Modélisation, Réalisation et Caractérisation

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1 Modélisation, Réalisation et Caractérisation
Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution: Modélisation, Réalisation et Caractérisation Laboratoire d’UltraSons Signaux et Instrumentation, CNRS FRE 2448 Université de Tours Jury : Frédéric COHEN-TENOUDJI Dragan DAMJANOVIC Bertrand DUBUS Marc LETHIECQ Franck LEVASSORT Louis Pascal TRAN-HUU-HUE Merci Monsieur le président et merci aux membres du jury pour avoir accepté d’évaluer mon travail. J’ai préparé ma thèse au Laboratoire d’UltraSons Signaux et Instrumentation, CNRS FRE 2448, avec l’encadrement de F L, LP THH, M L. Rapporteur Examinateur Directeur de thèse Co-directeur Université de Paris 7 EPFL, Lausanne CNRS (IEMN, Lille) Université de Tours

2 Introduction  Amélioration de la qualité des images échographiques :
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 2 sur 55 Introduction  Amélioration de la qualité des images échographiques :  Augmentation de la fréquence d’émission.  Focalisation de la source. Echographie d’un fœtus de 22 semaines à 3 MHz Echographie d ’une veine à la surface de la peau à 20 MHz 250 mm 4 mm  Ce travail se situe dans le contexte d ’une amélioration de la qualité des images réalisées par échographie, et d ’une diversification des domaines d ’applications.  La résolution d ’une image échographique est directement liée à la profondeur d’exploration, à la focalisation de la source et à la fréquence d’émission qui est de 3 MHz pour l ’échographie du fœtus et de 20MHz pour une image haute résolution la peau.  Cette montée en fréquence nécessite une miniaturisation des transducteurs.  Les enjeux technologiques se situent donc au niveau des techniques d’élaboration de matériaux et des méthodes de fabrication de films de quelques dizaines de µm d ’épaisseur.  Enjeux technologiques :  Elaboration de matériaux piézo-électriques adaptés.  Fabrication de films piézo-électriques de faible épaisseur.

3 Introduction  Imagerie médicale haute résolution :
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 3 sur 55 Introduction  Imagerie médicale haute résolution :  Amélioration des résolutions latérale et axiale.  Réalisation de transducteurs focalisés pour l’imagerie médicale :  Mise en place d’outils de modélisation et de caractérisation.  Démarche :  Modélisation : Fonctionnement d’un transducteur focalisé.  Réalisation : Matériaux performants et optimisation.  Caractérisation : Matériaux et réponse du transducteur.  Géométrie :  Modélisation axisymétrique.  Caractéristiques :  Rayonnement et réponse électro-acoustique.  Comme vous avez pu l ’observer sur les images précédentes, l’imagerie haute résolution passe par l’amélioration des résolutions latérale et axiale.  Dans cette optique, des transducteurs haute fréquence focalisés ont été réalisés grâce à des outils de modélisation et de caractérisation.  La démarche suivie consiste à aborder le transducteur en 3 points: Modélisation, Réalisation, Caractérisation.  Une modélisation axisymétrique permet de déterminer la REA et le rayonnement.  Des transducteurs sont réalisés au moyen des matériaux et méthodes adéquats.  Enfin, les caractéristiques des transducteurs fabriqués sont évaluées en terme de rayonnement et de qualité des images réalisées.  Conception :  Matériaux piézo-électriques et méthodes de fabrication.  Performances :  Comparaison du rayonnement et des images réalisées.

4 Plan r  Modélisation  Réalisation z  Caractérisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 4 sur 55 Plan r  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 Voici le plan que je me propose de suivre pour cet exposé articulé autour des 3 points mentionnés précédemment. Les hypothèses et champ d ’application des modèles sont détaillés pour le calcul de la REA et du rayonnement. Les principales étapes de l’élaboration des matériaux et leur assemblage pour la fabrication de transducteurs seront ensuite développées. Enfin, l ’étape de caractérisation permet soit de valider soit d’ajuster et d’améliorer les outils de conception.  Caractérisation  Champ dans l’axe  Champ dans le plan radial  Réponse électro-acoustique  Images

5  Conception d’un transducteur pour l’imagerie haute résolution
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 5 sur 55 Méthodologie  Conception d’un transducteur pour l’imagerie haute résolution Méthode / Précision Homogénéité / Reproductibilité Précision / Rapidité Modélisation Réalisation Conception Pour résumer la méthodologie utilisée, les interactions entre les 3 pôles sont décrites en terme d’un triple objectif :  Premièrement, la mise au point d ’un modèle à la fois précis et rapide pour une aide à la conception et à l’optimisation.  Deuxièmement, le développement de méthodes de caractérisation suffisamment précises pour une modélisation adéquate.  Troisièmement, la réalisation d’un assemblage des matériaux qui soit homogène et reproductible pour la fabrication de transducteur haute fréquence. Caractérisation

6  Adaptation de la réponse électro-acoustique pour l’imagerie
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 6 sur 55 Problématique  Adaptation de la réponse électro-acoustique pour l’imagerie Transducteur Environnement électrique Environnement acoustique Excitation électrique Réponse électro-acoustique  Adaptation électrique au générateur  Adaptation acoustique au milieu de propagation  Définition des caractéristiques de rayonnement  Choix des matériaux constituants  Pour une efficacité optimale, le transducteur doit être adapté à son environnement électrique et acoustique.  Cette efficacité s ’inscrit dans un contexte d ’imagerie médicale et se traduit en terme de rendement EA et de résolutions axiale et latérale pour une profondeur d ’exploration donnée.  Le choix des matériaux appropriés permet de réaliser l’adaptation électrique au générateur et l’adaptation acoustique vers le milieu de propagation.  Enfin, le choix de la géométrie du transducteur permet d ’en définir le rayonnement.

