Reducción del tiempo de comercialización de sensores y transductores ultrasónicos médicos

Apr 01, 2023

por Amir R. Mirza, Ph. D.

22 mayo 2023

14:00

Hoy en día, la tecnología ultrasónica se ha generalizado en el mercado de dispositivos médicos, desde instrumentos quirúrgicos hasta nebulizadores y máquinas de diálisis para hospitales y hogares.

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Los ultrasonidos se utilizan tanto para aplicaciones de diagnóstico, como imágenes de ultrasonido, como para terapias, incluido HIFU (ultrasonido enfocado de alta intensidad), que alcanzará un tamaño de mercado de $ 486 millones para 2027.

El mercado individual más grande para la tecnología ultrasónica es el de imágenes por ultrasonido, que tuvo un tamaño de mercado de $ 7900 millones en 2021 y se prevé que crezca a $ 14 500 millones para 2030. Otro mercado de crecimiento clave es el de los instrumentos electroquirúrgicos ultrasónicos, que tuvo ingresos de $ 3860 millones en 2021.

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La tecnología ultrasónica es ampliamente utilizada en hemodiálisis y diálisis peritoneal. En los EE. UU., según los CDC, uno de cada siete adultos sufre una enfermedad renal crónica. La diálisis domiciliaria también se está convirtiendo en un área de crecimiento clave, ya que, según la OMS, la población mundial mayor de 60 años alcanzará los 2 000 millones en 2050 desde los 900 millones de 2015.

La tecnología ultrasónica es particularmente poderosa para el manejo de fluidos en equipos médicos, como la detección de burbujas de aire en las líneas, el flujo de líquidos y la detección de nivel. Por ejemplo, cuando se mide el flujo sanguíneo en los instrumentos, no hay contacto entre el sensor de flujo ultrasónico y la sangre del paciente. Los ultrasonidos suelen ser la solución preferida en aplicaciones médicas frente a la tecnología de detección óptica, mecánica o capacitiva.

Importancia del modelado numérico por computadora en ultrasonidos

Un elemento clave para reducir los tiempos de desarrollo de productos para sensores y transductores ultrasónicos es el uso del último software de modelado numérico por computadora. Los dispositivos ultrasónicos se basan en materiales piezoeléctricos, es decir, un material cerámico que puede generar un campo eléctrico en respuesta a una tensión mecánica y viceversa.

Los componentes piezoeléctricos generalmente funcionan en modo resonante, ya que esta es la frecuencia en la que la energía eléctrica se convierte de manera más eficiente en energía mecánica. Sin embargo, cuando se excitan placas y discos piezoeléctricos en resonancia, se pueden crear varios modos de resonancia diferentes en el sistema mecánico y, por lo tanto, el modelado por computadora es esencial para optimizar el modo de resonancia deseado y discriminar otras resonancias.

Se debe adoptar un enfoque multifísico para el modelado numérico, ya que, por ejemplo, un conjunto de transductor ultrasónico constará de discos piezocerámicos y componentes de metal o plástico. Por lo tanto, el modelado por computadora debe tener en cuenta los diferentes dominios involucrados: señales eléctricas, efectos piezoeléctricos (conversión de señales eléctricas en tensión mecánica) y el comportamiento termomecánico de todo el sistema mecánico. Esta solución multifísica debe proporcionar a los diseñadores electrónicos la información que necesitan, como la frecuencia de resonancia primaria, la impedancia, la capacitancia, el factor Q, etc., para diseñar la electrónica de control adecuada.

El rendimiento de los componentes piezocerámicos se rige por una amplia variedad de propiedades fundamentales del material, como las constantes elásticas mecánicas, las propiedades dieléctricas y los coeficientes de acoplamiento (acoplamiento eléctrico a mecánico), así como el control dimensional de los discos y placas de cerámica. Todos estos parámetros dependerán del propio proceso de fabricación piezocerámica. El valor de cualquier modelo numérico por computadora dependerá de la repetibilidad de estos materiales y propiedades mecánicas y sus tolerancias. Los modelos informáticos que no están calibrados contra el rendimiento de fabricación solo aumentarán los plazos de entrega del desarrollo del producto, ya que tendría que utilizarse un enfoque de prueba y error en lugar de un modelo preciso y un éxito a la primera.

El control de los materiales piezocerámicos y su fabricación es clave

Los materiales piezocerámicos son mezclas complejas de polvos, aglutinantes y aditivos que se ajustan con precisión para brindar el rendimiento deseado en términos de sensibilidad piezoeléctrica, capacitancia, pérdidas dieléctricas y manejo de potencia de los componentes. El titanato de circonato de plomo (PZT) es la piezocerámica más utilizada para aplicaciones electrónicas. El mercado mundial de materiales piezoeléctricos se valoró en 1510 millones de dólares en el año 2021.

Los materiales PZT ofrecen una buena sensibilidad y rendimiento de temperatura, además de ser mecánicamente robustos para una amplia variedad de aplicaciones electrónicas para mercados que incluyen el médico, el automotriz, el industrial y el de defensa.

