Système intégré sur puce pour formation d'ondes planes en imagerie ultrasonore

L'imagerie médicale est en constante évolution afin de permettre aux professionnels de la santé de poser des diagnostics plus précis plus rapidement. Parmi la panoplie de modalités d'imagerie à leur disposition, l'échographie est souvent un choix logique puisqu'elle est sécuritaire (non ionisante), simple à utiliser, peu dispendieuse et permet d'imager les tissus biologiques en temps réel. Les systèmes sur chariot peuvent être déplacés jusqu'au patient si nécessaire et certains nouveaux modèles sont même complètement portables. Si l'échographie présente de nombreux avantages, il y a toujours place au progrès et le développement de cette technique d'imagerie se poursuit toujours : les récents progrès en imagerie ultrasonore ultrarapide permettent maintenant de former des images à plus de dix fois la fréquence conventionnelle (ligne par ligne) et permettent ainsi de mesurer l'élasticité des tissus ou d'améliorer la visualisation du flot sanguin en direct. L'imagerie ultrasonore ultrarapide utilise des ondes planes (par opposition aux ondes focalisées conventionnelles) pour insonifier l'entièreté du milieu à chaque acquisition. Afin d'améliorer la qualité de l'image formée, plusieurs ondes planes peuvent être envoyées à différents angles, puis combinées. Pour l'instant, les appareils permettant de former ces ondes planes sont des appareils relativement dispendieux et complexes, permettant de former des fronts d'ondes sur mesure. Cette flexibilité est très utile en recherche, mais une solution plus simple serait suffisante et pratique pour un système commercial. L'objectif du projet de cette maîtrise est la conception d'un circuit intégré permettant de générer les impulsions électriques capable d'exciter des transducteurs dans le cadre de l'imagerie par ondes planes. Le circuit final, fabriqué avec la technologie CMOS haute-tension 0,35 µm d'Austria Micro Systems, devra inclure plusieurs canaux d'émission et un système permettant activer chacun d'eux avec des délais précis. Le nombre de signaux de contrôle devra être réduit au maximum afin de former un système simple et efficace. Ce projet présente plusieurs défis. D'abord, les contraintes temporelles relatives propres au monde des circuits intégrés sont majeures et dictent le rythme d'avancement de tout projet en microélectronique. En effet, pour la technologie utilisée, deux rondes de fabrication sont typiquement offertes par année, avec des délais de fabrication et de livraison d'environ quatre à cinq mois.

Abstract

Medical imaging is constantly evolving to allow health care professionals to make more accurate and faster diagnostics. Among the many available imaging modalities, ultrasound imaging is often a logical choice since it is safe (non-ionizing), simple to use and inexpensive while allowing the imaging of biological tissue in real time. Trolley systems can be moved to the patient if necessary and some new models are even completely portable and hand-held. Improvements in echography are still ongoing: recent advances in ultrafast ultrasound imgagin now allow images to be formed at more than ten times the frequency of conventional echography (line-by-line) and thus allow the measurement if tissues' elasticity or improve the visualization of blood flow. Ultrafast ultrasound imaging uses plane waves (as opposed to focused waves in conventional echography) to insonify the whole targeted area at each acquisition. To improve on the resulting image quality, multiple plane wave can be transmitted to the medium at various angles and combined. As of now, devices capable of forming such plane waves are relatively complex and expensive and allow for any wave front to be transmitted by the transducers. This high degree of flexibility is desirable in a research context, but a simpler solution would fit most commercial needs. The main goal of this master's project is the design of an integrated circuit able to drive transducers in plane wave imaging applications. The final integrated circuit, fabricated in Austria Micro System 0.35µm high tension CMOS process, should include multiple transmit channels as well as a system able to address each of them with a precise delay. The number of required control signals will be kept minimal to form a simple and effective system. This project presents several challenges. First, the schedule inherent to integrated circuit fabrication imposes hard dead lines on any microelectronic project. Indeed, for the chosen technology, one or two rounds are open per year and the fabrication and delivery delay hovers around four to five months. Then, to validate the operation and assess the performance of the circuit, a complex system must be built around the chip. This setup includes power delivery modules, analog to digital converters, a field-programmable gate array, a data transfer system between the test board and a software so the user can interact in real time with the chip. Three fabrication rounds were carried out over the two years of this project, each improving on the previous one.