Le transducteur ultrasonore

Le transducteur ultrasonore est situ´e `a l’avant de la sonde. C’est un dispositif constitu´e d’au moins un ´el´ement pi´ezo´electrique, dont le but est de convertir l’´energie ´electrique en ´energie m´ecanique et

inversement. Il peut ainsi assurer respectivement l’´emission d’une pulsation ultrasonore et l’enregis- trement des ´echos re¸cus.

1.2.3.1 Pi´ezo´electricit´e

L’effet de pi´ezo´electricit´e a ´et´e d´ecouvert en 1880 par Pierre et Marie Curie. Lorsqu’un cristal pi´ezo´electrique est travers´e par un courant ´electrique, il se contracte dans la direction du courant et retrouve son ´etat de repos lorsque le courant cesse de le traverser. Cela a pour effet de transformer l’´energie ´electrique en ´energie m´ecanique. On appelle cela l’effet pi´ezo´electrique indirect. Pour ´emettre une onde ultrasonore, on excite l’´el´ement pi´ezo´electrique en ´emettant des impulsions ´electriques `a sa fr´equence de r´esonance. On pourra ainsi envoyer une onde avec suffisamment d’´energie pour pouvoir r´eceptionner ses ´echos, tout en atteignant la profondeur souhait´ee.

Au contraire, pour recevoir ces ´echos, on utilisera l’effet pi´ezo´electrique direct. Soumis `a une pression, l’´el´ement pi´ezo´electrique se d´eforme, ce qui g´en`ere un faible courant ´electrique. Les ca- ract´eristiques de cette diff´erence de potentiel sont directement li´ees `a la pression r´efl´echie et `a son intensit´e.

L’effet pi´ezo´electrique est illustr´e par la figure1.15.

Figure 1.15 – Sch´ema illustrant le principe de l’effet pi´ezo´electrique. La d´eformation des mailles cristallines due `a une compression g´en`ere une diff´erence de potentiel entre les faces avant et arri`ere. Chaque ´el´ement pi´ezo´electrique poss`ede les deux caract´eristiques (effets pi´ezo´electriques direct et indirect), un seul transducteur peut donc jouer le rˆole d’´emetteur et de r´ecepteur. Dans ce cas, l’activit´e ´electrique se d´ecompose en deux phases : une phase courte lors de laquelle des impulsions br`eves sont ´emises `a la fr´equence de r´esonance du transducteur, puis une phase d’´ecoute beaucoup plus longue durant laquelle aucun courant n’est ´emis et les pressions re¸cues sont converties en cou- rant ´electrique.

Une sonde peut compter un ou plusieurs ´el´ements pi´ezo´electriques, de forme et de taille variables. La sonde la plus simple est celle constitu´ee d’un transducteur mono´el´ement cylindrique, comme il est illustr´e sur la figure1.16. Un balayage m´ecanique est n´ecessaire pour obtenir une image ´echographique (voir la section1.2.3.2).

Aujourd’hui, la majorit´e des sondes utilisent une barrette compos´ee de plusieurs ´el´ements carr´es ou rectangulaires afin d’utiliser un balayage ´electronique. Il est ´egalement possible de trouver des

Figure 1.16 – Sch´ema d’une sonde ultrasonore basique, adapt´e de [Prince et Links, 2008]. transducteurs poss´edant une configuration annulaire, ce qui consiste `a diviser un monotransducteur en anneaux d’´epaisseurs diff´erentes, avec un cylindre pour ´el´ement central.

1.2.3.2 Balayage

L’´emission d’un signal et la r´eception de ses ´echos offrent une exploration 1D des tissus. L’acquisi- tion de cette donn´ee 1D offre une information dans la direction de propagation de l’onde ultrasonore, on parle de direction axiale. Le signal enregistr´e est appel´e ligne radio-fr´equence (ou ligne RF). Mˆeme si cela est suffisant pour certains modes d’imagerie ultrasonore, il est n´ecessaire de d´eplacer le trans- ducteur dans une direction, dite lat´erale, pour obtenir une acquisition 2D. Dans le cas de volumes 3D, la derni`ere direction est appel´ee direction azimutale. Le balayage vise `a d´eplacer le transducteur le long de la direction lat´erale et peut ˆetre m´ecanique, dans le cas d’une sonde mono´el´ement, ou ´

electronique pour les sondes multi´el´ements.

