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Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL Jury : Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute Résolution: Modélisation,

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1 Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL Jury : Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute Résolution: Modélisation, Réalisation et Caractérisation Frédéric COHEN-TENOUDJI Dragan DAMJANOVIC Bertrand DUBUS Marc LETHIECQ Franck LEVASSORT Louis Pascal TRAN-HUU-HUE Rapporteur Examinateur Rapporteur Directeur de thèse Co-directeur Examinateur Université de Paris 7 EPFL, Lausanne CNRS (IEMN, Lille) Université de Tours Laboratoire dUltraSons Signaux et Instrumentation, CNRS FRE 2448 Université de Tours

2 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 2 sur 55 Introduction Amélioration de la qualité des images échographiques : Augmentation de la fréquence démission. Focalisation de la source. Echographie dun fœtus de 22 semaines à 3 MHz Echographie d une veine à la surface de la peau à 20 MHz Enjeux technologiques : Elaboration de matériaux piézo-électriques adaptés. Fabrication de films piézo-électriques de faible épaisseur. 250 mm4 mm

3 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 3 sur 55 Introduction Géométrie : Modélisation axisymétrique. Caractéristiques : Rayonnement et réponse électro-acoustique. Conception : Matériaux piézo-électriques et méthodes de fabrication. Performances : Comparaison du rayonnement et des images réalisées. Démarche : Modélisation : Fonctionnement dun transducteur focalisé. Réalisation : Matériaux performants et optimisation. Caractérisation : Matériaux et réponse du transducteur. Réalisation de transducteurs focalisés pour limagerie médicale : Mise en place doutils de modélisation et de caractérisation. Imagerie médicale haute résolution : Amélioration des résolutions latérale et axiale.

4 Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse z r Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 4 sur 55 Caractérisation Champ dans laxe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Plan

5 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 5 sur 55 RéalisationModélisation Conception dun transducteur pour limagerie haute résolution Caractérisation Méthode / Précision Homogénéité / Reproductibilité Précision / Rapidité Méthodologie Conception

6 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 6 sur 55 Transducteur Environnement acoustique Environnement électrique Réponse électro-acoustique Excitation électrique Adaptation électrique au générateur Adaptation acoustique au milieu de propagation Définition des caractéristiques de rayonnement Choix des matériaux constituants Adaptation de la réponse électro-acoustique pour limagerie Problématique

7 Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse z r Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 7 sur 55 Caractérisation Champ dans laxe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Plan

8 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 8 sur 55 Fonction de transfert de lexcitation électrique Fonction de transfert de propagation p (t, r, z) p s (t, r s, P(r s )) V e (t) H t (t, r s, P(r s )) H p (t, r s, P(r s ), r, z) (t) H e (t) Fonction de transfert de transduction Evaluation de la réponse électro-acoustique Influence des caractéristiques géométriques et acoustiques des couches constituant le transducteur La détermination de la réponse électro-acoustique est le résultat des produits des différentes fonctions de transfert : Modélisation : Démarche

9 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 9 sur 55 amp Amplitude de lenveloppe Temps Réponse impulsionnelle d 6 Durée à 6 dB d 30 Durée à 30 dB Indice de performance : Les grandeurs évaluées ( d 6, d 30, amp ) sont pondérées (,, ) afin de définir lindice de performance IP. Un indice de performance permet dévaluer la réponse électro- acoustique au cours de la procédure doptimisation : Modélisation : Evaluation Le triplet (,, ) = (8, 8, 3) donne un indice de performance adapté aux contraintes de limagerie médicale. (Thijssen, 1985, Ultrasonics; Desmare, 1999, Thèse LUSSI)

10 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 10 sur 55 Disque piézo-électrique Lame adaptatrice Lentille Milieu avant Milieu arrière Générateur électrique La structure du transducteur répond à des besoins fonctionnels pour générer une réponse électro-acoustique adéquate : Modélisation : Matériaux Lame pour une adaptation acoustique Lentille pour la focalisation Choix de matériaux passifs pour une application en imagerie : Milieu arrière amortisseur

11 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 11 sur 55 (Desilets, 1978, IEEE-TUFFC; Kossof, 1966, IEEE-TSU) La procédure doptimisation consiste en une modification itérative de la structure multicouche sur un jeu de paramètres acoustiques et géométriques : Modélisation : Optimisation Initialisation du jeu de paramètres Amélioration de l IP Modification du paramètre Choix dun jeu de paramètres Jeu de paramètres optimal non oui Choix dun paramètre Convergence non oui où P dépend du nombre et du numéro de lame adaptatrice considérée. Initialisation des valeurs dimpédance acoustique

