Conception de solutions technologiques et d’outils pour le traitement d’organes par ultrasons focalisés guidés par IRM

THESE

PRÉSENTÉE À
L’UNIVERSITE BORDEAUX I

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L'INGENIEUR DE
L'UNIVERSITE DE BORDEAUX I

Par M. LOURENÇO DE OLIVEIRA Philippe

Pour l’obtention du DIPLOME DE DOCTORAT
Spécialité : Instrumentation et Mesures




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Conception de solutions technologiques et
d’outils pour le traitement d’organes par
ultrasons focalisés guidés par IRM
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Soutenance le : Vendredi 11 décembre 2009

Devant la commission d’examen formée de :
M. Chrit Moonen, Directeur de Recherche CNRS Directeur de thèse
M. Francis Rodes, Maître de Conférences, HDR ENSEIRB Co-directeur de thèse
M. Mickael Tanter, Directeur de recherche INSERM Rapporteur
M. Francis Crenner, Docteur Ingenieur HDR CNRS
M. Bertrand Audoin, Professeur d’Université au LMP Président du jury
M. Jean-Michel Franconi, Professeur d’Université Bordeaux II Raporteur du jury
M. Patrick Loumeau, Professeur à l’ENST Paris Examinateur
Mme Ming Zhang, Maître de Conférences, HDR au IEF Paris Invitée


- 2009 -
Sommaire
REMERCIEMENTS…………………………………………………………………………...6
INTRODUCTION GENERALE……………………...……………………………………...7
CHAPITRE 1 : AMELIORATIONS MATERIELLES AU SYSTEME HIFU...................8
A. Le système d’adaptation d’impédance ajustable................................................................................9
1. Introduction...............................................................................................................................................................................9
2. Etude des impédances des transducteurs.................................................................................................................10
2.1. Mesure et analyse des impédances des différents transducteurs...........................................................10
2.1.1. Le réseau matriciel circulaire...........................................................................................................................10
2.1.2. Le réseau matriciel torique..............................................................................................................................11
2.1.3. Les quatre mono-éléments..............................................................................................................................12
2.2. Etude de l’influence de la température sur l’impédance des transducteurs.......................................13
2.3. Conclusion sur l’analyse des impédances des mono-éléments...............................................................14
3. Présentation de l’adaptation d’impédance...............................................................................................................15
4. Evaluation d’adaptations d’impédance fixe sur les réseaux matriciels...........................................................16
5. Conception du système d’adaptation d’impédance ajustable à 1.5MHz......................................................18
5.1. Principe de la topologie employée......................................................................................................................18
5.2. Cahier des charges......................................................................................................................................................19
5.3. Dimensionnement des plages de valeur des éléments réactifs variables............................................19
5.4. Dimensionnement du nombre d’interrupteurs...............................................................................................20
5.5. Récapitulatif du réseau d’adaptation d’impédance ajustable utilisé......................................................21
6. Conclusion..............................................................................................................................................................................22
B. Conception d’interrupteurs compatible IRM pour systèmes d’adaptation d’impédance ajustable
...............................................................................................................................................................23
1. Introduction............................................................................................................................................................................23
2. Description du transistor N-Mosfet..............................................................................................................................24
2.1. Caractéristiques DC (signaux continues)............................................................................................................24
2.2. Caractéristiques AC (petits signaux)....................................................................................................................26
3. Description de l’interrupteur parallèle (SWP1)........................................................................................................28
3.1. Dimensionnement des composants à l’état ouvert.......................................................................................29
3.1.1. Détermination de l’expression de Cm’ pour maintenir l’état ouvert du transistor...................29
3.1.2. Détermination de Vds et de la tension V nécessaire pour travailler sur la zone bloquée max D
de la diode zener...............................................................................................................................................30
3.1.3. Conclusion à l’état ouvert.................................................................................................................................30
3.2. Dimensionnement des composants à l’état fermé........................................................................................30
3.2.1. Détermination de la consommation DC.....................................................................................................31
3.2.2. Détermination de l’expression de Cm’ pour maintenir l’état fermé du transistor....................31
3.2.3. Détermination du courant maximal Id admissible par le transistor.....................................31 eff_max
Page 1/122 3.2.4. Détermination du rendement AC..................................................................................................................31
3.2.5. Conclusion à l’état fermé..................................................................................................................................31
3.3. Résumé des caractéristiques de l’interrupteur SWP1...................................................................................32
4. Description de l’interrupteur série (SWS1)................................................................................................................33
4.1. Dimensionnement des composants à l’état ouvert.......................................................................................34
4.1.1. Détermination de l’expression de Cm’ pour maintenir l’état ouvert des deux transistors....35
4.1.2. Détermination de Vds et de la tension V nécessaire pour travailler sur la zone bloquée max D
des diodes zener des transistors.................................................................................................................36
4.1.3. Conclusion sur l’état ouvert.............................................................................................................................36
4.2. Dimensionnement des composants à l’état fermé........................................................................................36
4.2.1. Détermination de la consommation DC.....................................................................................................37
4.2.2. Détermination de l’expression de Cm’ pour maintenir l’état fermé des deux transistors.....37
4.2.3. Détermination du courant maximal Id admissible par le transistor.....................................37 eff_max
4.2.4. Détermination du rendement AC..................................................................................................................37
4.2.5. Conclusion sur l’état fermé..............................................................................................................................37
4.3. Résumé des caractéristiques de l’interrupteur SWS2...................................................................................38
5. Réalisation d’un prototype d’adaptation d’impédance ajustable....................................................................39
5.1. Définition du cahier des charges pour le prototype.....................................................................................39
5.2. Calcul des capacités Cp et Cs utilisées................................................................................................................40
5.3. Dimensionnement des