MX2011002103A - Transductores ultrasonicos de alta potencia. - Google Patents
Transductores ultrasonicos de alta potencia.Info
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Abstract
Se describe un transductor de ultrasonido de alta potencia que consiste de elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia acústica, y un ensamble de contactos eléctricos acomodados para proporcionar voltaje a cada uno de dichos elementos piezoeléctricos. Uno o más elementos conductores eléctricamente elásticos hacen posible el contacto eléctrico entre los elementos piezoeléctricos, la placa de acoplamiento de impedancia, y el ensamble de contactos eléctricos. También se describe un aparato y métodos de uso de dicho transductor.
Description
TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOS DE ALTA POTENCIA
Referencia Cruzada con Solicitudes Relacionadas
Esta es una solicitud no provisional que está siendo presentada de acuerdo con el título 37 del Código de Reglamentos Federales 1.53(b) y que incorpora como referencia la Solicitud Provisional de Patente Norteamericana que fue presentada en Julio 16, 2008 y a la que se le asignó el Número de Serie 61/081,110, dicha solicitud se ha adjuntado a la presente en su totalidad como Apéndice A.
Campo de la Invención
El transductor actual generalmente se refiere al campo de transductores ultrasónicos de alta potencia y particularmente a transductores para la terapia ultrasónica de alta potencia.
Antecedentes de la Invención
La aplicación del ultrasonido para propósitos de diagnóstico médico es bien conocida. Sin embargo, el desarrollo de aplicaciones terapéuticas de ultrasonido es una tecnología relativamente nueva que se está desarrollando rápidamente. El tratamiento por medio del ultrasonido tiene muchas ventajas y generalmente es reconocido que existen menos efectos secundarios comparados con otras técnicas de tratamiento terapéutico.
Con el objeto de ocasionar un efecto terapéutico deseado, la aplicación de ultrasonido requiere una potencia de ultrasonido del orden de una magnitud más alta que la requerida para los propósitos de diagnóstico. El ultrasonido es introducido en el sujeto tratado con la ayuda de un transductor de ultrasonido. Un transductor de ultrasonido es un aparato que convierte la energía eléctrica en energía de ultrasonido o en ondas de ultrasonido. Generalmente, este término se refiere a transductores piezoeléctricos que convierten la energía eléctrica en ultrasonido. Por consiguiente, los avances en la tecnología del transductor juegan un rol importante en esta área tecnológica.
Las características específicas de un transductor de ultrasonido de alta potencia se refieren a la capacidad de proporcionar y sostener sin daño una energía de pico alto con ciclos de trabajo altos; enfocando el ultrasonido y el control de la localización de manchas focales; el acceso a capas más profundas del tejido tratado, y proporcionar una retroalimentación para controlar el equipo que hace posible que el operador cambie los parámetros del tratamiento.
Los transductores de alta potencia típicos utilizados para el tratamiento terapéutico están compuestos de placas de material piezoeléctrico, que tienen electrodos conductores en ambos lados y que son operados por un voltaje alterno de un generador de energía eléctrica (corriente alterna - CA). La frecuencia típica de operación de estos transductores se encuentra en un rango de 100 kHz a 5 MHz. Usualmente, el lado del transductor aplicado a la ubicación del tratamiento tiene un elemento de acoplamiento de impedancia acústica para compensar la diferencia grande entre la impedancia acústica del transductor y la impedancia acústica del sujeto tratado. El lado opuesto del material piezoeléctrico es conectado con cualquier material que refleja o absorbe el ultrasonido. El uso eficiente de la energía generada por los transductores de ultrasonido de alta potencia es imperativo y por lo tanto los soportes de absorción no son utilizados. Los soportes de absorción generalmente son reemplazados por un soporte que tiene un desacoplamiento de impedancia acústica grande con la cerámica piezoeléctrica que refleja la mayor parte de la energía de ultrasonido, ya que dicha estructura reduce el desperdicio de energía de ultrasonido. El material reflejante puede ser uno con una impedancia acústica significativamente diferente de la del material piezoeléctrico.