12 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 12 sur 55 Deux configurations typiques sont définies : lune avec une lentille seule, et lautre avec une lame adaptatrice et une lentille : Modélisation : Configurations La distance focale F est fixée afin de faire varier et de déterminer linfluence de limpédance acoustique de la lentille Z l. Le rayon de courbure R c est ajusté de façon à donner une distance focale F adaptée à limagerie : soit avecoù c l est la vitesse longitudinale dans la lentille et c m est la vitesse dans le milieu de propagation.

13 z b /5 p /16 l /16 lent /5 r,eau /3 eau /6 Remarques: La propagation à laide de la MEF dans leau nest pas adaptée: z dans une configuration axisymétrique nécessite trop de mailles. Un code de propagation annexe a été implémenté. Connaissant les propriétés et dimensions de chaque constituant du transducteur, on détermine le maillage optimal pour les modes radial et épaisseur z0z0 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 13 sur 55 Modélisation : Eléments Finis RcRc F a

14 ViVi VeVe (S r ) (S s ) (Sbaï, 1996, Thèse ISEN; Morse&Ingard) Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 14 sur 55 Modélisation : Rayonnement Équation intégrale de Helmoltz-Kirchhoff: Contribution de (S r ) nulle et (S) = (S s )+ Conditions de rayonnement de Sommerfeld : et la pression source, la fonction de Green, la normale à la surface d intégration. La pression dépend de :

15 Ecriture généralisée : Expressions des coefficients de baffle et : BaffleIntégrale Rigide Adapté Mou Rayleigh Kirchhoff Sommerfeld Rapport (Sbaï, 1996, Thèse ISEN) Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 15 sur 55 Modélisation : Rayonnement Ecriture généralisée par interpolation :

16 (Williams, 1983; Orofino, 1993; Christopher, 1993; Wu, 1996, JASA) Intégrale de Rayleigh: formulation en ondes planes Passage dans le domaine de Fourier par TF en 2D où : opérateur de propagation et Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 16 sur 55 Modélisation : TF en 2D

17 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 17 sur 55 Modélisation : TF axisymétrique Cette intégrale est aussi appelée transformée de Hankel (TH). Ecriture de la TF en coordonnées polaires : En coordonnées cartésiennes : TF 2D En coordonnées polaires : TF 2D axisymétrique Ecriture de la propagation en régime harmonique :

18 t r t r z0z0 z 0 + z (Christopher, 1991, JASA) krkr krkr Décomposition en ondes planes en 2D axisymétrique : une méthode basée sur la transformée de Hankel (TH) e -j k z z Propagation dans le cas dun disque plan: Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 18 sur 55 Modélisation : TH (TF en 2Daxi) TH & TF THI & TFI

19 Champ de pression dans l'axe Propagation de la source ATILA avec la DHT et la FFT en 2Daxi : 900 µm Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 19 sur 55 Modélisation : Propagation DHT+FFT t r a

20 Pression (ua) Position (mm) Fréquence (MHz) Pression (ua) Temps (µs) Pression (ua) z0z0 DHT+FFT en 2Daxi FFT 3D en 3D Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 20 sur 55 Comparaison des codes de propagation par FFT3D et DHT+FFT: (Williams, 1946; ONeil, 1949; Lucas, 1982; Cobb, 1984, JASA) Modélisation : Comparaison

21 Intégrale de Rayleigh : repère cylindrique (Kino, 1987, IEEE-TUFFC) Distance R entre un point source (r s, z s, s ) et le point image (r, z, ) : DL Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 21 sur 55 Modélisation : Rayonnement z z s >> r 2 z z s >> r s 2 Formulation intégrale pour une source axisymétrique focalisée : Image Source R

22 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 22 sur 55 Le déplacement relevé à la surface de la lentille permet dobserver la fonction de transfert du transducteur, en particulier celle de la lentille : Modélisation : Source Atila La modélisation dune source par éléments finis nécessite un temps de calcul important, incompatible avec une procédure doptimisation. Déplacement à la surface de la lentille Spectre du déplacement à la surface de la lentille Une modélisation alternative simpose.

