Reduzindo o tempo de lançamento no mercado de sensores e transdutores ultrassônicos médicos

por Amir R. Mirza, Ph. D

22 de maio de 2023

14:00

Hoje, a tecnologia ultrassônica tornou-se difundida no mercado de dispositivos médicos, desde instrumentos cirúrgicos a nebulizadores e máquinas de diálise domésticas e hospitalares.

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O ultrassom é usado tanto para aplicações de diagnóstico, como imagens de ultrassom, quanto para terapias, incluindo HIFU (ultrassom focalizado de alta intensidade), que atingirá US$ 486 milhões em tamanho de mercado até 2027.

O maior mercado individual de tecnologia ultrassônica é a imagem ultrassônica, que teve um tamanho de mercado de $ 7,9 bilhões em 2021 e deve crescer para $ 14,5 bilhões até 2030. Outro mercado importante em crescimento são os instrumentos eletrocirúrgicos ultrassônicos, que tiveram receita de $ 3,86 bilhões em 2021.

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A tecnologia ultrassônica é amplamente utilizada em hemodiálise e diálise peritoneal. Nos EUA, de acordo com o CDC, um em cada sete adultos é afetado por doença renal crônica. A diálise domiciliar também está se tornando uma área de crescimento importante, pois, de acordo com a OMS, a população mundial com mais de 60 anos chegará a 2 bilhões em 2050, de 900 milhões em 2015.

A tecnologia ultrassônica é particularmente poderosa para o gerenciamento de fluidos em equipamentos médicos, como a detecção de bolhas de ar em linhas, fluxo de líquido e detecção de nível. Por exemplo, ao medir o fluxo sanguíneo em instrumentos, não há contato entre o sensor de fluxo ultrassônico e o próprio sangue do paciente. O ultrassom costuma ser a solução preferida em aplicações médicas em relação à tecnologia de detecção óptica, mecânica ou capacitiva.

Importância da modelagem computacional numérica em ultrassom

Um elemento-chave para reduzir os tempos de desenvolvimento de produtos para sensores e transdutores ultrassônicos é o uso do mais recente software de modelagem numérica por computador. Os dispositivos ultrassônicos são baseados em materiais piezoelétricos, ou seja, um material cerâmico que pode gerar um campo elétrico em resposta a um estresse mecânico e vice-versa.

Os componentes piezoelétricos são normalmente operados em modo ressonante, pois esta é a frequência em que a energia elétrica é convertida de forma mais eficiente em energia mecânica. No entanto, ao excitar placas e discos piezoelétricos em ressonância, vários modos ressonantes diferentes podem ser criados no sistema mecânico e, portanto, a modelagem por computador é essencial para otimizar o modo de ressonância desejado e discriminar outras ressonâncias.

Uma abordagem multifísica para a modelagem numérica precisa ser tomada como, por exemplo, um conjunto de transdutor ultrassônico consistirá em discos piezocerâmicos, bem como componentes de metal ou plástico. Portanto, a modelagem computacional deve levar em consideração os diferentes domínios envolvidos - sinais elétricos, efeitos piezoelétricos (conversão de sinais elétricos em tensões mecânicas) e o comportamento termomecânico de todo o sistema mecânico. Essa solução multifísica precisa fornecer aos projetistas eletrônicos as informações de que precisam, como frequência de ressonância primária, impedância, capacitância, fator Q e assim por diante, a fim de projetar os eletrônicos de controle apropriados.

O desempenho dos componentes piezocerâmicos é governado por uma ampla variedade de propriedades materiais fundamentais, como constantes elásticas mecânicas, propriedades dielétricas e coeficientes de acoplamento (acoplamento elétrico para mecânico), bem como controle dimensional de discos e placas de cerâmica. Todos esses parâmetros serão dependentes do próprio processo de fabricação da piezocerâmica. O valor de qualquer modelagem numérica por computador dependerá da repetibilidade desses materiais e propriedades mecânicas e suas tolerâncias. Os modelos de computador que não são calibrados em relação ao desempenho de fabricação apenas aumentarão os prazos de desenvolvimento do produto, pois uma abordagem de tentativa e erro teria que ser usada em vez de modelagem precisa e sucesso inicial.

O controle de materiais e fabricação piezocerâmicos é fundamental