El aire es el mejor material reflector; no obstante, el aire no puede ser utilizado para los transductores de alta potencia, en donde la remoción del calor es un problema mayor. La cerámica piezoeléctrica debe ser proporcionada con un medio para remover eficientemente el calor y el aire no posee propiedades apropiadas de conductividad térmica. El aceite o material sólido con alta conductividad térmica son más frecuentemente utilizados para los transductores de ultrasonido de alta potencia. El requerimiento de remoción eficiente del calor contradice algunas de las soluciones utilizadas para el buen acoplamiento del ultrasonido.
Los transductores de adaptación de fase son más efectivos que los transductores piezoeléctricos planos o curvos convencionales y generalmente son utilizados para aplicaciones de tratamiento de ultrasonido de alta potencia. Los transductores de adaptación de fase están hechos cortando los materiales piezoeléctricos en elementos piezoeléctricos individuales - algunas veces denominados "píxeles", teniendo cada píxel una conexión con sus propios cables hacia un conductor eléctrico distribuido. Controlando cada una de las fases de cada uno de los conductores eléctricos, el rayo de ultrasonido podría ser escaneado electrónicamente en la ubicación tratada. La estructura de la adaptación de fases también tiene la ventaja de reducir la modalidad de oscilaciones parásitas comparado con un transductor de una sola pieza.
La producción y uso de transductores de adaptación de fases de alta potencia que operan en la energía pico alta y frecuencias relativamente bajas tiene un número de problemas. Los elementos piezoeléctricos o el tamaño del píxel y el espesor del material de la cerámica piezoeléctrica se encuentran en un rango de unos cuantos milímetros. Ellos son adheridos a la placa de acoplamiento de impedancia acústica con la ayuda de adhesivos o soldadura, o el goteado de materiales entre ellos. La carga mecánica ocasionada por las vibraciones de ultrasonido es máxima en la interfase de la cerámica piezoeléctrica con la placa de acoplamiento. En una energía de pico alto, la resistencia del enlace no es suficiente y el enlace es dañado, de modo que el tiempo de vida del transductor es corto. En el caso de la operación excesiva del transductor, puede ocurrir un daño irreversible. La soldadura proporciona un enlace más fuerte que el pegamento y debido a esto, en vez del enlace, falla el material piezoeléctrico de cerámica.
Los electrodos soldados o pegados a la cerámica piezoeléctrica tienden a fallar en alta potencia. En algunos casos extremos, cuando es aplicada la energía de ultrasonido indudablemente alta, los cables de suministro de voltaje pueden ser cortados por la tensión de corte. Tanto el pegamento como la soldadura directa de los cables conductores a los contactos de la cerámica piezoeléctrica de los circuitos impresos flexibles podrían fallar en la alta potencia.
Estos y otros problemas impiden un desarrollo más rápido de la tecnología y deben de ser completamente solucionados.
Breve Descripción de la Invención
El transductor de ultrasonido de alta potencia incluye elementos de cerámica piezoeléctricos localizados entre una placa de acoplamiento de impedancia acústica conductora eléctricamente y un ensamble de contactos eléctricos configurados para suministrar voltaje a cada uno de los elementos piezoeléctricos. Una fuerza generada por uno o más elementos conductores elásticos que oprimen los elementos de cerámica piezoeléctricos contra la placa de acoplamiento de impedancia y el ensamble de contactos eléctricos, hace posible la trayectoria conductora eléctricamente requerida para el suministro de voltaje a los elementos piezoeléctricos.
Breve Descripción de los Dibujos
La presente descripción se proporciona solamente a modo de ejemplos no limitativos, haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Los dibujos no son necesariamente a escala, poniéndosele en vez de ello énfasis a la ilustración de los principios del método.
La figura 1 es una ilustración esquemática de una sección transversal de una modalidad de ejemplo del presente transductor de ultrasonido;
La figura 2 es una ilustración esquemática de una modalidad de ejemplo de un depósito de secciones múltiples para localizar y guardar los elementos de cerámica piezoeléctricos;
La figura 3 es una ilustración esquemática de otra sección transversal de una modalidad de ejemplo del transductor de ultrasonido presente;
La figura 4 es una ilustración esquemática de una vista superior del transductor de ultrasonido presente; y
Las figuras 5A y 5B son ilustraciones esquemáticas de dos ensambles de ejemplo del transductor de ultrasonido presente.