7 Plan r  Modélisation  Réalisation z  Caractérisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 7 sur 55 Plan r  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  Le développement qui suit décrit la méthode d’évaluation d’un transducteur mono-élément multi-couches, sa modélisation par éléments finis et le rayonnement qui en résulte.  Ensuite, une modélisation alternative basée sur le modèle unidimensionnel KLM est détaillée.  Enfin, les modèles de source et de propagation sont comparés pour des configurations typiques.  Caractérisation  Champ dans l’axe  Champ dans le plan radial  Réponse électro-acoustique  Images

8 Modélisation : Démarche
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 8 sur 55 Modélisation : Démarche  La détermination de la réponse électro-acoustique est le résultat des produits des différentes fonctions de transfert :  (t) Fonction de transfert de l’excitation électrique He (t)  Influence des caractéristiques géométriques et acoustiques des couches constituant le transducteur Ve (t) Ht (t, rs, P(rs)) Fonction de transfert de transduction ps (t, rs, P(rs)) La REA en émission est calculée en un point donné. La FT de l ’excitation électrique donne la tension d ’excitation. Sa convolution avec la FT du transducteur donne la pression à sa surface. Par intégration sur la surface source, la pression est ainsi calculée en un point donné au moyen de la FT de propagation. Cette démarche est utilisée de façon itérative après évaluation de la REA. Hp (t, rs, P(rs), r, z) Fonction de transfert de propagation  Evaluation de la réponse électro-acoustique p (t, r, z)

9 Modélisation : Evaluation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 9 sur 55 Modélisation : Evaluation  Un indice de performance permet d’évaluer la réponse électro-acoustique au cours de la procédure d’optimisation : amp 4Amplitude de l’enveloppe Temps Réponse impulsionnelle d6 4Durée à -6 dB d304Durée à -30 dB Indice de performance :   Les grandeurs évaluées (d6, d30, amp) sont pondérées (, , ) afin de définir l’indice de performance IP. Afin de répondre à l’évaluation de la REA, un IP empirique a été mis au point, sur la base de l’expérience en imagerie du LUSSI. Cet IP est basé sur l ’évaluation de la résolution axiale, du contraste axial et de la sensibilité avec respectivement les durées à -6 et -30 dB et l ’amplitude de la réponse. Des essais ont montré qu’une pondération avec le vecteur (, , ) = (8, 8, 3) donne un indice adapté à l’imagerie médicale. Grandeurs normalisées par rapport à T0, la période correspondant à la fréquence centrale du transducteur.  Le triplet (, , ) = (8, 8, 3) donne un indice de performance adapté aux contraintes de l’imagerie médicale. (Thijssen, 1985, Ultrasonics; Desmare, 1999, Thèse LUSSI)

10 Modélisation : Matériaux
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 10 sur 55 Modélisation : Matériaux  La structure du transducteur répond à des besoins fonctionnels pour générer une réponse électro-acoustique adéquate :  Milieu arrière  Disque piézo-électrique  Lame adaptatrice  Lentille  Milieu avant   Générateur électrique  Lame pour une adaptation acoustique  Lentille pour la focalisation  Choix de matériaux passifs pour une application en imagerie :  Milieu arrière amortisseur Maintenant que les modalités de l ’évaluation de la REA ont été définies, la structure du transducteur mono-élément étudié est décrite.  Les faces métallisées de l’élément piézo-électrique sont reliées à un générateur d ’impulsion.  Un milieu arrière qui joue le rôle d’amortisseur (et permet d’évacuer l’énergie en face arrière du matériau piézo) est accolé et des couches sont ajoutées en face avant.  Ainsi, une lame adaptatrice permet de réaliser une adaptation acoustique et une lentille permet de focaliser la source plane générée par l ’élément piézo-électrique pour un milieu avant donné.  Le transducteur multi-couche peut alors faire l ’objet d ’une procédure d ’optimisation.

11 Modélisation : Optimisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 11 sur 55 Modélisation : Optimisation  La procédure d’optimisation consiste en une modification itérative de la structure multicouche sur un jeu de paramètres acoustiques et géométriques : Initialisation du jeu de paramètres Amélioration de l’IP Modification du paramètre Choix d’un jeu de paramètres Jeu de paramètres optimal non oui Choix d’un paramètre Convergence où P dépend du nombre et du numéro de lame adaptatrice considérée. Initialisation des valeurs d’impédance acoustique La procédure d’optimisation se déroule en plusieurs étapes:  Le choix d’un jeu de paramètres à optimiser.  L’initialisation du jeu de paramètres. Pour illustration, les impédances acoustiques sont résumées dans le tableau suivant.  Le choix de l’un des paramètres.  La modification de ce paramètre.  La comparaison avec la valeur précédente indique si il y a eu une amélioration de la REA. Si l’IP est meilleur, alors le nouveau jeu de paramètres est conservé, sinon la procédure est réitérée avec le paramètre suivant.  La procédure est réitérée jusqu’à convergence. Des configurations de transducteurs mono-éléments haute fréquence ont alors été définies. (Desilets, 1978, IEEE-TUFFC; Kossof, 1966, IEEE-TSU)

12 Modélisation : Configurations
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 12 sur 55 Modélisation : Configurations  Deux configurations typiques sont définies : l’une avec une lentille seule, et l’autre avec une lame adaptatrice et une lentille :  Le rayon de courbure Rc est ajusté de façon à donner une distance focale F adaptée à l’imagerie : soit avec où cl est la vitesse longitudinale dans la lentille et cm est la vitesse dans le milieu de propagation. Les caractéristiques acoustiques et géométriques des différentes couches ont été optimisées pour les 2 configurations typiques sans et avec lame adaptatrice.  Pour illustration, les impédances acoustiques optimales sont résumées dans le tableau suivant.  Elles ont été calculées avec le modèle 1D KLM en supposant que la lentille joue le rôle d ’une seconde lame adaptatrice.  Elles sont basées sur une céramique piézo-électrique en PT, et des propriétés réalistes de matériaux passifs.  Ces deux configurations sont étudiées à distance focale F constante afin de faire varier et de déterminer l’influence de l’impédance acoustique de la lentille Zl.  La distance focale F est fixée afin de faire varier et de déterminer l’influence de l’impédance acoustique de la lentille Zl.