23 Coefficient de transmission global de la lentille Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 23 sur 55 La fonction de transfert de la lentille est calculée afin dexpliquer le spectre du déplacement à la surface de la lentille : (p)(p)(l)(l)(m)(m) Modélisation : Transmission globale Fréquence (MHz) Position radiale (µm) Maxima du coefficient de transmission global

24 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 24 sur 55 La fonction de transfert du transducteur, y compris celle de la lentille, est calculée avec le modèle KLM 1D pour chacune des contributions annulaires : Modélisation : KLM étendu 2D Élément piézo-électrique Lentille Milieu arrière Lame adaptatrice Milieu de propagation r z m l l Impédances effectives : et Angle dincidence : Angle de transmission : Si alors sinon

25 Pression à la surface de la lentille avec ATILA Spectre de la pression à la surface de la lentille avec ATILA Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 25 sur 55 La pression relevée à la surface de la lentille est comparée pour les deux sources KLM étendu et ATILA: Modélisation : Source KLM étendu Le calcul dune source avec le modèle KLM étendu permet dobtenir un résultat très semblable en un temps de calcul 100 fois moindre. Londe radiale nest pas calculée par ce modèle. Pression à la surface de la lentille avec KLM étendu Spectre de la pression à la surface de la lentille avec KLM étendu

26 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 26 sur 55 Les champs de pression propagés sont comparés pour des sources calculées ATILA en déplacement radial libre : Modélisation : Comparaison Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice entre l élément piézo-électrique et la lentille. Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Configuration de transducteur avec lentille seule Position axiale (mm) Pression (kPa) Position axiale (mm) Pression (kPa) Position radiale (µm)

27 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 27 sur 55 Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice intermédiaire : Modélisation : Comparaison Le champ de pression doit alors être caractérisé afin de comparer les résultats propagés pour les différents modèles. Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Configuration de transducteur avec lentille seule

28 Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 28 sur 55 Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Modélisation : Comparaison Les champs de pression dans laxe sont dallure très semblables. Position axiale (mm) Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans l axe Position axiale (mm) Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lentille seule : dans l axe --- KLM étendu --- ATILA u r = ATILA u r libre

29 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 29 sur 55 Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Modélisation : Comparaison Les champs de pression dans le plan focal sont dallure très semblables. --- KLM étendu --- ATILA u r = ATILA u r libre Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lentille seule : dans le plan focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans le plan focal

30 Temps (µs) Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal Temps (µs) Pression (kPa) Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 30 sur 55 Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Modélisation : Comparaison --- KLM étendu --- ATILA u r = ATILA u r libre On observe une écho résiduel pour la source ATILA avec u r libre.

31 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 31 sur 55 Le champs de pression propagé est caractérisé en terme damplitude et de résolution radiale et axiale au point focal : Modélisation : Comparaison 2a2a F La tache focale est bidimensionnelle Le triplet (,, ) = (8, 8, 3) utilisé précédemment pour lindice de performance donne un indice de focalisation adapté aux contraintes de limagerie médicale.

32 Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 32 sur 55 Les indices de focalisation sont comparés en fonction des valeurs dimpédance acoustique de la lentille : Modélisation : Comparaison --- KLM étendu --- ATILA u r = ATILA u r libre Les minima locaux indiquent une focalisation optimale en fonction de Z l.

33 Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse z r Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 33 sur 55 Caractérisation Champ dans laxe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Plan

34 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 34 sur 55 Choix du matériau piézo-électrique : compromis à déterminer. Réalisation : Matériaux BIT: Titanate de Bismuth; LN: Niobate de Lithium; PSC: Mono-cristaux à base de Plomb; PN: Niobate de Plomb ; PT: Titanate de Plomb; PVDF: Polymére; P(VDF-TrFe): Copolymére; Composites PZT 1-3: Composites PZT et polymère; PZT: Zirconate Titanate de Plomb

35 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 35 sur 55 Caractérisation de céramiques de titanate de plomb Pz34 : Réalisation : Caractéristiques Réalisation de transducteurs ayant une fréquence de résonance autour de 10 MHz. (En coopération avec Ferroperm Piezoceramics) Élaboration de la structure multicouche pour limagerie. Les caractéristiques du Pz34 correspondent à celles escomptées. Vérification de la cohérence entre modèle et expérience.

