ES2234249T3 - Matriz de elementos transductores flexibles. - Google Patents

Matriz de elementos transductores flexibles.

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ES2234249T3
ES2234249T3 ES99914182T ES99914182T ES2234249T3 ES 2234249 T3 ES2234249 T3 ES 2234249T3 ES 99914182 T ES99914182 T ES 99914182T ES 99914182 T ES99914182 T ES 99914182T ES 2234249 T3 ES2234249 T3 ES 2234249T3
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Ivan A. Cornejo
Bahram Jadidian
A. Safari
Alan A. Winder
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Rutgers State University of New Jersey
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Abstract

Elemento (20) transductor compuesto, piezoeléctrico, que comprende unas islas (15) de material (10) piezoeléctrico separadas por unos canales (12, 14) que las interconectan entre sí, caracterizado por una película (18) de un primer material polimérico formado sobre las islas (15) de material (10) piezoeléctrico y por un segundo material (19) polimérico para proporcionar flexibilidad al elemento transductor, dispuesto sobre la película (18) y rellenando dichos canales (12, 14).

Description

Matriz de elementos transductores flexibles.
Antecedentes de la invención 1. Campo técnico
En la presente memoria se describen novedosos elementos transductores piezoeléctricos, flexibles, y matrices flexibles de gran superficie. También se describen métodos para fabricar los elementos transductores flexibles y las matrices transductoras. Adicionalmente, en la presente memoria se describe también el uso de los elementos transductores o de las matrices transductoras en aplicaciones médicas terapéuticas por ultrasonidos, por ejemplo, para fomentar la curación de fracturas de hueso y de heridas en tejidos, aplicaciones de diagnóstico médico por ultrasonidos y pruebas no destructivas.
2. Antecedentes de la técnica relacionada
El uso de ultrasonidos para tratar y evaluar terapéuticamente fracturas de hueso es conocido. Se ha determinado que hacer que en el lugar de la fractura incidan impulsos ultrasónicos que tienen unos parámetros de dosis apropiados, por ejemplo, frecuencia, intensidad acústica, ciclo de trabajo, velocidad de repetición de impulsos y tiempo total de tratamiento, y que se administran externamente, acelera curación natural de, por ejemplo, fracturas de hueso. Para pacientes con una capacidad de curación reducida, tales como ancianos con osteoporosis, la terapia por ultrasonidos puede fomentar la curación de lesiones óseas que de otro modo requerirían una sustitución ortopédica o dejarían al paciente inválido irreparablemente.
La patente estadounidense Nº 4.530.360, concedida a Duarte, describe una técnica y un aparato terapéuticos, no invasivos, básicos, para aplicar impulsos ultrasónicos exteriormente sobre la piel del paciente en una ubicación adyacente al lugar de la fractura de hueso. El aplicador descrito en la patente '360 tiene un tubo de plástico que sirve como mango para el operario, un enchufe de RF sujeto al tubo de plástico para la conexión a una fuente de RF, y un cableado interior conectado a un transductor ultrasónico, rígido. Para aplicar los impulsos ultrasónicos durante el tratamiento, un operario sujeta manualmente el aplicador en posición hasta que finaliza el tratamiento. La patente '360 también describe un intervalo de señales de RF para crear el ultrasonido, niveles de densidad de energía ultrasónica, un intervalo de duración para cada impulso ultrasónico y un intervalo de frecuencias de impulsos ultrasónicos. Las patentes estadounidenses Nº 5.003.695, 5.211.160 y 5.762.616 se refieren a sistemas de tratamiento corporal por ultrasonidos que incluyen unos elementos transductores rígidos y una estructura para fijar el transductor adyacente al tejido corporal.
Aunque estos sistemas de la técnica anterior proporcionan una curación acelerada de las heridas en tejidos blandos y las fracturas de hueso, los elementos transductores y las matrices de tales elementos son demasiado rígidos para conformarse a contornos de gran superficie del cuerpo tales como, por ejemplo, los contornos de la cadera y la espina dorsal. Sería muy deseable proporcionar elementos transductores flexibles y matrices unitarias, flexibles, que contengan tales elementos transductores flexibles, que se conformen a los contornos corporales para facilitar la aplicación efectiva de dosis ultrasónicas terapéuticas.
Se han realizado intentos previos de proporcionar elementos transductores flexibles.
La solicitud de patente WO 94/13411 da a conocer un transductor ultrasónico que comprende un transmisor flexible, una matriz receptora flexible y electrodos flexibles para el transmisor y el receptor. El transmisor comprende una matriz de varillas piezocerámicas embebidas en una matriz polimérica. En otra realización, se embeben plaquetas piezocerámicas en un sustrato polimérico flexible del transmisor flexible.
Por ejemplo, la patente estadounidense Nº 4.227.111 da a conocer un transductor compuesto, piezoeléctrico, de baja densidad, flexible en el que el compuesto piezoeléctrico se forma juntando una fase polimérica y una fase piezoeléctrica de tal manera que cada fase individual se interconecte en las tres dimensiones ortogonales. Como otro ejemplo, la patente estadounidense Nº 4.233.477 describe un transductor de energía acústica, compuesto, flexible, hecho de materiales ferroeléctricos, piezoeléctricos y/o electroestrictivos dispuestos en el mismo plano x-y dentro de un polímero que tiene propiedades electroelásticas. El compuesto es flexible para que pueda conformarse en formas diferentes, tales como plana, doblada y cilíndrica, y/o fijarse a un cuerpo curvo o con forma distinta. Otro ejemplo adicional es la patente estadounidense Nº 5.691.980, la cual da a conocer paneles de transductores acústicos fabricados como un compuesto de un material cerámico piezoeléctrico o electroestrictivo y un material polimérico.
