WO2015086878A1 - Aparato y método para aplicar ultrasonidos fisioterapéuticos focalizados de baja y media intensidad guiados por imagen ecográfica en tejidos blandos - Google Patents
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- WO2015086878A1 WO2015086878A1 PCT/ES2014/070906 ES2014070906W WO2015086878A1 WO 2015086878 A1 WO2015086878 A1 WO 2015086878A1 ES 2014070906 W ES2014070906 W ES 2014070906W WO 2015086878 A1 WO2015086878 A1 WO 2015086878A1
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Definitions
- the invention is framed in the field of therapeutic ultrasound systems and methods. It consists of a multichannel ultrasonic ultrasound scanning device comprising an ultrasonic transducer whose active element is a piezocomposite that works with intensities and frequencies in the range of clinical ultrasonic physiotherapy.
- the invention comprises a method of obtaining and using ultrasound images, obtained by the apparatus to define the acoustic and energetic parameters of the physiotherapy stage and to detect temperature or structural changes in the area of interest by analyzing in the domain of the Frequency of ultrasound signals after application of the physiotherapeutic dose.
- the invention allows to improve the electromechanical efficiency with a simple design and is a practical solution to make a two-dimensional array that can change the type of opening in the manufacturing process, changing only the design of the electrode, this solution is effective to design an array with ultrasound and physiotherapeutic capacity at these frequencies, since being the material mechanically decoupled, complex acoustic openings with sufficient image resolution can be designed, implementing them with the sole fact of properly defining the electrode of the active part of the piezocomposite material.
- the device being multichannel and programmable, can focus at different depths, concentrate the energy in different volumes and apply physiotherapeutic doses according to clinical protocols of intensity and time, also makes ultrasound images with sufficient resolution to locate the area of interest and direct by focusing to said area the therapeutic dose.
- ultrasound is the most widely used technique together with magnetotherapy, shortwave and laser. Apart from its use in physiotherapy, it is also commonly used by the numerous therapists of other professional groups (for example, osteopaths and chiropractors). Different surveys conducted among physiotherapists in countries such as Australia or Great England show this reality [Therapeutic ultrasound in soft tissue lesions, C. A Speed, Rheumatology, 2001, 40, 1331-1336.]. It is estimated that currently one million ultrasound physiotherapy treatments are carried out in England, 20% of all physiotherapy treatments in the National Health Service of the United Kingdom and 54% of all private physiotherapy treatments. There are 7,000 registered physiotherapists per 10 million inhabitants in the EU, almost all of them using ultrasound as a physiotherapeutic method.
- the physiotherapy devices used today consist essentially of a high frequency continuous or pulsed electric generator and a monoelement ultrasonic transducer that is applied to the body through a ge! of coupling. These transducers produce a radiation profile whose intensity has a well-known distribution under free field conditions, both for the case of pulsed and continuous wave, which essentially corresponds to the distribution of acoustic intensity of a circular piston. In the near field, which is the area of interest, the radiation presents a pattern with relative maximum and minimum values of intensity distributed in the soundproofing volume. This makes irradiation not Homogeneous, no transducers with a modified aperture with an external lens or with a geometry formed by a number of independent elements distributed on a geometrically focay surface are used.
- Piezocomposites are pyroelectric materials that have different characteristics, they are composed of at least two phases: an active one that is a piezoelectric ceramic and a passive one that is usually a polymer. In the simplest biphasic case, there is a wide variety of structures that are defined using the concept of connectivity in the Cartesian directions.
- a piezocomposite formed by piezoceramic bars in one direction surrounded by a polylinear matrix is of the type 1 -3, since the piezoceramic material is connected only in one direction while the matrix is connected in the three Cartesian directions.
- the piezoceramic material must be suitable for power applications with low mechanical and electrical losses.
- the matrix should preferably be mechanically insulating.
- An aspect of the invention is an ultrasonic multichannel ultrasound scanning apparatus comprising an ultrasonic transducer characterized in that it has an active element a piezocomposite.
- the device can generate acoustic intensity with levels up to 3 W / cm 2 (30000W / m 2 ) and in a frequency range between 0.5 MHz and 5 MHz, comprise up to 64 active elements with a piezocomposite type 1 -3, of emission surface flat.
- the piezocomposite is manufactured from a piezoelectric material type PZT4.
