Réduction du délai de mise sur le marché des capteurs et transducteurs à ultrasons médicaux

par Amir R. Mirza, Ph. D

22 mai 2023

14:00

Aujourd’hui, la technologie à ultrasons est devenue omniprésente sur le marché des dispositifs médicaux, des instruments chirurgicaux aux nébuliseurs en passant par les machines de dialyse à domicile et à l’hôpital.

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Les ultrasons sont utilisés à la fois pour des applications diagnostiques telles que l’imagerie par ultrasons et thérapeutiques, y compris HIFU (ultrasons focalisés de haute intensité) qui devrait atteindre 486 millions de dollars de taille de marché d’ici 2027.

Le plus grand marché unique pour la technologie ultrasonore est l’imagerie par ultrasons, qui avait une taille de marché de 7,9 milliards de dollars en 2021 et devrait atteindre 14,5 milliards de dollars d’ici 2030. Un autre marché clé en croissance est celui des instruments électrochirurgicaux à ultrasons, qui ont généré des revenus de 3,86 milliards de dollars en 2021.

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La technologie ultrasonique est largement utilisée en hémodialyse et en dialyse péritonéale. Aux États-Unis, selon le CDC, un adulte sur sept est touché par une maladie rénale chronique. La dialyse à domicile devient également un domaine de croissance clé, car selon l’OMS, la population mondiale âgée de plus de 60 ans atteindra 2 milliards d’ici 2050, contre 900 millions en 2015.

La technologie ultrasonique est particulièrement puissante pour la gestion des fluides dans les équipements médicaux, tels que la détection de bulles d’air dans les lignes, le débit de liquide et la détection de niveau. Par exemple, lors de la mesure du débit sanguin dans les instruments, il n’y a pas de contact entre le capteur de débit à ultrasons et le sang du patient lui-même. Les ultrasons sont souvent la solution préférée dans les applications médicales par rapport à la technologie de détection optique, mécanique ou capacitive.

Importance de la modélisation numérique par ordinateur en ultrasons

Un élément clé de la réduction des temps de développement de produits pour les capteurs et transducteurs à ultrasons est l’utilisation du dernier logiciel de modélisation numérique informatique. Les appareils à ultrasons sont basés sur des matériaux piézoélectriques, c’est-à-dire un matériau céramique qui peut générer un champ électrique en réponse à une contrainte mécanique et vice-versa.

Les composants piézoélectriques fonctionnent généralement en mode résonant, car c’est la fréquence à laquelle l’énergie électrique est convertie le plus efficacement en énergie mécanique. Cependant, lors de l’excitation de plaques piézoélectriques et de disques en résonance, un certain nombre de modes de résonance différents peuvent être créés dans le système mécanique et, par conséquent, la modélisation informatique est essentielle pour optimiser le mode de résonance souhaité et discriminer les autres résonances.

Une approche multi-physique de la modélisation numérique doit être adoptée comme par exemple un ensemble de transducteurs à ultrasons sera composé de disques piézocéramiques ainsi que de composants en métal ou en plastique. Par conséquent, la modélisation informatique doit prendre en compte les différents domaines impliqués - signaux électriques, effets piézoélectriques (conversion des signaux électriques en contrainte mécanique) et comportement thermomécanique de l’ensemble du système mécanique. Cette solution multi-physique doit ensuite fournir aux concepteurs électroniques les informations dont ils ont besoin, telles que la fréquence de résonance primaire, l’impédance, la capacité, le facteur Q, etc., afin de concevoir l’électronique de contrôle appropriée.

La performance des composants piézocéramiques est régie par une grande variété de propriétés fondamentales des matériaux, telles que les constantes élastiques mécaniques, les propriétés diélectriques et les coefficients de couplage (couplage électrique à mécanique) ainsi que le contrôle dimensionnel des disques et plaques céramiques. Tous ces paramètres dépendront du processus de fabrication piézocéramique lui-même. La valeur de toute modélisation numérique informatisée dépendra de la répétabilité de ces propriétés matérielles et mécaniques et de leurs tolérances. Les modèles informatiques qui ne sont pas calibrés en fonction des performances de fabrication ne feront qu’augmenter les délais de développement des produits, car une approche par essais et erreurs devrait être utilisée plutôt qu’une modélisation précise et un premier succès.

Le contrôle des matériaux piézocéramiques et de la fabrication est essentiel

Les matériaux piézocéramiques sont des mélanges complexes de poudres, de liants et d’additifs qui sont affinés pour donner les performances souhaitées en termes de sensibilité piézoélectrique des composants, de capacité, de pertes diélectriques et de gestion de la puissance. Le titanate de zirconate de plomb (PZT) est la piézocéramique la plus couramment utilisée pour les applications électroniques. Le marché mondial des matériaux piézoélectriques était évalué à 1,51 milliard de dollars en 2021.

Les matériaux PZT offrent une bonne sensibilité et de bonnes performances thermiques ainsi qu’une robustesse mécanique pour une grande variété d’applications électroniques pour les marchés tels que la médecine, l’automobile, l’industrie et la défense.