Un defecto común de los elementos transductores flexibles es una falta de integridad física. Debido a la mala adhesión entre los componentes cerámicos y poliméricos, puede producirse la separación física de los componentes al doblar el elemento transductor. La separación física de los componentes puede introducir bolsas de aire que interfieren con el funcionamiento del elemento transductor. El mantenimiento de la integridad física es especialmente problemático cuando el elemento transductor está destinado a aplicaciones terapéuticas e incluye una capa de adaptación o cuando se flexiona una matriz monolítica de tales elementos transductores.
Sería deseable proporcionar un elemento transductor compuesto, de cerámica piezoeléctrica/polímero, flexible, o una matriz transductora unitaria, flexible, de tales elementos transductores flexibles, que puedan conformarse a los contornos de la anatomía humana que precise estimulación terapéutica.
Sumario de la invención
Se han descubierto novedosos elementos transductores compuestos, piezoeléctricos, flexibles, y matrices flexibles de gran superficie de tales elementos transductores para el uso en aplicaciones terapéuticas. Las matrices de transductores novedosas incluyen al menos dos elementos transductores compuestos, flexibles, dispuestos en relación adyacente con unos espacios rellenos de polímero entre los mismos, superficies de electrodo aplicadas a unas superficies opuestas de la matriz y una capa de adaptación aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, una de las superficies de electrodo.
En una realización, se obtienen elementos transductores compuestos empleados para formar las matrices cortando y rellenando una oblea piezoeléctrica. Es decir, los elementos transductores compuestos se obtienen formando unos primer y segundo conjuntos de canales en el material piezoeléctrico, formando una película de material polimérico sobre el material piezoeléctrico y cubriendo la película con un segundo material polimérico, en cantidad suficiente como para rellenar los primer y segundo conjuntos de canales.
También se han descubierto métodos para fabricar matrices transductoras compuestas, piezoeléctricas, flexibles, de gran superficie. En el método, se dispone una pluralidad de elementos transductores compuestos, flexibles, en relación adyacente para definir espacios entre los mismos a fin de formar una matriz, los espacios se rellenan con un material polimérico, se aplican electrodos en unas superficies opuestas de la matriz y se aplica una capa de adaptación a una de las superficies de electrodo.
También se ha descubierto un método para utilizar los elementos transductores compuestos, piezoeléctricos, y las matrices transductoras flexibles en aplicaciones terapéuticas. En el método, pueden aplicarse elementos transductores flexibles o matrices transductoras flexibles de los transductores flexibles a una sección de la anatomía humana que precise estimulación terapéutica, y después, esa sección de la anatomía humana se expone a una cantidad de dosis de energía acústica.
Los elementos transductores y las matrices transductoras flexibles de gran superficie descritos en la presente memoria tienen suficiente flexibilidad, de manera que los transductores permiten ventajosamente que la energía acústica generada por los transductores se aplique y acople eficazmente a los contornos de la anatomía humana para aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describen realizaciones preferidas de la invención con referencia a los dibujos, que se describen como sigue:
La figura 1A es una vista esquemática de un material piezoeléctrico que tiene canales interconectados, formados dentro de los mismos, a utilizar al formar un tipo de elemento transductor compuesto de acuerdo con la presente invención;
la figura 1B es una vista esquemática en corte transversal del material de la figura 1A con una capa de adaptación formada sobre el mismo;
la figura 1C es una vista esquemática en corte transversal del material de la figura 1B con una superficie de electrodo aplicada a unas superficies opuestas del material y una capa de adaptación formada sobre una superficie del mismo para formar un elemento transductor compuesto;
la figura 2 es una vista esquemática en corte transversal de los elementos transductores compuestos de la figura 1C, utilizados para formar una matriz transductora flexible de acuerdo con la presente invención.
Descripción de las realizaciones preferidas
De acuerdo con esta descripción, una matriz transductora compuesta, piezoeléctrica, flexible, incluye una matriz que contiene una pluralidad de elementos transductores compuestos, piezoeléctricos, dispuestos en relación adyacente para definir espacios entre los mismos, con un material polimérico dispuesto en los espacios, electrodos aplicados a unas superficies opuestas de la matriz y una capa de adaptación aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, una de las superficies de electrodo. Los propios elementos transductores compuestos que componen la matriz transductora son flexibles, por ejemplo, tienen una flexibilidad de al menos 2,0 mm según se mide mediante un ensayo de doblado por cuatro puntos. Las matrices transductoras novedosas de estos elementos transductores flexibles son asimismo flexibles y pueden conformarse a los diferentes contornos de la anatomía humana cuando se emplean para aplicaciones terapéuticas.
Tal como se observa en las reivindicaciones mostradas en las figuras 1A-1C, un tipo de elemento transductor compuesto para el uso en la presente memoria puede formarse proporcionando primero un material 10 piezoeléctrico. Los materiales piezoeléctricos adecuados para este compuesto incluyen polvos PZT, comercializados por Morgan Matroc, Inc., cerámica, relaxor ferroeléctrico monocristalino, titanato zirconato de plomo Pb(Zr,Ti)O_{3}, metaniobato de plomo Pb(Nb_{2}O_{6}), titanato de plomo modificado PbTiO_{3} tal como (Pb,Ca)TiO_{3} y (Pb,Sm)TiO_{3}, titanato de bario BaTiO_{3}, PMN-PT(1-x)Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}, PZN-PT/BT Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}-BaTiO_{3}, (1-x)Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-x(yPbTiO_{3}-(1-y)PbZrO_{3}) y similares. En general, el material 10 piezoeléctrico se procesa prensando primero el material uniaxialmente a una presión de aproximadamente 1,034\cdot10^{8} Pa (15 ksi) a aproximadamente 3,447\cdot10^{8} Pa (50 ksi) y sinterizando después el material prensado a una temperatura que oscila desde aproximadamente 1000ºC y aproximadamente 1400ºC, y preferiblemente desde aproximadamente 1150ºC y aproximadamente 1300ºC, durante un periodo de tiempo que no sobrepase las 2 horas aproximadamente. Puede añadirse una fuente de plomo, por ejemplo, una mezcla de PbO y ZrO_{2}, al material 10 piezoeléctrico cuando se sinteriza para compensar cualquier pérdida de plome del material 10.