- the apparatus may comprise a transducer temperature control apparatus.
- Another aspect of the invention is an ultrasonic method using the apparatus of the invention comprising the following steps:
- the procedure may comprise the following steps:
- the transducer can be excited with a signal that includes counter-phase cycles and a frequency analysis of the ultrasound signals of the echoes that pass through the soundproofed tissue can be performed.
- an aspect of the present invention constitutes a multichannel ultrasonic ultrasound scanning apparatus comprising an ultrasonic transducer whose active element is a piezocomposite.
- the transducer preferably generates acoustic intensities with levels up to 3 W / cm 2 and in a frequency range between 0.5 MHz and 5 MHz.
- Piezocomposites instead of single piezoceramic resonators, are introduced into an ultrasonic transducer in the present invention for use in medical physiotherapy applications. This allows to improve the electromechanical efficiency and is a practical solution to make a two-dimensional array that can change the type of opening in the manufacturing process by changing only the design of the electrode responding all the elements of the array at the same frequency regardless of their lateral dimensions.
- the array elements based on a piezocomposite are mechanically isolated from each other which makes the opening designed with the electrode faithfully reproduced as an acoustic opening.
- the device a! Being multichannel and programmable, it can focus at different depths, focus on energy in different volumes and apply physiotherapeutic doses according to clinical protocols of intensity and time, also allows ultrasound images with sufficient resolution to locate the area of interest and direct by targeting said area the therapeutic dose.
- piezocomposites instead of piezoceramics is an effective solution to be able to design an array with ultrasound and phytotherapeutic capacity at these frequencies since since the material is mechanically decoupled, complex acoustic apertures with sufficient image resolution can be designed by simply using them. properly define the electrode of the active part of the piezocomposite material. It also facilitates the possibility of use part of the opening of! Ultrasonic transducer to make an image and a different one to sound without modifying anything other than the electrode.
- the proposed apparatus consists of two subsystems: ultrasonic transducer and control electronics.
- the apparatus and procedure that are proposed for the application of ultrasound focused on physiotherapy and the obtaining of acoustic images of the treatment area, are suitable for treatments of both thermal type and those grouped under the concept of non-thermal.
- another aspect of the invention is the use of the system for the diagnosis and treatment of musculoskeletal injuries, the application of stress or other stimuli that produce modifications in the cell membrane, acceleration of the soldier of bone fractures in their early stages of healing, thrombi in blood vessels or biofilms formed in prostheses, when the area to be treated is not shielded by reflective structures, such as bones or gaseous cavities.
- Figure 1 Piezocomposite in the case of a 64 monoelements design.
- Figure 2. Ultrasonic transducer with eight monoelements with circular symmetry.
- Figure 3. Simulation of the Relative Emission Transfer Function - gray level - of the array between 0 and 5 MHz as a function of the thickness of the aluminum adaptation layer between 0 and 2 mm.
- FIG. 1 System diagram in simple version: application of focused and programmable physiotherapy.
- Figure 6. System diagram in the dual version: ultrasound imaging and physiotherapy.
- Figure 9. A - Simulation of the distribution of the acoustic pressure field of the array of 8 elements focused on water at 50 mm at 1 MHz.
- B Distribution in the plane perpendicular to the propagation at the focal distance in relative units.
- C The distribution of the pressure field along the propagation axis in relative units.
- D Comparison with non-focused array distribution.
- Figure 10 A- Measurement of the acoustic pressure field distribution of an 8-element array prototype without applying delays and therefore without focusing with a frequency of 1 MHz. Measured surface, 100x60 mm 2 . B- Distribution in the plane perpendicular to the 50 mm propagation in relative units. C- Measurement of the acoustic pressure field distribution focusing on water at 50 mm. D- Distribution in the plane perpendicular to the focal length propagation in relative units.
- Figure 1 Performed test of distribution of the heat produced inside by soundproofing a material that simulates a soft human tissue
- the x and y axes show the measured plane and its dimensions, 80 mm being the depth measured in the material and 30 mm the width of said plane.
- the vertical axis shows the temperature increase for a soundproofing of 60 seconds.
- the gray scale temperature scale can be seen to the right of each figure.
- the ultrasonic transducer is an array transducer with a number of equal active monoelements and with a specific geometry in each case - manufactured based on a piezocomposite shown in Figure 1.
