La Qualità è una Priorità Essenziale: Elementi Piezoelettrici a Ultrasuoni nelle Tecnologie Medicali

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1 TECHNICAL ARTICLE La Qualità è una Priorità Essenziale: Elementi Piezoelettrici a Ultrasuoni nelle Tecnologie Medicali Gli ultrasuoni, onde sonore al di sopra del limite udibile dall uomo fissato a 16kHz circa, trovano largo impego in molti settori dell ingegneria medica e nella ricerca. Alcune applicazioni ricorrenti sono ad esempio i rilevatori di posizione a distanza, i misuratori di livello e di flusso, i sistemi diagnostici e terapeutici. In tutte queste strutture gli elementi piezoelettrici 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 PRESS CONTACT Ing. Gianluca Poli Tel. +39 (02) Fax +39 (02) g.poli@pi.ws Physik Instrumente (PI) S.r.l. Via G. Marconi, Bresso (MI) Italy La generazione e ricezione di onde ultrasonore è una classica applicazione dei componenti piezoelettrici in quanto tali elementi vibrano quando una tensione alternata viene applicata 1: Questo sistema di monitoraggio fetale wireless può registrare il ai loro capi (effetto battito in modalità sincrona, cioè con la medesima intensità anche in caso di triplette (Immagine: Philips) 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).

2 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

3 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 dell autocorrelazione, la frequenza cardiaca del feto viene 3: Parte interna del trasduttore a calcolata, idealmente in corrispondenza di ogni battito. La base per questa elaborata analisi è garantita dal cosiddetto effetto Doppler: viene misurato il ritardo fra la ultrasuoni. Sette identici elementi piezo sono disposti simmetricamente e operano sia come trasmettitori che come ricevitori di ultrasuoni (Immagine: Philips) 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

4 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)

5 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.

6 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. Per ulteriori informazioni contattare l Ingegnere Gianluca Poli: g.poli@pi.ws