ES2540599B1 - Sistema y método para aplicar ultrasonidos fisioterapéuticos focalizados de baja y media intensidad guiados por imagen ecográfica en tejidos blandos - Google Patents

Abstract

El objeto de esta invención en un nuevo aparato de exploración ecográfica que trabaja con intensidades y frecuencias en el rango de la fisioterapia ultrasónica clínica. El aparato es multicanal y comprende un transductor ultrasónico que utiliza piezocomposites como elementos piezoeléctricos. Además, la invención comprende un método de obtención y uso de las imágenes ecográficas, obtenidas por el aparato, para definir los parámetros acústicos y energéticos de la etapa de fisioterapia, detectar cambios de temperatura o estructurales en la zona de interés y dirigir mediante focalización a dicha zona la dosis terapéutica.

Description

DESCRIPCION

Sistema y método para aplicar ultrasonidos fisioterapéuticos focalizados de baja y media intensidad guiados por imagen ecográfica en tejidos blandos.

SECTOR DE LA TÉCNICA Y OBJETO DE LA INVENCIÓN 5

La invención se enmarca en el campo de los sistemas y métodos de ultrasonidos terapéuticos. Consiste en un aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico cuyo elemento activo es un piezocomposite que trabaja con intensidades y frecuencias en el rango de la fisioterapia ultrasónica clínica. Además la invención comprende un método de obtención y uso de las imágenes ecográficas, obtenidas 10 por el sistema objeto de la invención, para definir los parámetros acústicos y energéticos de la etapa de fisioterapia y para detectar cambios de temperatura o estructurales en la zona de interés analizando en el dominio de la frecuencia las señales ecográficas después de la aplicación de la dosis fisioterapéutica.

La invención permite mejorar la eficiencia electromecánica con un diseño sencillo y es una 15 solución práctica para realizar un array bidimensional que pueda cambiar de tipo de apertura en el proceso de fabricación cambiando únicamente el diseño del electrodo, esta solución es efectiva para poder diseñar un array con capacidad ecográfica y fisioterapéutica a estas frecuencias ya que al estar el material desacoplado mecánicamente se pueden diseñar aperturas acústicas complejas con suficiente resolución de imagen implementándolas con el 20 sólo hecho de definir adecuadamente el electrodo de la parte activa del material piezocomposite. El aparato al ser multicanal y programable, puede focalizar a distintas profundidades, concentrar la energía en volúmenes diferentes y aplicar dosis fisioterapéuticas según protocolos clínicos de intensidad y tiempo, además realiza imágenes ecográficas con resolución suficiente como para localizar la zona de interés y dirigir mediante focalización a 25 dicha zona la dosis terapéutica. El uso de piezocomposites en vez de resonadores piezocerámicos únicos facilita también la posibilidad de usar parte de la apertura del transductor ultrasónico para hacer imagen y otra distinta para insonificar sin modificar nada más que el electrodo del mismo.

ESTADO DE LA TÉCNICA 30

En los tratamientos de fisioterapia de tejidos blandos, los ultrasonidos son la técnica más ampliamente utilizada junto con magnetoterapia, onda corta y láser. Aparte de su uso en fisioterapia, también se utiliza comúnmente por los numerosos terapeutas de otros grupos profesionales (por ejemplo, osteópatas y quiroprácticos). Diferentes encuestas realizadas entre fisioterapeutas en países como Australia o Gran Bretaña muestran esta realidad [Therapeutic 35 ultrasound in soft tissue lesions, C.A Speed, Rheumatology, 2001, 40, 1331-1336.]. Se estima que actualmente se llevan a cabo un millón de tratamientos de fisioterapia por ultrasonidos en Gran Bretaña el 20% de todos los tratamientos de fisioterapia en el Servicio Nacional de Salud del Reino Unido y el 54% de todos los tratamientos de fisioterapia privados. Hay 7.000 fisioterapeutas registrados por cada 10 millones de habitantes en la UE, casi todos ellos 40 utilizando los ultrasonidos como método fisioterapéutico.