Tras el procesamiento, el material 10 piezoeléctrico se somete a cortado. Inicialmente, se forma un primer conjunto de canales 12, paralelos entre sí y dentro del material 10 (véase la figura 1A). Las técnicas para formar los canales 12 se encuentran dentro del ámbito de un experto en la técnica. Normalmente, la anchura de cada canal 12 oscilará desde aproximadamente 25 a aproximadamente 1,200 micrones, y preferiblemente desde 200 a aproximadamente 600 micrones. Preferiblemente, cuando se forma el canal en yuxtaposición paralela, la distancia entre los canales oscilará desde aproximadamente 200 a aproximadamente 400 micrones.
A continuación, se forma un segundo conjunto de canales 14, paralelos entre sí y orientados angularmente con respecto a cada canal 12. En general, los conjuntos de canales de interconexión pueden intersecarse en un ángulo entre aproximadamente 5º y aproximadamente 90º, y preferiblemente entre aproximadamente 30º y aproximadamente 90º. Debería entenderse que un ángulo distinto de 90º entre los canales puede impartir un doblamiento preferente en un plano deseado. Por tanto, se prefieren conjuntos perpendiculares de canales. Por tanto, tal como se representa generalmente en la figura 1A, cada uno de los canales 12 y 14 son lineales y se intersecan para definir unas islas 15 de material piezoeléctrico. Las técnicas para formar los canales 14 se encuentran dentro del ámbito de un experto en la técnica. Normalmente, la anchura de cada canal 14 puede ser igual o diferente de la de cada canal 12. Por tanto, la anchura del canal 14 oscilará habitualmente desde aproximadamente 25 hasta aproximadamente 1,200 micrones y preferiblemente desde aproximadamente 200 hasta aproximadamente 600 micrones. Preferiblemente, cuando se forman los canales en yuxtaposición paralela, la distancia entre los canales oscilará desde aproximadamente 200 hasta aproximadamente 400 micrones. Preferiblemente, la anchura y el grosor de los canales se escoge para que el elemento transductor compuesto contenga de aproximadamente 25 a aproximadamente 35 por ciento por volumen de material piezoeléctrico, siendo el volumen restante material sustancialmente polimérico.
Tras la formación de los primer y segundo conjuntos de canales (es decir, el cortado), se forma una película 18 de material polimérico sobre el material piezoeléctrico y dentro de los canales, tal como se muestra en la figura 1B. En general, la película 18 se forma rellenando los canales con un material polimérico antes de curar, el exceso de polímero se elimina por, por ejemplo, aireación a presión, y a continuación viene seguido por una curación. Tal como puede apreciar fácilmente un experto en la técnica, la película 18 también puede formarse mediante otros métodos conocidos por un experto en la técnica, por ejemplo, recubrir por inmersión el material 10 con un material polimérico, eliminar cualquier exceso de polímero y a continuación seguido por curación. Esto dejará únicamente una película del polímero sobre el material piezoeléctrico. Los materiales poliméricos adecuados para formar la película incluyen resinas epoxi de tipo Spurr de baja viscosidad, silicona y aditivos de silano, tales como los comercializados por Dow Corning, por ejemplo, acrílicos a base de agua, acrílicos a base de disolventes, poliésteres a base de agua, poliésteres a base de disolventes, resinas alquídicas a base de agua, resinas alquídicas a base de disolventes, amidas a base de disolventes, nitrocelulosa a base de disolventes, poliuretanos a base de agua, poliuretanos a base de disolventes, resinas epoxi a base de disolventes, vinilos a base de agua, vinilos a base de disolventes, compuestos fenólicos a base de disolventes y similares, prefiriéndose las resinas epoxi de tipo Spurr.
A continuación, se deposita un material 19 polimérico adicional sobre la película para rellenar cada uno de los canales 12 y 14 para formar un compuesto 20 flexible, tal como se representa en la figura 1B. Los materiales poliméricos adecuados para el uso en la presente memoria incluyen termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos. Los termoplásticos útiles incluyen polietilenos de alta densidad, polimetacrilatos de metilo, polipropilenos, tereftalatos de polibutileno, policarbonatos, poliuretanos, tales como CA 118 y CA 128, comercializados por Morton Chemical, y el poliéster estane, y similares. Los materiales termoendurecibles incluyen las resinas epoxi tales como la resina epoxi de tipo Spurr y Stycast 80, y similares. Los cauchos útiles incluyen cauchos de silicona, tales como el Dispersion 236, comercializado por Dow Corning, y el RTV-141, comercializado por Rhone-Poulenc, Inc., y similares. Los materiales poliméricos preferidos para el uso en la presente memoria incluyen el Stycast 1365-65, comercializado por Emerson y Gumming, Deway and Almay Chemical Division (Canton, MA), y la resina epoxi de tipo Spurr, comercializada por Ernest F. Fullam Inc. (Schenectady, NY).
Tras la deposición del material polimérico en cada uno de los canales 12 y 14, el compuesto 20 flexible puede someterse a un procesamiento adicional para formar el elemento transductor compuesto de acuerdo con la presente invención. El procesamiento adicional incluye, por ejemplo, cortar el compuesto 20 en partes y luego pulir las superficies de las mismas. A continuación, unas superficies 38 y 40 de electrodo pueden aplicarse a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, las superficies opuestas del compuesto 20 (véase la figura 1C) mediante técnicas conocidas por un experto en la técnica, por ejemplo, la emisión iónica, pintura, etc. Sin embargo, si los elementos transductores han de emplearse en una matriz para formar una matriz transductora, las superficies de electrodo pueden aplicarse en el momento cuando se forma la matriz, tal como se analiza más abajo. Los materiales útiles en la formación de las superficies 38 y 40 de electrodo incluyen el cobre, la plata, el níquel, el oro, aleaciones, mezclas de los mismos y similares.