13 Modélisation : Eléments Finis
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 13 sur 55 Modélisation : Eléments Finis  Connaissant les propriétés et dimensions de chaque constituant du transducteur, on détermine le maillage optimal pour les modes radial et épaisseur z0 z Rc F a lb/5 lp/16 ll/16 llent/5 lr,eau/3 leau /6 Afin de déterminer l ’influence de ce paramètre ainsi que celle des déplacements radiaux, la géométrie axisymétrique du transducteur est modélisée par EF.  Le maillage de la structure est densifié jusqu’à obtenir la convergence du résultat. Ainsi, la densité du maillage varie de 5 à 16 mailles par longueur d’onde selon la couche considérée.  Ces résultats ont par ailleurs montré une excellente concordance avec le modèle unidimensionnel KLM pour des configuration unidimensionnelles.  La distance focale F dépend des caractéristiques de la lentille : son rayon de courbure Rc et sa vitesse longitudinale cl. Cependant sa vérification nécessite la propagation de l’onde acoustique sur plus de 200 , ce qui entraîne une imprécision, des ressources et un temps de calcul importants, d’où la nécessité d’un code de propagation annexe. Remarques:  La propagation à l’aide de la MEF dans l’eau n’est pas adaptée: z0  200l dans une configuration axisymétrique nécessite trop de mailles.  Un code de propagation annexe a été implémenté.

14 Modélisation : Rayonnement
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 14 sur 55 Modélisation : Rayonnement  Équation intégrale de Helmoltz-Kirchhoff: Vi Ve (p) (Sr) (Ss)  La pression dépend de : la pression source, la fonction de Green, la normale à la surface d ’intégration.  Contribution de (Sr) nulle et (S) = (Ss)+(p)  Conditions de rayonnement de Sommerfeld : et Ce code de propagation analytique est basé sur l ’équation de Helmholtz. La formulation intégrale de H-K est résolue au moyen de la fonction de Green g dépendante des CL et de la pression source sur la surface d’intégration. De plus, les conditions de rayonnement de Sommerfeld permettent de s’assurer de la nature propagative de la source et de la contribution nulle du champ lointain. (Sbaï, 1996, Thèse ISEN; Morse&Ingard)

15 Modélisation : Rayonnement
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 15 sur 55 Modélisation : Rayonnement  Expressions des coefficients de baffle a et b: Baffle Rapport Intégrale Rigide Rayleigh Adapté Kirchhoff Mou Sommerfeld  Ecriture généralisée par interpolation :  Ecriture généralisée : Cette formulation intégrale est simplifiée selon la CL utilisée et dépend du rapport entre les impédances de la source et du milieu de propagation. La CL est appelée condition de baffle (rigide, adapté ou mou) et est décrite par les coefficients de baffle  et . La formulation intégrale de H-K est exprimée en fonction de ces coefficients de baffle et une expression généralisée par interpolation est déterminée. (Sbaï, 1996, Thèse ISEN)

16 Passage dans le domaine de Fourier par TF en 2D
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 16 sur 55 Modélisation : TF en 2D  Intégrale de Rayleigh: formulation en ondes planes Passage dans le domaine de Fourier par TF en 2D où : opérateur de propagation et L’intégrale de Rayleigh est utilisée car la source bornée modélisée correspond à l ’hypothèse de baffle rigide. L’opérateur de propagation exp(-jkzz) correspond à un déphasage dû à la propagation dans la direction des z croissants si z >0. (Williams, 1983; Orofino, 1993; Christopher, 1993; Wu, 1996, JASA)

17 Modélisation : TF axisymétrique
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 17 sur 55 Modélisation : TF axisymétrique  Ecriture de la TF en coordonnées polaires :  En coordonnées cartésiennes : TF 2D  En coordonnées polaires : TF 2D axisymétrique Cette intégrale est aussi appelée transformée de Hankel (TH). L’algorithme de propagation basé sur la TF en coordonnées cartésiennes peut aussi être développé en coordonnées polaires pour une géométrie axisymétrique. Cette formulation de la TF axisymétrique s ’appelle aussi TH. Le plan de pression propagé est obtenu par TH inverse de la TH de la source multipliée par l ’opérateur de propagation exp(-jkzz).  Ecriture de la propagation en régime harmonique :

18 Modélisation : TH (TF en 2Daxi)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 18 sur 55 Modélisation : TH (TF en 2Daxi)  Décomposition en ondes planes en 2D axisymétrique : une méthode basée sur la transformée de Hankel (TH) z0 z0 + Dz r r  Propagation dans le cas d’un disque plan: t t TH & TF THI & TFI w kr w kr Dans le cas où le plan source est exprimé dans le domaine espace-temps, la TF permet d ’effectuer une décomposition harmonique de la source, et l ’algorithme de propagation se résume alors au schéma suivant :  La décomposition en ondes planes se fait par TF pour le temps et TH pour la dimension radiale.  Le résultat est alors multiplié par l’opérateur de propagation exp(-jkzz).  Le retour dans le domaine espace-temps se fait par TF inverse pour le temps et TH inverse pour le nombre d’onde radial. Cet procédure a été implémentée et validée pour une source plane circulaire dont le champ dans l ’axe est connu analytiquement. e -j kz D z (Christopher, 1991, JASA)

