Riduzione del time-to-market per sensori e trasduttori medicali a ultrasuoni

di Amir R. Mirza, Ph.D

22 maggio 2023

14:00

Oggi la tecnologia ad ultrasuoni è diventata pervasiva nel mercato dei dispositivi medici, dagli strumenti chirurgici ai nebulizzatori, alle macchine per dialisi ospedaliere e domestiche.

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Gli ultrasuoni vengono utilizzati sia per applicazioni diagnostiche come l'imaging a ultrasuoni, sia per applicazioni terapeutiche, tra cui HIFU (ultrasuoni focalizzati ad alta intensità) che si stima raggiungerà i 486 milioni di dollari di dimensioni di mercato entro il 2027.

Il più grande mercato unico per la tecnologia a ultrasuoni è quello dell'imaging a ultrasuoni, che aveva una dimensione di mercato di 7,9 miliardi di dollari nel 2021 e si prevede che crescerà fino a 14,5 miliardi di dollari entro il 2030. Un altro mercato chiave in crescita è quello degli strumenti elettrochirurgici a ultrasuoni che hanno registrato un fatturato di 3,86 miliardi di dollari nel 2021.

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La tecnologia ad ultrasuoni è ampiamente utilizzata nell'emodialisi e nella dialisi peritoneale. Negli USA, secondo il CDC un adulto su sette è affetto da malattia renale cronica. Anche la dialisi domiciliare sta diventando un settore chiave in crescita, poiché secondo l’OMS la popolazione mondiale di età superiore ai 60 anni raggiungerà i 2 miliardi entro il 2050 dai 900 milioni del 2015.

La tecnologia a ultrasuoni è particolarmente potente per la gestione dei fluidi nelle apparecchiature mediche, come il rilevamento di bolle d'aria nelle linee, il flusso di liquidi e il rilevamento del livello. Ad esempio, quando si misura il flusso sanguigno negli strumenti non c'è contatto tra il sensore di flusso a ultrasuoni e il sangue del paziente stesso. Gli ultrasuoni sono spesso la soluzione preferita nelle applicazioni mediche rispetto alla tecnologia di rilevamento ottico, meccanico o capacitivo.

Importanza della modellazione numerica computerizzata negli ultrasuoni

Un elemento chiave per ridurre i tempi di sviluppo dei prodotti per sensori e trasduttori a ultrasuoni è l'uso dei più recenti software di modellazione numerica computerizzata. I dispositivi ad ultrasuoni si basano su materiali piezoelettrici, ovvero un materiale ceramico in grado di generare un campo elettrico in risposta ad una sollecitazione meccanica e viceversa.

I componenti piezoelettrici vengono generalmente utilizzati in modalità risonante poiché questa è la frequenza alla quale l'energia elettrica viene convertita in modo più efficiente in energia meccanica. Tuttavia, quando si eccitano piastre e dischi piezoelettrici in risonanza, è possibile creare una serie di diverse modalità di risonanza nel sistema meccanico e pertanto la modellazione computerizzata è essenziale per ottimizzare la modalità di risonanza desiderata e discriminare altre risonanze.

È necessario adottare un approccio multifisico alla modellazione numerica poiché, ad esempio, un gruppo di trasduttori a ultrasuoni sarà costituito da dischi piezoceramici e da componenti metallici o plastici. Pertanto, la modellazione computerizzata deve tenere conto dei diversi domini coinvolti: segnali elettrici, effetti piezoelettrici (conversione di segnali elettrici in stress meccanico) e comportamento termo-meccanico dell'intero sistema meccanico. Questa soluzione multifisica deve quindi fornire ai progettisti elettronici le informazioni di cui hanno bisogno come frequenza di risonanza primaria, impedenza, capacità, fattore Q e così via per progettare l'elettronica di controllo appropriata.

Le prestazioni dei componenti piezoceramici sono governate da un'ampia varietà di proprietà fondamentali del materiale, come costanti elastiche meccaniche, proprietà dielettriche e coefficienti di accoppiamento (accoppiamento elettrico-meccanico), nonché controllo dimensionale di dischi e piastre ceramiche. Tutti questi parametri dipenderanno dal processo di produzione della piezoceramica stesso. Il valore di qualsiasi modellazione numerica computerizzata dipenderà dalla ripetibilità di queste proprietà materiali e meccaniche e dalle loro tolleranze. I modelli computerizzati che non sono calibrati rispetto alle prestazioni di produzione non faranno altro che aumentare i tempi di sviluppo del prodotto poiché sarebbe necessario utilizzare un approccio per tentativi ed errori piuttosto che una modellazione accurata e un successo immediato.

Il controllo dei materiali e della produzione piezoceramici è fondamentale