Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL

Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004

Pierre MARECHAL

Jury :

Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution:

Modélisation, Réalisation et Caractérisation

Frédéric COHEN-TENOUDJIDragan DAMJANOVICBertrand DUBUSMarc LETHIECQFranck LEVASSORTLouis Pascal TRAN-HUU-HUE

RapporteurExaminateurRapporteurDirecteur de thèseCo-directeurExaminateur

Université de Paris 7EPFL, LausanneCNRS (IEMN, Lille)Université de ToursUniversité de ToursUniversité de Tours

Laboratoire d’UltraSons Signaux et Instrumentation, CNRS FRE 2448

Université de Tours

Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution

sur 55

Introduction

Amélioration de la qualité des images échographiques : Augmentation de la fréquence d’émission. Focalisation de la source.

Echographie d’un fœtusde 22 semaines à 3 MHz

Echographie d ’une veineà 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

mm

4 m

m


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 d’un transducteur focalisé. Réalisation : Matériaux performants et optimisation. Caractérisation : Matériaux et réponse du transducteur.

Réalisation de transducteurs focalisés pour l’imagerie médicale : Mise en place d’outils de modélisation et de caractérisation.

Imagerie médicale haute résolution : Amélioration des résolutions latérale et axiale.

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


sur 55

Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images

Plan


sur 55

RéalisationModélisation

Conception d’un transducteur pour l’imagerie haute résolution

Caractérisation

Méthode/ Précision

Homogénéité/ Reproductibilité

Précision / Rapidité

Méthodologie

Conception


sur 55

Transducteur

Environnementacoustique

Environnementélectrique

Réponse électro-acoustique

Excitationélectrique

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 l’imagerie

Problématique



z

r


sur 55


Plan


sur 55

Fonction de transfert de l’excitation électrique

Fonction de transfert de

propagation p (t, r, z)

ps (t, rs, P(rs))

Ve (t)

Ht (t, rs, P(rs))

Hp (t, rs, P(rs), r, z)

(t)

He (t)

Fonction de transfert de

transduction

Evaluation dela réponseélectro-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


sur 55

ampAmplitude de

l’enveloppe

Temps

Réponse impulsionnelle

d6 Durée à 6 dB

d30Durée à 30 dB 6 300

0 0

d dIP ampT

T T

Indice de performance :

Les grandeurs évaluées (d6, d30, amp) sont pondérées (, , ) afin de définir l’indice de performance IP.

Un indice de performance permet d’évaluer la réponse électro-acoustique au cours de la procédure d’optimisation :

Modélisation : Evaluation

Le triplet (, , ) = (8, 8, 3) donne un indice de performance adapté aux contraintes de l’imagerie médicale.

(Thijssen, 1985, Ultrasonics; Desmare, 1999, Thèse LUSSI)


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


sur 55

(Desilets, 1978, IEEE-TUFFC; Kossof, 1966, IEEE-TSU)

La procédure d’optimisation 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 d’un jeu de paramètres

Jeu de paramètres optimal

non

oui

Choix d’un paramètre

Convergencenon

oui

M il ie u a r r i è r e /1 0 à a r p pZ Z ZÉ lé m en tp ié z o - é le c t r iq u e

,p eZ Z

L a m e s 1P P

n p a vZ Z Z

M il ie u a v a n t a vZ

G é n é r a te u r * g eZ Z

où P dépend du nombre et du numéro de lame adaptatrice considérée.

Initialisation des valeurs d’impédance acoustique


sur 55

Deux configurations typiques sont définies : l’une avec une lentille seule, et l’autre avec une lame adaptatrice et une lentille :

Modélisation : Configurations

La distance focale F est fixée afin de faire varier et de déterminer l’influence de l’impédance acoustique de la lentille Zl.

Configuration Milieu arrièreDisque

piézo-électrique

Lame

adaptatriceLentille Milieu avant

Sans lame adaptatrice 3,8 35 3,9 1,5

Avec lame adaptatrice 3,8 35 6,8 2,2 1,5

Z : impédance acoustique en MRa.

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 lentilleet cm est la vitesse dans le milieu de propagation.