19 Modélisation : Propagation DHT+FFT
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 19 sur 55 Modélisation : Propagation DHT+FFT  Propagation de la source ATILA avec la DHT et la FFT en 2Daxi : t r a Champ de pression dans l'axe  Configuration lame + lentille avec Z = 3,5 MRa, soit Rc = 2,24 mm.  Comme précédemment, on observe le résultat d'un calcul de propagation : le plan de pression propagé est affiché en boucle depuis le plan initial jusqu’au point focal, et enfin jusqu’à la zone de divergence.  Le calcul de la TH discrète, appelé DHT, prend en compte la finitude de la source (pas de périodisation comme la FFT) en limitant le domaine d’intagration de 0 à a, le rayon de la source. 900 µm

20 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 20 sur 55 Modélisation : Comparaison  Comparaison des codes de propagation par FFT3D et DHT+FFT: 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Pression (ua) Position (mm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Fréquence (MHz) Pression (ua) -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1 0.05 0.15 0.25 Temps (µs) z0 DHT+FFT en 2Daxi FFT 3D en 3D  Ici, le champ de pression dans l’axe est par les méthodes de décomposition en ondes planes : avec la FFT 2D en bleu pour une géométrie bidimensionnelle (quelconque) et avec la DHT en rouge pour une géométrie bidimensionnelle axisymétrique plus adéquate dans le cas présent.  La réponse électro-acoustique et son spectre sont comparés au point focal.  Ici, on peut observer qu’il y a un très bon accord entre les résultats des deux méthodes de décomposition en ondes planes par DHT+FFT et FFT 3D.  Cependant, ces algorithmes restent coûteux en terme de ressources et temps de calcul, et sont donc incompatibles avec une procédure d’optimisation de structure.  Dans cette optique, une formulation alternative est recherchée. (Williams, 1946; O’Neil, 1949; Lucas, 1982; Cobb, 1984, JASA)

21 Modélisation : Rayonnement
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 21 sur 55 Modélisation : Rayonnement  Intégrale de Rayleigh : repère cylindrique Image Source R  Distance R entre un point source (rs, zs, ys) et le point image (r, z, y) : z-zs >> r2 z-zs >> rs2 DL   Formulation intégrale pour une source axisymétrique focalisée :  L’intégrale de Rayleigh est alors reformulée dans un repère cylindrique en exprimant analytiquement (dans ce repère) la distance R entre le point source et le point image.  Cette distance R fait alors l’objet d ’un développement limité pour en simplifier l ’écriture intégrale, notamment au niveau de l’intégration angulaire qui est faite par la fonction de Bessel J0.  Cette dernière formulation de l ’intégrale de Rayleigh nécessite de connaître la vitesse normale à la surface de la lentille.  Elle est directement déduite du déplacement relevé à la surface de la lentille et de sa géométrie. (Kino, 1987, IEEE-TUFFC)

22 Modélisation : Source Atila
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 22 sur 55 Modélisation : Source Atila  Le déplacement relevé à la surface de la lentille permet d’observer la fonction de transfert du transducteur, en particulier celle de la lentille : Déplacement à la surface de la lentille Spectre du déplacement à la surface de la lentille  Le déplacement à la surface de la lentille est représenté à gauche en fonction du temps selon les abscisses et de la position radiale selon les ordonnées. A droite, le spectre correspondant est représenté en fonction de la fréquence selon les abscisses et de la position radiale selon les ordonnées.  La superposition de l’onde principale et des réflexions multiples aux interfaces de la lentille donne lieu à des interférences sur le spectre.  On peut deviner (sur le spectre) ce qui semble être une famille d’ondes stationnaires générée par la géométrie de la lentille.  On émet alors l’hypothèse, que les maxima locaux observés sur le spectre sont dus à la FT de la lentille.  La modélisation d’une source par éléments finis nécessite un temps de calcul important, incompatible avec une procédure d’optimisation.  Une modélisation alternative s’impose.

23 Modélisation : Transmission globale
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 23 sur 55 Modélisation : Transmission globale  La fonction de transfert de la lentille est calculée afin d’expliquer le spectre du déplacement à la surface de la lentille : (p) (l) (m) Coefficient de transmission global de la lentille Fréquence (MHz) Position radiale (µm) Maxima du coefficient de transmission global  Afin de vérifier cette hypothèse, le coefficient de transmission global dû aux ondes longitudinales dans la lentille est déterminé.  Le coefficient de transmission global résulte du coefficient de transmission direct incluant de déphasage de l’onde principale observée sur la représentation temporelle, et de la somme des contributions des réflexions multiples aux interfaces de la lentille.  Le calcul du coefficient de transmission global en fonction de la fréquence de 0 à 100 MHz, et de la position radiale de 0 à a (rayon extérieur) fait bien apparaître la famille d’ondes observée précédemment.  Sur la droite, sont représentés les maxima du coefficient de transmission global (qui décrivent les familles d ’ondes observées avant), pour lesquels l’épaisseur de la lentille est un multiple impair de /4.