El proceso de fabricación real para crear placas, cilindros y discos PZT consta de muchos pasos. Estos incluyen el esmerilado, la sinterización, la conformación y el mecanizado, la cocción a temperaturas elevadas (por encima de 1000 °C), la metalización para formar electrodos y la polarización de alto voltaje para permitir el comportamiento piezoeléctrico. La pureza y el control de las materias primas es fundamental, así como la mezcla de materiales para permitir la correcta homogeneidad y morfología del material cerámico final. El estricto control dimensional, incluido el paralelismo del sustrato, juega un papel crucial en la obtención del máximo rendimiento de los componentes piezocerámicos.

Si no se mantiene un control adecuado sobre estos muchos pasos de fabricación o las materias primas entrantes, se observará una variación significativa en el rendimiento piezocerámico. El efecto resultante sería un aumento de los costes de fabricación debido a un menor rendimiento del proceso.

Esta variabilidad piezocerámica también afectaría los rendimientos finales del ensamblaje del transductor y la capacidad de confiar en el modelado informático para diseñar nuevos productos con éxito por primera vez. Por lo tanto, para reducir los tiempos de desarrollo del producto y mantener altos rendimientos una vez que un producto pasa a la producción en masa, tanto en la etapa de pieza como en el ensamblaje final, es clave controlar el proceso de fabricación de la piezocerámica en sí. Idealmente, un proveedor de sensores o transductores ultrasónicos para el mercado médico debe tener un control completo del proceso del producto, desde el modelado/diseño hasta la fabricación piezocerámica, el ensamblaje y la prueba del producto final.

Lograr un rendimiento constante del producto y reducir el tiempo de comercialización

Se ve que los sensores y transductores ultrasónicos se utilizan en una amplia gama de mercados comerciales. Sin embargo, en las aplicaciones médicas en las que los pacientes dependen del rendimiento constante de los sensores, equipos e instrumentos médicos, la fiabilidad del producto es de vital importancia.

La figura 1 muestra un ejemplo de la tolerancia de fabricación para la frecuencia de resonancia de un transductor ultrasónico diseñado por CeramTec para una aplicación de dispositivo médico. Se ve aquí que la frecuencia resonante está bien controlada con muy poca variación. El mismo dispositivo se muestra en la Figura 2, pero esta vez la impedancia (Ohmios) del transductor se grafica y nuevamente muestra que este parámetro también está bien centrado. Este nivel de consistencia en los materiales piezocerámicos y la fabricación permite a los ingenieros de diseño de ultrasonidos desarrollar dispositivos médicos con un rendimiento predecible y un alto rendimiento en el ensamblaje y la prueba finales.

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La previsibilidad anterior reduce en última instancia el costo y el tiempo de desarrollo general y reduce los costos de fabricación cuando el diseño se lanza para la producción en masa. La Figura 3 (arriba) muestra lo que puede suceder en ausencia de un rendimiento constante del material piezocerámico, es decir, se puede desarrollar un ciclo continuo en el que se realiza un modelado por computadora basado en ciertas suposiciones sobre las propiedades del material piezocerámico que dan como resultado un diseño específico. Posteriormente, y esto puede ser varios meses después, se fabrican, ensamblan y prueban los discos o placas piezocerámicas.

Sin embargo, el rendimiento del producto final no es el esperado como predijo el modelo. Por lo tanto, el diseño se modifica para que coincida con el rendimiento real del material piezoeléctrico. Luego, el ciclo se repite y, varios meses después, se recopilan datos sobre el diseño revisado y un nuevo lote de material piezoeléctrico.

En última instancia, este enfoque podría conducir a un diseño de transductor ineficiente con especificaciones más amplias de lo deseado o sobrediseñado, mayor potencia y electrónica de control más costosa que puede compensar con un diseño de transductor con rendimiento fluctuante.

En el peor de los casos, estas lecciones se pueden aprender después de que el dispositivo médico entre en producción. Por lo tanto, es vital comprender todas las capacidades del proveedor de componentes ultrasónicos desde el diseño hasta la producción en masa final.

En resumen

Los ultrasonidos son una tecnología poderosa para dispositivos médicos con beneficios únicos en aplicaciones de pacientes críticos. Para diseñar sensores y transductores ultrasónicos nuevos e innovadores, se recomienda el uso de modelos informáticos numéricos multifísicos avanzados. Estas herramientas de modelado dependen en gran medida de las propiedades repetibles del material piezocerámico fundamental para evitar el diseño mediante un enfoque de prueba y error. Las propiedades mecánicas y del material piezocerámico solo se pueden controlar a través de un estricto control de calidad de las materias primas entrantes, así como de los muchos pasos del proceso involucrados en pasar de los polvos a la cerámica mecanizada terminada. La falta de control en el proceso de diseño o en la fabricación piezocerámica conducirá en última instancia a mayores tiempos y costos de desarrollo del producto, así como a los costos unitarios finales cuando el producto se lanza para la producción en volumen.

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por Amir R. Mirza, Ph. D.

22 mayo 2023

14:00