1 /c

m l

RF

c c

2 3numberf 4 6a F a

z

b/5 p/16 l/16 lent/5

r,eau/3

eau/6

Remarques: La propagation à l’aide de la MEF dans l’eau n’est pas adaptée: z0 200 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

z0


sur 55

Modélisation : Eléments Finis

Rc

F

a

Vi

Ve

(Sr)

(Ss)

ss

S

pgp p g dS

n n

(Sbaï, 1996, Thèse ISEN; Morse&Ingard)


sur 55

Modélisation : Rayonnement

Équation intégrale de Helmoltz-Kirchhoff:

Contribution de (Sr) nulle et (S) = (Ss)+

lim 0R

pR ikp

R

lim 0R

Rp

Conditions de rayonnement de Sommerfeld :

et

spgn

la pression source,la fonction de Green,la normale à la surface d ’intégration.

La pression dépend de :p

Ecriture généralisée :

Expressions des coefficients de baffle et :

m sZ Z

m sZ Z

m sZ Z

Baffle Intégrale

Rigide

Adapté

Mou

Rayleigh

Kirchhoff

Sommerfeld

1 cos

2

1

cos

0

cos

2

cos

Rapport

2

jkR

n

S

j ep v dS

jkR R

(Sbaï, 1996, Thèse ISEN)


sur 55


1cos 1

2

s m jkR

ns mS

Z ZjkRj e

p v dSZ Z R

Ecriture généralisée par interpolation :

(Williams, 1983; Orofino, 1993; Christopher, 1993; Wu, 1996, JASA)

Intégrale de Rayleigh: formulation en ondes planes

2

jkR

n

S

j ep v dS

R

0, , , ,2

jkR

n

ep x y z j v x y z

R

Passage dans le domaine de Fourier par TF en 2D

0

0, , , ,zjk z z

x y n x yz

ep k k z j j v k k z

k

où : opérateur de propagation

et 2 2 2

z x yk k k k 0

0, , , , zjk z zx y x yp k k z p k k z e

zjk ze


sur 55

Modélisation : TF en 2D

0

0

, , , ,r rp k z p r z J k r rdr

, , , , , , . x yj k x k y

x yp k k z p x y z e dxdy


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

10 0, , z

r

jk zk rp r z z TH TH p r z e

Ecriture de la propagation en régime harmonique :

t

r

t

rz0 z0 + z

(Christopher, 1991, JASA)

kr

kr

Décomposition en ondes planes en 2D axisymétrique : une méthode basée sur la transformée de Hankel (TH)

e -j kz

z

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Distance (in mm)

Pre

ssure

(in

Pa)

Pressure: DHT-SSC GB = 0; f0 = 3 MHz

Propagation dans le cas d’un disque plan:


sur 55

Modélisation : TH (TF en 2Daxi)

TH

& T

F

TH

I & T

FI

Champ de pression dans

l'axe

Propagation de la source ATILA avec la DHT et la FFT en 2Daxi :

900 µm


sur 55

Modélisation : Propagation DHT+FFT

t

ra

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1P

res

sio

n (

ua

)

Position (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Fréquence (MHz)

Pre

ss

ion

(u

a)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-10.05 0.1 0.15 0.2 0.250

Temps (µs)

Pre

ss

ion

(u

a)

z0

DHT+FFT en 2Daxi

FFT 3D en 3D


sur 55

Comparaison des codes de propagation par FFT3D et DHT+FFT:

(Williams, 1946; O’Neil, 1949; Lucas, 1982; Cobb, 1984, JASA)

Modélisation : Comparaison

Intégrale de Rayleigh : repère cylindrique

(Kino, 1987, IEEE-TUFFC)

Distance R entre un point source (rs, zs, s) et le point image (r, z, ) :

2 2 2( ) 2 coss s s sR z z r r rr

2 2

cos2( ) ( )

s ss s

s s

r r rrR z z

z z z z

DL


sur 55

2 2

2( )

0

0

1, ( )

ss

s

r ra jk z zz z s

n s s ss

krrp r z j e J v r r dr

R z z


zzs >> r2

zzs >> rs2

Formulation intégrale pour une source axisymétrique focalisée :

ImageSource

R


sur 55

Le déplacement relevé à la surface de la lentille permet d’observer la fonction de transfert du transducteur, en particulier celle de la lentille :

Modélisation : Source Atila

La modélisation d’une source par éléments finis nécessite un temps de calcul important, incompatible avec une procédure d’optimisation.

