Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution: Modélisation, Réalisation et Caractérisation Laboratoire d’Ultra. Sons 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 Rapporteur Examinateur Rapporteur Directeur de thèse Co-directeur Examinateur Université de Paris 7 EPFL, Lausanne CNRS (IEMN, Lille) Université de Tours
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 4 mm 250 mm Enjeux technologiques : Elaboration de matériaux piézo-électriques adaptés. Fabrication de films piézo-électriques de faible épaisseur. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 2 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. Conception : Matériaux piézo-électriques et méthodes de fabrication. Performances : Comparaison du rayonnement et des images réalisées. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 3 sur 55
Plan r Modélisation Evaluation - Structure - Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison - Synthèse Réalisation z Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison - Synthèse Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 4 sur 55
Méthodologie Conception d’un transducteur pour l’imagerie haute résolution Précision / Rapidité Modélisation Réalisation Conception Méthode / Précision Homogénéité / Reproductibilité Caractérisation Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 5 sur 55
Problématique Adaptation de la réponse électro-acoustique pour l’imagerie Transducteur Environnement électrique Excitation électrique Environnement acoustique Réponse électro-acoustique Choix des matériaux constituants Adaptation électrique au générateur Adaptation acoustique au milieu de propagation Définition des caractéristiques de rayonnement Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 6 sur 55
Plan r Modélisation Evaluation - Structure - Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison - Synthèse Réalisation z Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison - Synthèse Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 7 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) Fonction de transfert de transduction Ht (t, rs, P(rs)) Fonction de transfert de propagation Hp (t, rs, P(rs), r, z) Ve (t) ps (t, rs, P(rs)) p (t, r, z) Influence des caractéristiques géométriques et acoustiques des couches constituant le transducteur Evaluation de la réponse électro-acoustique Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 8 sur 55
Modélisation : Evaluation Un indice de performance permet d’évaluer la réponse électroacoustique au cours de la procédure d’optimisation : Réponse impulsionnelle amp 4 Amplitude de l’enveloppe d 6 4 Durée à -6 d. B Indice de performance : d 304 Durée à -30 d. B Temps Les grandeurs évaluées (d 6, d 30, amp) sont pondérées ( , , ) afin de définir l’indice de performance IP. Le triplet ( , , ) = (8, 8, 3) donne un indice de performance adapté aux contraintes de l’imagerie médicale. (Thijssen, 1985, Ultrasonics; Desmare, 1999, Thèse LUSSI) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 9 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 Choix de matériaux passifs pour une application en imagerie : Milieu arrière amortisseur Lame pour une adaptation acoustique Lentille pour la focalisation Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 10 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 : Choix d’un jeu de paramètres Initialisation des valeurs d’impédance acoustique Initialisation du jeu de paramètres Choix d’un paramètre Modification du paramètre non Amélioration de l’IP oui Convergence où P dépend du nombre et du numéro de lame adaptatrice considérée. non oui Jeu de paramètres optimal (Desilets, 1978, IEEE-TUFFC; Kossof, 1966, IEEE-TSU) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 11 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. La distance focale F est fixée afin de faire varier et de déterminer l’influence de l’impédance acoustique de la lentille Zl. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 12 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 z 0 Rc a z F lr, eau/3 lb/5 lp/16 llent/5 leau /6 Remarques: La propagation à l’aide de la MEF dans l’eau n’est pas adaptée: z 0 200 l dans une configuration axisymétrique nécessite trop de mailles. Un code de propagation annexe a été implémenté. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 13 sur 55
Modélisation : Rayonnement Équation intégrale de Helmoltz-Kirchhoff: (Sr) La pression dépend de : la pression source, la fonction de Green, la normale à la surface d ’intégration. (p) (Ss) Vi Ve (p) Conditions de rayonnement de Sommerfeld : et Contribution de (Sr) nulle et (S) = (Ss)+(p) (Sbaï, 1996, Thèse ISEN; Morse&Ingard) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 14 sur 55