En pratique, la sonde que tient le m´edecin durant un examen ne bouge pas lors de l’acquisition de l’image. Un moteur ´electrique d´eplace physiquement le transducteur dans une sonde mono´el´ement, alors que le balayage ´electronique d’une sonde multi´el´ement s’effectue en n’excitant qu’une partie des ´el´ements pi´ezo´electriques de la barrette. Dans ce second cas, il faut ´egalement calculer les retards n´ecessaires `a chaque ´el´ement pour focaliser le faisceau `a l’endroit souhait´e, que nous expliquerons dans la partie suivante.

On peut utiliser plusieurs types de balayage en imagerie ultrasonore : lin´eaire, sectoriel et rotatif. Le balayage lin´eaire, qui est le plus simple, consiste `a appliquer au transducteur une translation suivant la direction lat´erale. On obtient ainsi une image rectangulaire (Fig. 1.17(a)). Le balayage sectoriel est une translation suivant la direction lat´erale coupl´ee `a une rotation du transducteur suivant la direction axiale pour avoir un champ d’exploration plus large. La forme de l’image acquise est une portion de disque (Fig. 1.17(b)). Enfin, le balayage rotatif, qui concerne principalement les sondes intracavitaires, repose sur une rotation compl`ete autour de la direction axiale. Cela permet d’acqu´erir une image sous forme de disque (Fig.1.17(c)).

(a) (b) (c)

Figure 1.17 – Sch´emas repr´esentant des balayages lin´eaire1.17(a), sectoriel1.17(b)et rotatif1.17(c). L’image form´ee est illustr´ee en gris [Gr´egoire, 2002].

Il est ´egalement possible de combiner ces balayages pour acqu´erir des volumes 3D. La figure1.18

pr´esente diff´erents types de balayages pour l’acquisition de volumes US 3D.

Figure 1.18 – Exemples de balayages 3D [Jensen, 2007].

1.2.3.3 Focalisation et formation de faisceau

La focalisation permet de concentrer l’´energie ´emise dans une zone donn´ee. Grˆace `a ce proc´ed´e, la pression sur chaque particule de la zone focale est maximis´ee et les ´echos seront mieux rep´er´es. Cela revient `a dire que les r´esolutions axiale et lat´erale seront maximales dans cette zone. Dans le cas d’une sonde mono´el´ement, on peut focaliser le faisceau sur une zone particuli`ere de la zone d’exploration en utilisant une lentille concave sur la face avant du transducteur, appel´ee lame quart d’onde. La largeur du faisceau r´etr´ecira ainsi jusqu’`a la profondeur de focalisation, ce qui permet de contrer l’att´enuation dans cette zone, et divergera apr`es avoir pass´e la zone focale. Cette divergence, coupl´ee `a l’effet d’att´enuation, r´eduit fortement la r´esolution de cette partie de l’image.

La focalisation est r´ealis´ee ´electroniquement pour un transducteur multi´el´ement en jouant avec le d´ecalage des signaux ´emis ou re¸cus par chacun des ´el´ements pi´ezo´electriques. On peut ainsi optimiser les performances dans une zone ou une direction donn´ee. Chaque ´el´ement pi´ezo´electrique va recevoir un ´echo avec plus ou moins de retard en fonction de sa distance par rapport `a la source. On utilise le principe de formation de faisceau par d´elai et sommes, aussi connu sous le nom de delay and

sum beamforming, illustr´e par la figure1.19. Cela consiste `a tenir compte du retard relatif entre

chaque ´el´ement de la barrette puis de les sommer de mani`ere coh´erente.

Figure 1.19 – Sch´ema illustrant le principe du beamforming.

On peut ainsi effectuer une focalisation classique, sur un point focal particulier, ou une focalisa- tion dynamique, pour laquelle on prend compte de l’´evolution de la zone de focalisation au cours du temps.