24 Modélisation : KLM étendu 2D
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 24 sur 55 Modélisation : KLM étendu 2D  La fonction de transfert du transducteur, y compris celle de la lentille, est calculée avec le modèle KLM 1D pour chacune des contributions annulaires : Élément piézo-électrique Lentille Milieu arrière Lame adaptatrice Milieu de propagation r z Impédances effectives : et Angle d’incidence : Angle de transmission : Si alors sinon  Reste alors à prendre en compte la fonction de transfert du transducteur. Elle peut être calculée très rapidement et précisément par le modèle unidimensionnel KLM.  Le calcul du coefficient de transmission global pour une couche (la lentille) qui vient dêtre effectué est le même que celui effectué par KLM pour un multicouche, d’où l’idée naturelle d’un découpage radial de la source focalisée en une multitudes de contributions longitudinales approchées.  Ainsi, la surface considérée est celle de sources annulaires et les impédances acoustiques effectives dépendent de l’angle d’incidence et de la loi de réfraction de Snell-Descartes. m l

25 Modélisation : Source KLM étendu
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 25 sur 55 Modélisation : Source KLM étendu  La pression relevée à la surface de la lentille est comparée pour les deux sources KLM étendu et ATILA: Pression à la surface de la lentille avec ATILA Spectre de la pression à la surface de la lentille avec ATILA Pression à la surface de la lentille avec KLM étendu Spectre de la pression à la surface de la lentille avec KLM étendu  Vous pouvez constater le très bon accord entre la source modélisée par EF et celle modélisée par KLM étendu à l’axisymétrie, aussi bien sur la représentation temporelle que sur son spectre.  La modélisation avec KLM étendu procure un gain en terme de temps de calcul d’un facteur 100.  Cependant, on remarque que les perturbations générées au bord de la lentille ne sont pas calculées avec le modèle KLM étendu.  Ainsi, la principale différence avec le modèle par EF est l’absence de l’onde radiale pour le modèle KLM étendu.  Il reste maintenant à déterminer si la source ainsi calculée est satisfaisante pour modéliser correctement le champ rayonné par le transducteur.  Le calcul d’une source avec le modèle KLM étendu permet d’obtenir un résultat très semblable en un temps de calcul 100 fois moindre.  L’onde radiale n’est pas calculée par ce modèle.

26 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 26 sur 55 Modélisation : Comparaison  Les champs de pression propagés sont comparés pour des sources calculées ATILA en déplacement radial libre : Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Configuration de transducteur avec lentille seule Position axiale (mm) Pression (kPa) Position radiale (µm)  Afin de vérifier la pertinence de cette modélisation, les résultats de propagation de cette source KLM étendu sont comparés à ceux donnés par une source EF pour les 2 configuration définies précédemment sans et avec lame adaptatrice, pour une même distance focale.  Le champ de pression est ici représenté en fonction de la position axiale et radiale autour du point focal représenté par un maximum de pression plus important pour la configuration avec lame adaptatrice que pour celle sans lame adaptatrice.  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.

27 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 27 sur 55 Modélisation : Comparaison  Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice intermédiaire : Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Configuration de transducteur avec lentille seule La comparaison des champs de pression en vue de dessus à même échelle de couleur pour les niveaux de pression permet de mieux comparer ces 2 résultats. On y observe plus nettement l’influence de la lame adaptatrice sur les dimensions de la tache focale.  Le champ de pression doit alors être caractérisé afin de comparer les résultats propagés pour les différents modèles.

28 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 28 sur 55 Modélisation : Comparaison  Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Position axiale (mm) Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans l ’axe Configuration de transducteur avec lentille seule : dans l ’axe Configuration de transducteur avec lentille seule Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Les champs de pression dans l’axe sont maintenant comparés pour les 3 types de sources: KLM étendu, ATILA ur=0, et ATILA ur libre. Les champs dans l’axe sont comparables pour les 3 types de source. --- KLM étendu ATILA ur = ATILA ur libre  Les champs de pression dans l’axe sont d’allure très semblables.

29 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 29 sur 55 Modélisation : Comparaison  Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lentille seule : dans le plan focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans le plan focal De même pour les champs de pression dans le plan focal, pour les 3 types de sources: KLM étendu, ATILA ur=0, et ATILA ur libre. Les champs dans le plan focal sont comparables pour les 3 types de source. --- KLM étendu ATILA ur = ATILA ur libre  Les champs de pression dans le plan focal sont d’allure très semblables.

30 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 30 sur 55 Modélisation : Comparaison  Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Temps (µs) Pression (kPa) Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal  On observe une écho résiduel pour la source ATILA avec ur libre. Ensuite, les REA au point focal sont comparées pour les 3 types de sources: KLM étendu, ATILA ur=0, et ATILA ur libre. Les REA au point focal sont comparables pour les 3 types de source, excepté la traîne observée pour la source ATILA ur libre qui peut être expliquée par l’onde radiale non modélisée par les 2 autres modèles. --- KLM étendu ATILA ur = ATILA ur libre

31 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 31 sur 55 Modélisation : Comparaison  Le champs de pression propagé est caractérisé en terme d’amplitude et de résolution radiale et axiale au point focal : 2a F La tache focale est bidimensionnelle  Enfin, les caractéristiques tridimensionnelles axisymétriques en terme de rayonnement sont évaluées au moyen d’un indice de focalisation.  Il prend en compte la résolution axiale, la résolution latérale et la sensibilité dans la zone focale.  Les coefficients de pondération pour l’évaluation de la zone focale ont été empruntés à ceux utilisés pour l’évaluation de la REA avec le triplet (, , ) = (8, 8, 3).  Cet indice de focalisation permet de synthétiser des résultats présentés dans le rapport écrit.  Le triplet (, , ) = (8, 8, 3) utilisé précédemment pour l’indice de performance donne un indice de focalisation adapté aux contraintes de l’imagerie médicale.