En los últimos años ha aumentado el interés en las aplicaciones clínicas de fisioterapia con ultrasonidos. Aunque la radiación ultrasónica terapéutica se ha usado durante más de 50 años en fisioterapia, su uso en el entorno clínico ha cambiado significativamente en este período. La aplicación de los ultrasonidos se asoció inicialmente a su capacidad para producir un aumento 45 de la temperatura de los tejidos buscando por tanto beneficios asociados a ese calentamiento selectivo. Actualmente existe un gran interés por sus efectos "no térmicos", especialmente en relación con la reparación de tejidos y la cicatrización de heridas. Así, por ejemplo, se ha

demostrado que a intensidades bajas (inferior a 30 mW/cm2 - 300W/m2), los ultrasonidos pulsados aceleran la reparación de fracturas óseas. El mecanismo de acción aún no está claro, pero se piensa que no es de origen térmico [Low intensity pulsed ultrasound for fracture healing: A review of the clinical evidence and the associated biological mechanism of action Neill M. Pounder , Andrew J. Harrison Ultrasonics 48 (2008) 330–338]. 5

A intensidades acústicas intermedias –de 0.1 a 3 W/cm2, (1000 a 30000 W/m2) conviven los efectos térmicos y otros denominados “físicos”. De un lado, con esta intensidad se pueden producir elevaciones de temperatura de hasta 3ºC y, de otro, es conocido que aparecen efectos como la cavitación que ayuda a interactuar con la membrana celular para mejorar el transporte de fármacos o de material genético [Sonodynamic therapy Katsuro Tachibana , Loreto B. Feril 10 Jr., Yurika Ikeda-Dantsuji , Ultrasonics 48 (2008) 253–259].

Desafortunadamente, mientras que en los estudios in vitro se han demostrado numerosos efectos positivos de los ultrasonidos, la traslación clínica de esta técnica no ha alcanzado los resultados esperados. A pesar de tantos años de uso clínico de los ultrasonidos, los resultados de los diferentes estudios realizados y publicados de revisión de ensayos clínicos controlados 15 sobre la eficacia de los ultrasonidos para el tratamiento de las personas con dolor, con lesiones musculoesqueléticas y otras lesiones de tejidos blandos, muestran que su efectividad sigue siendo cuestionable. Todavía, después de tantos años, se desconoce si existe una relación dosis-respuesta.

Los dispositivos de fisioterapia empleados hoy en día consisten esencialmente en un 20 generador eléctrico de alta frecuencia de onda continua o pulsada y un transductor ultrasónico monoelemento que se aplica al cuerpo a través de un gel de acoplamiento. Estos transductores producen un perfil de radiación cuya intensidad presenta una distribución bien conocida en condiciones de campo libre tanto para el caso de onda continua como el de pulsada que, esencialmente, corresponde a la distribución de intensidad acústica de un pistón 25 circular. En el campo cercano, que es la zona de interés, la radiación presenta un patrón con valores máximos y mínimos de intensidad relativos distribuidos en el volumen de insonificación. Esto hace que la irradiación no sea homogénea si no se usan transductores con una apertura modificada con una lente externa o con una geometría formada entonces por un número de elementos independientes distribuidos en una superficie geométricamente focalizadora. 30

Estos sistemas ultrasónicos son objeto de la norma de medida internacional IEC 61689, única existente específicamente para equipos de fisioterapia ultrasónica. En esta norma, se listan las magnitudes físicas de interés y los procedimientos de medida y verificación de los niveles permitidos para su uso clínico. En la citada norma se contemplan diversas configuraciones de insonificación – colimada, focalizada o divergente – y los parámetros del haz acústico útiles 35 para conocer los niveles de energía y la homogeneidad y distribución de la misma en el volumen de interés del cuerpo insonificado.

La situación es mucho más complicada en el caso de la práctica real, donde la radiación aplicada en la superficie del cuerpo tiene que pasar a través de distintos tejidos con geometrías complicadas antes de localizarse en el volumen deseado. Por lo tanto, en la 40 mayoría de los casos, es prácticamente imposible saber la intensidad y distribución de la energía acústica que realmente llega a la zona de interés.

La falta de un conocimiento exacto de la energía finalmente aplicada en la zona de interés hace que sea imposible determinar las curvas de dosis-respuesta para definir tratamientos robustos e individualizados. La planificación del tratamiento, tal como existe ahora, se basa en la 45 experiencia de cada fisioterapeuta teniendo en cuenta datos experimentales de dosis obtenidos en condiciones que nada tienen que ver con las reales clínicas. En consecuencia, la mayoría de los tratamientos de fisioterapia con ultrasonidos son esencialmente empíricos y cuando el

dolor del paciente desaparece o disminuye la inflamación después de un tratamiento de fisioterapia con ultrasonidos, no hay evidencia científica de la relación de la mejoría con el tratamiento.

Es muy conveniente el desarrollo de un sistema multicanal y programable capaz de, con un solo transductor de superficie plana, aplicar directamente al cuerpo como se hace 5 habitualmente en fisioterapia, localizar por imagen la zona de interés y aplicar en la misma la energía ultrasónica aconsejada en los ensayos preclínicos, obteniendo tras el tratamiento información de los efectos producidos a través del análisis en frecuencia de las señales ecográficas.

