soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 pierre marechal
DESCRIPTION
Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL. Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution: Modélisation, Réalisation et Caractérisation. L aboratoire d’ U ltra S ons S ignaux et I nstrumentation, CNRS FRE 2448 Université de Tours. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
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Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse
Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse
z
r
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images
Plan
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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RéalisationModélisation
Conception d’un transducteur pour l’imagerie haute résolution
Caractérisation
Méthode/ Précision
Homogénéité/ Reproductibilité
Précision / Rapidité
Méthodologie
Conception
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse
Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse
z
r
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images
Plan
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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)
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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(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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Modélisation : Eléments Finis
Rc
F
a
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Vi
Ve
(Sr)
(Ss)
ss
S
pgp p g dS
n n
(Sbaï, 1996, Thèse ISEN; Morse&Ingard)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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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)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Modélisation : Rayonnement
1cos 1
2
s m jkR
ns mS
Z ZjkRj e
p v dSZ Z R
Ecriture généralisée par interpolation :
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(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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Modélisation : TF en 2D
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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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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 :
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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:
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Modélisation : TH (TF en 2Daxi)
TH
& T
F
TH
I & T
FI
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Champ de pression dans
l'axe
Propagation de la source ATILA avec la DHT et la FFT en 2Daxi :
900 µm
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Modélisation : Propagation DHT+FFT
t
ra
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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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Comparaison des codes de propagation par FFT3D et DHT+FFT:
(Williams, 1946; O’Neil, 1949; Lucas, 1982; Cobb, 1984, JASA)
Modélisation : Comparaison
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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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
Modélisation : Rayonnement
zzs >> r2
zzs >> rs2
Formulation intégrale pour une source axisymétrique focalisée :
ImageSource
R
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
![Page 23: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/23.jpg)
Coefficient de transmission global de la lentille
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
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Pression à la surface de la lentille avec ATILA
Spectre de la pression à la surface de la lentille avec ATILA
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
![Page 26: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/26.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Les champs de pression propagés sont comparés pour des sources calculées ATILA en déplacement radial libre :
Modélisation : Comparaison
Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice entre l ’élément piézo-électrique et la lentille.
Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille
Configuration de transducteur avec lentille seule
Position axiale (mm)
Pre
ss
ion
(k
Pa
)
Position axiale (mm)
Pre
ss
ion
(k
Pa
)
Po
sition
radiale (µ
m)
Po
sition
radiale (µ
m)
![Page 27: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/27.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Avec une même échelle de sensibilité, la tache focale est de taille plus importante pour la configuration avec une lame adaptatrice intermédiaire :
Modélisation : Comparaison
Le champ de pression doit alors être caractérisé afin de comparer les résultats propagés pour les différents modèles.
Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille
Configuration de transducteur avec lentille seule
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Configuration de transducteur avec lentille seule
Configuration de transducteur avec lame adaptatrice et lentille
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources :
Modélisation : Comparaison
Les champs de pression dans l’axe sont d’allure très semblables.
2 4 6 8 10 12 140
1
2
3
4
5x 10
4
Position axiale (mm)
Pre
ssio
n (
Pa
)
Position axiale (mm)
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
Position axiale (mm)
Pre
ssi
on
(P
a)
Position axiale (mm)
Pre
ss
ion
(k
Pa
)
Configuration de transducteur avec lentille seule : dans l ’axe
--- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre
![Page 29: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/29.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources :
Modélisation : Comparaison
Les champs de pression dans le plan focal sont d’allure très semblables.
--- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre
-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
![Page 30: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/30.jpg)
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
)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Les champs de pression propagés sont comparés pour les configurations avec et sans lame adaptatrice pour les différentes sources :
Modélisation : Comparaison
--- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre
On observe une écho résiduel pour la source ATILA avec ur libre.
![Page 31: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/31.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Le champs de pression propagé est caractérisé en terme d’amplitude et de résolution radiale et axiale au point focal :
Modélisation : Comparaison
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.
![Page 32: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/32.jpg)
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
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Les indices de focalisation sont comparés en fonction des valeurs d’impédance acoustique de la lentille :
Modélisation : Comparaison
--- KLM étendu --- ATILA ur = 0 --- ATILA ur libre
Les minima locaux indiquent une focalisation optimale en fonction de Zl.
![Page 33: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/33.jpg)
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
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Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images
Plan
![Page 34: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/34.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
![Page 35: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/35.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
![Page 36: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/36.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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)
![Page 37: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/37.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
![Page 38: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/38.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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)
![Page 39: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/39.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
![Page 40: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/40.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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)
![Page 41: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/41.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
![Page 42: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/42.jpg)
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.
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
![Page 43: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/43.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
![Page 44: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/44.jpg)
Elémentpiézo-électriqueMilieuarrière
Housseisolante
Bagueconductrice
Lame adaptatriceLentille
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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.
![Page 45: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/45.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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 :
![Page 46: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/46.jpg)
Modélisation Evaluation Structure Géométrie Eléments Finis Propagation KLM étendu Comparaison Synthèse
Réalisation Technologies et matériaux piézo-électriques Matériaux passifs Contraintes de la structure multicouche Optimisation de la géométrie Comparaison Synthèse
z
r
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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Caractérisation Champ dans l’axe Champ dans le plan radial Réponse électro-acoustique Images
Plan
![Page 47: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/47.jpg)
Positionnement Owis
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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 :
![Page 48: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/48.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.
![Page 49: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/49.jpg)
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.
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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 :
![Page 50: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/50.jpg)
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
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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
Position axiale (mm)
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.
![Page 51: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/51.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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)
![Page 52: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/52.jpg)
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
![Page 53: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/53.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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).
![Page 54: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/54.jpg)
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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.
![Page 55: Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062409/5681472c550346895db466d5/html5/thumbnails/55.jpg)
Transducteurs Mono-Éléments pour l’Imagerie Ultrasonore Haute Résolution
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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.