La présente invention concerne un procédé de commande multi- impulsionnel de transducteurs cMUT en échographie à ultrasons en mode d'imagerie harmonique, et en particulier avec agent de contraste. Ce procédé de commande comprend une émission d'une séquence d'au moins trois impulsions obtenues, et une réception d'une séquence d'échos renvoyés par un milieu observé sous l'effet de la séquence d'impulsions et qui sont combinés pour constituer une image.

Selon l'invention, ladite séquence de tensions comprend au moins trois tensions de polarisation d'amplitudes différentes de façon continue au sein de chacune desdites impulsions. En outre, ce procédé de commande comprend alors un traitement pour constituer une image par combinaison additive de trois valeurs mesurées pour lesdits trois échos, chacune desdites valeurs étant multipliée par un coefficient déterminé en fonction de la valeur des tensions de polarisation pour que ladite combinaison additive annule la réflexion linéaire issue du milieu observé sous l'effet de l'émission desdits transducteurs.

Selon une particularité de l'invention, la séquence de tensions comprend trois impulsions "combinées" différentes PI, P2 et P3, respectivement d'un facteur un, deux et trois, et renvoient trois échos El, E2 et E3.

Par exemple dans des configurations en mode "puise", où les transducteurs utilisés en réception sont tous commandés avec la même tension de polarisation, ces échos reçus sont alors combinés selon la formule suivante : E1 + E3-2*E2.

Dans des configurations en mode "pulse-echo", où les transducteurs utilisés en réception sont commandés avec une tension de polarisation inchangée par rapport à celle d'émission, ces échos reçus sont alors combinés selon la formule suivante : E3+3*E1-3*E2.

L'invention s'applique aussi dans un fonctionnement avec émission en inversion de phase. Elle concerne en outre un système de commande de transducteur ou un système d'échographie mettant en œuvre un tel procédé.

Etat de la technique

Au sein des technologies d'échographie à ultrasons, il est connu depuis plus de 20 ans de sélectionner au sein du signal retour certaines harmoniques de la fréquence fondamentale du signal d'excitation. Cette technologie d'échographie harmonique, ou non-linéaire, offre de nombreuses possibilités et a pour effet d'améliorer l'image dans de nombreuses applications, par exemple au-delà d'une certaine distance de la sonde dans les applications médicales. Elle favorise la visualisation de milieux spécifiques présentant des propriétés non linéaires. Elle peut être utilisée en imagerie "native", mais est d'autant plus intéressante en imagerie de contraste, c'est à dire lors de l'utilisation des agents de contraste à base de microbulles de gaz. Ces modes d'imagerie sont aujourd'hui utilisés en routine clinique, et sont implémentés dans la plupart des échographes commercialisés.

Dans les appareils d'imagerie par échographie de technologie classique, la sonde d'émission et de réception utilise un grand nombre de d'éléments transducteurs ultrasonores constitué chacun par un composant de céramique piézoélectrique, typiquement en plomb zirconate de titane (PZT). Une sonde médicale comprend de l'ordre de 100 à 10 000 éléments pour une sonde fonctionnant à une fréquence d'excitation de l'ordre de 1MHz à 20MHz. Un nombre important d'éléments transducteurs permet en particulier une meilleure résolution spatiale, une meilleure focalisation et une meilleure précision et/ou une plus grande dimension d'image.

Le signal d'excitation est envoyé sous la forme de brèves impulsions ou trains d'onde, d'une durée de quelques cycles soient 1 à 10ps. Au sein d'une séquence, ces impulsions ou "tirs" sont espacés par une période d'attente, de l'ordre de 0,1ms à 100ms, pendant laquelle les transducteurs détectent et transmettent les échos renvoyés par le milieu observé. Ces séquences peuvent être multipliées par exemple dans le temps pour former une imagerie temps réel, et/ou selon différents angles pour former une imagerie bidimensionnelle. En imagerie non linéaire, différents modes de fonctionnement sont utilisés dans lesquels le signal d'excitation présente plusieurs impulsions différentes, où l'image est obtenue par combinaison de ces différentes impulsions. Il existe un mode de modulation de l'amplitude du signal d'excitation sur deux impulsions (AM), un mode d'inversion de phase du signal d'excitation sur deux impulsions (PI), et un mode avec modulation de phase et d'amplitude du signal d'excitation sur deux ou plus impulsions (CPS). Une nouvelle génération de sonde est utilisée depuis environ dix ans, et commercialisée depuis 2009. Ces sondes d'un nouveau type utilisent des transducteurs micrométriques formés par une membrane de silicium actionnée par effet capacitif, appelés cMUT, pour "Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer" . En plus du signal d'excitation sinusoïdal qui génère l'émission d'ultrasons, une même tension continue de polarisation est appliquée à chaque transducteur pour forcer sa membrane dans une position sous contrainte mécanique, et obtenir ainsi une meilleure sensibilité.

Ce type de transducteur permet d'envisager des améliorations importantes, par exemple en matière de coût et d'encombrement des sondes , et pour augmenter le nombre et/ou la densité des transducteurs, par exemple pour des applications de précision ou en trois dimensions. La technologie cMUT permet de plus une large bande passante afin de récupérer un maximum de signal harmonique, en particulier pour l'imagerie de contraste. Par exemple, la bande passante peut être améliorée de plus de 110% à -6dB, ce qui est particulièrement intéressant pour utiliser de nombreuses harmoniques avec des agents de contraste.