El desarrollo de aplicaciones terapéuticas de los ultrasonidos en el rango de energía superior a 10 3W/cm2 (30000 W/m2), HIFU (Ultrasonidos Focalizados de Alta Intensidad, ha hecho aparecer una gran cantidad de patentes y equipos comerciales que en algunos casos podrían ser utilizados en el rango de baja energía para aplicaciones de fisioterapia [US 6,428,477 B1 y US 2011/0144545 A1]. Dichos sistemas son de gran complejidad tanto por el diseño del sistemas de transducción ultrasónico que normalmente está formado por dos transductores cuando se 15 quiere hacer además imagen acústica, como por los requisitos de potencia eléctrica para alcanzar la intensidad de utilidad quirúrgica que es capaz de elevar la temperatura en los tejidos humanos hasta niveles de ablación de 60 ºC. Estos niveles destructivos son tan críticos que incluso se utiliza imagen por resonancia magnética para guiar la aplicación de la insonificación HIFU - ExAblate® 2000 Sightec Ltd ( 2 Noviembre de 2013 20
http://www.insightec.com/ExAblate-Operation-Room-Future.html ). De otro lado, no existe actualmente un sistema con un único transductor capaz de realizar imagen y fisioterapia a frecuencia bajas – menores de 0.5 MHz- o altas – mayores de 5 MHz. En el primeros de los casos, el tamaño de un transductor array multielemento para fisioterapia y su resolución axial y lateral máxima a frecuencias menores de 0.5 MHz hacen inútil su potencial para obtención de 25 imagen. Para frecuencias superiores a 5 MHz, la imagen ecográfica sólo puede utilizarse para lesiones o estructuras localizadas a pocos centímetros de la piel y, además la atenuación de la señal hace difícil alcanzar la dosis terapéutica a esas profundidades sin alterar el tejido previo.

Los piezocomposites son materiales piezoeléctricos que presentan diversas particularidades, están compuestos por al menos dos fases: una activa que es una cerámica piezoeléctrica y 30 otra pasiva que suele ser un polímero. En el caso más sencillo bifásico, existe una gran variedad de estructuras que se definen usando el concepto de conectividad en las direcciones cartesianas. Así, un piezocomposite formado por barras piezocerámicas en una dirección rodeadas de una matriz polimérica, es del tipo 1-3 ya que el material piezocerámico se conecta sólo en una dirección mientras que la matriz se conecta en las tres direcciones cartesianas. El 35 material piezocerámico ha de ser adecuado para aplicaciones de potencia con bajas pérdidas mecánicas y eléctricas. La matriz preferiblemente ha de ser aislante mecánicamente.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Un aspecto de la invención es un aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico caracterizado porque tiene como elemento activo un 40 piezocomposite.

El aparato puede generar intensidad acústicas con niveles de hasta 3 W/cm2 (30000W/m23 W/cm2) y en rango de frecuencia entre 0.5 MHz y 5 MHz, comprender hasta 64 elementos activos con un piezocomposite tipo 1-3, de superficie de emisión plana. Preferentemente el piezocomposite está fabricado a partir de un material piezoeléctrico tipo PZT4 45

El aparato puede comprender un aparato de control de temperatura del transductor.

Otro aspecto de la invención es un procedimiento ultrasónico que utiliza el aparato de la

invención que comprende las siguientes etapas:

a) localización de la zona de interés,

b) calculo de la profundidad a la que hay que aplicar la dosis ,

c) programación de los parámetros de la señal incluyendo la amplitud, número de ciclos y retardo de cada canal dependiente del tipo de foco y el diámetro del transductor, 5

d) conexión de la electrónica de potencia en la que durante el tiempo programado focalizará la energía acústica terapéutica en la zona localizada previamente.

Adicionalmente el procedimiento puede comprender las siguientes etapas

e) generación de señales eléctricas con patrones específicos para aumentar la banda 10 de frecuencia en emisión hasta el 50% de la frecuencia central,

f) obtención de una imagen sectorial de la zona de interés con formado 2D y/o 3D,

g) conmutación de la electrónica de imagen por la electrónica de potencia para aplicar la dosis terapéutica en la zona visualizada,

h) excitación del array con una señal eléctrica con una ley de retardos fija para focalizar 15 hasta una profundidad máxima de D2 /4λ siendo λ el inverso de la frecuencia utilizada y D el diámetro del array,

i) conmutación de la electrónica de potencia por la electrónica de imagen para visualizar la zona de interés,

20

El transductor puede excitarse con una señal que incluye ciclos a contrafase y se puede realizar un análisis en frecuencia de las señales ecográficas de los ecos que atraviesan el tejido insonificado.