36 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 36 sur 55 Des lentilles acoustiques dimensionnées pour limagerie ont été moulées de façon à donner une f number compris entre 2 et 3 : Réalisation : Focalisation Transducteur n°2Transducteur n°3 (En coopération avec Vermon SA, Nicolas Félix)

37 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 37 sur 55 La réponse électro-acoustique et son spectre en émission-réception sur cible plane ont été déterminés par modélisation avec KLM étendu et comparées avec les résultats expérimentaux : Fréquence (MHz) Tension normalisée (u.a.) Spectre de la réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane KLM étendu à laxisymétrie- - - Expérience Réalisation : Comparaison expérimentale Temps (µs) Tension normalisée (u.a.) Réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane

38 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 38 sur 55 Les différentes couches constituant le transducteur sont sérigraphiées : Réalisation : Sérigraphie 1,8 mm 5 mm 3 mm Electrode avant et reprise de contact Electrode arrière et reprise de contact Film épais en PZT/PGO et reprise de contact Electrode avant (<0,5 µm) Film épais en PZT/PGO (~35µm) Milieu arrière (~10 mm) en PZT poreux non polarisé Electrode arrière (~10µm) et reprise de contact Couche de protection (~10µm) en PZT (En coopération avec lInstitut Jozef Stefan)

39 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 39 sur 55 Connaissant les propriétés du substrat, celles de la céramique sérigraphiée ont été identifiées pour la résonance fondamentale : Réalisation : Impédancemétrie Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film sérigraphié en PZT/PGO. KLM Mesure

40 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 40 sur 55 Un mélange fluidifié de poudre de céramique est coulé en bande : Réalisation : Coulage en bande Séchage, déliantage, frittage, métallisation, polarisation. Elaboration dune composition de ( 1 x )PMN-( x )PT optimale. Racle Réservoir Film polyester Mélange Bande coulée de céramique Sens du déplacement (vitesse réglable) Hauteur réglable (Stage effectué au Laboratoire de Céramique, EPFL)

41 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 41 sur 55 Caractérisation des propriétés de la céramique de PMN-PT par impédancemétrie : Réalisation : Impédancemétrie Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film coulé en bande en PMN-PT 65/35. KLM Mesure

42 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 42 sur 55 Caractérisation par impédancemétrie : f struct Résolution axiale 33,r S Adaptation dimpédance électrique k t Rendement électro-acoustique Z Adaptation dimpédance acoustique min. = 75 µm Réalisation : Propriétés Synthèse des principaux résultats.

43 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 43 sur 55 Assemblage des transducteurs : Réalisation : Propriétés Propriétés acoustiques des couches très variables : de 3,9 à 37,5 MRa pour lélément piézo-électrique et de 3,1 à 18,2 MRa pour le milieu arrière. La qualité de la résonance ( /2 ou /4 ) dépend essentiellement du rapport entre ces deux impédances. /2 /4 /2 Milieu arrière, élément piézo-électrique et lame adaptatrice optionnelle.

44 Elément piézo-électrique Milieu arrière Housse isolante Bague conductrice Lame adaptatrice Lentille Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 44 sur 55 Finalisation du transducteur multi-couches : Réalisation : Assemblage Câble coaxial Générateur dimpulsions Transducteur Re ( Z c ) = 60 – 4,7.10 –8.f( ) Im ( Z c ) = –3,5 + 2,4.10 –8.f( ) v= 1, ,7.10 –2.f(m/s) = 3,6 + 8,2.10 –10.f(Np/m) Les propriétés du câble coaxial ont été évaluées en fonction de la bande passante de 20 à 100 MHz. Ajout dune lentille, dune housse isolante et dune bague conductrice.

45 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 45 sur 55 Caractéristiques de la résine polyuréthanne : Réalisation : Ajout dune lentille Moulage de la lentille Le moulage de la lentille est réalisé en face avant, puis le transducteur est finalisé avec la mise en place de la housse de protection :

46 Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse z r Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 46 sur 55 Caractérisation Champ dans laxe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Plan

47 Positionnement Owis Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 47 sur 55 Dispositif expérimental pour caractériser les transducteurs. Caractérisation : Réponse en E/R x z y Générateur GIP Ultrasons Carte Acquiris DP 310 et Pilotage IEEE-488 Champ en E/R sur une cible quasi-ponctuelle :

48 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 48 sur 55 Champ en E/R des transducteurs réalisés sur une bille. Caractérisation : Champ en E/R Tension reçue (V) Position dans laxe (mm) Position radiale (mm) Tension reçue (V) Champ dans laxe sur une cible quasi-ponctuelle Champ dans le plan focal sur une cible quasi-ponctuelle Bille D = 400 µm < 10 : Cible quasi-ponctuelle ( min. = 75 µm). La lame adaptatrice ne joue pas son rôle : n°1 avec / n°2 sans lame.

