Elementi Piezoelettrici a Ultrasuoni nelle Tecnologie Medicali

TECHNICAL ARTICLE
La Qualità è una Priorità Essenziale: Elementi Piezoelettrici a
Ultrasuoni nelle Tecnologie Medicali
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Ing. Gianluca Poli
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Gli ultrasuoni, onde sonore al di sopra del limite udibile dall’uomo fissato
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a 16kHz circa, trovano largo impego in molti settori dell’ingegneria medica
e nella ricerca. Alcune applicazioni ricorrenti sono ad esempio i rilevatori
Physik Instrumente (PI) S.r.l.
Via G. Marconi, 28
di posizione a distanza, i misuratori di livello e di flusso, i sistemi
20091 Bresso (MI)
diagnostici e terapeutici. In tutte queste strutture gli elementi piezoelettrici
Italy
giocano spesso un ruolo chiave, come nel caso dei nuovi sistemi wireless
per il monitoraggio fetale e della madre durante la gravidanza e il parto
La
generazione
ricezione
di
ultrasonore
classica
e
onde
è
una
applicazione
dei
componenti
piezoelettrici in quanto
tali
elementi
quando
una
vibrano
tensione
alternata viene applicata
1: Questo sistema di monitoraggio fetale wireless può registrare il
battito in modalità sincrona, cioè con la medesima intensità anche
in caso di triplette (Immagine: Philips)
ai
loro
capi
(effetto
piezoelettrico inverso).
Viceversa,
forniscono
una tensione quando il componente viene sottoposto a una forza (effetto
diretto). In altre parole, il medesimo elemento piezoelettrico è in grado di
convertire energia meccanica in energia elettrica e viceversa, rappresentando
la soluzione ideale per applicazioni a ultrasuoni. L’effetto piezoelettrico si basa
esclusivamente su deformazioni a livello cristallino, pertanto concetti di attrito e
usura non si applicano. La sensibilità è molto elevata in quanto il componente è
in grado di percepire anche deformazioni infinitesimali, convertendole in una
carica elettrica proporzionale, così come deformarsi di quote nanometriche se
alimentato da tensioni molto contenute. Gli elementi piezoelettrici possono
quindi essere usati, non solo come generatori o ricevitori a ultrasuoni, ma anche
come sensori e attuatori. Il ridotto tempo di risposta e l’elevata dinamica che
caratterizzano questi elementi incentivano la generazione di ultrasuoni.
In aggiunta, i componenti piezoelettrici possono essere facilmente adattati alle
specifiche richieste dall’applicazione, variando la forma e la geometria e di
conseguenza anche la frequenza di risonanza dell’intera struttura (Figura 2).
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Anche la composizione chimica può essere scelta in funzione delle condizioni di
lavoro.
Ad ogni modo, in funzione dell’applicazione, standard qualitativi molto elevati
devono essere garantiti durante la produzione dei componenti. Questo è a
maggior ragione vero nel caso di trasduttori per cardiotocografi (monitor fetali o
CTG usati per tenere sotto controllo la frequenza cardiaca del feto), per i quali
le richieste tecniche sono molto elevate.
Monitoraggio Fetale: Identico Monitoraggio Wireless anche per Parti
Multiple
Philips Medizin Systeme Böblingen GmbH è considerato il leader di mercato nei
sistemi di monitoraggio dei pazienti. Questa azienda ha recentemente
sviluppato un nuovo cardiotocografo wireless .
2: Molte tipologie di elementi piezoelettrici sono possibili, come ad esempio tubi, dischi, piastrine a
flessione o elementi di taglio, rendendo facile adattarli alla specifica applicazione (Immagine: PI)
Con l’aiuto di questo dispositivo, tutte le frequenze cardiache fetali possono
essere registrate in sincrono, cioè con la medesima densità di impulsi, fino a
gravidanze triplici. Tutti i feti ricevono quindi la stessa qualità di indagine,
ognuno monitorato con 3000 impulsi al secondo. Sette identici elementi
piezoelettrici sono disposti simmetricamente e operano indistintamente come
trasmettitore e ricevitore di ultrasuoni
Il segnale ricevuto è separato dalla portante in un’unità di elaborazione, filtrato e
riprodotto acusticamente per facilitare il posizionamento del trasduttore. Il
medesimo segnale viene anche inviato a
una seconda unità di elaborazione che lo
rettifica, filtra e ne riduce la frequenza.
Con
l’aiuto
frequenza
dell’autocorrelazione,
cardiaca
del
feto
la
viene
calcolata, idealmente in corrispondenza di
ogni battito. La base per questa elaborata
analisi è garantita dal cosiddetto effetto
3: Parte interna del trasduttore a
ultrasuoni. Sette identici elementi piezo
sono disposti simmetricamente e operano
sia come trasmettitori che come ricevitori
di ultrasuoni (Immagine: Philips)
Doppler: viene misurato il ritardo fra la
fase del segnale emesso e quello riflesso
ricevuto dal trasmettitore. Una riflessione
può
essere
causata
da
corpi
in
movimento quali ad esempio il muscolo cardiaco dei feti. In questo modo il
battito cardiaco può essere individuato e monitorato.
Garanzia di Qualità: Parametri Ultrasonici, Pulizia della Superfice e
Incollaggio Ottimali
Stringenti analisi vengono effettuate durante la selezione dei componenti
piezoelettrici. Solo se gli elementi rispondono a ben specifici criteri il sistema di
controllo può pilotarli al meglio e gli algoritmi di controllo possono elaborare
efficacemente i dati raccolti. Solo questo si tradurrà in risultati precisi che
rendono il monitoraggio più trasparente possibile, anche per le triplette.