32 Modélisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 32 sur 55 Modélisation : Comparaison  Les indices de focalisation sont comparés en fonction des valeurs d’impédance acoustique de la lentille : Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal  Les minima locaux indiquent une focalisation optimale en fonction de Zl.  Les zones entourées en pointillés montrent les plages de valeurs d’impédance acoustique de lentille optimales en terme d’indice de focalisation.  La zone optimale s’étend de 4 à 5 MRa pour la configuration avec lentille seule et de 2,5 à 3,5 MRa pour la configuration avec lame adaptatrice et lentille.  Ces valeurs sont légèrement supérieures à celles déterminées avec l ’IP sur la REA par le modèle KLM unidimensionnel dans le cas d ’une seconde lame adaptatrice. --- KLM étendu ATILA ur = ATILA ur libre

33 Plan r  Modélisation  Réalisation z  Caractérisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 33 sur 55 Plan r  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  Cette première partie de la présentation a permis de mettre au point un modèle KLM étendu à l’axisymétrie pour un transducteur focalisé, et d ’en déterminer les caractéristiques en terme de rayonnement au point focal.  Nous allons maintenant nous intéresser à la réalisation de transducteurs afin de valider la pertinence de ce modèle de structure multicouche axisymétrique.  Caractérisation  Champ dans l’axe  Champ dans le plan radial  Réponse électro-acoustique  Images

34 Réalisation : Matériaux
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 34 sur 55 Réalisation : Matériaux  Choix du matériau piézo-électrique : compromis à déterminer. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 15 25 35 Z ( MRa ) k t (%) Composites PZT 1- 3 P(VDF- TrFE PVDF PT PN BIT PSC LN PZT/ternaire 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 5 10 15 20 25 30 35 Z ( MRa ) PT PSC Composites PZT 1- 3 LN BIT PN PZT/ternaire , S r e 33 P(VDF- TrFE PVDF L'impédance acoustique des tissus biologiques (1,5 MRa) impose une impédance acoustique faible pour le matériau piézo-électrique. Son efficacité pour la transduction selon l ’épaisseur est décrite par le kt qui doit être idéalement maximal. Pour une adaptation électrique à 50  en condition de fonctionnement, sa constante diélectrique 33,rS doit se situer autour de 1000. 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 Réalisation : Caractéristiques
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 35 sur 55 Réalisation : Caractéristiques  Réalisation de transducteurs ayant une fréquence de résonance autour de 10 MHz.  Vérification de la cohérence entre modèle et expérience.  Caractérisation de céramiques de titanate de plomb Pz34 : Dans une première partie, nous avons voulu vérifier la pertinence de notre modélisation, en réalisant des transducteurs avec une fréquence de résonance à 10 MHz. Les dispersions observées au niveau des caractéristiques sur les 10 échantillons sont faibles (<5% excepté pour les pertes qui sont très faibles et donc difficiles à évaluer). La qualité de l’image, dépend du f-number doit être compris entre 2 et 3.  Élaboration de la structure multicouche pour l’imagerie.  Les caractéristiques du Pz34 correspondent à celles escomptées. (En coopération avec Ferroperm Piezoceramics)

36 Réalisation : Focalisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 36 sur 55 Réalisation : Focalisation  Des lentilles acoustiques dimensionnées pour l’imagerie ont été moulées de façon à donner une fnumber compris entre 2 et 3 : Transducteur n°2 Transducteur n°3 A cet effet, 3 transducteurs ont été réalisés par la société Vermon avec deux matériaux d ’impédance acoustique 2 et 3 MRa, d ’où la nécessité d ’un rayon de courbure approprié pour obtenir une distance focale telle que le f-number reste compris entre 2 et 3. On peut voir ici les photos des transducteurs n°2 et n°3. Plus particulièrement, le transducteur n°3 est très focalisé. C ’est le transducteur qui est choisi pour une comparaison de sa REA avec celle calculée par le modèle KLM étendu développé au cours de la première partie. (En coopération avec Vermon SA, Nicolas Félix)

37 Réalisation : Comparaison expérimentale
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 37 sur 55 Réalisation : Comparaison expérimentale  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 : Temps (µs) Tension normalisée (u.a.) Réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane Fréquence (MHz) Tension normalisée (u.a.) Spectre de la réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane La REA et son spectre en émission-réception sur cible plane ont été déterminés expérimentalement et comparés avec le résultat donné par la modélisation avec KLM étendu. Les résultats [normalisés] concordent bien, mais on peut cependant relever des différences au niveau de l ’attaque de l ’écho et de son amortissement. Cette première étape de comparaison a permis de vérifier la pertinence du modèle KLM étendu pour une configuration même fortement focalisée. L'étape suivante consiste alors à réaliser des transducteurs plus haute fréquence, au moyen de méthodes de fabrication tels que la sérigraphie ou le coulage en bande. KLM étendu à l’axisymétrie Expérience

38 Réalisation : Sérigraphie
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 38 sur 55 Réalisation : Sérigraphie  Les différentes couches constituant le transducteur sont sérigraphiées : 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 1,8 mm 5 mm 3 mm Electrode avant et reprise de contact Electrode arrière Film épais en PZT/PGO Pour ce qui est de la fabrication par sérigraphie, l ’objectif est de concevoir une structure multicouche intégrée. Ainsi, le substrat utilisé pour le dépôt sera utilisé comme milieu arrière, d’où la volonté d ’en abaisser l ’impédance acoustique en augmentant sa porosité. Les différentes couches fonctionnelles sont sérigraphiées successivement: la couche de protection pour éviter la diffusion de l’électrode arrière vers le substrat, la couche piézo-électrique en PZT dopé avec du PGO afin d’abaisser la température de frittage, et pour finir, l'électrode supérieure dont le diamètre détermine celui de la source active. (En coopération avec l’Institut Jozef Stefan)

39 Réalisation : Impédancemétrie
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 39 sur 55 Réalisation : Impédancemétrie  Connaissant les propriétés du substrat, celles de la céramique sérigraphiée ont été identifiées pour la résonance fondamentale : KLM - - - Mesure En pratique, l’impédance acoustique du milieu arrière est plus importante que celle du film piézo, d’où une résonance en /4 au lieu de /2 pour un milieu arrière adéquat.  Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film sérigraphié en PZT/PGO.