Déplacement à la surface de la lentille

Spectre du déplacement à la surface de la lentille

Une modélisation alternative s’impose.

Coefficient de transmission global de la lentille


sur 55

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)

Modélisation : Transmission globale

,2, , 2

0 1l

l

n m directjm global m direct m p j

n m p

TT T R R e

R R e

0 20 40 60 80 1000

200

400

600

800

1000

Fréquence (MHz)

Po

sit

ion

ra

dia

le (

µm

)

11

3

3

5

5

7

79

111315

17 19

Fréquence (MHz)

Po

sit

ion

ra

dia

le (

µm

)

Maxima du coefficient de transmission global


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 d’incidence :

Angle de transmission :

2

1cos

'( ) 1l

P r

'cos

ll

l

ZZ

'

cosm

mm

ZZ

Si

alors

sinon

2cos 1 sin /m m l lc c

, sin /l l c l mArc c c

cos 0m

Pression à la surface de la lentille avec ATILA

Spectre de la pression à la surface de la lentille avec ATILA


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 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.

Pression à la surface de la lentille avec KLM étendu

Spectre de la pression à la surface de la lentille avec KLM étendu


sur 55

Les champs de pression propagés sont comparés pour des sources calculées ATILA en déplacement radial libre :


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)

Pre

ss

ion

(k

Pa

)


Pre

ss

ion

(k

Pa

)

Po

sition

radiale (µ

m)

Po

sition

radiale (µ

m)


sur 55

Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice intermédiaire :


Le champ de pression doit alors être caractérisé afin de comparer les résultats propagés pour les différents modèles.






sur 55

Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources :


Les champs de pression dans l’axe sont d’allure très semblables.

2 4 6 8 10 12 140

1

2

3

4

5x 10

4


Pre

ssio

n (

Pa

)


Pre

ss

ion

(k

Pa

)

Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans l ’axe

2 4 6 8 10 12 140

1

2

3

4

5x 10

4


Pre

ssi

on

(P

a)


Pre

ss

ion

(k

Pa

)

Configuration de transducteur avec lentille seule : dans l ’axe

--- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre


sur 55



Les champs de pression dans le plan focal sont d’allure très semblables.


-500 -250 0 250 5000

1

2

3

4

5x 10

4

Position radiale (µm)

Pre

ssi

on

(P

a)P

res

sio

n (

kP

a)

-500 -250 0 250 5000

1

2

3

4

5x 10

4

Position radiale (µm)

Pre

ssi

on

(P

a)P

res

sio

n (

kP

a)

Configuration de transducteur avec lentille seule : dans le plan focal

Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : dans le plan

focal

1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

4

Temps (µs)

Pre

ssi

on

(P

a)

Temps (µs)

Pre

ss

ion

(k

Pa

)

Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal

1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

4

Temps (µs)

Pre

ssi

on

(P

a)

Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal

Temps (µs)

Pre

ss

ion

(k

Pa

)


sur 55




On observe une écho résiduel pour la source ATILA avec ur libre.


sur 55

Le champs de pression propagé est caractérisé en terme d’amplitude et de résolution radiale et axiale au point focal :


3dBp

3dBr

3dBz

2a

F

3 30

0 0

z rIF ampT

T T

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.

3 4 5 6 7 840

42

44

46

48

50

52

54

56

Zl (MRa)

IF (

u.a

.)

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 538

39

40

41

42

43

44

Zl (MRa)

IF (

u.a

.)

Configuration de transducteur avec lentille seule : au point focal

Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille : au point focal


sur 55

Les indices de focalisation sont comparés en fonction des valeurs d’impédance acoustique de la lentille :



Les minima locaux indiquent une focalisation optimale en fonction de Zl.



z

r


sur 55


Plan


sur 55

10

0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5 10 15 20 25 30 35

Z (MRa)

kt (%)

Composites PZT 1- 3

P(VDF-TrFE)PVDF

PTPN

BIT

PSC

LNPZT/ternaire

Choix du matériau piézo-électrique : compromis à déterminer.

Réalisation : Matériaux

250

0

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

5 10 15 20 25 30 35

Z (MRa)

PT

PSC

Composites PZT 1- 3

LNBIT

PN

PZT/ternaire

,S

r33

P(VDF-TrFE)PVDF

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


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 l’imagerie.

Les caractéristiques du Pz34 correspondent à celles escomptées.