Descripción Detallada de la Invención
Los principios y ejecución del transductor de ultrasonido de alta potencia, aparato y método de uso del transductor aquí descrito pueden ser entendidos haciendo referencia a los dibujos, en donde los números de referencia similares indican elementos similares a través de las diferentes vistas y la descripción adjunta de las modalidades de ejemplo no limitativas. La terminología de dirección, tal como "arriba", "abajo", "frontal", "trasera", etc., es utilizada con referencia a la orientación de las figuras que están siendo descritas. Debido a que los componentes de las modalidades de la presente invención pueden ser colocados en un número de diferentes orientaciones, la terminología de dirección es utilizada con propósitos de ilustración y de ninguna manera de limitación.
Se hace referencia a la figura 1, la cual es una ilustración esquemática de una sección transversal de una modalidad de ejemplo del transductor de ultrasonido presente. El transductor 100 comprende un alojamiento 104 cubierto por una tapa o cubierta 108. Uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos 112 que tienen contactos depositados en los lados inferior y superior 120 y 124 de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 son acomodados en un depósito de secciones múltiples 116, mostrado con mayor detalle en la figura 2, de modo que cada uno de los elementos piezoeléctricos 112 tiene la capacidad de operar
independientemente y no interfiere con la operación del elemento piezoeléctrico cercano. El depósito 116 con los elementos piezoeléctricos está localizado en la cavidad interior 132 del alojamiento 104 de modo que uno de los contactos de cada uno de los elementos piezoeléctricos se encuentra en comunicación eléctrica con una placa de material conductor de acoplamiento de impedancia acústica 128 localizado en la cavidad interior 132 del alojamiento 104. La placa de acoplamiento de impedancia 128 es una mezcla de partículas conductoras, por ejemplo, partículas de metal o polvo de grafito con una resina. El epoxi puede ser una muestra de dicha resina y en particular, epoxi impregnado con grafito o cualquier otro polímero impregnado con un material conductor que posee propiedades similares tal como el epoxi. Estos materiales son conductores y hacen posible la aplicación de voltaje a los contactos 120. La placa de acoplamiento del material conductor de impedancia acústica 128 representa una conexión eléctrica común a todos los elementos piezoeléctricos 112 del transductor 100. La placa de acoplamiento también puede ser hecha de un material no conductor, el cual es convertido en placas por una capa delgada de material conductor tal como cobre u oro.
Un ensamble de contactos eléctricos implementados como un tablero de cableado impreso rígido o flexible 136, la cerámica recubierta con metal, o cualquier otra forma de contactos configurados para proporcionar voltaje a cada uno de los elementos piezoeléctricos 112 es conectado a una fuente de energía de ultrasonido 114. La fuente 114 puede incluir uno o más generadores o propulsores de ultrasonido 118 que operan para proporcionar voltaje a cada uno de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 y un controlador 122 que sincroniza la operación de los generadores o propulsores de ultrasonido 118 y por consiguiente de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112.
Los elementos conductores eléctricamente elásticos 140 insertados en las perforaciones apropiadas del depósito de secciones múltiples 116 son localizados entre el segundo contacto 124 del elemento piezoeléctrico 112 y la protuberancia o almohadillas planas 130 (figura 4) del ensamble de contactos eléctricos implementado como un circuito impreso flexible 136. Esto hace posible que un aparato eléctrico pase de un circuito impreso flexible 136 a los elementos de cerámica piezoeléctricos 112. Una placa intermedia 142 está configurada para cerrar y empujar ligeramente el circuito 136 contra los elementos elásticos 140 de modo que la presión aplicada por los elementos 140 es transferida a la cerámica piezoeléctrica 112 asegurando un contacto con placa de acoplamiento de impedancia conductora 128. La cubierta 108 sella la cavidad 132. Los elementos conductores eléctricamente elásticos 140 pueden ser tales como resortes de metal o materiales conductores eléctricamente poliméricos, por ejemplo, partículas de grafito o metal cargados con silicona u otros polímeros similares. La fuerza desarrollada por los elementos elásticos 140 está afectando cada uno de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 empujándolos contra la placa de acoplamiento de impedancia conductora 128 y haciendo posible un contacto eléctrico confiable entre un primer extremo 120 de los elementos piezoeléctricos 112 y la placa de acoplamiento de impedancia acústica conductora 128. El primer extremo de los elementos elásticos 140 está en contacto con un segundo electrodo piezoeléctrico 124 en donde el segundo extremo del elemento elástico 140 está en contacto con las almohadillas 130 del circuito impreso flexible 136.