Toutefois, les sondes cMUT présentent elles-mêmes un comportement intrinsèquement non linéaire, ce qui rend difficile leur utilisation en échographie non linéaire, aussi bien en imagerie native qu'en imagerie de contraste, même avec les technologies multi-impulsionnelles déjà existantes telles que les modes d'excitation AM, PI ou CPS. En effet, la composante non linéaire émise par les cMUT pollue les échos non linéaires renvoyés par le milieu observé, aussi bien en imagerie native qu'avec des agents de contraste.

Pour résoudre ou compenser ce problème, le document WO2009/133207 des mêmes inventeurs propose d'utiliser un émetteur analogique programmable afin de combiner plusieurs signaux de fréquences différentes, et ainsi produire un signal d'excitation préalablement déformé. Cependant, ce mode de fonctionnement implique par exemple une plus grande complexité de l'électronique, moins de souplesse de configuration des différents paramètres, et doit être configuré en fonction des caractéristiques précises des composants cMUTs utilisés.

Différents travaux ont proposé, pour améliorer la qualité de l'image obtenue avec une sonde cMUT sans pré-déformation du signal, d'effectuer trois tirs successifs avec des phases décalées de 180° pour chacun des trois différents trains d'onde. L'image est ensuite reconstruite en post-traitement avec recombinaison des réponses aux trois tirs, selon la formule : Image= Fl + F2-2 _* F3.

Dans ce cadre, le document US 7,635,332 de Panda propose par exemple d'inverser la polarité entre les éléments adjacents pour l'une des trois impulsions. Dans le même cadre, pour supprimer certaines harmoniques générés par les cMUTs, les harmoniques impaires, le document US 2006/0173342 de Ladabaum propose de modifier la polarité en l'inversant entre les éléments adjacents, et d'appliquer un déphasage de pi/2 pour un ou plusieurs des échos reçus. Ces approches sont basées sur l'hypothèse que l'harmonique engendrée par le cMUT reste identique lorsque la polarité de la tension continue est inversée, est utilisée pour l'application de l'imagerie par inversion de phase. En tout état de cause, il reste intéressant d'améliorer la qualité et la sensibilité de l'image, en particulier le niveau de contraste obtenu.

Un but de l'invention est ainsi de pallier les inconvénients de l'art antérieur, et d'améliorer la qualité et le contraste des images obtenues pour l'imagerie non-linéaire ou harmonique avec utilisation de sondes à base de transducteurs cMUT. Ces améliorations sont recherchées par exemple sur le plan du rapport tissu-contraste (CTR pour "contrast-to-tissue ratio"), et en particulier pour l'imagerie avec agents de contraste.

Un autre but est de permettre ces améliorations avec des signaux ou séquences de signaux qui soient simples et nécessitant une électronique simple.

Encore un autre but est de permettre ces améliorations avec des sondes voire des appareils existants, ou moyennant peu de modifications.

Exposé de l'invention

L'invention propose pour cela un procédé de commande de transducteurs capacitifs micro-usinés au sein d'une sonde d'échographie à ultrasons de type multi-impulsionnel pour son utilisation en mode d'imagerie harmonique. Dans ce procédé, chaque impulsion est obtenue par application à un transducteur d'une tension de polarisation continue pendant ladite impulsion, et d'une tension d'excitation alternative (typiquement de façon sinusoïdale) selon une fréquence d'excitation pendant ladite impulsion . Un tel procédé de commande comprend ainsi :

- une émission d'une séquence d'au moins trois impulsions obtenues par application d'une séquence de tensions électriques auxdits transducteurs, et

- une réception d'une séquence d'échos renvoyés par un milieu observé sous l'effet de la séquence d'impulsions et qui sont combinés pour constituer une image.

Selon l'invention, ladite séquence de tensions comprend au moins trois tensions de polarisation d'amplitudes différentes appliquées pendant lesdites au moins trois impulsions différentes et de façon continue au sein de chacune desdites impulsions. Ces au moins trois impulsions provoquent dans le milieu observé un nombre correspondant d'échos.

En outre, ce procédé de commande selon l'invention comprend alors un traitement pour constituer une image par combinaison additive de trois valeurs mesurées pour lesdits trois échos, chacune desdites valeurs étant multipliée par un coefficient, positif ou négatif. Ces coefficients sont choisis en fonction de la valeur des au moins trois tensions de polarisation pour que ladite combinaison additive annule la réflexion linéaire issue du milieu observé sous l'effet de la composante non linéaire émise par lesdits transducteurs.

De préférence, les éléments transducteurs cMUT sont utilisés avec une tension de polarisation déterminée pour qu'ils fonctionnent en mode conventionnel, c'est à dire sans effondrement de la membrane ou "collapsing".

Selon une particularité de l'invention, la séquence de tensions comprend au moins trois impulsions, pouvant être appelées impulsions "combinées", et par exemple exactement trois, dans lesquelles :

- une première tension de polarisation, appliquée pendant une première impulsion qui provoque le renvoi d'un premier écho,

- une deuxième tension de polarisation, dont l'amplitude vaut deux fois celle de la première tension de polarisation, appliquée pendant une deuxième impulsion qui provoque le renvoi d'un deuxième écho, et

- une troisième tension de polarisation, dont l'amplitude vaut trois fois celle de la première tension de polarisation, appliquée pendant une troisième impulsion qui provoque le renvoi d'un troisième écho. Le mode de réalisation actuellement préféré utilise exactement trois impulsions, déterminées et combinées comme suit.

Mode de variation "puise" : Dans certaines configurations, les transducteurs utilisés en réception sont tous commandés avec la même tension de polarisation.