Vérification de la cohérence entre modèle et expérience.

Z (MRa) (kg/m3) cl (m/s) S (mm2) e (µm) fa (MHz) kt (%) 33,r

S m (%)

e (%)

36,4 7520 4840 27,1 229 10,5 38,7 205 0,36 0,35

Z: impédance acoustique; : masse volumique; cl: vitesse longitudinale; S: surface; e: épaisseur;

fa: fréquence d’anti-résonance; kt: coefficient de couplage du mode épaisseur; 33,rS: permittivité

diélectrique relative à déformation constante; m: pertes mécaniques; e: pertes diélectriques.


sur 55

Des lentilles acoustiques dimensionnées pour l’imagerie ont été moulées de façon à donner une fnumber compris entre 2 et 3 :

Réalisation : Focalisation

Transducteur el (µm) Rc (mm) F (mm) fnumber Zl (MRa)

1 40 6,7 16,0 2,7 3

2 200 6,7 16,0 2,7 3

3 40 4,0 16,8 2,8 2

el : épaisseur au centre de la lentille ; Rc : rayon de courbure de la lentille ; F : distance focale ;

fnumber : rapport F/(2a) ; Zl : impédance acoustique de la lentille.

Transducteur n°2 Transducteur n°3

(En coopération avec Vermon SA, Nicolas Félix)


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 :

0 5 10 15 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Fréquence (MHz)

Ten

sio

n r

eçu

e n

orm

alis

ée (

u.a

.)

Fréquence (MHz)

Te

ns

ion

no

rma

lis

ée

(u

.a.)

Spectre de la réponse électro-acoustique en émission-réception sur

cible plane

KLM étendu à l’axisymétrie - - - Expérience

Réalisation : Comparaison expérimentale

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1

Temps (µs)

Ten

sio

n r

eçu

e n

orm

alis

ée (

u.a

.)

Temps (µs)

Te

ns

ion

no

rma

lis

ée

(u

.a.)

Réponse électro-acoustique en émission-réception sur cible plane


sur 55

Les différentes couches constituant le transducteur sont sérigraphiées :

Réalisation : Sérigraphie

1,8 mm

5 mm

3 mm

Electrode avantet reprise de contact

Electrode arrièreet reprise de contact

Film épais en PZT/PGOet 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 l’Institut Jozef Stefan)


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


sur 55

Un mélange fluidifié de poudre de céramique est coulé en bande :

Réalisation : Coulage en bande

Séchage, déliantage, frittage, métallisation, polarisation.

Elaboration d’une composition de (1x)PMN-(x)PT optimale.

Racle

Réservoir

Film polyester

MélangeBande coulée de céramique

Sens du déplacement

(vitesse réglable)

Hauteur réglable

(Stage effectué au Laboratoire de Céramique, EPFL)


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

Matériau Procédé Substrat fstruct (MHz) 33,r

S kt (%) Z (MRa)

PMN-PT Coulage en bande – 26 730 43 34,7

PZT/PGO Sérigraphie PZT 25 425 44 15,6

PVDF Film polymère – 43 7 17 3,9

PT (Pz34) Pressage /frittage – 20 195 37 37,5

fstruct : fréquence de résonance de la structure intégrée ; 33,rS : permittivité diélectrique

relative à déformation constante ; kt : coefficient de couplage en mode épaisseur ;

Z : impédance acoustique.


sur 55

Caractérisation par impédancemétrie :

fstruct Résolution axiale 33,r

S Adaptation d’impédance électrique kt Rendement électro-acoustique Z Adaptation d’impédance acoustique

min. = 75 µm

Réalisation : Propriétés

Synthèse des principaux résultats.


sur 55

Assemblage des transducteurs :

Réalisation : Propriétés

Impédance acoustique (MRa) Milieu arrière Piézo-électrique Lame adaptatrice

PMN-PT 6,5 34,7 2,75

PZT/PGO n°1 18,2 15,6 2,75

PZT/PGO n°2 18,2 15,6

PVDF 3,1 3,9

PT n°1 6,5 37,5 2,75

PT n°2 6,5 37,5

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.

/2

/4

/4

/2

/2

/2

Milieu arrière, élément piézo-électrique et lame adaptatrice optionnelle.