Prerequisiti importanti includono pertanto prestazioni costanti degli elementi
piezoelettrici come trasmettitori e ricevitori, così come la qualità dell'incollaggio.
Il vincolo deve essere da un lato sufficientemente forte da consentire il
passaggio inalterato delle onde ultrasonore verso la superfice del trasduttore,
ma deve anche risultare sufficientemente elastico da assorbire impatti. Inoltre, il
trasduttore deve essere nel suo complesso robusto e non venire danneggiato
da cadute accidentali durante la routine clinica giornaliera. Gli elementi piezo a
forma di disco, prodotti da PI Ceramic GmbH, parte del gruppo PI (v.
informazioni nel box) hanno dimostrato di essere ideali per l’applicazione. I
piezo “Made in Germany” hanno convinto per le strette tolleranze dei parametri
piezoelettrici, rilevanti per le prestazioni a ultrasuoni, come la frequenza di
risonanza, la capacità elettrica e il fattore di accoppiamento. In aggiunta, i
componenti di PI Ceramic hanno evidenziato una pulizia della superfice
estremamente alta. Questo consente un incollaggio solido ma allo stesso tempo
elastico. Se lasciati cadere da un’altezza di 1,5 metri, la cosa peggiore che può
accadere al trasduttore è un danno estetico.
Prestazioni Omogenee degli Ultrasuoni
Durante
il
processo
di
produzione,
la
qualità
dell’incollaggio
viene
continuamente monitorata da appositi sistemi che valutano la forza di tenuta del
vincolo. Ovviamente, anche l’intensità del segnale viene intensamente
esaminata, per assicurare che tutti e sette i piezo, elementi del trasduttore finito,
operino con valori equivalenti e rispondano nel medesimo istante quando
ricevono il segnale. Il campo acustico viene misurato nello spazio usando un
sistema triassiale per ottimizzare il campo sonoro. L’obiettivo è quello di
ottenerne idealmente uno a forma di cilindro.
Figura 4
Figura 5
Figura 4:
Sezione orizzontale del campo sonoro del trasduttore, montato alla base di un contenitore d’acqua e
misurato con un idrofono ad alta sensibilità a circa 20mm di distanza dalla faccia del trasduttore
(Immagine: Philips)
Figura 5:
Illustrazione spaziale del campo sonoro dei trasmettitori a ultrasuoni. I segnali dei singoli trasmettitori si
sovrappongono e conducono a una concentrazione del segnale complessivo (Immagine: Philips)
Sezione orizzontale del campo sonoro del trasduttore, montato alla base di un
contenitore d’acqua e misurato con un idrofono ad alta sensibilità a circa 20mm
di distanza dalla faccia del trasduttore (Immagine: Philips)
Il risultato di un simile processo di produzione “quality-oriented” è una
performance sostanzialmente omogenea del trasduttore, che garantisce anche
una penetrazione delle onde ultrasonore adeguata in ogni situazione.
Quest’ultimo aspetto è molto importante soprattutto in casi di obesità, per i quali
sempre più tessuto deve essere penetrato dalle onde. Allo stesso tempo,
questo assicura che il trasferimento di energia nel tessuto venga mantenuto il
più basso possibile. Si trova infatti molto al di sotto dei valori specificati nelle
norme pertinenti. La produzione dei componenti piezoelettrici asseconda anche
specifiche necessità di assemblaggio del cliente. Infatti, l’indicazione della
polarità viene effettuata in maniera speciale al fine di evitare che si possa
confondere durante il processo di pulizia che è indispensabile prima
dell’assemblaggio del trasduttore. La gestione dei componenti da parte del
cliente è stata considerevolmente semplificata grazie all’elevata visibilità della
marcatura. Gli elementi piezo prodotti da PI Ceramic sono risultati quindi
convincenti per il nuovo sistema di monitoraggio fetale wireless, non solo da un
punto di vista tecnico, ma anche in termini di praticità.
PI (Physik Intsrumente) in breve
Ben conosciuta per l’alta qualità dei suoi prodotti, PI (Physik Instrumente) è da
sempre una delle aziende di riferimento nel mercato globale dei sistemi di nanoposizionamento e può vantare un’esperienza di ormai 40 anni nello sviluppo e
nella fabbricazione di prodotti standard ed OEM, su tecnologie convenzionali e
piezoelettriche. Quattro siti produttivi in Germania e dieci uffici all’estero dedicati
alla vendita e all’assistenza fanno del Gruppo PI una consolidata realtà
internazionale che, grazie al contributo di oltre 700 dipendenti qualificati, è ad
oggi in grado di soddisfare qualsiasi richiesta relativa al posizionamento di
precisione.
Tutte le principali tecnologie sono sviluppate in casa, permettendo a PI di
controllare ogni passo del processo, dalla progettazione alla spedizione.
I componenti piezoceramici sono prodotti dalla controllata PI Ceramic di
Lederhose, Germania, tra i leader globali per gli attuatori e la sensoristica.
PI miCos GmbH, con sede a Eschbach, Germania, è l’unità specializzata in
posizionatori per l’ultra-alto vuoto, sistemi a cinematica parallela a sei gradi di
libertà e nella produzione di sistemi chiavi in mano completamente
personalizzabili sulle esigenze del cliente.
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Gianluca
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