Cela peut être le cas par exemple lorsque certains transducteurs sont utilisés en émission ("puise", quelques microsecondes) et d'autres sont utilisés en réception ("echo", quelques millisecondes). Cela peut aussi être cas dans des configurations récemment proposées, dans lesquelles tous les transducteurs sont utilisés dans les deux modes mais avec une tension de polarisation différente dans chacun de ces deux modes. Cette tension de polarisation est ainsi permutée à une valeur plus élevée en réception afin d'augmenter la sensibilité de détection des transducteurs cMUT, au prix d'une gestion électronique plus complexe. Cela peut aussi être le cas en utilisant des transducteurs cMUTs à double électrode, avec une électrode pour l'émission et une autre électrode séparée pour la réception. Pour une telle configuration à polarisation constante en réception, et dans le cadre de la variation de l'amplitude de polarisation exposée ici, une particularité de l'invention propose de combiner les premier, deuxième et échos pour constituer une image par combinaison de la valeur mesurée pour le premier écho plus la valeur mesurée pour le troisième écho moins deux fois la valeur mesurée pour le deuxième écho, soit la formule :

El + E3 - 2*E2

Mode de variation "pulse-echo" : Dans d'autres configurations, les transducteurs sont utilisés en mode d'émission et en mode de réception ("pulse-echo"), ce qui permet une optimisation du nombre de transducteurs actifs, et avec la même tension de polarisation dans ces deux modes, ce qui limite la complexité de leur gestion en tension.

Pour une telle configuration à polarisation inchangée entre l'émission et la réception, la variation de l'amplitude de polarisation exposée ici conduit aussi à une variation de la tension de polarisation lors de la réception. Dans ce cadre, une particularité de l'invention propose alors de combiner les premier, deuxième et échos pour constituer une image par combinaison de la valeur mesurée pour le troisième écho plus trois fois la valeur mesurée pour le premier écho moins trois fois la valeur mesurée pour le deuxième écho, soit la formule :

E3 + 3*E1 - 3*E2

Grâce à une telle séquence, on comprend que la réflexion linéaire de l'émission non linéaire intrinsèque du cMUT est supprimée, tout comme la réponse linéaire du milieu lui-même. Seule la réponse non linéaire du milieu est préservée.

Selon un type de mode de réalisation détaillé plus loin, pouvant être qualifié de "BVM pur", les trois tensions de polarisation sont d'un même signe, c'est-à-dire dans le même sens, et les trois signaux d'excitation sont identiques entre eux.

Selon un autre type de mode de réalisation pouvant être qualifié de "BVM + PI", l'invention propose de combiner la variation d'amplitude de la tension de polarisation au sein de la séquence combinée avec une inversion de phase pour certaines impulsions, pour la tension de polarité ou pour le signal d'excitation.

On obtient ainsi une meilleure suppression des composantes linéaires et non linéaires émises par les transducteurs cMUTs.

Dans ce type de mode de réalisation, avec une séquence de trois impulsions combinées, la modulation d'amplitude de la tension de polarisation est appliquée comme décrit précédemment. La deuxième impulsion présente en outre une inversion de signe par rapport aux deux autres :

- soit le signe de la deuxième tension de polarisation est inversé, auquel cas le signal d'excitation est inchangé par rapport aux deux autres impulsions ;

- soit la phase du deuxième signal d'excitation est inversée, auquel cas le signe de la tension de polarisation est inchangé par rapport aux deux autres impulsions.

Cette modulation combinant amplitude et inversion de la tension de polarisation peut être combinée avec les différents modes de réalisation exposés ici.

Ainsi, dans une configuration à tension de polarisation en réception constante dans le temps, par exemple de type "puise" i.e. avec des éléments spécialisés en émission, une image est constituée par combinaison de trois fois la valeur mesurée pour le troisième écho plus deux fois la valeur mesurée pour le deuxième écho moins cinq fois la valeur mesurée pour le premier écho, soit : 3*E3+2*E2-5*E1.

De façon similaire, dans une configuration à tension de polarisation de réception identique à la tension de polarisation d'émission, par exemple de type "pulse-echo" i.e. avec des éléments fonctionnant à la fois en émission et réception, une image est constituée par combinaison de la valeur mesurée pour le troisième écho plus la valeur mesurée pour le deuxième écho moins cinq fois la valeur mesurée pour le premier écho, soit : E3+E2-5*E1. Bien que les modes de réalisation préférés soient réalisés à base de séquences de trois impulsions combinées, il est à noter que des modes de réalisation sont prévus avec plus de trois impulsions, par exemple 4, 5 ou 6, avec des coefficients et des échos combinés de façon similaire. L'invention apporte ainsi une nouvelle approche qui permet d'optimiser l'échographie, en particulier pour l'imagerie ultrasonore harmonique et/ou de contraste, avec des sondes à transducteurs capacitifs micro-usinés (cMUT), malgré les caractéristiques intrinsèques de non- linéarité de ces sondes.

En effet, la séquence multi-impulsionnelles proposée permet de supprimer la composante harmonique présente dans l'onde acoustique émise par le cMUT tout en préservant la réponse non linéaire de certains éléments du milieu observé, et en particulier celle des agents de contraste ultrasonore qui y ont été ajoutés.

De plus, cette séquence permet aussi de supprimer la réponse linéaire des tissus, ce qui améliore encore le contraste dans le cadre de l'imagerie harmonique.

Selon l'invention, ces différentes impulsions de combinaison sont transmises simultanément ou successivement, de préférence avec des amplitudes différentes en variant uniquement la tension de polarisation appliquée au(x) transducteur(s) cMUT.

Dans certains modes de réalisation, dits "simultanés", ces impulsions combinées sont transmises simultanément à plusieurs transducteurs différents, formant ainsi une distribution spatiale au sein de la sonde.