Una vez que las superficies 38 y 40 de electrodo se han aplicado al compuesto 20, entonces una capa 16 de adaptación, la cual se analiza más abajo, puede aplicarse a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, una de las superficies 38 y 40 de electrodo (véase la figura 1C) para formar el elemento transductor compuesto.
Si los elementos transductores han de utilizarse en una matriz para formar una matriz transductora, las superficies de electrodo pueden aplicarse en el momento cuando se forma la matriz, tal como se trata más abajo. Los materiales útiles en la formación de las superficies de electrodo incluyen el cobre, la plata, el níquel, el oro, aleaciones, mezclas de los mismos y similares. Una capa de adaptación, la cual se analiza más abajo, puede aplicarse a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, una de las superficies 38 y 40 de electrodo para formar el elemento transductor compuesto.
Se somete a los elementos transductores compuestos a un ensayo de flexibilidad en un dispositivo Instron que utiliza el ensayo de doblado por cuatro puntos descrito en el método ASTM C 1161-90. Los compuestos cortados pueden soportar un doblado de 2 mm sin romperse.
La matriz transductora flexible de la presente invención puede obtenerse mediante la formación de una matriz de una pluralidad de los elementos transductores compuestos anteriores. En general, los elementos transductores compuestos pueden colocarse próximos entre sí o más separados, y las separaciones no han de ser uniformes o estar en alineación perfecta. Sin embargo, los elementos transductores compuestos no están unidos entre sí inicialmente. Por tanto, para formar la matriz, se determina la orientación de cada uno de los elementos transductores compuestos, y se coloca plano en, por ejemplo, un molde, en la disposición deseada. Normalmente, el espacio entre los elementos transductores compuestos oscilará desde aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 10 mm, y preferiblemente desde aproximadamente 1 mm a aproximadamente 3 mm. A continuación, los espacios formados entre los elementos transductores compuestos se rellenan con un material 36 polimérico para adherir los elementos entre sí y formar una matriz coherente. Las dimensiones de la matriz oscilarán normalmente desde aproximadamente 1,27 cm (0,5 pulgadas) a aproximadamente 15,24 cm (6 pulgadas) de ancho y desde aproximadamente 1,27 cm (0,5 pulgadas) a aproximadamente 30,48 cm (12 pulgadas) de largo. El grosor de la matriz puede afectar a la frecuencia de funcionamiento y normalmente oscilará desde aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 10 mm. Naturalmente, debería entenderse que la matriz puede incluir elementos con distintas frecuencias de funcionamiento. Estas diferencias de frecuencia de funcionamiento puede conseguirse empleando compuestos de grosores diferentes o que tengan niveles distintos de carga polimérica. Los materiales poliméricos adecuados incluyen aquellos materiales poliméricos analizados más arriba, siendo el material polimérico preferible el Stycast 1365-65.
Una vez que se han aplicado las superficies de electrodo, entonces la capa de adaptación puede aplicarse a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, una superficie de electrodo. Las técnicas para aplicar la capa de adaptación se encuentran dentro del ámbito de un experto en la técnica. Generalmente, el grosor de la capa de adaptación puede escogerse para que corresponda a un cuarto de la longitud de onda en la capa de adaptación a la frecuencia operativa de la matriz transductora. La impedancia acústica de la capa de adaptación oscilará preferiblemente desde 2,0 a aproximadamente 7,0 Mrayl, y más preferiblemente desde aproximadamente 3,0 a aproximadamente 4,0 Mrayl.
Habitualmente, la capa de adaptación se formará a partir de un material polimérico y, opcionalmente, un relleno. El material polimérico debería presentar una buena compatibilidad con los componentes del compuesto, biocompatibilidad y flexibilidad. Los materiales poliméricos útiles incluyen los termoplásticos tales como los polietilenos de alta densidad, los polimetacrilatos de metilo, los polipropilenos, los tereftalatos de polibutileno, los policarbonatos, los poliuretanos, tales como el CA 118 y el CA 128, comercializados por Morton Chemical, y el poliéster estane, y similares; los materiales termoendurecibles tales como las resinas epoxi tales, como la resina epoxi de tipo Spurr y la Stycast 80, y similares; y los cauchos tales como los cauchos de silicona, tales como el Dispersion 236, comercializado por Dow Corning, y el RTV-141, comercializado por Rhone-Poulenc, Inc., y similares. Un material polimérico preferido para el uso en la presente memoria es el Stycast 1365-65. Puesto que la impedancia acústica de muchos materiales poliméricos es menor que el intervalo preferido de 3,0-4,0 Mrayl, se hace necesario incrementar la impedancia acústica del polímero. Por consiguiente, en el mismo pueden incorporarse uno o más rellenos. Los rellenos adecuados incluyen el PZT, el tungsteno, la alúmina, el vidrio de sílice, el carburo de tungsteno, el titano, el polvo de vidrio y similares, prefiriéndose el polvo de vidrio. El tamaño de las partículas de relleno debería estar en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 50 micrones, y preferiblemente de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 micrones. La cantidad de relleno utilizada será la cantidad necesaria para impartir la impedancia acústica deseada. Normalmente, se utiliza de aproximadamente un 2 a aproximadamente un 50 por ciento de relleno por volumen, y preferiblemente, de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 30 de relleno por volumen.