Modélisation : Rayonnement Expressions des coefficients de baffle et : Baffle Rapport Intégrale Rigide Rayleigh Adapté Kirchhoff Mou Sommerfeld Ecriture généralisée : Ecriture généralisée par interpolation : (Sbaï, 1996, Thèse ISEN) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 15 sur 55
Modélisation : TF en 2 D Intégrale de Rayleigh: formulation en ondes planes Passage dans le domaine de Fourier par TF en 2 D où : opérateur de propagation et (Williams, 1983; Orofino, 1993; Christopher, 1993; Wu, 1996, JASA) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 16 sur 55
Modélisation : TF axisymétrique Ecriture de la TF en coordonnées polaires : En coordonnées cartésiennes : TF 2 D En coordonnées polaires : TF 2 D axisymétrique Cette intégrale est aussi appelée transformée de Hankel (TH). Ecriture de la propagation en régime harmonique : Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 17 sur 55
Modélisation : TH (TF en 2 Daxi) Décomposition en ondes planes en 2 D axisymétrique : une méthode basée sur la transformée de Hankel (TH) r z 0 + D z Propagation dans le cas d’un disque plan: kr THI & TFI TH & TF kr t t e -j kz D z w (Christopher, 1991, JASA) w Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 18 sur 55
Modélisation : Propagation DHT+FFT Propagation de la source ATILA avec la DHT et la FFT en 2 Daxi : r a t Champ de pression dans l'axe 900 µm Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 19 sur 55
Modélisation : Comparaison Pression (ua) Comparaison des codes de propagation par FFT 3 D et DHT+FFT: 1 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0. 1 0 4. 5 DHT+FFT en 2 Daxi FFT 3 D en 3 D Position (mm) 5 5. 5 6 z 0 6. 5 7 7. 5 8. 5 1 0. 8 0. 9 0. 6 0. 8 0. 4 Pression (ua) 8 0. 2 0 -0. 2 -0. 4 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 -0. 6 0. 2 -0. 8 0. 1 -1 0 0. 05 0. 15 Temps (µs) 0. 25 0 0 10 20 30 40 50 60 Fréquence (MHz) 70 80 90 (Williams, 1946; O’Neil, 1949; Lucas, 1982; Cobb, 1984, JASA) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 20 sur 55
Modélisation : Rayonnement Intégrale de Rayleigh : repère cylindrique R Image Source Distance R entre un point source (rs, zs, ys) et le point image (r, z, y) : z-zs >> r 2 DL z-zs >> rs 2 Formulation intégrale pour une source axisymétrique focalisée : (Kino, 1987, IEEE-TUFFC) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 21 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 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. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 22 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) Maxima du coefficient de transmission global Position radiale (µm) Coefficient de transmission global de la lentille Fréquence (MHz) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 23 sur 55
Modélisation : KLM étendu 2 D La fonction de transfert du transducteur, y compris celle de la lentille, est calculée avec le modèle KLM 1 D pour chacune des contributions annulaires : r Élément piézo-électrique Lentille Impédances effectives : et Milieu de propagation z Angle d’incidence : Angle de transmission : Si Lame adaptatrice Milieu arrière l l alors sinon m Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 24 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 KLM étendu lentille avec ATILA Spectre de la pression à la surface de la lentille avec KLM étendu de la lentille avec ATILA 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. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 25 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 Pression (k. Pa) Configuration de transducteur avec lentille seule m) le (µ radia tion Position axiale (mm) 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. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 26 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 lentille seule Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille Le champ de pression doit alors être caractérisé afin de comparer les résultats propagés pour les différents modèles. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 27 sur 55