No existen cables, pegamento o soldadura conductora aplicados a los elementos piezoeléctricos y la carga ocasionada por las vibraciones del ultrasonido en la inferíase de la cerámica piezoeléctrica 112 con la placa de acoplamiento de impedancia 128 no está afectando la inferíase o los contactos.
Para una transferencia eficiente de la energía de ultrasonido desde los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 a la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128, el espacio entre ellos podría ser llenado con un líquido. Generalmente, si las superficies fueran acopladas de manera ideal, no se requeriría el líquido. Sin embargo, en la práctica las superficies no son acopladas de una manera ideal y el acoplamiento eficiente del ultrasonido es más fácil de lograr con un medio de acoplamiento. Dicho medio puede ser un líquido, un gel o una grasa. Prácticamente, la mayor parte de los elementos no sólidos con las propiedades acústicas apropiadas pueden ser utilizados como material de acoplamiento. Se ha descubierto que los mejores resultados son obtenidos con diferentes aceites, y en particular con aceite de ricino. El aceite llena las cavidades minúsculas que existen en la interfase de la cerámica piezoeléctrica 112 y la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128 y forma una capa delgada de aceite entre los elementos piezoeléctricos 112 y la placa de acoplamiento de impedancia 128. El aceite puede llenar la cavidad 132 del transductor 100 y los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 operan siendo sumergidos en el aceite. Esto mejora la remoción de calor de los elementos piezoeléctricos 112 y también evita el chisporroteo de alto voltaje entre los elementos.
Además, se ha descubierto que el enfriamiento del transductor mejora el funcionamiento del transductor. Esta característica puede ser atribuida al hecho de que en temperaturas más bajas, la viscosidad del aceite aumenta y/o debido a la reducción de la presión del vapor del fluido. El aceite, y en particular el aceite de ricino, se descubrió que eran los líquidos adecuados para llenar la cavidad 132 del transductor ultrasónico de alta potencia 100. Esto es probablemente debido a la presión de vapor relativamente baja del aceite de ricino. Los fluidos con una presión de vapor alta tienden a generar burbujas de cavitaciones bajo la acción del ultrasonido de alta potencia. Las burbujas de cavitaciones absorben la energía y pueden ocasionar daños a los componentes del transductor.
Los experimentos mostraron que la desgasificación del aceite que llena la cavidad del transductor 132 aumenta el funcionamiento del transductor. Se considera que esto es debido a la reducción de aire atrapado en el aceite y la extracción de componentes volátiles presentes en el aceite, lo cual reduce los riesgos de cavitaciones. Por consiguiente, la desgasificación del aceite se lleva a cabo en una presión más baja que la presión del vapor de los componentes volátiles del aceite. Utilizando el uso de un material fluido o no sólido reduce la carga en los componentes del transductor, y evita el daño irreversible al transductor aún cuando se opera el transductor en una potencia muy alta. La ausencia de sólidos y el contacto fijo entre los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 y la placa de acoplamiento 128 alivia adicionalmente el daño posible a los componentes del transductor que participan en el proceso.
La placa de acoplamiento de impedancia acústica 128, hecha tal y como se mencionó anteriormente de grafito impregnado con epoxi, además de ser un buen conductor eléctrico también es un buen conductor de calor. El calor generado en el curso de operación de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 fluye a través de la placa de acoplamiento de impedancia 128 al alojamiento 104, el cual está generalmente hecho de un buen conductor de calor tal como aluminio o cobre, y a través del alojamiento 104 a un enfriador termoeléctrico 144. El aceite que llena la cavidad interior 132 del alojamiento 104 y dentro del cual son sumergidos los elementos de cerámica piezoeléctricos 112, remueve simplemente el calor mediante la conducción o mediante la convección. La convección natural homogeniza la temperatura interior de la cavidad 132 y en el caso de necesitarse; puede ser introducida una circulación forzada de aceite dentro de la cavidad 132.