Elémentpiézo-électriqueMilieuarrière

Housseisolante

Bagueconductrice

Lame adaptatriceLentille


sur 55

Finalisation du transducteur multi-couches :

Réalisation : Assemblage

Câble coaxial

Générateur d’impulsions

Transducteur

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 (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 d’une lentille, d’une housse isolante et d’une bague conductrice.


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Caractéristiques de la résine polyuréthanne :

Réalisation : Ajout d’une lentille

Substrat cl (m/s) (kg/m3) Z (MRa)

Résine polyuréthanne 2550 1040 2,65

cl : vitesse longitudinale ; : masse volumique ; Z : impédance acoustique.

Moulagede 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 :



z

r


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Plan

Positionnement Owis


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Dispositif expérimental pour caractériser les transducteurs.

Caractérisation : Réponse en E/R

x

zy

Générateur

GIP Ultrasons

Carte Acquiris DP 310et Pilotage IEEE-488

Champ en E/R sur une cible quasi-ponctuelle :


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Champ en E/R des transducteurs réalisés sur une bille.

Caractérisation : Champ en E/R

0 5 10 15 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Position dans l'axe z (mm)

Ten

sio

n r

eç

ue

U (

V)

PMN-PTPZT/PGO n°1PZT/PGO n°2PT n°1 PT n°2

Te

ns

ion

re

çu

e (

V)

Position dans l’axe (mm)-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Position radiale r (mm)

Ten

sio

n r

eçu

e U

(V

) PZT/PGO n°2PZT/PGO n°1PMN-PT

PT n°2PT n°1

Position radiale (mm)

Te

ns

ion

re

çu

e (

V)

Champ dans l’axesur une cible quasi-ponctuelle

Champ dans le plan focalsur 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.

Le transducteur à base de PZT/PGO n°2 offre un excellent compromis entre sensibilité et résolution axiale et latérale.

Transducteur amp (dB) z6 (µm) r6 (µm)

PMN-PT 12 77 157

PZT/PGO n°1 6 50 319

PZT/PGO n°2 0 43 195

PT n°1 13 135 230

PT n°2 7 121 238

amp : amplitude ; z6, r6 : résolutions axiale et latérale.


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Réponses en E/R des transducteurs au point focal.

Caractérisation : Champ en E/R

0 0.5 1 1.5 2 2.5-1

-0.5

0

0.5

1

Temps t (µs)

Ten

sio

n r

eçu

e U

(V

)

PT n°1

PT n°2PMN-PT

PZT/PGO n°1

PZT/PGO n°2

Réponse électro-acoustique au point focal en E/R sur une bille

Te

ns

ion

re

çu

e (

V)

Temps (µs)

Caractéristiques de focalisationsur une cible quasi-ponctuelle

Comparaison des caractéristiques :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Temps t (µs)

Ten

sio

n n

orm

alis

ée

ExpérienceSimulation


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Comparaison des résultats de propagation modélisés et mesurés

Caractérisation : Comparaison

Champ dans l’axe en E/Rsur une cible quasi-ponctuelle

Réponse en E/Rsur une cible quasi-ponctuelle

2 4 6 8 10 12 140

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Position axiale z (mm)

Ten

sio

n n

orm

alisée

Simulation

Expérience


Te

ns

ion

re

çu

e (

V)

Te

ns

ion

re

çu

e (

V)

Temps (µs)

Ajustement de la vitesse dans la lentille.

Champ dans l’axe et profondeurs de champ très semblables. Ajustement satisfaisant de la réponse électro-acoustique.


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Mise en place dans l’échographe haute résolution développé au laboratoire.

Caractérisation : Images

Nez de sonde

Transducteur

Membrane

Axes detranslation

Sonde

(Berson, 1999, EJU; Grégoire, 2002, Thèse LUSSI)

Coulage en bande


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Comparaison des images réalisées :

Caractérisation : Images

Pressage/FrittageSérigraphie

PMN-PT :Faible sensibilité.

PZT/PGO n°2 :Très bonnes résolution axiale et sensibilité.

PT n°2 :Bon compromis entre résolutions axiale et latérale.

EpidermeDermeVaisseauHypoderme

Echo de membrane

Echo de fond de milieu arrière

Qualité de l’image : Compromis entre la sensibilité et les résolutions axiale et latérale, comme le décrit l’indice de focalisation IF.

5 m

m

6 mm


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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).


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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.


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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.

Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL

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Transcript of Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL