Сокращение времени вывода на рынок медицинских ультразвуковых датчиков и преобразователей

Амир Р. Мирза, доктор философии

22 мая 2023 г.

14:00

Сегодня ультразвуковая технология получила широкое распространение на рынке медицинского оборудования: от хирургических инструментов до небулайзеров, больничных и домашних диализных аппаратов.

Gorodenkoff Productions OU Городенкофф - stock.adobe.com

Ультразвук используется как в диагностических приложениях, таких как ультразвуковая визуализация, так и в терапевтических целях, включая HIFU (фокусированный ультразвук высокой интенсивности), объем рынка которого, как сообщается, к 2027 году достигнет 486 миллионов долларов.

Крупнейшим единым рынком ультразвуковых технологий является ультразвуковая визуализация, объем рынка которого в 2021 году составлял 7,9 миллиарда долларов, а к 2030 году, по прогнозам, он вырастет до 14,5 миллиардов долларов. Еще одним ключевым растущим рынком являются ультразвуковые электрохирургические инструменты, выручка которого в 2021 году составила 3,86 миллиарда долларов.

InsideCreativeHouse — stock.adobe.com

Ультразвуковая технология широко используется при гемодиализе и перитонеальном диализе. В США, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), каждый седьмой взрослый страдает хронической болезнью почек. Домашний диализ также становится ключевой сферой роста, поскольку, по данным ВОЗ, к 2050 году население мира старше 60 лет достигнет 2 миллиардов человек с 900 миллионов в 2015 году.

Ультразвуковая технология особенно эффективна для управления жидкостями в медицинском оборудовании, например, для обнаружения пузырьков воздуха в линиях, расхода жидкости и измерения уровня. Например, при измерении кровотока в приборах отсутствует контакт ультразвукового датчика потока с самой кровью пациента. Ультразвук часто является предпочтительным решением в медицинских целях по сравнению с оптическими, механическими или емкостными сенсорными технологиями.

Важность численного компьютерного моделирования в ультразвуке

Ключевым элементом сокращения времени разработки ультразвуковых датчиков и преобразователей является использование новейшего программного обеспечения для численного компьютерного моделирования. Ультразвуковые устройства основаны на пьезоэлектрических материалах, то есть керамическом материале, который может генерировать электрическое поле в ответ на механическое воздействие и наоборот.

Пьезоэлектрические компоненты обычно работают в резонансном режиме, поскольку на этой частоте электрическая энергия наиболее эффективно преобразуется в механическую. Однако при возбуждении пьезоэлектрических пластин и дисков в резонанс в механической системе может быть создан ряд различных резонансных режимов, и поэтому компьютерное моделирование необходимо для оптимизации желаемого резонансного режима и исключения других резонансов.

Необходимо использовать мультифизический подход к численному моделированию, например, узел ультразвукового преобразователя будет состоять из пьезокерамических дисков, а также металлических или пластиковых компонентов. Следовательно, компьютерное моделирование должно учитывать различные задействованные области - электрические сигналы, пьезоэлектрические эффекты (преобразование электрических сигналов в механическое напряжение) и термомеханическое поведение всей механической системы. Это мультифизическое решение затем должно предоставить разработчикам электроники необходимую им информацию, такую ​​как первичная резонансная частота, импеданс, емкость, добротность и т. д., для разработки соответствующей управляющей электроники.

Характеристики пьезокерамических компонентов определяются широким спектром фундаментальных свойств материала, таких как механические упругие постоянные, диэлектрические свойства и коэффициенты связи (электрическая и механическая связь), а также контроль размеров керамических дисков и пластин. Все эти параметры будут зависеть от самого процесса производства пьезокерамики. Ценность любого компьютерно-численного моделирования будет зависеть от повторяемости этих материалов и механических свойств, а также их допусков. Компьютерные модели, которые не откалиброваны по производительности производства, только увеличат время разработки продукта, поскольку придется использовать метод проб и ошибок, а не точное моделирование и успех с первого раза.

Контроль пьезокерамических материалов и производства является ключевым моментом