La matriz transductora flexible de gran superficie puede obtenerse mediante la formación de una matriz de una pluralidad de elementos transductores compuestos formados mediante el método de corte y relleno anteriormente mencionado. Tal como se ha representado en la figura 2, esta matriz transductora contendrá una pluralidad de elementos 20 transductores compuestos dispuestos en relación adyacente, formando así unos espacios 36 que se rellenan con un material polimérico, analizado más arriba. Un elemento 20 transductor compuesto contendrá islas 15 de material piezoeléctrico que tienen canales de interconexión que tienen una película formada sobre los mismos (no mostrada) y luego se rellenan con un material 19 polimérico. A continuación, unas superficies 38 de electrodo se aplican sobre una superficie de cada elemento 20 transductor compuesto en la matriz empleando técnicas conocidas en la técnica, por ejemplo, técnicas de fotolitografía. Después, una superficie 40 de electrodo se aplica a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, la otra superficie de la matriz. A continuación, una capa 16 de adaptación se aplica a, y de manera sustancialmente de igual extensión con, la superficie 40 de electrodo, tal como se ha analizado más arriba.
Por conveniencia, puede proporcionarse un alojamiento para rodear al menos parcialmente los elementos transductores compuestos flexibles con electrodos o la matriz de tales elementos y cualquier capa de adaptación asociada. Normalmente, la capa de adaptación no quedará cubierta por el alojamiento para evitar cambios indeseados en la superficie más exterior del sistema. Alternativamente, la capa de adaptación puede ser solidaria con el alojamiento. Para formar el alojamiento, puede emplearse cualquier material. Preferiblemente, se utilizan polímeros biocompatibles. Cuando se está produciendo una matriz flexible de elementos transductores, el material del alojamiento debería ser al menos tan flexible como la matriz. En este caso, los materiales poliméricos son particularmente adecuados.
Los elementos transductores y las matrices transductoras de esta invención son particularmente útiles en aplicaciones terapéuticas. En general, los transductores anteriores se flexionarán para conformarse a una parte de la anatomía humana, por ejemplo, la cadera, la espina dorsal, etc., para facilitar la transferencia de energía acústica para fomentar la curación de fracturas de hueso y las heridas en tejidos blandos. Normalmente, la frecuencia de la energía acústica estará en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10 MHz, y preferiblemente de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 MHz. Las características que caracterizan la frecuencia de la energía acústica se dan a conocer en la patente estadounidense Nº 5.520.612, cuyo contenido se incorpora a la presente memoria como referencia. Cabe entenderse que pueden tratarse múltiples secciones de la anatomía humana con múltiples elementos transductores o matrices transductoras al mismo tiempo. Por tanto, por ejemplo, en el caso de un individuo que tenga una fractura de hueso en la cadera y una herida en tejido blando en la espalda, puede aplicarse un elemento transductor o una matriz transductora a la cadera mientras está aplicándose un segundo elemento transductor o matriz transductora a la sección en la espalda que tiene la herida. La frecuencia de transmisión y la energía acústica aplicadas a cada sección pueden variar según los intervalos anteriores.
Cuando los transductores anteriores se aplican a la sección de la anatomía humana que necesita la asistencia terapéutica, resulta ventajoso aplicar un gel de acoplamiento al transductor antes de su empleo sobre la parte del cuerpo. Adicionalmente, cuando se utilizan las matrices transductoras anteriores, puede ser deseable en ciertos casos emplear una excitación selectiva de los elementos transductores en la matriz de manera que ciertos elementos generen energía acústica y otros elementos no lo hagan. Esto permitirá el control espacial, temporal y de frecuencia de la distribución de la energía acústica en el cuerpo. Las técnicas para alterar la energía acústica de los elementos transductores se dan a conocer en la patente estadounidense Nº 5.520.612.
El siguiente ejemplo es ilustrativo de la presente invención.
Ejemplo
El siguiente ejemplo es ilustrativo de la fabricación de un compuesto piezoeléctrico utilizando el método de corte y relleno descrito más arriba y del uso del compuesto en una matriz para formar un transductor de acuerdo con la presente invención.
El proceso de fabricación del transductor consistió en tres partes principales: (I) preparación y caracterización de la muestra cerámica, (II) método de corte y relleno y (III) fabricación y caracterización final de la matriz. Todas las muestras se procesaron a partir de polvos PZT-5H de Morgan Matroc, Inc. Los polvos, tal como se recibieron, contenían aproximadamente un 3 por ciento en peso de aglutinante de alcohol de polivinilo (PVA). Para eliminar el aglutinante inicial de los polvos, se realizó un ciclo inicial de quema del aglutinante (BBO - binder burn out) en un horno a 550ºC durante 3 horas. Tras esta etapa BBO, los polvos se mezclaron con exactamente 6 por ciento en peso de una solución aglutinante de PVA (la tasa PVA/agua funcionamiento en estado estacionario de 20/80) en un mortero y luego se tamizó por un tamiz de malla 70 mesh.
Varios gránulos de 4,44 cm (1,75'') de diámetro se prensaron uniaxialmente a 1,517\cdot10^{8} Pa (22 psi). Se empleó un peso medio de 26 g de polvo PZT + aglutinante para cada gránulo. La densidad media en verde calculada fue de 4,58 \pm 0,02 g/cm^{3}, que es un 58 por ciento de la densidad teórica del PZT (\rho_{th} = 7,86 g/cm^{3}). Estas muestras prensadas se sometieron a un ciclo BBO lento. Se midió una pérdida media de un 1,15 por ciento en peso en los gránulos tras el ciclo BBO. Se llevó a cabo una sinterización a 1285ºC durante 1 hora en un recipiente cerrado y sellado de Al_{2}O_{3}. Se utilizó una mezcla de PbO + ZrO_{2} como fuente de plomo para compensar la pérdida de plomo de las muestras. En esta etapa, las muestras se colocaron sobre polvo PZT-5H grueso (0,5-1,0 mm). Se halló una pérdida media de plomo de un 0,3 \pm 0,06 por ciento en peso en las muestras tras la sinterización. Se encontró que la densidad media de sinterización fue de 7,45 \pm 0,01 g/cm^{3} (aproximadamente, 94,7 \pm 0,2% del valor teórico) midiendo la masa y dimensiones de la muestra.