El enfriador termoeléctrico 144 localizado en la superficie
148 de la cubierta 108 opera para enfriar el alojamiento y el aceite y mantener la temperatura deseada de operación del transductor. Un sumidero de calor 152 con aletas de distribución de calor 156 y canales de suministro de fluido de enfriamiento 160 enfría el lado caliente del enfriador termoeléctrico 144. El fluido de enfriamiento puede ser agua o cualquier otro fluido adecuado para la tarea. El transductor con el esquema de enfriamiento descrito anteriormente soluciona los problemas de remoción del calor y hace posible la operación del transductor en niveles de energía de ultrasonido altos y largos tiempos de operación sin inducir daño alguno al transductor.
Aunque el aceite, incluyendo el aceite de ricino, es un aislante, cuando los elementos conductores eléctricamente elásticos 136 oprimen la cerámica piezoeléctrica 112 estando su contacto 120 en comunicación eléctrica con la placa de acoplamiento de impedancia 128, la electricidad pasa entre ellos independientemente de la presencia del aceite. Un factor contribuyente a esta característica es que las superficies de contacto no son perfectas y como se indicó anteriormente, tienen huecos minúsculos y protuberancias del orden de una fracción de una miera. Las protuberancias en la superficie de la cerámica piezoeléctrica 112 se encuentran en contacto directo con las protuberancias en la superficie de la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128 y la electricidad pasa a través de estos contactos. La combinación general de las protuberancias que hacen contacto con la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128 y los huecos llenados con el aceite tiene una resistencia eléctrica relativamente baja. El otro electrodo 124 de los elementos piezoeléctricos 112 se encuentra en contacto con el elemento conductor eléctricamente elástico 140 que empuja los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 a la placa de acoplamiento 128. La conexión eléctrica hecha posible por el elemento conductor eléctricamente elástico 140 genera una carga acústica prácticamente insignificante, pequeña en la cerámica piezoeléctrica 112, pero el ultrasonido de alta potencia no daña la trayectoria de suministro de voltaje (eléctrica). La conexión eléctrica de la cerámica piezoeléctrica no contiene cables, soldadura u otros elementos que son generalmente dañados por el ultrasonido de alta potencia.
En una modalidad alternativa, el material de acoplamiento de impedancia acústica o placa puede ser recubierto con una capa de material conductor.
Con el objeto de utilizar una cantidad más grande de la energía generada por un transductor de ultrasonido de alta potencia, se ha deseado reflejar la porción de la energía de ultrasonido que se propaga en la dirección lejos de la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128, y está ilustrado por la flecha A. Se puede lograr un buen reflejo del ultrasonido en el límite de los materiales que tienen un desacoplamiento de impedancia acústica grande. Aunque el aire o el vacío tienen desacoplamientos de impedancia acústica grandes con la cerámica piezoeléctrica, ambos tienen una conductividad térmica deficiente. El mismo aceite que llena la cavidad 132 y sirve como un acoplamiento de impedancia acústica y fluido de enfriamiento del transductor tiene un desacoplamiento grande de la impedancia acústica con la cerámica piezoeléctrica. La impedancia acústica del aceite es de aproximadamente 1.4 MR, mucho más pequeña que la de la cerámica piezoeléctrica, la cual es de aproximadamente de 33 a 34 MR.
La mejora adicional de la operación del transductor es lograda desgasificando el aceite de ricino, el cual llena la cavidad 132. El proceso de desgasificación del aceite, además de la remoción de gases disueltos en el aceite, facilita la reducción en la concentración de los compuestos volátiles. El aceite desgasificado y la concentración reducida de los compuestos volátiles impiden la formación de burbujas de cavitaciones en el aceite que absorben cierta cantidad de energía de ultrasonido y pueden ocasionar daño a los materiales cercanos.