Modélisation : Comparaison Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources : Configuration de transducteur avec Configuration de transducteur lame adaptatrice et lentille : dans l ’axe avec lame adaptatrice et lentille Pression (k. Pa) Configuration de transducteur avec Configuration de transducteur lentille seule : dans l ’axe avec lentille seule Position axiale (mm) --- KLM étendu --- ATILA ur = 0 Position axiale (mm) --- ATILA ur libre Les champs de pression dans l’axe sont d’allure très semblables. 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 : Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans le plan focal Pression (k. Pa) Configuration de transducteur avec lentille seule : dans le plan focal --- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre Les champs de pression dans le plan focal sont d’allure très semblables. 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 : Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal Pression (k. Pa) Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal Temps (µs) --- KLM étendu --- ATILA ur = 0 Temps (µs) --- ATILA ur libre On observe une écho résiduel pour la source ATILA avec ur libre. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 30 sur 55
Modélisation : Comparaison Le champs de pression propagé est caractérisé en terme d’amplitude et de résolution radiale et axiale au point focal : 2 a F La tache focale est bidimensionnelle Le triplet ( , , ) = (8, 8, 3) utilisé précédemment pour l’indice de performance donne un indice de focalisation adapté aux contraintes de l’imagerie médicale. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 31 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 --- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre Les minima locaux indiquent une focalisation optimale en fonction de Zl. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 32 sur 55
Plan r Modélisation Evaluation - Structure - Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison - Synthèse Réalisation z Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison - Synthèse Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 33 sur 55
Réalisation : Matériaux Choix du matériau piézo-électrique : compromis à déterminer. S e 33 , r kt (%) 100 2500 90 2250 80 2000 70 1750 Composites PZT 1 - 3 60 PZT/ternaire PSC 1500 50 PZT/ternaire 40 PN 30 LN PT 500 P(VDF-Tr. FE) PVDF 10 1000 750 BIT 20 1250 0 0 5 10 pos Com 15 20 Z (MRa) 25 30 35 ZT 1 tes P i PN P(VDF-Tr. FE) PVDF 5 10 15 PSC 3 PT BIT 20 25 LN 30 35 Z (MRa) 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-Tr. Fe): Copolymére; Composites PZT 1 -3: Composites PZT et polymère; PZT: Zirconate Titanate de Plomb Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 34 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 Pz 34 : Les caractéristiques du Pz 34 correspondent à celles escomptées. Élaboration de la structure multicouche pour l’imagerie. (En coopération avec Ferroperm Piezoceramics) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 35 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 (En coopération avec Vermon SA, Nicolas Félix) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 36 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 : Spectre de la réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane Tension normalisée (u. a. ) Réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane Temps (µs) KLM étendu à l’axisymétrie Fréquence (MHz) - - - Expérience Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 37 sur 55
Réalisation : Sérigraphie Les différentes couches constituant le transducteur sont sérigraphiées : Electrode avant (<0, 5 µm) Film épais en PZT/PGO (~35µm) Electrode arrière (~10µm) et reprise de contact Couche de protection (~10µm) en PZT Milieu arrière (~10 mm) en PZT poreux non polarisé Electrode avant et reprise de contact Film épais en PZT/PGO et reprise de contact 1, 8 mm Electrode arrière et reprise de contact 3 mm 5 mm (En coopération avec l’Institut Jozef Stefan) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 38 sur 55
Réalisation : Impédancemétrie Connaissant les propriétés du substrat, celles de la céramique sérigraphiée ont été identifiées pour la résonance fondamentale : KLM - - - Mesure Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film sérigraphié en PZT/PGO. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 39 sur 55
Réalisation : Coulage en bande Un mélange fluidifié de poudre de céramique est coulé en bande : Réservoir Hauteur réglable Film polyester Bande Racle coulée de céramique Mélange Sens du déplacement (vitesse réglable) Séchage, déliantage, frittage, métallisation, polarisation. Elaboration d’une composition de (1 -x)PMN-(x)PT optimale. (Stage effectué au Laboratoire de Céramique, EPFL) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 40 sur 55
Réalisation : Impédancemétrie Caractérisation des propriétés de la céramique de PMN-PT par impédancemétrie : KLM - - - Mesure Evaluation et ajustement des caractéristiques électro-mécaniques du film coulé en bande en PMN-PT 65/35. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 41 sur 55