Las muestras sinterizadas se pulieron luego con una sierra de corte. A continuación, se utilizó un papel de SiC de grano 1200 para alisar las superficies. Se aplicó pintura de plata sobre una de las caras de los gránulos y se polariza mediante el método de polarización por corona. En esta técnica, la superficie superior sin electrodo de la muestra se expone a una lluvia de iones positivos mientras la superficie inferior se conecta a tierra a una placa metálica colocada sobre una placa calentadora. Se aplicó un potencial de 25 kV a las agujas de corona, lo que ionizó el aire entre las puntas de las agujas y la placa metálica conectada a tierra, que estaba a 45 milímetros de las puntas de las agujas. La polarización se realizó durante 15 minutos, siendo la temperatura de 70ºC durante el proceso de polarización. Después, la plata se eliminó con acetona y ambas caras de las muestras se recubren de oro por emisión fónica. Antes de la caracterización física y eléctrica, las muestras se dejaron envejecer durante 24 horas a temperatura ambiente con los electrodos de oro cortocircuitados.
La capacitancia (C_{\rho}) y el factor de disipación (tan\delta) se midieron a 1 kHz con un 1689M Precision RLC Digibridge (GenRad Inc., Boston, MA). La constante dieléctrica relativa K de una muestra de grosor t se calculó mediante:
k = \frac{C_{\rho}t}{\varepsilon_{0}A}
donde \varepsilon_{0} es la permisividad del espacio libre (8,85 x 10^{-12} F/m) y A es la superficie con electrodo. El coeficiente de carga piezoeléctrica d_{33} de los compuestos se midió a 100 Hz empleando un Berlincourt Piezo d_{33}-Meter (CPDT-3300-Chanel Product, Inc., Cleveland, OH). Se utilizaron dos sondas planas para probar el compuesto y se emplearon dos sondas redondas para las muestras cerámicas.
Los coeficientes de grosor y de acoplamiento plano se calcularon midiendo las frecuencias de resonancia y de antirresonancia con un Analizador de Impedancia/Ganancia-Fase (4194A, Hewlett-Packard Inclinación., Palo Alto, CA) y aplicando las siguientes ecuaciones:
k_{p}{}^{2} = \frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}} \left[\frac{R_{1}{}^{2} - (1-\sigma^{2})}{1+\sigma^{2}}\right]
k_{t}{}^{1} = \frac{\pi}{2} \; \frac{f_{s}}{f_{p}} \left(\frac{\pi}{2} \; \frac{f_{p}-f_{s}}{f_{p}} \right)
donde k_{t} y k_{p} son los coeficientes de grosor y de acoplamiento plano, f_{p}-f_{s} es la diferencia entre las frecuencias en paralelo y en serie, y el valor de R_{1} (\approx2,05) es una función del coeficiente de Poisson para \sigma = 0,3. La constante dieléctrica media, el factor de disipación, d_{33}, y los coeficientes k_{t} y k_{p} de los gránulos fueron, respectivamente, 3021 \pm 36, 0,0187 \pm 0,0005, 608 \pm 5 pC/N, 56% y 73%.
Las muestras polarizadas se cortan entonces en una placa de 2,54 x 2,54 cm^{2} (1 x 1 in^{2}) y se cortan con una sierra de corte de diamante en un patrón de conectividad de 2-2 modificado (o 2-(1-3)-2). El grosor de la pared cerámica (p), la separación (e) entre ellas y la conectividad se escogieron para conseguir la dirección de flexión y la fracción volumétrica deseadas del elemento. La fracción volumétrica de la cerámica piezoeléctrica cortada (V^{f}_{c},) está relacionada con p y e por:
V^{f}{}_{c} = \frac{p}{p+e} \times \frac{p'}{p'+e'}
Los términos seguidos de prima indican las dimensiones de pared y de separación, cortadas en diferentes direcciones perpendiculares. Se utilizó polímero duro de tipo Spurr de baja viscosidad para rellenar los elementos cerámicos cortados. Luego se eliminó el polímero de la cerámica, dejando atrás una fina película Spurr. Se realizó la curación de esta película a 70ºC durante 12 horas.
Después, los compuestos se dispusieron en una matriz de 4 x 3 y se rellenaron con resina epoxi tal como sigue: se dispusieron doce elementos compuestos diferentes de PZT/polímero de una pulgada al cuadrado en una matriz de 4 x 3 rectangular, con una separación de 1 mm entre elementos. El grosor se escogió para obtener una frecuencia de resonancia característica de 1 MHz cuando la fracción volumétrica del PZT en el compuesto fue igual al 30%. Los compuestos individuales se colocaron en un plato de plástico (con la misma polaridad ascendente o descendente) con la disposición 4 x 3 especificada. Los lados positivos de todos los elementos se pegaron al plato de plástico para evitar cualquier desplazamiento durante la etapa de curación, ya que el polímero puede expandirse durante la curación, lo que puede cambiar la distribución original de los elementos.
Las matrices se rellenaron con Stycast 1365-65, se desairearon y se curaron. Los compuestos de matriz curados se pulieron hasta el grosor deseado correspondiente a una frecuencia de resonancia de 1 MHz. El pulido se realizó utilizando una sierra de corte (Kulicke & Soffa Industries, Inc., Model 775 Wafer Saw, Horsham, PA). En este proceso, se empleó una hoja de carburo de silicio de 340 mesh de 2 mm de grosor. La hoja barrió la superficie de los compuestos de matriz con un incremento de 1 mm en el plano x-y y a una profundidad de 100 \mum en la dirección z. Puesto que el Stycast 1365-56 tiene un coeficiente de Poisson más elevado que el PZT (\sigma = 0,3), fue necesario usar este pequeño incremento de la profundidad para obtener un superficie uniformemente pulida tras cada barrido.