- the acoustic opening of the ultrasonic transducer is configured by means of an electrode (1) that is placed glued on the surface of the piezocomposite (3).
- the number of active elements of the array, monoelements (2), with a minimum of eight, depends on the frequency of the ultrasound to be used, the maximum acoustic intensity to be used and the resolution of the image.
- the frequency is related to the thickness of the piezocomposite (3).
- the array has an emission surface and therefore flat application.
- the size and number of monoelements (2) as well as the diameter together with the frequency define the resolution of the images both in depth and laterally. At Sound intensity range and frequency of this invention, the number of monoelements (2) for an opening less than 30 mm in diameter, may be equal to or less than 64.
- the transducer is manufactured with a hard type piezoceramic ( type PZT4), formed as composite 1 -3 with a foam matrix with good thermal conduction characteristics of density less than 500kgr / m3, resistant to temperatures below 70 degrees Celsius, which mechanically isolates the monoelements of the composite.
- the piezocomposite (3) is glued on a casing of metallic material (4) whose function is to create a transmission line between the piezocomposite (3) and the human body through the coupling gel layer, thus constituting the electrical ground point necessary for the application of the electrical signal to the piezocomposite (3) for the ultrasound to be generated.
- the transducer can be effective for working on a main frequency and a first harmonic.
- Figure 3 shows the relationship of the thickness of the housing with the module of the Emission Transfer Function (FTE) for the particular case of a 1 MHz ultrasonic transducer with an aluminum housing.
- FTE Emission Transfer Function
- thermocouple can be installed in the transducer to transmit its temperature, being able to interrupt the power supply and therefore the treatment when a programmed temperature is exceeded.
- the electrical connections of the monoelements are taken to a connection plate (5) mechanically isolated from the piezocomposite (3) to the UHF multi- connector (6) with connection cables (7).
- a thermocouple (8) is adhered, whose connection is taken to the bayonet multi-connector where the thermocouple connectors (9) and the array elements (10) are located.
- the transducer can be encapsulated in an ergonomic manipulator (1 1) in a material compatible with clinical practice - figure 4 - that facilitates its manipulation by physiotherapists, from which the multipair cable to the electronics (12).
- Each element of the array is physically configured by adhering the printed circuit with this geometry on the surface of the piezocomposite (3).
- the subsystem that includes the control electronics has two versions. The simplest for the application of focused and programmable physiotherapy (physiotherapy mode) and the most complete capable of acoustic imaging and physiotherapy (double version or image mode).
- another aspect of the invention is an ultrasonic method using the apparatus of the invention comprising the following steps: a) location of the area of interest,
- the electronic subsystem of the physiotherapy version consists of a digital control stage (13), a set of pulsed electrical signal generators (14) and a programmable power supply (15), figure 5.
- the digital control stage that communicates with the software hosted on the computer (16) through a specific interface, its function is to control the pulsed electrical signal generators (14) and the programmable power supply (15).
- the software calculates the focal law and the delays to be sent to the generators (14) for the application of physiotherapy according to the type of focus chosen, the depth (17) at which the area of the body is to be soundproofed (18) , the frequency and acoustic intensity chosen in this case.
- the signals of the generators (14) are programmed - including number and position of the monoelements of the array (19), frequency, amplitude of the electrical signal and cycle number, and the time of physiotherapy application. The operator then gives the start switch on the user interface.
- the transducer due to its array configuration and the piezocomposite material used, can efficiently focus from distances as short as 10 mm with focus widths from 1 mm.
- figure 6 in which the system generates ultrasound images and applies physiotherapy, another aspect of the invention constitutes the method of the invention that additionally comprises the following steps:
- excitation of the array with an electrical signal with a fixed delay law to focus up to a maximum depth of D 2 / 4 ⁇ with ⁇ being the inverse of the frequency used and D the diameter of the array, i) switching of power electronics by image electronics to visualize the area of interest,
- the excitation signal can be square pulses.
- a frequency analysis of the echographic signals of the echoes that pass through the soundproofed tissue can be performed.
- the electronic subsystem has a typical ultrasound configuration with a sector scan to which the electronic version of the simple version or physiotherapy mode is added.