Plus particulièrement, les aux moins trois impulsions sont générées de façon simultanée, c'est à dire pendant une même durée d'impulsion ou décalées de moins d'un intervalle entre deux impulsions, par application : - de la première tension de polarisation à un premier transducteur, - de la deuxième tension de polarisation à un deuxième transducteur différent du premier transducteur,

- de la troisième tension de polarisation à un troisième transducteur différent des premier et deuxième transducteurs ;

Ces impulsions combinées provoquent ainsi simultanément les premier, deuxième et troisième échos, lesquels sont traités et combinés pour former une image.

Un tel mode "simultané" divise par trois le nombre de transducteurs disponibles, réduisant ainsi la résolution de la sonde, mais permet d'éviter une baisse de la vitesse de l'imagerie.

Selon une particularité, les premier, deuxième et troisième transducteurs sont alors adjacents au sein de l'ordonnancement spatial des transducteurs de la sonde. Dans d'autres modes de réalisation, dits "successifs", ces impulsions combinées sont transmises successivement, par exemple à un même transducteur, suivant ainsi une distribution temporelle. Plus particulièrement, les au moins trois impulsions sont générées de façon successives par application successive des première, deuxième et troisième tensions de polarisation à un même transducteur.

Selon une particularité, les au moins trois impulsions sont émises de façon successive et consécutive par un même élément transducteur, c'est à dire espacées uniquement par une durée de réception et sans autres impulsions intercalées.

Des combinaisons variées de ces modes simultanés ou successifs sont aussi prévues.

La méthode selon l'invention peut être implémentée dans un échographe en modifiant la tension de polarisation entre des éléments cMUTs adjacents de la sonde, ou pour des lignes radiofréquences successives qui servent à commander ces éléments cMUTs.

Elle est donc simple à mettre en œuvre et ne requiert que peu ou pas d'électronique supplémentaire, en particulier au niveau de chacun des transducteurs, contrairement par exemple aux méthodes de déformation préalable du signal d'excitation proposées dans l'état de la technique. En particulier, elle peut être implémentée de façon simple dans tout type d'échographe déjà commercialisé, dès lors qu'il est équipé d'une alimentation continue capable de piloter une sonde cMUT.

De nombreux autres modes de réalisation sont possibles, qu'il serait impossible de lister ici de façon exhaustive, en utilisant des valeurs différentes pour les coefficients appliqués aux tensions de polarisation de la séquence. De même, d'autres modes de réalisation sont aussi possibles, qui utilisent des séquences de plus de trois valeurs différentes, là encore avec des coefficients pouvant être choisis de différentes façons.

Dans tous ces modes de réalisations alternatifs, la formule de composition des échos reçus est alors adaptée en fonction du nombre d'impulsions dans la séquence, des coefficients des tensions de polarisation au sein de cette séquence, et du mode de fonctionnement (BVM ou BVM-PI, et puise ou pulse-echo).

Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.

Liste des figures

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :

- les FIGURE la à FIGURE le sont des schémas issus de simulation qui illustrent respectivement les trois impulsions de la séquence selon l'invention, pour un mode de réalisation à réception constante, avec :

o à gauche : valeur des tensions appliquées,

o au centre : la forme de l'onde acoustique émise, et

o à droite : un graphe spectral des fréquences ; - la FIGURE 2 et FIGURE 3 sont des schémas issus de simulation qui illustrent de gauche à droite les trois échos des trois impulsions et la combinaison de ces trois échos, avec :

^■ l'écho et son coefficient dans la combinaison ■ au milieu : la forme de l'écho,

^■ un graphe spectral des fréquences ;

o en FIGURE 2 : pour des échos renvoyés par un réflecteur linéaire, et

o en FIGURE 3 : pour des échos renvoyés par des microbulles ; - les FIGURE 4a à FIGURE 4e sont des graphiques illustrant les signaux émis par des transducteurs cMUT dans un milieu liquide, tels qu'enregistrés par un hydrophone :

o FIGURE 4a à FIGURE 4c : pour chacune des trois impulsions combinées,

o FIGURE 4d : en combinant les signaux émis,

o FIGURE 4e : en un graphe spectral des quatre signaux ;

- les FIGURE 5a à FIGURE 5e sont des graphiques de simulation illustrant les échos réfléchis par une microbulle, tels que reçus par des transducteurs cMUT :

o FIGURE 5a à FIGURE 5c : pour chacune des trois impulsions combinées,

o FIGURE 5d : en combinant les échos reçus,

o FIGURE 5e : en un graphe spectral des quatre signaux ;

- les FIGURE 6a à FIGURE 6e sont des graphiques illustrant les échos réfléchis par un réflecteur solide dans un milieu liquide, tels que reçus par des transducteurs cMUT :

o FIGURE 6a à FIGURE 6c : pour chacune des trois impulsions combinées,

o FIGURE 6d : en combinant des échos réfléchis,

o FIGURE 6e : en un graphe spectral des quatre signaux ;

les FIGURE 7a à FIGURE 7c sont des images obtenues par échographie harmonique avec une même sonde cMUT :

o en FIGURE 7a : en imagerie mono-impulsion par la seconde harmonique de façon connue, o en FIGURE 7b : en imagerie harmonique avec une séquence de deux impulsions avec tension de polarisation constante et modulation d'amplitude de la tension d'excitation de façon connue, avec une amplitude de 2 ^nde impulsion valant la moitié de celle de la l ^ere impulsion, et

o en FIGURE 7c : en imagerie harmonique par transducteurs cMUT avec une séquence BVM de trois impulsions et modulation d'amplitude de la tension de polarisation selon l'invention.