Los lados negativos de las matrices se recubrieron de oro mediante emisión iónica para formar unos electrodos corrientes. La emisión iónica se llevó a cabo utilizando un metalizador por emisión iónica de corriente continua (Polaron Instruments, SE Coating Unit E5100), Doylestown, PA) a temperatura ambiente y 20 mA de corriente continua bajo una presión de -808,64 mbar (-608 mmHg) (con flujo de gas argón) durante 4 minutos. Generalmente, no es necesario volver a polarizar estas matrices de compuestos cortados. Las propiedades electromecánicas típicas de la matriz 2-(1-3)-2 de PZT se exponen en la tabla 1 a continuación:
TABLA 1
Propiedades acústicas y electromecánicas de la matriz flexible 2-(1-3)-2
K a 1 kHz Tan\delta a 1 kHz d_{33} (pC/N) v (m/s) Z (Mrayl) k_{t} (%)
423 \pm 20 0,024 \pm 0,0006 400 \pm 16 3280 \pm 23 9 63 \pm 1
Se sometió a los compuestos de matriz de un solo elemento y de tres elementos a un ensayo de flexibilidad utilizando el ensayo de doblado por cuatro puntos anteriormente mencionado y soportaron una desviación de 2 mm sin romperse.
Aunque la presente invención se ha descrito en las formas preferidas con un cierto grado de particularidad, muchos cambios y variaciones son posibles en ella y les resultarán evidentes a los expertos en la técnica tras la lectura de la descripción anterior. Por ejemplo, aunque la descripción anterior está relacionada con las aplicaciones médicas, un experto en la técnica apreciará que los elementos transductores compuestos flexibles y las matrices de gran superficie de tales elementos transductores también podrían utilizarse en aplicaciones de diagnóstico médico por ultrasonidos y en ensayos no destructivos tales como, por ejemplo, las aplicaciones no médicas. Como otro ejemplo, en vez de los canales intersecados lineales, podrían proporcionarse espacios para recibir polímeros en otras configuraciones (por ejemplo, poros, huecos, canales arqueados, etc.) para conseguir el volumen deseado de carga polimérica. En tales realizaciones, se aplicaría una película de un primer material polimérico en los espacios en el material piezoeléctrico y luego se rellenarían los espacios con un segundo material polimérico de acuerdo con las realizaciones anteriormente descritas. Por tanto, cabe entenderse que la presente invención puede ponerse en práctica de manera distinta a la descrita específicamente en la presente memoria sin apartarse del espíritu y el alcance de la misma.

Claims (44)

1. Elemento (20) transductor compuesto, piezoeléctrico, que comprende unas islas (15) de material (10) piezoeléctrico separadas por unos canales (12, 14) que las interconectan entre sí,
caracterizado por una película (18) de un primer material polimérico formado sobre las islas (15) de material (10) piezoeléctrico y por un segundo material (19) polimérico para proporcionar flexibilidad al elemento transductor, dispuesto sobre la película (18) y rellenando dichos canales (12, 14).
2. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el material (10) piezoeléctrico se selecciona del grupo que consiste en polvo PZT, cerámica, relaxor ferroeléctrico monocristalino, titanato zirconato de plomo Pb(Zr,Ti)O_{3}, metaniobato de plomo Pb(Nb_{2}O_{6}), titanato de plomo PbTi_{3} modificado, (Pb,Ca)TiO_{3}, (Pb,Sm)TiO_{3}, titanato de bario BaTiO_{3}, PMN-PT(1-x)Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}, PZN-PT/BT Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}-BaTiO_{3}, (1-x)Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-x(yPbTiO_{3}-(1-y)PbZrO_{3}) y mezclas de los mismos.
3. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el primer material polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
4. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el primer material polimérico es una resina epoxi.
5. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el segundo material (19) polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
6. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el segundo material (19) polimérico es una resina epoxi.
7. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, que comprende además una superficie (38, 40) de electrodo, aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, unas superficies opuestas del material (10) piezoeléctrico, y una capa (16) de adaptación aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, una de las superficies (40) de electrodo.
8. Elemento (20) transductor según la reivindicación 7, en el que la capa (16) de adaptación comprende un segundo material polimérico y, opcionalmente, un relleno.
9. Elemento (20) transductor según la reivindicación 8, en el que el segundo material polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
10. Elemento (20) transductor según la reivindicación 8, en el que el segundo material polimérico es una resina epoxi.
11. Elemento (20) transductor según la reivindicación 8, en el que la capa (16) de adaptación incluye un relleno seleccionado del grupo compuesto por PZT, tungsteno, alúmina, vidrio de sílice, carburo de tungsteno y titanio.
12. Elemento (20) transductor según la reivindicación 8, en el que la capa (16) de adaptación incluye polvo de vidrio como relleno.
13. Elemento (20) transductor según la reivindicación 7, en el que la capa (16) de adaptación tiene una impedancia acústica de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 7,0 Mrayl.
14. Elemento (20) transductor según la reivindicación 13, en el que la impedancia acústica de la capa de adaptación es de aproximadamente 3,0 a aproximadamente 4,0 Mrayl.
15. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que los canales (12, 14) interconectados son canales lineales que se intersecan en un ángulo de entre aproximadamente 5º y 90º.
16. Elemento (20) transductor según la reivindicación 15, en el que los canales (12, 14) se intersecan en un ángulo de aproximadamente 30º a aproximadamente 90º.
17. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, que tiene una flexibilidad de al menos de 2 mm.
18. Elemento (20) transductor según la reivindicación 1, en el que el material (10) piezoeléctrico es PZT, los primer y segundo materiales (19) poliméricos son resinas epoxi y el elemento (20) transductor tiene una flexibilidad de al menos 2 mm.