Otro aspecto de la invención es la utilización del aparato para terapia y/o diagnóstico incluyendo lesiones musculoesqueléticas, el estudio y modificación del estrés en la membrana 25 celular, en trombos en vasos sanguíneos o biofilms formados en prótesis o para la aceleración del soldado de fracturas óseas en sus primeros estadios de cicatrización.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Constituye un aspecto de la presente invención un aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico cuyo elemento activo es un 30 piezocomposite.

El transductor preferentemente genera intensidades acústicas con niveles de hasta 3 W/cm2 y en rango de frecuencia entre 0.5 MHz y 5 MHz.

En la presente invención se introducen piezocomposites, en vez de resonadores piezocerámicos únicos, en un transductor ultrasónico para utilizarlo en aplicaciones de 35 fisioterapia médica. Esto permite mejorar la eficiencia electromecánica y es una solución práctica para realizar un array bidimensional que pueda cambiar de tipo de apertura en el proceso de fabricación cambiando únicamente el diseño del electrodo respondiendo todos los elementos del array a la misma frecuencia independientemente de sus dimensiones laterales. De otro lado y tan importante como lo anterior, los elementos del array basados en un 40 piezocomposite están aislados mecánicamente entre sí lo que hace que la apertura diseñada con el electrodo se reproduzca fielmente como apertura acústica. El aparato al ser multicanal y programable, puede focalizar a distintas profundidades, concentrar la energía en volúmenes diferentes y aplicar dosis fisioterapéuticas según protocolos clínicos de intensidad y tiempo, además permite realizar imágenes ecográficas con resolución suficiente como para localizar la 45 zona de interés y dirigir mediante focalización a dicha zona la dosis terapéutica.

El uso de piezocomposites en vez de piezocerámicas es una solución efectiva para poder diseñar un array con capacidad ecográfica y fisioterapéutica a estas frecuencias ya que al estar

el material desacoplado mecánicamente se pueden diseñar aperturas acústicas complejas con suficiente resolución de imagen implementándolas con el sólo hecho de definir adecuadamente el electrodo de la parte activa del material piezocomposite. También facilita la posibilidad de usar parte de la apertura del transductor ultrasónico para hacer imagen y otra distinta para insonificar sin modificar nada más que el electrodo del mismo 5

El aparato propuesto consta de dos subsistemas: transductor ultrasónico y la electrónica de control.

El transductor ultrasónico es un array- transductor con un número de monoelementos activos iguales y con una geometría específica en cada caso - fabricado en base a un piezocomposite que se muestra en la figura 1. La apertura acústica del transductor ultrasónico queda 10 configurada mediante un electrodo (1) que se coloca pegado sobre la superficie del piezocomposite (3). El número de elementos activos del array, monoelementos (2), con un mínimo de ocho, depende de la frecuencia del ultrasonido a usar, la intensidad acústica máxima a emplear y la resolución de la imagen. La frecuencia está relacionada con el espesor del piezocomposite (3). El array tiene una superficie de emisión y por tanto de aplicación plana. 15 El tamaño y número de monoelementos (2) así como el diámetro definen junto con la frecuencia la resolución de las imágenes tanto en profundidad como lateralmente. En el margen de intensidad acústica y frecuencia de esta invención, el número de monoelementos (2) para una apertura inferior a 30 mm de diámetro, puede ser igual o inferior a 64. El transductor, figura 2, se fabrica con una piezocerámica de tipo duro (tipo PZT4), conformada 20 como composite 1-3 con una matriz de espuma con buenas características de conducción térmica de densidad menor de 500kgr/m3 , resistente a temperaturas inferiores a 70 grados centígrados, que aísla mecánicamente los monoelementos del composite. El piezocomposite (3) está pegado sobre una carcasa de material metálico (4) cuya función es la de crear una línea de transmisión entre el piezocomposite (3) y el cuerpo humano a través de la capa de gel 25 de acoplamiento, constituyendo así mismo el punto de tierra eléctrico necesario para la aplicación de la señal eléctrica al piezocomposite (3) para que se generen los ultrasonidos. Así mismo protege de posibles derivas de la tensión eléctrica del sistema al cuerpo humano y ayuda a disipar el calor que se acumula en el piezcomposite (3). En función del espesor de esa carcasa (4), el transductor puede ser efectivo para trabajar en una frecuencia principal y un 30 primer armónico. La figura 3 muestra la relación del espesor de la carcasa con el módulo de la Función de Transferencia en Emisión (FTE) para el caso particular de un transductor ultrasónico de 1 MHz con una carcasa de aluminio. En la figura 3 puede observarse cómo el mismo transductor puede trabajar en algunas circunstancias desde frecuencias inferiores al modo fundamental de 1 MHz hasta frecuencias cercanas a 5 MHz dependiendo del espesor de 35 la carcasa. Adicionalmente se puede instalar un termopar en el transductor para transmitir la temperatura del mismo, pudiéndose interrumpir la alimentación y por tanto el tratamiento cuando se sobrepasa una temperatura programada.