- the system is used in image configuration, to calculate the depth to which it must be applied and then the signal parameters are programmed - amplitude, number of cycles and delay of each channel - to move to the physiotherapy configuration in which during the programmed time the therapeutic acoustic energy will be focused on the previously visualized area.
- the digital control stage (20) which communicates with the software (21) through a specific interface, has as a function in addition to the control of the pulsed electrical signal generators (22) and the programmable power supply (31 ) for the part of physiotherapy treatment, the control of the image formation process.
- the configuration of the signal generators (22) - number and position of the monoelements of the array (23), frequency, amplitude of the electrical signal and number of cycles - is programmed and the power supply of the signals is switched at low voltage (24).
- the electrical excitation signal for image formation or for the frequency treatment of the received echoes cannot be of the pulsed square wave type as usual, but must be synthesized according to a pattern that shortens the temporal response of the emitting transducer, increasing the frequency band of the Emission Transfer Function.
- the design of such a pattern, with a sequence that includes counter-cycles must adapt to each type of array and to the parameters of frequency and depth of each case.
- the type of scan is programmed including: number of elements, type of focus, scan angle in the case of sector scan, image depth and scan frequency.
- the echoes received by the array elements are amplified in the signal amplifiers (26), digitized (27)
- the position (30) of the area of the body (29) to be treated is located on the image (25). Located in the area, the system is ready to proceed to the application of physiotherapy.
- the type of focus, frequency, acoustic intensity and application time for each case are chosen.
- the software (21) then programs the number and position of the monoelements of the array (23), the delays the signals of the generators (22) - frequency, amplitude and number of cycles the power supply of the high voltage signals is switched (31) and treatment begins.
- the system is transferred to physiotherapy mode, the part of the image formation that is activated when the physiotherapy application ends is completely decoupled.
- the transducer must remain in the same position with respect to the area to be irradiated, so it must be mounted in a structure adapted to the external shape of that part of the body.
- the active opening of the array is 30 mm circular.
- the elements are coaxial, figure 7.
- the Piezoelectric material is a hard-type ceramic disk - Pz26, Ferroperm that has been mechanically modified to convert it into a piezocomposite of geometry 1 -3.
- the array has a module of the Emission Transfer Function, figure 8, typical that corresponds to that of a piezoelectric resonator adapted to an aqueous medium with a quarter-wavelength metal resonator and no rear attenuation section.
- the relative maximum at the point of greatest intensity in the focused case is five times greater than the highest of the case maximum. focused, which allows to lower the electrical signal of the generator to a fifth for the same dose of acoustic intensity. Since the power is proportional to the square of the pressure, this leads us to conclude that with equal voltage applied to the ultrasonic transducer, twenty five times greater energy efficiency is achieved for this geometry, transducer size and focus distance.
- Figure 10 shows the experimental measurement of the acoustic field distribution of an array prototype as described above, of 1 MHz band center (40). The measurement is carried out in a water tank, placing the array on the surface of the water and performing a 3D scan with a needle hydrophone - DAPCO - by means of a system of movements in the three Cartesian axes with 0.1 mm precision. The excitation is done with a SITAU LF - DASEL- multichannel system, programming the delays of the different focal distances by means of a software application made specifically. The measure in the case in which no delay law is used - figure 10A and figure 10B - and therefore the eight elements emit in phase, shows the behavior predicted in figure 9D.
- Figure 1 1A shows the distribution range of the temperature rise measured in the material using a non-focused 1 MHz array and excited 60 seconds with 100 cycle signals and 1 kHz repetition frequency.
- the temperature distribution field is shown in Figure 1 1 B when it is focused 50 mm from the surface of the simulated tissue. It can be seen how in the non-focused case the distribution of heat follows a pattern in which the maximum temperature is produced on the surface of the material occupying the entire opening of the array and decreasing into the material that simulates the human body. In a very different way, when the array is focused, the heat field in the volume shows a distribution in which it is concentrated in the surroundings of the focus, thus allowing to choose in which part of the body the temperature is to be raised and produce the physiotherapeutic effects sought.
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Abstract
Se describe un 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
APARATO Y MÉTODO PARA APLICAR ULTRASONIDOS
FISIOTERAPÉUTICOS FOCALIZADOS DE BAJA Y MEDIA INTENSIDAD GUIADOS POR IMAGEN ECOGRÁFICA EN TEJIDOS BLANDOS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
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 por el aparato 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 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 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 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. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los tratamientos de fisioterapia de tejidos blandos, los ultrasonidos son ia 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 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 ¡os 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 utilizando los ultrasonidos como método fisioterapéutico.