Description d'un exemple de mode de réalisation

Il est ici décrit un mode de réalisation utilisant un exemple de loi de variation de l'amplitude des tensions de polarisation, et la formule de recombinaison qui lui correspond en tenant compte du mode d'utilisation des éléments transducteurs :

- séquence de trois impulsions,

- variation d'amplitude de facteurs 1, 2 et 3 sans inversion de phase, et

- éléments transducteurs en mode "pulse-echo" c'est-à-dire avec émission et réception à la même tension de polarisation.

Ces paramètres induisent la formule du traitement de combinaison utilisé pour reconstituer l'image correspondante, soit : "Ei+E ₃ -2 _* E ₂ ".

D'autres modes de réalisation sont bien sûr réalisables en choisissant des paramètres différents, et en adaptant la formule de combinaison en fonction de ces paramètres.

Principes

Ce mode de réalisation propose ainsi une séquence multi-impulsion, dite BVM (pour "Bias Voltage Modulation"), dans laquelle sont émises trois impulsions successives PI, P2 et P3 avec des amplitudes différentes pour la tension de polarisation du cMUT, laquelle tension de polarisation est appliquée de façon continue au sein d'une même impulsion.

Ce point constitue une différence avec les méthodes connues, dans lesquelles une modulation d'amplitude est appliquée à la tension du signal d'excitation, laquelle tension est alternative à l'intérieur d'une même impulsion.

Application en mode "puise" :

Dans le mode de réalisation présenté ici, la variation d'amplitude est appliquée uniquement à la tension de polarisation, et varie d'un facteur 1, 2 ou 3 selon l'impulsion émise.

Pour chaque impulsion, la commande du cMUT est ainsi de

où Vad est la tension d'excitation, V _dC i est la tension de polarisation pour l'impulsion P, et A et B sont des valeurs constantes, au moins sur un même jeu d'impulsions combinées PI à P3.

Les FIGURE la à FIGURE le illustrent respectivement ces trois impulsions, avec à gauche les valeurs de tension, au centre la forme de l'onde acoustique émise, et à droite un graphe spectral des fréquences.

Lorsqu'une tension alternative d'excitation Vac(t) est appliquée à l'électrode du cMUT, la membrane est soumise à une force électrostatique F qui la met en vibration. Cette force F s'ex rime par la formule :

où ε ₀ est la permittivité du vide, A _e i est la superficie de l'électrode de surface, V est la tension appliquée entre les deux électrodes, h _gap est la hauteur effective du gap, d est le déplacement de la membrane et t est le temps. A partir de l'équation (1), il y a deux sources principales de distorsion non linéaire : le déplacement de la membrane et la tension appliquée. Pour un transducteur cMUT, une tension continue de polarisation Vdc est ajoutée à la tension alternative d'excitation V _ac pour améliorer la sensibilité. La tension appliquée est ainsi : V = v, _c cos(wt) + v _{d c} (2)

où V _ac (t) = v _ac cos(wt) et w est la pulsation.

Il en résulte que la force appliquée est proportionnelle à : F « ¥ _e + 2 v _dB v«(t) +v _« ft) ² et donc à

F α cosGw . .

Il en résulte que l'onde ultrasonore émise par le cMUT comprend : - une composante linéaire dépendant du terme "V _dc .v _ac ", et

- une composante de seconde harmonique du terme " ^v ic "

Comme illustré en FIGURE 1, les ondes acoustiques émises pour les trois impulsions PI, P2, P3 selon l'invention comportent chacune une composante linéaire, avec des facteurs d'amplitude différents valant respectivement 1, 2 et 3. Cette composante linéaire est représentée par la flèche fl sur les graphes de droite. Par contre, ces ondes présentent exactement la même amplitude pour leur composante de seconde harmonique. Cette composante de seconde harmonique est représentée par la flèche f ₂ sur les graphes de droite.

Les valeurs mesurées pour les trois échos El, E2 et E3 issus de la réflexion des trois impulsions PI, P2 et P3 sont combinées entre elles en un post-traitement ou "traitement de combinaison" selon la formule :

E _! +E ₃ -2 _* E ₂ (4)

La composante fondamentale générée par la source pour l'impulsion Pi est proportionnelle au terme "VdciYkei " .

En réception pour les composantes fondamentales :

El est proportionnel à V _dc i v _ac i=AB,

E2 est proportionnel à V _dc2 v _ac2 =A.2B, et

E3 est proportionnel à V _dC 3 v _aC 3=A.3B

Ainsi, avec cette formule de post-traitement (3), la partie linéaire de ces trois ondes émise vaut :

dti v _Ml + V _d(!3 v«3 - 2¥ _{J e2} v _M2 = AB + 3AB - 2 * 2AB = 0 (5)

De façon similaire, la composante harmonique générée par l'impulsion Pi est proportionnelle à "v _a V\

En réception pour les composantes harmoniques:

El est proportionnel à v _ac i ² =A ² ,

E2 est proportionnel à v _ac2 ² =A ² , et E3 est proportionnel à v _ac3 ² =A ²

La part harmonique de la résultante vaut donc :

. _c i ² + ¾ _cî ² - 2v. _c2 ² = A ² + ^■ A ² - 2 A ² = o (6) Ainsi, selon les configurations de fonctionnement, à chaque séquence d'émission et configuration d'utilisation est associée une formule de posttraitement correspondante, qui répond à cette même équation (3).

Application au mode "pulse-echo" - non illustrée aux figures :

Par exemple, de façon similaire (non représentée aux figures) pour un fonctionnement en mode "Puise-Echo", c'est à dire avec la polarisation inchangée entre l'émission et la réception, la même séquence d'émission se fera avec les valeurs suivantes :

Vacl = V _ac 2 = V _ac 3 = A

et avec les valeurs : V _dc i = B V _dc2 =2 _* B et

où Vad est la tension d'excitation, V _dC i est la tension de polarisation pour l'impulsion P, et A et B sont des valeurs constantes, au moins sur un même jeu d'impulsions combinées PI à P3.