Le processus de fabrication réel pour créer des plaques, des cylindres et des disques PZT comprend de nombreuses étapes. Il s’agit notamment du meulage, du frittage, de la mise en forme et de l’usinage, de la cuisson à des températures élevées (supérieures à 1000 ° C), de la métallisation pour former des électrodes et de la polarisation haute tension pour permettre un comportement piézoélectrique. La pureté et le contrôle des matières premières sont essentiels ainsi que le mélange des matériaux pour permettre l’homogénéité et la morphologie correctes du matériau céramique final. Un contrôle dimensionnel serré, y compris le parallélisme du substrat, joue un rôle crucial dans l’obtention des meilleures performances des composants piézocéramiques.

Si un contrôle adéquat n’est pas maintenu sur ces nombreuses étapes de fabrication ou sur les matières premières entrantes, une variation significative des performances piézocéramiques sera observée. Il en résulterait une augmentation des coûts de fabrication en raison de la baisse des rendements des procédés.

Cette variabilité piézocéramique aurait également un impact sur les rendements finaux de l’assemblage des transducteurs et sur la capacité de s’appuyer sur la modélisation informatique pour concevoir de nouveaux produits avec un premier succès. Par conséquent, afin de réduire les temps de développement du produit et de maintenir des rendements élevés une fois qu’un produit entre en production de masse, à la fois au stade de la pièce et de l’assemblage final, il est essentiel de contrôler le processus de fabrication piézocéramique lui-même. Idéalement, un capteur à ultrasons ou un fournisseur de transducteurs sur le marché médical devrait avoir un contrôle complet du processus du produit, de la modélisation / conception à la fabrication piézocéramique à l’assemblage et au test du produit final.

Obtenir des performances de produit constantes et réduire les délais de mise sur le marché

On voit que les capteurs et transducteurs à ultrasons sont utilisés dans un large éventail de marchés commerciaux. Cependant, dans les applications médicales où les patients dépendent de la performance constante des capteurs, équipements et instruments médicaux, la fiabilité du produit est d’une importance vitale.

La figure 1 montre un exemple de tolérance de fabrication pour la fréquence de résonance d’un transducteur à ultrasons conçu par CeramTec pour une application de dispositif médical. On voit ici que la fréquence de résonance est bien contrôlée avec très peu de variation. Le même dispositif est représenté sur la figure 2, mais cette fois l’impédance (Ohms) du transducteur est tracée et montre à nouveau que ce paramètre est également bien centré. Ce niveau de cohérence dans les matériaux piézocéramiques et la fabrication permet aux ingénieurs de conception par ultrasons de développer des dispositifs médicaux avec des performances prévisibles et un rendement élevé lors de l’assemblage final et des tests.

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La prévisibilité ci-dessus réduit en fin de compte le coût et le temps de développement globaux et réduit les coûts de fabrication lorsque la conception est publiée pour la production de masse. La figure 3 (ci-dessus) montre ce qui peut se produire en l’absence de performances constantes du matériau piézocéramique, c’est-à-dire qu’un cycle continu peut se développer où une modélisation informatique basée sur certaines hypothèses sur les propriétés des matériaux piézocéramiques est faite qui aboutit à une conception spécifique. Plus tard, et cela pourrait être plusieurs mois plus tard, les disques ou plaques piézocéramiques sont fabriqués, assemblés et testés.

Cependant, la performance du produit final n’est pas aussi attendue que la modélisation l’avait prédit. Par conséquent, la conception est modifiée pour correspondre aux performances réelles du matériau piézoélectrique. Le cycle est ensuite répété et plusieurs mois plus tard, des données sont collectées sur la conception révisée et un nouveau lot de matériau piézoélectrique.

En fin de compte, cette approche pourrait conduire à une conception de transducteur inefficace avec des spécifications plus larges que souhaitées ou surconçues, une électronique de contrôle plus puissante et plus coûteuse qui peut compenser avec une conception de transducteur avec des performances fluctuantes.

Dans le pire des cas, ces leçons peuvent être apprises après la mise en production du dispositif médical. Par conséquent, il est essentiel de comprendre toutes les capacités du fournisseur de composants à ultrasons, de la conception à la production de masse finale.

En résumé

Les ultrasons sont une technologie puissante pour les dispositifs médicaux avec des avantages uniques dans les applications critiques pour les patients. Afin de concevoir de nouveaux capteurs et transducteurs à ultrasons innovants, il est conseillé d’utiliser une modélisation informatique numérique multiphysique avancée. Ces outils de modélisation dépendent fortement des propriétés fondamentales reproductibles des matériaux piézocéramiques pour éviter la conception par une approche par essais et erreurs. Les propriétés piézocéramiques et mécaniques des matériaux et des propriétés mécaniques ne peuvent être contrôlées que par un contrôle de qualité rigoureux des matières premières entrantes ainsi que par les nombreuses étapes du processus de passage des poudres à la céramique usinée finie. Un manque de contrôle dans le processus de conception ou dans la fabrication piézocéramique entraînera en fin de compte une augmentation des délais et des coûts de développement du produit ainsi que des coûts unitaires ultimes lorsque le produit est lancé pour la production en série.

CeramTec exposera au salon Med-Tech Innovation Expo les 7 et 8 juin au NEC, Birmingham, sur le stand B10. Pour vous inscrire GRATUITEMENT, visitez www.med-techexpo.com

par Amir R. Mirza, Ph. D

22 mai 2023

14:00