En ¡os 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 periodo. La aplicación de los ultrasonidos se asoció in cialmente a su capacidad para producir un aumento 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. Asi, por ejemplo, se ha demostrado que a intensidades bajas (inferior a 30 mW/cm2 - 300 VV/nr), 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 [LQW sntensity
pu!sed u!t sound for fracture healing: A review of the clínica! evidence and the assocíated bioÍogical mechanism of action A/e // M. Pounder , Andrew J. Harrison Uítrasonics 48 (2008) 330-338]. A intensidades acústicas intermedias, de 0.1 a 3 W/cm , (1000 a 30000 W/m ), conviven los efectos térmicos y otros denominados "físicos". De un lado, con esta intensidad se pueden producir elevaciones de temperatura de hasta 3°C 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 , Loreío B. Fersl Jr., Yuríka !keda-Dantsuji , Uítrasonics 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 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 generador eléctrico de alta frecuencia de onda continua o pulsada y un transductor ultrasónico monoelemento que se aplica al cuerpo a través de un ge! 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 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 sí 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 focaíizadora.
Estos sistemas ultrasónicos son objeto de la norma de medida internacional ÍEC 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 ínsonifícación - colimada, focalizada o divergente - y los parámetros del haz acústico útiles para conocer los niveles de energía y la homogeneidad y distribución de la misma en el volumen de interés del cuerpo ínsonifícado. 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 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 experiencia de cada fisioterapeuta teniendo en cuenta datos experimentales de dosis obtenidos en condiciones que nada tienen que ver con ¡as 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 e! 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 habitualmente en fisioterapia, localizar por imagen la zona de interés y aplicar en la misma la energía ultrasónica aconsejada en ios 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 3 W/cm2 (30000 W/m2), HIFU o Ultrasonidos Focalizados de Alta Intensidad, ha hecho aparecer una gran cantidad de documentos de patentes y equipos comerciales que en algunos casos podrían ser utilizados en el rango de baja energía para aplicaciones de fisioterapia [US 6428477 B1 y US 201 1 144545 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 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 °C. Estos niveles destructivos son tan críticos que incluso se utiliza imagen por resonancia magnética para guiar la aplicación de la insonificacíón HIFU - ExAbiate® 2000 Sightec Ltd (2 Noviembre de 2013 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 imagen. Para frecuencias superiores a 5 MHz, la imagen ecografica 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 piezocomposítes son materiales píezoeléctricos que presentan diversas particularidades, están compuestos por al menos dos fases: una activa que es una cerámica piezoeléctrica y 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 poliniérica, 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 material piezocerámico ha de ser adecuado para aplicaciones de potencia con bajas pérdidas mecánicas y eléctricas. La matriz preferiblemente ha de ser aislante mecánicamente.
DESCRIPCIÓN 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 piezocomposite.
El aparato puede generar intensidad acústicas con niveles de hasta 3 W/cm2 (30000W/m2) 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. Asimismo 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,
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 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 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,
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 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,
Tal y como se ha descrito constituye un aspecto de la presente invención un aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico cuyo elemento activo es un 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 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 piezocomposite están aislados mecánicamente entre sí lo que hace que la apertura diseñada con el electrodo se reproduzca fielmente como apertura acústica. El aparato a! ser multicanal y programabíe, puede focalizar a distintas profundidades, concentrar ¡a energía en volúmenes diferentes y aplicar dosis fssíoterapéuticas según protocolos clínicos de intensidad y tiempo, además permite realizar imágenes ecográficas con resolución suficiente como para localizar la 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 fissoterapéutica a estas frecuencias ya que al estar el material desacoplado mecánicamente se pueden diseñar aperturas acústicas complejas con suficiente resolución de imagen smplementándolas 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 de! transductor ultrasónico para hacer imagen y otra distinta para insonificar sin modificar nada más que el electrodo del mismo.
El aparato propuesto consta de dos subsistemas: transductor ultrasónico y la electrónica de control.
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 21 st Century Phenomenon, Ultrasonics 48 (2008) 233)- . Ello es debido a los rangos de frecuencia y potencia propuestos, al hecho de que 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 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 DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 . Piezocomposite en el caso de un diseño de 64 monoelementos.