En réception, la sensibilité du CMUT dépend de la tension de polarisation appliquée. Pour les impulsions PI, P2, P3, les échos Ei seront respectivement amplifiés du même facteur que la tension de polarisation, soit ici d'un facteur 1,2 et 3 :

Ainsi, en réception pour les composantes fondamentales :

El est proportionnel à l*V _dc i v _ac i = l*AB=AB,

E2 est proportionnel à 2*V _dc2 v _ac2 =2*2AB=4AB et

E3 est proportionnel à 3*V _dc3 v _aC 3=3*3AB=9AB

et pour les composantes harmoniques:

El est proportionnel à l*v _ac i ² =A ² ,

E2 est proportionnel à 2*v _ac2 ² =2*A ² , et

E3 est proportionnel à 3*v _ac3 ² =3*A ²

Avec cette séquence B, 2B, 3B, la formule de combinaison est alors :

E3 + 3*E1-3*E2

En l'appliquant aux valeurs v _ac et V _dc ci-dessus, on obtient :

annulation de la réflexion linéaire de la composante fondamentale : (3*v _ac3 V _dC 3)+3*(l*v _acl V _dcl )-3*(2*v _ac2 V _dc2 )=9A.B+3*A. B-3*(4A. B)

c'est-à-dire : 9AB+3AB-12AB=0

annulation de la réflexion linéaire de la composante harmonique :

(3*v _a c3 ² )+3*(l*v _a ci ² )-3*(2*v _ac2 ² ) = 3.A ² +3*A ² -3*2.A ²

c'est à dire : =3A ² +3A ² -6A ² =0

Application au mode PI et "puise" - non illustrée aux figures :

Selon le même principe, de façon similaire (de façon non représentée aux figures) pour un fonctionnement en inversion de phase (mode PI), toujours en mode "Puise", la même séquence d'émission se fera avec les valeurs suivantes :

mais avec les valeurs : V _dc i = B V _dc2 =2 _* B et V _dc3 =3 _* B

En réception pour les composantes fondamentales :

El est proportionnel à V _dc i v _ac i=AB,

E2 est proportionnel à V _dc2 v _ac2 =-A.2B, et

E3 est proportionnel à V _dc3 v _ac3 =A.3B

En réception pour les composantes harmoniques:

El est proportionnel à v _ac i ² =A ² ,

E2 est proportionnel à v _ac2 ² =A ² , et

E3 est proportionnel à v _ac3 ² =A ²

La formule de combinaison est alors : 3*E3+2*E2-5*E1

En l'appliquant aux valeurs v _ac et V _dc ci-dessus, on obtient :

annulation de la réflexion linéaire de la composante fondamentale :

3*(v _ac3 V _dc3 ) + 2*(v _ac2 V _dc2 )-5*(v _acl V _dcl ) = 3*A.3B+2*(-A).(2B)-5*A.B

c'est à dire 9AB-4AB-5AB=0

annulation de la réflexion linéaire de la composante harmonique :

3*v _ac3 ² +2*v _a ci ² -5*v _ac2 ² =3.A ² +2*A ² -5*A ² =0

Application au mode PI et "pulse-echo" - non illustrée aux figures :

De façon similaire (de façon non représentée aux figures) pour un fonctionnement en inversion de phase (mode PI), mais en mode "Puise- Echo", la même séquence d'émission se fera avec les valeurs suivantes : Vacl = V _ac 3 = A et V _ac2 = -A

mais avec les valeurs : V _dc i = B V _dc2 =2 _* B et

Ainsi, en réception, pour les composantes fondamentales :

El est proportionnel à l*V _dc i v _ac i = l*AB=AB,

E2 est proportionnel à 2*V _dc2 v _ac2 =2*(-2*AB) = -4*AB et

E3 est proportionnel à 3* V _dc3 v _ac3 =3*(3*AB)=9*AB

et pour les composantes harmoniques :

El est proportionnel à l*v _ac i ² =A ²

E2 est proportionnel à 2*v _ac2 ² =2*A ² et

E3 est proportionnel à 3*v _aC 3 ² =3*A ²

Avec cette séquence B, 2B, 3B, la formule de combinaison est alors :

E3+E2-5*E1

En l'appliquant aux valeurs v _ac et V _dc ci-dessus, on obtient :

annulation de la réflexion linéaire de la composante fondamentale :

(3*v _ac3 V _dC 3) + (2*v _ac2 V _dc2 )-5*(l*v _acl V _dcl ) =(9AB)+ (-4AB)-5*(A. B)

c'est à dire 9AB-4AB-5AB=0

annulation de la réflexion linéaire de la composante harmonique :

(3*v _aC 3 ² ) + (2*v _ac2 ² )-5*(l*v _a ci ² ) = 3.A ² + 2.A ² -5*A ² = 3A +2A ² -5A ² =0 Ainsi, dans ce processus, on voit que :

- les deux composantes de l'émission sont envoyées,

- la réflexion linéaire des émissions fondamentale et harmonique est supprimée,

- seul subsiste l'écho résultant de la réflexion non-linéaire des émissions fondamentale et harmonique.

Une fois déterminée la variation de l'amplitude de la tension de polarisation d'émission, on voit que c'est le choix de ces coefficients qui permet d'obtenir une image formée uniquement par les réflexions non- linéaires provoquées par le milieu observé.