40 Réalisation : Coulage en bande
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 40 sur 55 Réalisation : Coulage en bande  Un mélange fluidifié de poudre de céramique est coulé en bande : Racle Réservoir Film polyester Mélange Bande coulée de céramique Sens du déplacement (vitesse réglable) Hauteur réglable La bande coulée est séchée (évaporation des solvants), déliantée (élimination des composants organiques), frittée (croissance des grains), métallisée (contacts électriques), polarisée (effet piézo-électrique). Des compositions avec différents taux de PT ont été élaborées puis caractérisées afin de déterminer la composition la mieux adaptée à une application haute résolution. En l’occurrence, la composition avec 35 % de PT donne le meilleur coefficient de couplage en épaisseur.  Séchage, déliantage, frittage, métallisation, polarisation.  Elaboration d’une composition de (1-x)PMN-(x)PT optimale. (Stage effectué au Laboratoire de Céramique, EPFL)

41 Réalisation : Impédancemétrie
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 41 sur 55 Réalisation : Impédancemétrie  Caractérisation des propriétés de la céramique de PMN-PT par impédancemétrie : KLM - - - Mesure La mesure d’impédance effectuée sur le disque piézo-électrique seul (dans l’air) fait apparaître un pic autour de 400 ohms à la fréquence d’anti-résonance. Dans les conditions réelles de fonctionnement, les pics de résonance observées sur les courbes d’impédance du transducteur assemblé sont amortis (typiquement d ’un facteur 4) et la valeur pic se retrouve proche des 50 ohms recherchés.  Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film coulé en bande en PMN-PT 65/35.

42 Réalisation : Propriétés
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 42 sur 55 Réalisation : Propriétés  Caractérisation par impédancemétrie :  Synthèse des principaux résultats. Afin de résumer et comparer les principales caractéristiques des différentes céramiques réalisées, elles ont été regroupées dans le tableau suivant. Ainsi, on peut relever les points faibles et les points forts de chaque matériau.  fstruct  Résolution axiale  33,rS  Adaptation d’impédance électrique  kt  Rendement électro-acoustique  Z  Adaptation d’impédance acoustique  min. = 75 µm

43 Réalisation : Propriétés
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 43 sur 55 Réalisation : Propriétés  Assemblage des transducteurs :  Milieu arrière, élément piézo-électrique et lame adaptatrice optionnelle.  La qualité de la résonance (/2 ou /4) dépend essentiellement du rapport entre ces deux impédances. /2 /4 Milieu arrière : Résine époxy chargé conductrice pour les PT et PMN-PT Céramique poreuse pour les PZT dopés PGO Epoxy pure pour le PVDF Lame adaptatrice : Parylène avec une épaisseur en /4. La qualité de la résonance effectivement observée dépend (on l’a vu) du rapport entre les impédances du matériau piézo-électrique et celle du milieu arrière.  Propriétés acoustiques des couches très variables : de 3,9 à 37,5 MRa pour l’élément piézo-électrique et de 3,1 à 18,2 MRa pour le milieu arrière.

44 Réalisation : Assemblage
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 44 sur 55 Réalisation : Assemblage  Finalisation du transducteur multi-couches :  Ajout d’une lentille, d’une housse isolante et d’une bague conductrice. Elément piézo-électrique Milieu arrière Housse isolante Bague conductrice Lame adaptatrice Lentille Transducteur Générateur d’impulsions Câble coaxial Le transducteur est alors finalisé avec l’ajout d’une lentille, d’une bague isolante et d ’une bague conductrice. La connexion électrique est faite avec un câble coaxial dont les caractéristiques ont été ajustées linéairement sur une bande de fréquence de 20 à 100 MHz pour une application en haute fréquence. La longueur du câble est aussi un paramètre qui peut faire l’objet d’une optimisation pour l’adaptation électrique. Re ( Zc ) = 60 – 4,7.10–8.f () Im ( Zc ) = –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.

45 Réalisation : Ajout d’une lentille
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 45 sur 55 Réalisation : Ajout d’une lentille  Caractéristiques de la résine polyuréthanne : 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 : La résine en polyuréthanne utilisée pour la réalisation de la lentille est caractérisée, puis moulée de façon à focaliser la source plane. Le choix du f-number et la vitesse longitudinale dans la lentille imposent une distance focale, qui est obtenue par un ajustement approprié du rayon de courbure.

46 Plan r  Modélisation  Réalisation z  Caractérisation
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 46 sur 55 Plan r  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 Des transducteurs ont été réalisés avec différents matériaux, au moyen de différentes méthodes, leurs caractéristiques vont maintenant être comparées en terme de rayonnement et de qualité d ’image réalisée.  Caractérisation  Champ dans l’axe  Champ dans le plan radial  Réponse électro-acoustique  Images

47 Caractérisation : Réponse en E/R
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 47 sur 55 Caractérisation : Réponse en E/R  Dispositif expérimental pour caractériser les transducteurs.  Champ en E/R sur une cible quasi-ponctuelle : Positionnement Owis Carte Acquiris DP 310 et Pilotage IEEE-488 x z y  Générateur GIP Ultrasons Voici donc le protocole expérimental utilisé pour la caractérisation du rayonnement des transducteurs en émission-réception sur une cible quasi-ponctuelle. Il est constitué d’un module de positionnement et d ’un générateur d ’impulsion développé au laboratoire tous les deux pilotés par un programme Labview. Les champs sont ainsi relevés et comparés dans l’axe et dans le plan focal.