Las conexiones eléctricas de los monoelementos se llevan a una placa de conexiones (5) aislada mecánicamente del piezocomposite (3)hasta el multi-conector tipo UHF (6) con cables 40 de conexión (7). Sobre el piezocomposite (3) se adhiere un termopar (8), cuya conexión se lleva al multi-conector de bayoneta donde se encuentran los conectores del termopar (9) y de los elementos del array (10). El transductor puede estar encapsulado en un manipulador ergonómico (11) en un material compatible con la práctica clínica- figura 4- que facilita su manipulación por parte de los fisioterapeutas, del que sale el cable multipar a la electrónica 45 (12).

Cada elemento del array queda configurado físicamente al adherir el circuito impreso con esta geometría sobre la superficie del piezocomposite (3).

El subsistema que incluye la electrónica de control tiene dos versiones. La más sencilla para la

aplicación de fisioterapia focalizada y programable (modo de fisioterapia) y la más completa capaz de hacer imagen acústica y aplicar la fisioterapia (versión doble o modo de imagen). En la versión más sencilla, otro aspecto de la invención es un procedimiento ultrasónico que utiliza el aparato de la invención que comprende las siguientes etapas:

a) localización de la zona de interés, 5

b) calculo de la profundidad a la que hay que aplicar la dosis,

c) programación de los parámetros de la señal incluyendo la amplitud, número de ciclos y retardo de cada canal dependiente del tipo de foco y el diámetro del transductor,

d) conexión de la electrónica de potencia en la que durante el tiempo programado focalizará la energía acústica terapéutica en la zona elegida previamente 10

El subsistema electrónico de la versión de fisioterapia está formado por una etapa de control digital (13), un conjunto de generadores de señal eléctrica pulsada (14) y una fuente de alimentación programable (15), figura 5. La etapa de control digital, que se comunica con el software alojado en el computador (16) a través de una interfaz específica, tiene como función el control de los generadores de señal eléctrica pulsada (14) y de la fuente de alimentación 15 programable(15). El software calcula la ley focal y los retardos a enviar a los generadores (14) para la aplicación de la fisioterapia según el tipo de foco que se elige, la profundidad (17) a la que está la zona del cuerpo a insonificar (18), la frecuencia y la intensidad acústica que se elige en este caso. Se programan las señales de los generadores (14) – incluyendo número y posición de los monoelementos del array (19), frecuencia, amplitud de la señal eléctrica y 20 número de ciclo, y el tiempo de aplicación de la fisioterapia. El operador entonces da al interruptor de inicio en la interfaz de usuario.

El transductor, por su configuración array y el material piezocomposite usado, puede focalizar eficientemente desde distancias tan cortas como 10 mm con anchos de foco desde de 1 mm.

En el caso de la versión doble, figura 6, en la que el sistema genera imágenes ecográficas y 25 aplica fisioterapia, constituye otro aspecto de la invención el procedimiento de la invención que comprende adicionalmente las siguientes etapas

e) generación de señales eléctricas con patrones específicos para aumentar la banda de frecuencia en emisión hasta el 50% de la frecuencia central,

f) obtención de una imagen sectorial de la zona de interés con formado 2D y/o 3D, 30

g) conmutación de la electrónica de imagen por la electrónica de potencia para aplicar la dosis terapéutica,

h) excitación del array con una señal eléctrica con una ley de retardos fija para focalizar hasta una profundidad máxima de D2 /4λ siendo λ el inverso de la frecuencia utilizada y D el diámetro del array, 35

i) conmutación de la electrónica de potencia por la electrónica de imagen para visualizar la zona de interés,

La señal de excitación puede ser de pulsos cuadrados.

