Conception et caractérisation de sondes cMUT large bande pour l'imagerie conventionnelle et l'évaluation du tissu osseux

Design and characterization of broadband cMUT probe for conventional imaging and assessment of bone tissue

• Auteur / Autrice : Audren Boulmé
• Direction : Dominique Certon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Vie et de la Santé
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Alquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Certon, Daniel Alquier, Sébastien Grondel, Dominique Rebiere, Jean Gabriel Minonzio, Claire Prada
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Grondel, Dominique Rebiere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Imagerie

Tissu osseux

Transducteurs ultrasonores

Mots clés libres

Transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés

CMUT

Fonction de Green

Condition de périodicité

Effets de baffle

Couplage inter-éléments

Caractérisation de sonde ultrasonore

Caractérisation de l'os cortical

Mesure en transmission axiale

Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers

CMUT

Green function

Periodic conditions

Baffle effects

Inter-elements crosstalk

Characterization of ultrasound probes

Cortical bone assessment

Axial transmission measurement

Résumé

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) apparaissent, au vu de leur maturité croissante, comme une alternative de plus en plus viable à la technologie piézoélectrique. Caractérisés par une large bande passante et une large directivité, ces transducteurs sont des solutions intéressantes pour le développement de sondes ultrasonores « exotiques » dont les spécifications sont difficilement atteignables en technologie piézoélectrique. C'est dans ce contexte et fort de l'expérience acquise par notre laboratoire sur cette technologie pendant plus d'une dizaine d'années, que s'est inscrit ce travail de thèse. L'originalité du travail rapporté ici est d'aller de l'analyse du comportement général des barrettes cMUT jusqu'à un exemple précis de conception de sonde cMUT pour l'évaluation du tissu osseux. Des outils de modélisation précis et rapides, basés sur l'introduction de conditions de périodicité, ont été développés. Plusieurs modèles ont ainsi été mis en place afin d'adapter la stratégie de modélisation à la topologie du dispositif cMUT à modéliser : cellule isolée, colonne de cellules, matrice de cellules et élément de barrette. Ces modèles ont permis d'étudier le comportement des éléments de barrette cMUT et d'améliorer notre connaissance sur les mécanismes physiques mis en jeu. De cette façon, l'origine des effets de baffle, problème récurrent du comportement des barrettes cMUT, a clairement été interprété par l'intermédiaire d'une analyse modale. Des solutions ont ainsi été identifiées et proposées afin d'optimiser le comportement des barrettes cMUT, de façon à réduire la présence des effets de baffle et à augmenter leur bande passante. Le développement d'une barrette cMUT dédiée à l'évaluation du tissu osseux est présenté dans sa totalité, afin d'illustrer les différents aspects liés à la conception d'une sonde de cette technologie. Un travail original de caractérisation a été réalisé sur cette barrette, afin d'estimer l'homogénéité inter-cellules à l'échelle de l'élément et l'homogénéité inter-éléments à l'échelle de la barrette. Enfin, une confrontation a été réalisée avec une sonde PZT de même topologie sur plusieurs fantômes osseux. Il a ainsi été démontré que la sonde cMUT permettait la détection d'un plus grand nombre de modes guidés, et par conséquent, une meilleure évaluation du tissu osseux.

Following recent advances, the capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUT) technology seems to be a good alternative to the piezoelectric technology. For specific applications, the requirements and specifications of the probe are sometimes difficult to obtain with the traditional PZT technology. The cMUT technology, with both large bandwidth and angular directivity, can be an interesting way to overcome these limitations. This PhD has been carried out in this context, in a laboratory which has nearly 10 years of experience in the field of cMUT technology. The originality of the work sustained in this PhD is that it covers the cMUT technology, from general aspects dealing of modeling and characterization up to a complete example of cMUT-based probe applied to the assessment of cortical bone. Fast and accurate modeling tools, based on periodicity conditions, have been developed. Several models have been proposed to match the modeling strategy to the topology of the cMUT array : isolated cell, columns of cells, 2-D matrix of cells and array element. These models have been used to analyze the cMUT array behavior and to understand how mutual couplings between cMUTs impact the response of one element. Origins of the baffle effect, well-known as a recurrent problem in cMUT probe, have been explained using an original method based on the normal mode decomposition of the radiated pressure field. Thus, solutions have been identified and tested to optimize the cMUT frequency response, i.e. to increase the bandwidth, and to suppress parasitic disturbances linked to baffle effect in the electroacoustic response. The development of a dedicated cMUT array for the assessment of bone tissue is accurately detailed in the manuscript, including description of the design rules, fabrication steps and packaging procedure. An original characterization work has been carried out in order to check the device homogeneity, first from cell to cell and then from element to element. Finally, a comparison with a PZT probe with the same topology has been performed on bone mimicking phantom. Nice results has been obtained, showing that cMUT probe allows detecting higher number of guided modes in the cortical shell, and consequently, improving the cortical bone assessment.