19. Elemento (20) transductor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, que se dispone con otros elementos 20 transductores compuestos, piezoeléctricos, para formar una matriz transductora piezoeléctrica, flexible, disponiéndose los elementos (20) transductores compuestos, piezoeléctricos, en relación adyacente para definir unos espacios (36) entre los mismos, rellenándose los espacios (36) con un tercer material polimérico;
una superficie (38) de electrodo aplicada sobre cada elemento (20) transductor en una superficie de la matriz y una segunda superficie (40) de electrodo aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, la otra superficie de la matriz; y
una capa (16) de adaptación aplicada, y sustancialmente de igual extensión con, la segunda superficie (40) de electrodo.
20. Elemento (20) transductor según la reivindicación 19, en el que el tercer material polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
21. Elemento (20) transductor según la reivindicación 19, en el que el tercer material polimérico es una resina epoxi.
22. Elemento (20) transductor según la reivindicación 19, en el que la capa (16) de adaptación comprende un cuarto material polimérico y, opcionalmente, un relleno.
23. Elemento (20) transductor según la reivindicación 22, en el que el cuarto material polimérico se selecciona según la reivindicación 9 ó 10.
24. Elemento (20) transductor según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, en el que la matriz transductora se proporciona según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16 y 18.
25. Elemento (20) transductor según la reivindicación 19 ó 24, en el que la matriz transductora tiene una flexibilidad de al menos 2,0 mm.
26. Método para fabricar una matriz transductora piezoeléctrica, flexible, que comprende:
a) formar un elemento (20) transductor compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18
i)
formar un primer conjunto de canales (12), paralelos entre sí, con un material (10) piezoeléctrico;
ii)
formar un segundo conjunto de canales (14) dentro del material (10) piezoeléctrico, siendo los canales del segundo conjunto de canales (14) paralelos entre sí y estando orientados angularmente con respecto al primer conjunto de canales (12);
iii)
formar una película (18) de un primer material polimérico sobre las islas (15) del material (10) piezoeléctrico; y
iv)
recubrir la película (18) con un segundo material (19) polimérico en una cantidad suficiente como para al menos rellenar sustancialmente los primer y segundo conjuntos de canales (12, 14);
b) formar una matriz colocando una pluralidad de los elementos (20) transductores compuestos en relación adyacente para definir unos espacios (36) entre los mismos;
c) rellenar los espacios (36) entre la pluralidad de elementos (20) transductores compuestos colocados con un tercer material polimérico;
d) aplicar una superficie (38) de electrodo a cada elemento (20) transductor en una superficie de la matriz y una segunda superficie (40) de electrodo, aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, la otra superficie de la matriz; y
e) aplicar una capa (16) de adaptación, aplicada a, y sustancialmente de igual extensión con, la segunda superficie (40) de electrodo.
27. Método según la reivindicación 26, en el que el material (10) piezoeléctrico se selecciona del grupo que consiste en polvo PZT, cerámica, relaxor ferroeléctrico monocristalino, titanato zirconato de plomo Pb(Zr,Ti)O_{3}, metaniobato de plomo Pb(Nb_{2}O_{6}), titanato de plomo PbTi_{3} modificado, (Pb,Ca)TiO_{3}, (Pb,Sm)TiO_{3}, titanato de bario BaTiO_{3}, PMN-PT(1-x)Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}, PZN-PT/BT Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-xPbTiO_{3}-BaTiO_{3}, (1-x)Pb(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-x(yPbTiO_{3}-(1-y)PbZrO_{3}) y mezclas de los mismos.
28. Método según la reivindicación 26, en el que el primer material polimérico se selecciona del grupo compuesto por termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
29. Método según la reivindicación 26, en el que el primer material polimérico es una resina epoxi.
30. Método según la reivindicación 26, en el que el segundo material (19) polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
31. Método según la reivindicación 26, en el que el segundo material (19) polimérico es una resina epoxi.
32. Método según la reivindicación 26, en el que el tercer material polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
33. Método según la reivindicación 26, en el que el tercer material polimérico es una resina epoxi.
34. Método según la reivindicación 26, en el que la capa (16) de adaptación comprende un cuarto material polimérico y, opcionalmente, un relleno.
35. Método según la reivindicación 34, en el que el cuarto material polimérico se selecciona del grupo que consiste en termoplásticos, materiales termoendurecibles, cauchos y mezclas de los mismos.
36. Método según la reivindicación 34, en el que el cuarto material polimérico es una resina epoxi.
37. Método según la reivindicación 34, en el que la capa (16) de adaptación incluye un relleno seleccionado del grupo que consiste en PZT, tungsteno, alúmina, vidrio de sílice, carburo de tungsteno y titano.
38. Método según la reivindicación 34, en el que la capa (16) de adaptación incluye polvo de vidrio como relleno.
39. Método según la reivindicación 26, en el que la capa (16) de adaptación tiene una impedancia acústica de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 7,0 Mrayl.
40. Método según la reivindicación 39, en el que la impedancia acústica de la capa (16) de adaptación es de aproximadamente 3,0 a aproximadamente 4,0 Mrayl.
41. Método según la reivindicación 26, en el que el transductor tiene una flexibilidad de al menos de 2 mm.
42. Método según la reivindicación 26, en el que el primer conjunto de canales (12) intersecta al segundo conjunto de canales (14) en un ángulo de entre aproximadamente 5º y aproximadamente 90º.
43. Método según la reivindicación 42, en el que los canales (12, 14) se intersectan en un ángulo de entre aproximadamente 30º y aproximadamente 90º.
44. Método según la reivindicación 26, en el que el material (10) piezoeléctrico es PZT, los primer y segundo materiales (19) poliméricos son resinas epoxi y la matriz tiene PZT, los primer y segundo materiales (19) poliméricos son resinas epoxi y la matriz tiene una flexibilidad de al menos 2 mm.
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