Tras el último paso se puede realizar un análisis en frecuencia de las señales ecográficas de los ecos que atraviesan el tejido insonificado. 40

En este caso el subsistema electrónico tiene una configuración típica de ecógrafo con barrido sectorial a la que se añade la electrónica de la versión sencilla o modo de fisioterapia. Cuando se ha visualizado la zona en la que hay que aplicar la fisioterapia, se procede con el sistema en configuración de imagen ,a calcular la profundidad a la que hay que aplicarla y entonces se programan los parámetros de señal – amplitud, número de ciclos y retardo de cada canal – 45 para pasar a la configuración de fisioterapia en la que durante el tiempo programado se focalizará la energía acústica terapéutica en la zona visualizada previamente.

En el ordenador se aloja un software específico para configurar los parámetros de la imagen (21). La etapa de control digital (20), que se comunica con el software (21) a través de una interfaz específica, tiene como función además del control de los generadores de señal eléctrica pulsada (22) y de la fuente de alimentación programable (31) para la parte de tratamiento de fisioterapia, el control del proceso de formación de imagen.. En primer lugar se 5 programa la configuración de los generadores de señal (22) – número y posición de los monoelementos del array (23), frecuencia, amplitud de la señal eléctrica y número de ciclos- y se conmuta la fuente de alimentación de las señales a bajo voltaje (24). Al utilizar el sistema un transductor de banda estrecha, la señal eléctrica de excitación para la formación de imagen o para el tratamiento en frecuencia de los ecos recibidos no puede ser de tipo pulsado de onda 10 cuadrada como es habitual sino que debe ser sintetizada según un patrón que acorte la respuesta temporal del transductor en emisión, aumento de la banda frecuencial de la Función de Transferencia en Emisión. El diseño de tal patrón, con una secuencia que incluye ciclos a contrafase ha de adaptarse a cada tipo de array y a los parámetros de frecuencia y profundidad de cada caso. A continuación se programa el tipo de barrido incluyendo: número de elementos, 15 tipo de focalización, ángulo de barrido en el caso de barrido sectorial, profundidad de la imagen y frecuencia de barrido. Para la formación de la imagen (25) los ecos recibidos por los elementos del array son amplificados en los amplificadores de señal (26), digitalizados (27) Cuando se ha visualizado la zona en la que hay que aplicar la fisioterapia, sumados según el tipo de focalización programada (28) y posteriormente tratados. Sobre la imagen (25) se 20 localiza la posición (30) de la zona del cuerpo (29) a tratar. Localizada la zona, el sistema está preparado para pasar a la aplicación de la fisioterapia. Se elige el tipo de foco, la frecuencia, la intensidad acústica y el tiempo de aplicación para cada caso. El software (21) entonces programa el número y posición de los monoelementos del array (23), los retardos las señales de los generadores (22) – frecuencia, amplitud y número de ciclos se conmuta la fuente de 25 alimentación de las señales a alto voltaje (31) y se comienza el tratamiento. Al pasar el sistema a modo fisioterapia se desacopla completamente la parte de formación de imagen que se activa cuando acaba la aplicación de la fisioterapia. Durante la aplicación de la fisioterapia, el transductor ha de permanecer en la misma posición respecto a la zona a irradiar por lo que se debe montar en una estructura adaptada a la forma externa de esa parte del cuerpo. 30

El aparato y procedimiento que se proponen para la aplicación de ultrasonidos focalizados en fisioterapia y la obtención de imágenes acústicas de la zona de tratamiento, son adecuados para tratamientos tanto de tipo térmico como los agrupados bajo el concepto de no térmicos. (The Resurgence of Therapeutic Ultrasound – A 21st Century Phenomenon, Ultrasonics 48 (2008) 233)- . Ello es debido a los rangos de frecuencia y potencia propuestos, al hecho de que 35 utiliza onda pulsada de amplitud y número de ciclos programable y, fundamentalmente, a su capacidad de concentrar la intensidad acústica en cualquier parte del volumen en tratamiento mientras no esté apantallado por elementos reflectores de la anatomía. Así, otro aspecto de la invención es el uso del sistema para el diagnóstico y tratamiento de lesiones musculoesqueléticas, la aplicación de estrés u otros estímulos que produzcan modificaciones 40 en la membrana celular, aceleración del soldado de fracturas óseas en sus primeros estadios de cicatrización, trombos en vasos sanguíneos o biofilms formados en prótesis, cuando la zona a tratar no está apantallada por estructuras reflectantes como son huesos o cavidades gaseosas.

DESCRIPCIÓN FIGURAS: 45

Figura1. Piezocomposite en el caso de un diseño de 64 monoelementos.

Figura2. Transductor ultrasónico de ocho monoelementos con simetría circular.

Figura 3. Simulación de la Función de Transferencia en Emisión relativa – nivel de grises- del array entre 0 y 5 MHz en función del espesor de la capa de adaptación de aluminio entre 0 y 2

mm.