48 Caractérisation : Champ en E/R
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 48 sur 55 Caractérisation : Champ en E/R  Champ en E/R des transducteurs réalisés sur une bille.  Bille D = 400 µm < 10  : Cible quasi-ponctuelle (min. = 75 µm). Champ dans l’axe sur une cible quasi-ponctuelle Champ dans le plan focal sur une cible quasi-ponctuelle Tension reçue (V) Position dans l’axe (mm) Position radiale (mm) Tension reçue (V) On remarque sur les diagrammes de rayonnement dans l’axe que les distances focales ne sont pas identiques. En effet, elles sont fixées par le f-number qui lui-même dépend de la taille de la source, de la vitesse longitudinale de la lentille et de son rayon de courbure. Par ailleurs, on peut constater que la lame adaptatrice ne joue pas son rôle puisqu’elle ne semble pas apporter d’amélioration en sensibilité.  La lame adaptatrice ne joue pas son rôle : n°1 avec / n°2 sans lame.

49 Caractérisation : Champ en E/R
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 49 sur 55 Caractérisation : Champ en E/R  Réponses en E/R des transducteurs au point focal.  Comparaison des caractéristiques : 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  Le transducteur à base de PZT/PGO n°2 offre un excellent compromis entre sensibilité et résolution axiale et latérale. Les REA sont relevées au point focal et comparées en terme de résolution axiale et de sensibilité. Le transducteur à base de PZT/PGO n°2, offre un excellent compromis entre sensibilité, résolution axiale et latérale.

50 Caractérisation : Comparaison
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 50 sur 55 Caractérisation : Comparaison  Ajustement de la vitesse dans la lentille.  Comparaison des résultats de propagation modélisés et mesurés Champ dans l’axe en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Réponse en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Tension reçue (V) Tension reçue (V) L’ajustement de la vitesse longitudinale dans la lentille a permis un recalage du modèle. Les résultats de propagation modélisés et mesurés ont alors été comparés. Le champ dans l’axe représenté à gauche et notamment les profondeurs de champ à -3 et -6 dB sont très semblables. L’ajustement de la REA est correct, avec cependant des petites différences au niveau de l’attaque et de l’amortissement que l ’on peut observer à droite. Position axiale (mm) Temps (µs)  Champ dans l’axe et profondeurs de champ très semblables.  Ajustement satisfaisant de la réponse électro-acoustique.

51 Caractérisation : Images
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 51 sur 55 Caractérisation : Images  Mise en place dans l’échographe haute résolution développé au laboratoire. Axes de translation Sonde Nez de sonde Transducteur Pour finir, les transducteurs ont tout à tour été intégrés dans un échographe haute résolution développé au laboratoire (à droite), et des images ont été réalisées. Plus précisément, les transducteurs testés ont été mis en place dans la sonde, comme l ’illustre la photo en haut à gauche. On peut observer les axes de translation permettant d’effectuer le balayage de la zone sujette à l’échographie. Une fois le transducteur fixé, le nez de sonde est mis en place (en bas à gauche), isolant le transducteur des tissus à observer derrière une membrane. Membrane (Berson, 1999, EJU; Grégoire, 2002, Thèse LUSSI)

52 Caractérisation : Images
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 52 sur 55 Caractérisation : Images  Comparaison des images réalisées : Coulage en bande Sérigraphie Pressage/Frittage 5 mm 6 mm Epiderme Derme Vaisseau Hypoderme Echo de membrane Echo de fond de milieu arrière  PMN-PT : Faible sensibilité.  PZT/PGO n°2 : Très bonnes résolution axiale et sensibilité.  PT n°2 : Bon compromis entre résolutions axiale et latérale. Les images réalisées permettent de comparer les performances des transducteurs en condition de fonctionnement, pour l’imagerie haute résolution. La qualité de l’image dépend du compromis entre la sensibilité et les résolutions axiale et radiale, comme le décrit l’indice de focalisation IF.  Qualité de l’image : Compromis entre la sensibilité et les résolutions axiale et latérale, comme le décrit l’indice de focalisation IF.

53 Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
Page 53 sur 55 Conclusion  Modélisation et caractérisation ont permis la réalisation de transducteurs pour l’imagerie 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). Les interactions entre modélisation et caractérisation ont permis la réalisation des transducteurs pour l’imagerie haute résolution . Outils de modélisation de la transduction et de la propagation pour un mono-élément focalisé. Le modèle KLM étendu et l’intégrale de Rayleigh ont été développés pour une configuration axisymétrique focalisée. La fonction de transfert d’une lentille acoustique a été modélisée. Les méthodes de réalisation par sérigraphie et coulage en bande ont été mises en œuvre pour la haute fréquence. L’optimisation de la structure multicouche pour la sérigraphie et de la composition PMN-PT (65/35) pour le coulage en bande ont été réalisées. Les matériaux actifs et passifs nécessaires ont été dimensionnés, caractérisés et assemblés pour l’imagerie médicale haute résolution.

54 Perspectives  Modélisation de structures multicouches :
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 54 sur 55 Perspectives  Modélisation de structures multicouches :  Aide au dimensionnement.  Optimisation acoustique, géométrique, électrique.  Films piézo-électriques incurvés.  Réalisation suite aux retours d’expériences :  Substrat :  Atténuation.  Impédance acoustique.  Surface active :  Résolution latérale.  Adaptation d’impédance électrique.  Nouvelles compositions : dopants.  Dépôt sol-gel pour monter en fréquence. Les perspectives de ce travail portent sur …  Compromis entre longueur et atténuation du substrat.  Substrat d’impédance acoustique faible. (Al/Al2O3 et Si/SiO2)

55 Remerciements  Les membres du jury pour leur relecture et évaluation.
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 55 sur 55 Remerciements  Les membres du jury pour leur relecture et évaluation.  Franck Levassort, Pascal Tran, Marc Lethiecq qui m ’ont encadré.  Marion Bailly, Danny Carre, Jean-Marc Grégoire, Frédéric Ossant.  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.