Réalisation : Propriétés Caractérisation par impédancemétrie : Synthèse des principaux résultats. fstruct 33, r. S kt Z Résolution axiale Adaptation d’impédance électrique Rendement électro-acoustique Adaptation d’impédance acoustique Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution min. = 75 µm Page 42 sur 55
Réalisation : Propriétés Assemblage des transducteurs : Milieu arrière, élément piézo-électrique et lame adaptatrice optionnelle. /2 /4 /4 /2 /2 /2 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. La qualité de la résonance ( /2 ou /4) dépend essentiellement du rapport entre ces deux impédances. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 43 sur 55
Réalisation : Assemblage Finalisation du transducteur multi-couches : Ajout d’une lentille, d’une housse isolante et d’une bague conductrice. Transducteur Lentille Lame adaptatrice Elément piézo-électrique Milieu arrière Housse isolante Bague conductrice Générateur d’impulsions Câble coaxial Les propriétés du câble coaxial ont été évaluées en fonction de la bande passante de 20 à 100 MHz. Re ( Zc ) = 60 – 4, 7. 10– 8. f Im ( Zc ) = – 3, 5 + 2, 4. 10– 8. f v = 1, 6. 108 + 4, 7. 10– 2. f = 3, 6 + 8, 2. 10– 10. f Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution ( ) (m/s) (Np/m) Page 44 sur 55
Réalisation : Ajout d’une lentille Caractéristiques de la résine polyuréthanne : 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 : Moulage de la lentille Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 45 sur 55
Plan r Modélisation Evaluation - Structure - Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison - Synthèse Réalisation z Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison - Synthèse Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 46 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 Générateur GIP Ultrasons z y Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 47 sur 55
Caractérisation : Champ en E/R des transducteurs réalisés sur une bille. Bille D = 400 µm < 10 : Cible quasi-ponctuelle ( min. = 75 µm). Champ dans le plan focal sur une cible quasi-ponctuelle Tension reçue (V) Champ dans l’axe sur une cible quasi-ponctuelle Position dans l’axe (mm) Position radiale (mm) La lame adaptatrice ne joue pas son rôle : n° 1 avec / n° 2 sans lame. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 48 sur 55
Caractérisation : Champ en E/R Réponses en E/R des transducteurs au point focal. Comparaison des caractéristiques : Caractéristiques de focalisation sur une cible quasi-ponctuelle Tension reçue (V) Réponse électro-acoustique au point focal en E/R sur une bille Temps (µs) Le transducteur à base de PZT/PGO n° 2 offre un excellent compromis entre sensibilité et résolution axiale et latérale. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 49 sur 55
Caractérisation : Comparaison Ajustement de la vitesse dans la lentille. Comparaison des résultats de propagation modélisés et mesurés Réponse en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Tension reçue (V) Champ dans l’axe en E/R sur une cible quasi-ponctuelle Position axiale (mm) Temps (µs) Champ dans l’axe et profondeurs de champ très semblables. Ajustement satisfaisant de la réponse électro-acoustique. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 50 sur 55
Caractérisation : Images Mise en place dans l’échographe haute résolution développé au laboratoire. Axes de translation Sonde Nez de sonde Transducteur Membrane (Berson, 1999, EJU; Grégoire, 2002, Thèse LUSSI) Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 51 sur 55
Caractérisation : Images Comparaison des images réalisées : Coulage en bande Sérigraphie Pressage/Frittage 6 mm 5 mm Echo de membrane Echo de fond de milieu arrière Epiderme Derme Vaisseau Hypoderme PMN-PT : PZT/PGO n° 2 : PT n° 2 : Faible sensibilité. Très bonnes résolution axiale et sensibilité. Bon compromis entre résolutions axiale et latérale. Qualité de l’image : Compromis entre la sensibilité et les résolutions axiale et latérale, comme le décrit l’indice de focalisation IF. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 52 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). Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 53 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. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 54 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. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution Page 55 sur 55
Скачать презентацию Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre
86d8cd18a5282741b7d15b0d86d020a8.ppt