Figura 4. Transductor ultrasónico encapsulado en cabezal de fisioterapia mostrando el cable multipar

Figura 5. Diagrama del sistema en versión sencilla: aplicación de fisioterapia focalizada y programable. 5

Figura 6. Diagrama del sistema en la versión dual: imagen ecográfica y fisioterapia.

Figura 7.- Apertura activa de array en su configuración de 8 anillos concéntricos de igual área.

Figura 8.- Módulo de la Función de Transferencia en Emisión del array de 8 elementos entre 0 y 5 MHz, en unidades relativas.

Figura 9.- A - Simulación de la distribución del campo de presión acústica del array de 8 10 elementos focalizado en agua a 50 mm a 1 MHz. B - Distribución en el plano perpendicular a la propagación a la distancia focal en unidades relativas. C - La distribución del campo de presión a lo largo del eje de propagación en unidades relativas. D - Comparación con la distribución del array no focalizado.

Figura 10.- A - Simulación de la distribución del campo de presión acústica del array de 8 15 elementos focalizado en agua a 50 mm a 3 MHz. B - Distribución en el plano perpendicular a la propagación a la distancia focal en unidades relativas. C - Distribución del campo de presión a lo largo del eje de propagación en unidades relativas. D - Comparación con la distribución del array no focalizado.

Figura 11.- A- Medida de la distribución del campo de presión acústica de un prototipo de array 20 de 8 elementos sin aplicar retardos y por tanto sin focalizar con una frecuencia de 0.8 MHz. Superficie medida, 100x60 mm2 . B- Distribución en el plano perpendicular a la propagación a 50 mm en unidades relativas. C- Medida de la distribución del campo de presión acústica focalizando en agua a 50 mm. D- Distribución en el plano perpendicular a la propagación a la distancia focal en unidades relativas. 25

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Como ejemplo de la invención se muestra un caso específico de funcionamiento de la etapa sencilla, modo de fisioterapia, común a las dos versiones del aparato utilizando un único trasnductor,

Se ha utilizado un transductor array de ocho elementos a 1 MHz. La apertura activa del array 30 es circular de 30 mm. Los elementos son coaxiales, figura 7. El material piezoeléctrico es un disco cerámico de tipo duro - Pz26, Ferroperm que ha sido modificado mecánicamente para convertirlo en un piezocomposite de geometría 1-3. El array tiene un módulo de la Función de Transferencia en Emisión, figura 8, típico que se corresponde con el de un resonador piezoeléctrico adaptado a un medio acuoso con un resonador metálico de un cuarto de longitud 35 de onda y sin sección trasera de atenuación .

Se ha utilizado un generador programable de señal pulsada con las siguientes características:

-Ocho canales físicos. Pulsos programables de semi-onda cuadrada negativa con rango de amplitud entre -20V y -400V.

-Longitud máxima de la señal: 256 semiciclos. 40

-Frecuencia de repetición máxima: 20 kHz.

-Frecuencia mínima de excitación de los transductores: 250 kHz.

En la interfaz de usuario se puede elegir la frecuencia, el número de canales, la profundidad y tipo del foco, la máxima intensidad acústica en el volumen focalizado y el tiempo de aplicación. La simulación de la distribución de presión acústica para el caso de un foco esférico a 50 mm de la superficie del array en medio acuoso puede verse en la figura 9A en la que se compara 5 dicha distribución (32) con la de un transductor con un solo monoelemento con la misma área efectiva de radiación (33), figura 8D. Se usa una señal de 20 ciclos modulada en amplitud con una ventana Hanning. Puede apreciarse que para el caso de 1MHz, la presión acústica hasta -6 dB está confinada en un volumen de 5x5x50 mm3 (34)(35) – figuras 9B y 9C- mientras que el campo de presión en el caso no focalizado ocupa todo el volumen con una distribución típica de 10 máximos y mínimos relativos . Además, el máximo relativo en el punto de mayor intensidad en el caso focalizado es cinco veces mayor que el mayor de los máximos del caso no focalizado, lo que permite bajar la señal eléctrica del generador a una quinta parte para una misma dosis de intensidad acústica. Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la presión, esto lleva a concluir que con igual voltaje aplicado al transductor ultrasónico, con la focalización se 15 logra para esta geometría, tamaño de transductor y distancia de foco un rendimiento energético veinticinco veces mayor

Si ahora se simula la distribución de campo producido por este mismo array a la misma distancia focal pero emitiendo una señal con el mismo número de ciclos pero de 3 MHz (36) – figura 10A- se aprecia que la señal focalizada está ahora confinada en un volumen de 2x2x15 20 mm3 (38) (39), figuras 10B y 10C mientras que el transductor no focalizado (37)– figura 10D-tiene la presión distribuida de forma similar al caso de 1 MHz con máximos y mínimos relativos. El máximo de presión acústica en el foco es también del orden de cinco veces mayor que el del mayor máximo relativo en el caso no focalizado.