La figura 2 es una ilustración esquemática del depósito de secciones múltiples 116 para localizar y mantener los elementos de cerámica piezoeléctricos 112. Cada elemento piezoeléctrico 112 es insertado en su nido 200. Las paredes 204 se separan entre los nidos y los elementos piezoeléctricos 112 de modo que el ultrasonido emitido por uno de los elementos no afecta a los elementos vecinos. Cuando el depósito 116 es asegurado en su lugar, ubica los elementos 112 de modo que el contacto 120 puede estar en comunicación eléctrica con la placa de acoplamiento de impedancia acústica 128 (figura 1). La flecha 208 ilustra la dirección de inserción de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 y la flecha 212 la dirección de inserción de los elementos conductores elásticos 140 mostrados como un resorte.
La figura 3 es una ilustración esquemática de una sección transversal adicional del presente transductor de ultrasonido. Ilustra la localización de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112, el depósito de sección múltiple 116, las paredes 204 que definen el nido 200 de cada elemento de cerámica piezoeléctrico 112 y el circuito impreso flexible 136. En una modalidad mostrada en la figura 1 , la placa de acoplamiento de impedancia 128 es una placa sólida. En una modalidad alternativa mostrada en la figura 3, la placa de acoplamiento de impedancia 128 es una placa sólida que tiene incisiones 300 en el lado que hace contacto con los elementos de cerámica piezoeléctricos 112. Las incisiones 300 sirven para reducir el acoplamiento acústico entre los elementos y la propagación de onda de la superficie en la placa de acoplamiento. De esta manera se mejora la eficiencia, el enfoque y capacidades de exploración del transductor.
La figura 4 es una ilustración esquemática de una vista superior del transductor de ultrasonido actual. El transductor 100 se muestra sin la cubierta 108, el enfriador termoeléctrico 144 y otros componentes asociados con los mismos. El circuito impreso flexible 136 contiene las almohadillas 130, que pueden sobresalir sobre la superficie del circuito 136 haciendo posible el contacto más fácil con los elementos conductores eléctricamente elásticos 140. El conector 400 proporciona la conexión eléctrica entre cada uno de los elementos de cerámica piezoeléctricos 112 y sus propulsores respectivos 118 (figura
1).
Las figuras 5A y 5B son ilustraciones esquemáticas de dos ensambles de ejemplo del transductor de ultrasonido presente para uso terapéutico. Las terapias incluyen la reducción de tejido adiposo, la eliminación de arrugas en la piel y algunas otras aplicaciones cosméticas y terapéuticas. El transductor 100 puede ser aplicado al tejido como un componente de un aplicador de tratamiento de tejido de ultrasonido, tal como el que se describe en la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana No. 61/081,110 asignado al mismo cesionario y adjunto a la presente descripción con propósitos de referencia solamente como Apéndice A. La superficie del transductor como se muestra en la figura 5A que estaría en contacto con el tejido puede ser inclinada para coincidir con el ángulo de protuberancia del tejido deseado. Con el objeto de mejorar el ultrasonido para el acoplamiento del tejido, una cuña 504 se localiza entre el tejido y la placa de acoplamiento de impedancia 128. La cuña está hecha de un material que tiene la impedancia acústica cercana a la del cuerpo humano para evitar el reflejo del ultrasonido. Se puede utilizar poliuretano u otros polímeros adecuados. En otra modalidad ilustrada en la figura 5B, el transductor 100 es adaptado para hacer contacto con una porción relativamente plana del tejido. Con el objeto de mejorar el ultrasonido al acoplamiento del tejido, una placa plana 508 hecha de poliuretano o un material similar está localizada entre el tejido y la placa de acoplamiento de impedancia 128.
El transductor de ultrasonido de alta potencia descrito anteriormente puede ser utilizado en una variedad de aplicaciones médicas terapéuticas. Sin embargo, el uso del transductor no está limitado, a la aplicación médica solamente. Puede ser aplicado a diferentes procesos de mezcla de fluidos, diferentes aplicaciones de limpieza de ultrasonido, aplicaciones de detección de defectos, y otras aplicaciones que necesitan la potencia de ultrasonido alto.
A continuación se encuentran parámetros de operación típicos del transductor y componentes que son proporcionados a modo de ejemplos no limitativos.