49 Le transducteur à base de PZT/PGO n°2 offre un excellent compromis entre sensibilité et résolution axiale et latérale. Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 49 sur 55 Réponses en E/R des transducteurs au point focal. Caractérisation : Champ en E/R Réponse électro-acoustique au point focal en E/R sur une bille Tension reçue (V) Temps (µs) Caractéristiques de focalisation sur une cible quasi-ponctuelle Comparaison des caractéristiques :

50 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 50 sur 55 Comparaison des résultats de propagation modélisés et mesurés Caractérisation : Comparaison Champ dans laxe en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Réponse en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Position axiale (mm) Tension reçue (V) Temps (µs) Ajustement de la vitesse dans la lentille. Champ dans laxe et profondeurs de champ très semblables. Ajustement satisfaisant de la réponse électro-acoustique.

51 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 51 sur 55 Mise en place dans léchographe haute résolution développé au laboratoire. Caractérisation : Images Nez de sonde Transducteur Membrane Axes de translation Sonde (Berson, 1999, EJU; Grégoire, 2002, Thèse LUSSI)

52 Coulage en bande Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 52 sur 55 Comparaison des images réalisées : Caractérisation : Images Pressage/Frittage Sérigraphie PMN-PT : Faible sensibilité. PZT/PGO n°2 : Très bonnes résolution axiale et sensibilité. PT n°2 : Bon compromis entre résolutions axiale et latérale. Epiderme Derme Vaisseau Hypoderme Echo de membrane Echo de fond de milieu arrière Qualité de limage : Compromis entre la sensibilité et les résolutions axiale et latérale, comme le décrit lindice de focalisation IF. 5 mm 6 mm

53 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 53 sur 55 Conclusion Modélisation et caractérisation ont permis la réalisation de transducteurs pour limagerie haute résolution. Outils de modélisation mis en place : KLM étendu : Transduction et lentille acoustique. Intégrale de Rayleigh pour une source focalisée (propagation). Méthodes de caractérisation matériaux pour la HF : Impédancemétrie : Piézo-électrique et multicouches. Ajustement : Comparaison avec la modélisation. Moyens de réalisation pour la HF : Sérigraphie : Optimisation de la structure. Coulage en bande : Composition optimisée PMN-PT (65/35).

54 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 54 sur 55 Perspectives Modélisation de structures multicouches : Aide au dimensionnement. Optimisation acoustique, géométrique, électrique. Films piézo-électriques incurvés. Réalisation suite aux retours dexpériences : Substrat : Atténuation. Impédance acoustique. Surface active : Résolution latérale. Adaptation dimpédance électrique. Nouvelles compositions : dopants. Dépôt sol-gel pour monter en fréquence.

55 Transducteurs Mono-Éléments pour lImagerie Ultrasonore Haute RésolutionPage 55 sur 55 Franck Levassort, Pascal Tran, Marc Lethiecq qui m ont encadré. Remerciements Les membres du LUSSI et du GIP Ultrasons. Les partenaires du projet européen PIRAMID : Brüel&Kjaer Sound&Vibration Measurements A/S (Naerum, Danemark) CSIC – Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (Madrid, Espagne) Ferroperm A/S (Kvistgard, Danemark) Institut Jozef Stephan (Ljubljana, Slovénie) Iskraemeco dd (Kranj, Slovénie) Laboratoire de Céramiques - EPFL (Lausanne, Suisse) Medizintechnik Basler AG (Zürich, Suisse) Nanomotion Ltd. (Yoqneam, Israël) Sintef Materials Technology (Oslo, Norvège) Thomson Marconi Sonars SAS (Sophia Antipolis, France) Thomson-CSF Laboratoire Central de Recherches (Orsay, France) Vermon SA (Tours, France) Xaar Jet AB (Jarfalla, Suède) Ma famille et ceux qui m ont soutenu pendant ces 3 ans. Marion Bailly, Danny Carre, Jean-Marc Grégoire, Frédéric Ossant. Les membres du jury pour leur relecture et évaluation.


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