Description des figures

En revenant au mode de réalisation en mode "puise" et sans inversion de phase, les FIGURE 2 et FIGURE 3 illustrent le résultat de la séquence selon l'invention, dans un mode de réalisation de type polarisation constante en réception, par exemple avec des transducteurs spécialisés en émission (mode "puise") auxquels on applique la séquence BVM, et d'autres transducteurs spécialisés en réception avec une tension de polarisation constante.

Réflexion linéaire : la FIGURE 2 est une simulation numérique qui illustre le résultat de la séquence des trois impulsions, émettant chacune une composante fondamentale fi et une composante harmonique f ₂ , lorsque ces deux composantes sont renvoyées par un élément du milieu se comportant comme un réflecteur linéaire, par exemple un tissu biologique uniforme.

Comme on le voit sur les trois zones de gauche de la figure, l'écho de chaque impulsion est proportionnel à l'onde émise par cette même impulsion, laquelle est représentée en FIGURE la à FIGURE le, du fait de la nature linéaire du réflecteur.

Sur la partie droite de la figure, on voit que la combinaison des trois échos réfléchis par ces trois impulsions va donner un écho nul à l'issue du post-traitement, aussi bien pour leurs composantes fondamentales fi que pour leurs harmoniques f ₂ .

Réflexion non-linéaire : la FIGURE 3 est une simulation numérique qui illustre le résultat de la séquence des trois impulsions, émettant chacune les mêmes composantes fondamentale fi et harmonique f ₂ , lorsque leurs échos sont renvoyés par un élément du milieu se comportant comme un réflecteur non-linéaire, ici des microbulles telles que celles présentes dans les produits utilisés comme agents de contraste.

Comme on le voit sur les trois zones de gauche de la figure, la nature non linéaire du réflecteur fait que les l'écho des trois impulsions ne sont pas proportionnels aux ondes émises par ces mêmes impulsions.

En conséquence, comme on le voit sur la partie droite de la figure, la combinaison des trois échos va donner un écho significatif à l'issue du post- traitement, aussi bien pour leur composante fondamentale fi que pour leur seconde harmonique f ₂ .

C'est cet écho non nul, résultant de la réflexion par les microbulles, qui va ainsi donner une image des zones de réflexion non linéaires. La composante non linéaire de l'émission, intrinsèque aux cMUTs, ne sera pas réfléchie. Ce comportement non linéaire ne pourra ainsi que participer à l'imagerie des microbulles, sans produire de bruit de fond sur le reste de la zone observée. Expérimentation in vitro

Une expérience de validation a été réalisée ici sur trois éléments cMUT, dont la validité peut être étendue à une sonde linéaire complète.

Ondes émises

Les FIGURE 4, FIGURE 5 et FIGURE 6 illustrent les résultats d'essais de validation d'un tel mode de réalisation.

Ces essais ont été réalisés avec une sonde d'échographie à barrettes linéaires de 64 éléments cMUT, centrée à 5MHz avec un pas de 305pm et une élévation de 8mm. La tension statique d'effondrement de la membrane est estimée à 100V.

La mesure de bande passante à -3dB de cette sonde cMUT est de 99%, ce qui est environ 40% de plus qu'une sonde à barrette linéaire piézoélectrique commerciale.

Ces essais ont été réalisés en immergeant la sonde à la surface d'un milieu d'eau dégazéifiée, contenu dans un conteneur parallélépipédique.

Les FIGURE 4a à FIGURE 4c montrent la forme des ondes acoustiques émises lors des trois impulsions de la séquence BVM, "Outl" à "Out3", c'est-à-dire obtenues avec les trois tensions de polarisation différentes, appliquées à trois éléments adjacents de type transducteur cMUT.

Ces enregistrements ont été réalisés à l'aide d'un hydrophone de type aiguille de 0,2mm monté à l'intérieur du conteneur devant la sonde, à environ 2mm de la sonde. Les trois valeurs différentes de la tension de polarisation ont été fixées à 20V, 40V et 60V. Le signal d'excitation a été fixé à la valeur maximale fournie par la plateforme échographique de recherche, soient 40Vpic, avec une fréquence de 3MHz.

Comme on le voit sur ces figures, les trois ondes enregistrées pour ces trois impulsions sont d'amplitudes croissantes, ce qui est cohérent avec les valeurs croissantes des tensions de polarisation appliquées pour ces impulsions.

La FIGURE 4d montre le résultat de la combinaison de ces trois ondes enregistrées réalisée selon la formule "Outl + Out3 - 2*Out2", c'est-à-dire la même combinaison que celle prévue pour reconstituer l'image dans le procédé selon l'invention, ici la formule Ei+E ₃ -3*E ₂ .

Sur cette courbe, on vérifie effectivement que sensiblement aucun signal ne subsiste après application du traitement de combinaison prévu pour la reconstitution de l'image, ou "traitement BVM".

La FIGURE 4e est un graphe spectral réunissant ces quatre signaux.

Sur cette figure, par rapport à l'onde de la troisième impulsion P3, on constate que l'amplitude fondamentale est réduite de 30dB (courbe d'en haut en pointillés), alors que le niveau harmonique est réduit de 15dB après le traitement BVM associé à la séquence combinée, fournissant ainsi une augmentation de 15dB la sensibilité de l'imagerie harmonique.

En fait, après le traitement BVM, la mesure n'enregistre que du bruit pour la fréquence fondamentale ainsi que la 2 ^eme ou la 3 ^eme harmonique. Cette mesure indique que le procédé permet bien la suppression de l'écho du signal fondamental émis par la source et de ses harmoniques.

Microbulles

Les FIGURE 5a à FIGURE 5c montrent la forme des échos simulés d'une microbulle en réponse aux trois impulsions de la séquence BVM.