El material piezoeléctrico para el transductor de alta potencia generalmente sería de una de las familias de las cerámicas PZT. La frecuencia de oscilación del transductor es entre 100 kHz a 5 MHz, o de 100 kHz a 1 MHz, o de 100 kHz a 400 kHz. La potencia pico en la superficie radiante del transductor puede ser entre 10 W/cm2 a 500 W/cm2, o de 50 W/cm2 a 200 W/cm2, y la longitud del impulso de operación típico sería entre 20 microsegundos a 1 milisegundo. La potencia promedio de ultrasonido puede ser entre 0.1 W/cm2 a 10 W/cm2, o de 1 W/cm2 a 3 W/cm2. El número pico de elementos de cerámica piezoeléctricos en un transductor puede ser entre 4 y 128, o de 8 a 64, siendo el tamaño de cada uno de los elementos (píxeles) en un rango de adaptación de 1 x 1 x 1 mm y hasta de 6 x 6 x 10 mm.
Se han descrito un número de modalidades. No obstante, deberá quedar entendido que se pueden hacer varias modificaciones sin salirse del espíritu y alcance del transductor de ultrasonido. Por consiguiente, otras modalidades se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (34)
1. Un transductor de ultrasonido de alta potencia, comprendiendo dicho transductor: uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia acústica, y un ensamble de contactos eléctricos acomodados para proporcionar voltaje a cada uno de dichos elementos piezoeléctricos; uno o más elementos conductores eléctricamente elásticos que afectan cada uno de dichos elementos de cerámica piezoeléctricos empujándolos hacia la placa de acoplamiento de impedancia y haciendo posible el contacto eléctrico entre dichos elementos piezoeléctricos, la placa de acoplamiento de impedancia, y el ensamble de contactos eléctricos; y una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica.
2. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1 , caracterizado porque la placa de acoplamiento de impedancia está hecha de una mezcla de partículas conductoras eléctricamente con una resina.
3. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 2, caracterizado porque las partículas conductoras eléctricamente son por lo menos una de un grupo de partículas de metal o polvo de grafito.
4. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 2, caracterizado porque la resina es epoxi.
5. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque la placa de acoplamiento de impedancia es conductora eléctricamente.
6. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque la placa de acoplamiento de impedancia es conductora térmicamente.
7. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque la placa de acoplamiento de impedancia es formada con una capa delgada de un material conductor eléctricamente.
8. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque el ensamble de contactos eléctricos es por lo menos uno de un grupo de tableros impresos de cableado rígido, tableros impresos de cableado flexible, y cerámicas recubiertas con metal.
9. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos conductores eléctricamente elásticos son por lo menos uno de un grupo de resortes de metal y materiales poliméricos conductores eléctricamente.
10. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es una de un grupo de aceite, gel de acoplamiento de impedancia acústica, y un material no sólido.
11. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es de aceite de ricino.
12. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es aceite de ricino.
13. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos de cerámica piezoeléctricos son sumergidos en aceite.
14. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 13, caracterizado porque el aceite es un aceite de ricino.
15. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizado porque el aceite es desgasificado para reducir el aire y la concentración de compuestos volátiles.
16. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizado porque dicho aceite refleja la energía de ultrasonido generada por los elementos de cerámica piezoeléctricos.
17. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizado porque el aceite homogeneiza la temperatura del transductor.
18. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un alojamiento hecho de un material conductor de calor.
19. El transductor de ultrasonido de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un enfriador termoeléctrico que opera para mantener la temperatura del transductor dentro de un rango deseado.
20. Un aparato para el tratamiento de un tejido con ultrasonido, comprendiendo dicho aparato: una pluralidad de generadores de ultrasonido; y un transductor de ultrasonido con uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia acústica, elementos conductores eléctricamente elásticos, un ensamble de contactos eléctricos que hace posible el contacto eléctrico entre los elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia, y elementos de suministro de voltaje de dicho transductor, y una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica. El aparato para el tratamiento de tejidos con ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 20, caracterizado porque comprende además un controlador que puede operar para controlar dichos generadores de ultrasonido, proporcionar el voltaje a cada uno de dichos elementos de cerámica piezoeléctricos y sincronizar su operación.
21. El aparato para el tratamiento de tejidos con ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 21, caracterizado porque el transductor de ultrasonido comprende además una placa de acoplamiento de impedancia acústica conductora eléctricamente que sirve como un electrodo común a los elementos de cerámica piezoeléctricos y un fluido homogeneizador de temperatura.
