour toute par la géométrie de la lentille.

 

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Le passage d'une rangée unique à cinq ou six rangées dans le sens de l'épaisseur (partie basse du schéma ci-dessus), sans lentille acoustique, apporte au système toute la souplesse du "phased array". En modifiant le déphasage dans l'activation des différentes lignes, on peut faire varier la distance de focalisation et obtenir ainsi une bonne résolution élévationnelle sur une grande profondeur.

L'appellation curieuse[2] de matrice 1,5D utilisée pour qualifier ce type de sonde marque le fait que la multiplication des rangées dans la deuxième dimension reste limitée. Elle n'est pas destinée à véritablement développer une imagerie à deux dimensions (à vrai dire 3D puisqu'en échographie la dimension de profondeur est prise automatiquement en compte lors de l'acquisition) mais à améliorer l'acquisition dans le plan de coupe.

 

4)Matrices 2D

 

La technologie moderne permet une multiplication considérable du nombre d'éléments composant la sonde, un atout d'importance quand il s'agit d'augmenter le nombre de lignes pour former de véritables matrices 2D. On en arrive ainsi, par exemple, à des configurations de 256x256 éléments, qui peuvent être activés par sous-groupes de manière à balayer en une seule acquisition une portion 3D de l'organisme. Le résultat bénéficie de la grande différence dans les échelles de temps qui caractérisent un déplacement mécanique d'une part et le travail électronique d'autre part: Un déplacement mécanique notable de la sonde se mesure en dixièmes de seconde, alors que la répétition et la récolte des signaux se ramène à l'ordre du dix-millième de seconde. Un aspect intéressant de la technique vient de ce que, une fois l'information 3D stockée en mémoire, l'informatique peut reconstruire à la demande tout plan sagittal, coronal, transverse... ou oblique, images impossibles à obtenir en acquisition 2D. L'imagerie 3D du coeur en temps réel est l'un des aboutissements de la technique.

 

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[1] En optique, la dépendance de l'angle de diffraction vis-à-vis de la longueur d'onde entraîne la décomposition de la lumière blanche, ce qui explique pourquoi les réseaux constituent une alternative intéressante aux prismes transparents en analyse des matériaux par exemple.

[2] Les mathématiciens connaissent des objets à demi-dimension, mais il s'agit là de curiosités issues de développements sophistiqués.