En la figura 11 se muestra la medida de la distribución de campo de un prototipo de array como 25 el descrito anteriormente, de 0.8 MHz de centro de banda (40). La medida se realiza en un tanque de agua, colocando el array en la superficie del agua y realizando un barrido 3D con un hidrófono de aguja – DAPCO- mediante un sistema de movimientos en los tres ejes cartesianos con precisión de 0.1mm. La excitación se hace con un sistema multicanal SITAU LF – DASEL-, programando los retardos de las distintas distancias focales mediante una 30 aplicación software realizada en LabView. La medida en el caso en el que no se usa ninguna ley de retardos –figura 11A y figura 11B- y por tanto los ocho elementos emiten en fase, muestra el comportamiento predicho en la figura 9D. En el caso de una ley de retardos para focalizar a 50 mm – figura 11C y figura 11D- el haz aparece focalizado a dicha distancia con un ancho de haz a mitad de banda similar al simulado en la figura 9B. Un sistema como el descrito 35 es operativo para insonificar focalizadamente y obtener imagen hasta profundidades no superiores a 100 mm en el caso de 1 MHz y de 250 mm para frecuencias superiores a 3 MHz.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   1. Aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico caracterizado porque tiene como elemento activo un piezocomposite.
2. 2. Aparato según la reivindicación 1 que genera intensidades acústicas con niveles de hasta 3 W/cm2 (30000W/m23 W/cm2) - y en rango de frecuencia – entre 0.5 MHz y 5 MHz. 5
3. 3. Aparato según las reivindicaciones 1 a 2 donde el transductor ultrasónico comprende hasta 64 elementos activos con un piezocomposite tipo 1-3, de superficie de emisión plana.
4. 4. Aparato según la reivindicación 3 donde el piezocomposite está fabricado a partir de un material piezoeléctrico tipo PZT4
5. 5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende un aparato de control 10 de temperatura del transductor.
6. 6. Procedimiento ultrasónico que utiliza un aparato como se define es las reivindicaciones 1 al 5 que comprende las siguientes etapas:

   a) localización de la zona de interés,

   b) calculo de la profundidad a la que hay que aplicar la dosis, 15

   c) programación de los parámetros de la señal incluyendo la amplitud, número de ciclos y retardo de cada canal dependiente del tipo de foco y el diámetro del transductor,

   d) conexión de la electrónica de potencia en la que durante el tiempo programado focalizará la energía acústica terapéutica en la zona localizada 20 previamente.

   7 Procedimiento según la reivindicación 6 que comprende adicionalmente las siguientes etapas

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   e) generación de señales eléctricas con patrones específicos para aumentar la banda de frecuencia en emisión hasta el 50% de la frecuencia central,

   f) obtención de una imagen sectorial de la zona de interés con formado 2D y/o 3D,

   g) conmutación de la electrónica de imagen por la electrónica de potencia para 30 aplicar la dosis terapéutica en la zona visualizada,

   h) excitación del array con una señal eléctrica con una ley de retardos fija para focalizar hasta una profundidad máxima de D2 /4 siendo el inverso de la frecuencia utilizada y D el diámetro del array,

   i) conmutación de la electrónica de potencia por la electrónica de imagen para 35 visualizar la zona de interés,
7. 8. Procedimiento según la reivindicación 7 en el que se excita al transductor con una señal que incluye ciclos a contrafase.

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8. 9. Procedimiento cualesquiera de las reivindicaciones 6 a 8 en el que se realiza un análisis en frecuencia de las señales ecográficas de los ecos que atraviesan el tejido insonificado.
9. 10. Utilización del aparato mediante el procedimiento de las reivindicaciones 6 a 9 para terapia y/o diagnóstico.
10. 11. Utilización según la reivindicación 10 en lesiones musculoesqueléticas. 45
11. 12. Utilización según la reivindicación 10 para el estudio y modificación del estrés en la

    membrana celular.
12. 13. Utilización según la reivindicación 10 para la aceleración del soldado de fracturas óseas en sus primeros estadios de cicatrización.

    14 Utilización según la reivindicación 10 en trombos en vasos sanguíneos o biofilms formados en prótesis. 5