22. El aparato para el tratamiento de tejidos con ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 22, caracterizado porque los elementos de suministro de voltaje del transductor son la placa de acoplamiento de impedancia acústica y el ensamble de contactos eléctricos.
23. El aparato para el tratamiento de tejidos con ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 20, caracterizado porque los elementos de suministro de voltaje del transductor son la placa de acoplamiento de impedancia acústica y el ensamble de contactos eléctricos.
24. El transductor de ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 21, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es una de un grupo de aceite y un gel de acoplamiento de impedancia acústica.
25. El transductor de ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 25, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es de aceite de ricino.
26. El transductor de ultrasonido tal y como se describe en la reivindicación 21, caracterizado porque la capa delgada de material no sólido es aceite de ricino.
27. Un método para proporcionar un contacto eléctrico en un transductor de ultrasonido de alta potencia, comprendiendo dicho método: proporcionar uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia acústica y un ensamble de contactos eléctricos configurados para suministrar voltaje a cada uno de dichos elementos de cerámica piezoeléctricos; proporcionar uno o más elementos conductores elásticos configurados para oprimir los elementos piezoeléctricos contra la placa de acoplamiento de impedancia y estar en contacto con el ensamble de contactos eléctricos; y proporcionar una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica.
28. El método para proporcionar un contacto eléctrico tal y como se describe en la reivindicación 28, caracterizado porque el material no sólido llena las aberturas entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica.
29. Un método para proporcionar un contacto eléctrico en un transductor de ultrasonido de alta potencia el cual comprende, una pluralidad de elementos de cerámica piezoeléctricos, una placa de acoplamiento de impedancia conductora siendo un electrodo común para la pluralidad de los elementos de cerámica piezoeléctricos, y una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia conductora, llenando dicho material las aberturas entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica.
30. Un transductor de ultrasonido de adaptación de fases de alta potencia, comprendiendo dicho transductor: uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos; una placa de acoplamiento de impedancia acústica conductora eléctricamente; un ensamble de contactos eléctricos configurado para suministrar voltaje a cada uno de dichos elementos piezoeléctricos; uno o más elementos conductores elásticos localizados entre dichos elementos piezoeléctricos y el ensamble de contactos eléctricos oprimiendo los elementos piezoeléctricos contra la placa de acoplamiento de impedancia y haciendo posible la trayectoria conductora eléctricamente entre dichos elementos piezoeléctricos y el ensamble de contactos eléctricos; y una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica.
31. El transductor de ultrasonido de adaptación de fases de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 31, caracterizado porque dicha presión de la cerámica piezoeléctrica hace posible el contacto eléctrico con dicha placa de acoplamiento de impedancia.
32. El transductor de ultrasonido de adaptación de fases de alta potencia tal y como se describe en la reivindicación 31, caracterizado porque la placa de acoplamiento de impedancia es un electrodo común a dicho uno o más de los elementos de cerámica piezoeléctricos.
33. Un método de tratamiento de tejidos con ultrasonido, comprendiendo el método: la aplicación al tejido de un transductor de ultrasonido con una placa de acoplamiento de impedancia acústica, una pluralidad de elementos de cerámica piezoeléctricos, elementos conductores eléctricamente elásticos, y una capa delgada de material no sólido colocada entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y la placa de acoplamiento de impedancia acústica; la operación del transductor para emitir energía de ultrasonido; y tratar el tejido con la energía de ultrasonido.
34. Un aparato para el tratamiento de tejidos con ultrasonido, comprendiendo dicho aparato: una pluralidad de generadores de ultrasonido; un transductor de ultrasonido con uno o más elementos de cerámica piezoeléctricos, elementos conductores eléctricamente elásticos, y elementos de suministro de voltaje que hacen posible el contacto eléctrico entre los elementos de cerámica piezoeléctricos y los elementos de suministro de voltaje de dicho transductor; y un controlador que opera para controlar dichos generadores de ultrasonido, proporciona voltaje a cada uno de los elementos de cerámica piezoeléctricos y sincroniza su operación.
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