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 ultrasonique est devenue omniprésente sur le marché des dispositifs médicaux, des instruments chirurgicaux aux nébuliseurs en passant par les appareils de dialyse hospitaliers et à domicile.

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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 les HIFU (ultrasons focalisés à haute intensité) qui devraient atteindre 486 millions de dollars en taille de marché d'ici 2027.

Le plus grand marché unique de la technologie ultrasonique 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 de croissance clé 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 des ultrasons est largement utilisée en hémodialyse et en dialyse péritonéale. Aux États-Unis, selon le CDC, un adulte sur sept est atteint de 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, comme la détection de bulles d'air dans les conduites, le débit de liquide et la détection de niveau. Par exemple, lors de la mesure du débit sanguin dans des instruments, il n'y a aucun 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 informatique numérique en ultrasons

Un élément clé de la réduction des délais de développement des produits pour les capteurs et transducteurs à ultrasons est l'utilisation du dernier logiciel de modélisation numérique par ordinateur. Les dispositifs 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 des plaques et des disques piézoélectriques 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 car, par exemple, un assemblage de transducteur à ultrasons sera composé de disques piézocéramiques ainsi que de composants métalliques ou plastiques. Par conséquent, la modélisation informatique doit prendre en compte les différents domaines concernés - les signaux électriques, les effets piézoélectriques (conversion des signaux électriques en contraintes mécaniques) et le 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 commande appropriée.

Les performances des composants piézocéramiques sont régies 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 en céramique. Tous ces paramètres seront dépendants du procédé de fabrication piézocéramique lui-même. La valeur de toute modélisation informatique numérique dépendra de la répétabilité de ces propriétés matérielles et mécaniques et de leurs tolérances. Les modèles informatiques qui ne sont pas calibrés par rapport aux 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 tenue en puissance. Le titanate de zirconate de plomb (PZT) est le piézocéramique le plus couramment utilisé 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 tout en étant mécaniquement robustes pour une grande variété d'applications électroniques pour des marchés tels que le médical, l'automobile, l'industrie et la défense.

Le processus de fabrication proprement dit pour créer des plaques, des cylindres et des disques PZT comprend de nombreuses étapes. Celles-ci comprennent le meulage, le frittage, la mise en forme et l'usinage, la cuisson à des températures élevées (supérieures à 1000°C), la métallisation pour former des électrodes et la polarisation à 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 des matériaux céramiques finaux. Un contrôle dimensionnel serré, y compris le parallélisme des substrats, joue un rôle crucial dans l'obtention des meilleures performances des composants piézocéramiques.

Si un contrôle approprié n'est pas maintenu sur ces nombreuses étapes de fabrication ou sur les matières premières entrantes, une variation significative des performances de la piézocéramique sera observée. L'effet résultant serait une augmentation des coûts de fabrication due à des rendements de traitement inférieurs.

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 des produits et de maintenir des rendements élevés une fois qu'un produit entre en production de masse, tant au stade de la pièce que de l'assemblage final, il est essentiel de contrôler le processus de fabrication piézocéramique lui-même. Idéalement, un fournisseur de capteurs ou de transducteurs à ultrasons pour le marché médical devrait avoir un contrôle complet du processus du produit, de la modélisation/conception à la fabrication piézocéramique, en passant par l'assemblage et le test du produit final.

Atteindre 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 des performances constantes des capteurs, équipements et instruments médicaux, la fiabilité du produit est d'une importance vitale.

La figure 1 montre un exemple de la 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 maîtrisée 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 ultrasonique 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 finalement le coût et le temps de développement global et abaisse les coûts de fabrication lorsque la conception est publiée pour la production de masse. La figure 3 (ci-dessus) montre ce qui peut arriver en l'absence de performances constantes du matériau piézocéramique, c'est-à-dire qu'un cycle continu peut se développer lorsqu'une modélisation informatique basée sur certaines hypothèses sur les propriétés du matériau piézocéramique est effectuée, ce qui aboutit à une conception spécifique. Plus tard, et cela peut prendre plusieurs mois plus tard, les disques ou plaques piézocéramiques sont fabriqués, assemblés et testés.

Cependant, les performances du produit final ne sont pas aussi attendues que prévu par la modélisation. Par conséquent, la conception est modifiée pour correspondre aux performances réelles du matériau piézo. Le cycle est ensuite répété et plusieurs mois plus tard, des données sont collectées sur la conception révisée et un nouveau lot de matériau piézo.

En fin de compte, cette approche pourrait conduire à une conception de transducteur inefficace avec des spécifications plus larges que souhaitées ou sur-conçues, une puissance plus élevée et une électronique de commande plus coûteuse qui peut compenser avec une conception de transducteur aux 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 finale en série.

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, l'utilisation d'une modélisation informatique numérique multi-physique avancée est conseillée. Ces outils de modélisation dépendent fortement des propriétés fondamentales reproductibles des matériaux piézocéramiques pour éviter de concevoir par une approche par essais et erreurs. Le matériau piézocéramique et les propriétés mécaniques ne peuvent être contrôlés que par un contrôle de qualité strict des matières premières entrantes ainsi que par les nombreuses étapes de processus impliquées pour passer des poudres à la céramique usinée finie. Un manque de contrôle dans le processus de conception ou dans la fabrication piézocéramique entraînera finalement une augmentation des temps 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 à Med-Tech Innovation Expo les 7 et 8 juin au NEC de Birmingham sur le stand B10. Pour vous inscrire GRATUITEMENT, rendez-vous sur www.med-techexpo.com

par Amir R. Mirza, Ph. D

22 mai 2023

14:00