Ces résultats sont calculés par l'équation de Rayleigh-Plesset en utilisant comme onde d'excitation acoustique les mesures d'émission enregistrées par hydrophone pour la FIGURE 4, pour une microbulle d'un diamètre de 3pm. La fréquence de résonance de la microbulle correspond à celle de la fréquence d'excitation, soit 3MHz. Pour chacune des trois impulsions PI, P2 et P3, la forme d'onde mesurée précédemment au voisinage de l'émission cMUT est utilisée comme signal d'entrée dans l'équation. La microbulle est ainsi excitée à un de pression négative de 92kPa, 184kPa et 275kPa pour les trois impulsions respectives PI, P2 et P3, à la fréquence fondamentale de 3MHz. Comme on le voit sur les FIGURE 5a à FIGURE 5c en réponse à chacune des trois impulsions combinées, l'oscillation de la microbulle est fortement asymétrique ce qui révèle une réponse hautement non linéaire.

Comme il est visible en FIGURE 5d pour la combinaison des échos reçus selon le traitement BVM, le signal résultant est nettement différent de zéro. Comme le signal généré par la source est entièrement supprimé par le traitement, ainsi qu'illustré en FIGURE 4, le signal résultant correspond donc bien à la signature de la microbulle.

L'analyse spectrale de la FIGURE 5e montre que les fortes composantes à 3MHzn 6MHz et 9MHz sont bien conservées après application du traitement, comme indiqué par la courbe en trait plein.

Ainsi, cette méthode de modulation d'amplitude de polarisation permet non seulement la préservation des 2 ^eme et 3 ^eme harmoniques mais aussi la détection d'un composant non linéaire à la fréquence fondamentale d'excitation, ici à 3MHz.

Réflecteur solide

Les FIGURE 6a à FIGURE 6c montrent la forme des signaux recueillis en écho en réponse aux trois impulsions de la séquence BVM, réfléchis par un réflecteur solide présent dans le milieu liquide.

Les trois impulsions combinées sont émises par trois éléments transducteurs sous trois tensions de polarisation différentes à 20V, 40V et 60V, produisant ainsi des amplitudes acoustiques de l lkPa, 20kPa et 30kPa.

Le réflecteur solide est un fil de cuivre de diamètre 50pm placé à

5mm de la source et au point focal du transducteur de réception, soit à 5cm de celui-ci.

Ces échos sont reçus par une sonde à transducteur piézoélectrique mono-élément utilisée en réception, placée sur le côté du conteneur et en face du réflecteur avec un angle de 90° avec aux transducteurs cMUT d'émission. Cette sonde de réception présente une fréquence centrale de 5MHz, avec une bande passante de 81% à -6dB.

Comme on le voit sur ces figures, les trois ondes enregistrées pour ces trois échos El à E3 sont d'amplitudes croissantes, ce qui est cohérent avec les valeurs croissantes des tensions de polarisation appliquées pour les impulsions correspondantes.

La FIGURE 6d montre le résultat de la combinaison de ces trois échos reçus, réalisée selon la formule de reconstitution l'image dans le procédé selon l'invention, ici la formule Ei+E ₃ -3*E ₂ .

Sur cette courbe, on constate comme prévu que le signal de l'écho reconstitué est approximativement nul. On vérifie ainsi que le procédé permet bien la suppression des réflexions linéaires dues aux éléments du milieu observé présentant un comportement linéaire, ici le réflecteur solide.

Résultats

A travers ces mesures expérimentales, on constate que l'imagerie harmonique utilisant le procédé de commande d'éléments cMUT permet effectivement une suppression des réflexions des émissions non-linéaires des éléments cMUT et des réflexions linéaires du milieu observé, tout en conservant les réflexions non-linéaires du milieu observé.

Les FIGURE 4 à FIGURE 6 illustrent une mise en œuvre en appliquant les trois impulsions combinées à trois éléments transducteurs adjacents. Leurs résultats montrent qu'il n'y a pas de variabilité inter-éléments, ou qu'elle insuffisante pour être annuler les résultats du procédé.

La FIGURE 7 illustre une mise en œuvre en appliquant les trois impulsions combinées en une succession temporelle de trois tirs, pour le dispositif expérimental de mesure sur un flux de microbulles tel que décrit ci-dessus. Ces résultats sont obtenus à l'aide d'une solution de l'agent de contraste commercialisé sous le nom de SonoVue diluée à 1/2000. Le débit de circulation est de 20mL/min, et est interrompu pendant la mesure. Le tuyau est situé à 28mm de la sonde et au point de focalisation électronique.

Les FIGURE 7a, FIGURE 7b et FIGURE 7c représentent les résultats respectivement en imagerie de seconde harmonique, modulation d'amplitude d'excitation (AM), et modulation d'amplitude de tension de polarisation selon l'invention (BVM). Ces images sont reconstruites avec une même gamme dynamique de 35 dB, et normalisées à leur intensité maximale c'est à dire la réponse maximale de l'agent de contraste.

Les performances de contraste (CTR) ont été calculées pour deux mêmes régions d'intérêt, représentées par les deux rectangles, l'une dans le flux de microbulles et l'autre dans le matériau imitant un tissu uniforme.

Les améliorations de performances de contrastes sont confirmées par le calcul, qui donne des valeurs de rapport contraste sur tissu entre ces deux régions valant respectivement l l,8dB et 23,ldB pour l'état de la technique, et 29,2dB pour le procédé selon l'invention.

Ainsi, en comparaison avec une commande par séquence de variation d'amplitude du signal d'excitation tel que connu dans l'état de la technique, la méthode proposée permet ainsi une amélioration du contraste CTR de 6,ldB ; et de 17,4dB par rapport à l'imagerie harmonique conventionnelle.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.