Figura 2. 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. 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 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- Medida de la distribución del campo de presión acústica de un prototipo de array de 8 elementos sin aplicar retardos y por tanto sin focalizar
con una frecuencia de 1 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.
Figura 1 1 . Ensayo realizado de distribución del calor producido en el interior al insonificar un material que simula un tejido humano blando A) Campo de aumento de temperatura volumétrico medido en el material usando un array de 1 MHz no focalizado y excitado 60 segundos con señales de 100 ciclos y 1 kHz de frecuencia de repetición. B) Campo de distribución de temperatura con los parámetros anteriores cuando se focaliza a 50 mm de la superficie del tejido simulado. Los ejes x e y muestran el plano medido y sus dimensiones, siendo 80 milímetros la profundidad medida en el material y 30 mm el ancho de dicho plano. El eje vertical muestra el incremento de temperatura para una insonificación de 60 segundos. A la derecha de cada figura puede verse la escala de temperatura en escala de grises.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
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 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. 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 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 aisla 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 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 piezocomposite (3). En función del espesor de esa carcasa (4), el transductor puede ser efectivo para trabajar en una frecuencia principal y un 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 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 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 (1 1 ) 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 (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,
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
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 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 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 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,
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, 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.
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 - 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 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 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, 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 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 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.
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 transductor.
Se ha utilizado un transductor array de ocho elementos a 1 MHz. La apertura activa del array 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 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.
- 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 dicha distribución (32) con la de un transductor con un solo monoelemento con la misma área efectiva de radiación (33), figura 9D. Se usa una señal de 20 ciclos modulada en amplitud con una ventana Hanning. Puede apreciarse que para este caso de 1 MHz, 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 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 logra para esta geometría, tamaño de transductor y distancia de foco un rendimiento energético veinticinco veces mayor.
En la figura 10 se muestra la medida experimental de la distribución de campo acústico de un prototipo de array como el descrito anteriormente, de 1 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 0.1 mm. La excitación se hace con un sistema multicanal SITAU LF - DASEL-, programando los retardos de las distintas distancias focales mediante una aplicación software realizada específicamente. La medida en el caso en el que no se usa ninguna ley de retardos -figura 10A y figura 10B- 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 10C y figura 10D- 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 es operativo para insonificar focalizadamente y obtener imagen hasta profundidades no superiores a 100 mm en el caso de 1 MHz. Se ha realizado un ensayo de la distribución focalizada del calor producido en un material que simula un tejido blando - TMM- al ser insonificado. El material tiene como base agar-agar y partículas micrométricas sólidas inorgánicas. En el interior de dicho material se introducen ocho termopares separados 10 mm según el eje de propagación de la radiación ultrasónica.
En la figura 1 1A se muestra el campo de distribución del aumento de temperatura medido en el material usando un array de 1 MHz no focalizado y
excitado 60 segundos con señales de 100 ciclos y 1 kHz de frecuencia de repetición. En la Figura 1 1 B se muestra el campo de distribución de temperatura cuando se focaliza a 50 mm de la superficie del tejido simulado. Puede apreciarse cómo en el caso no focalizado la distribución de calor sigue un patrón en el que la máxima temperatura se produce en la superficie del material ocupando toda la apertura del array y disminuyendo hacia el interior del material que simula el cuerpo humano. De forma bien distinta, cuando se focaliza el array, el campo de calor en el volumen muestra una distribución en la que el éste se concentra en los alrededores del foco, permitiendo por tanto elegir en qué parte del cuerpo se quiere elevar la temperatura y producir los efectos fisioterapéuticos buscados.
Claims
1 . Aparato ultrasónico multicanal de exploración ecográfica que comprende un transductor ultrasónico caracterizado porque tiene como elemento activo un piezocomposite.
2. Aparato según la reivindicación 1 que genera intensidades acústicas con niveles de hasta 3 W/cm2 (30000W/m2) - y en rango de frecuencia - entre 0.5 MHz y 5 MHz.
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. Aparato según la reivindicación 3 donde el piezocomposite está fabricado a partir de un material piezoeléctrico tipo PZT4.
5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende un aparato de control de temperatura del transductor.
6. Procedimiento ultrasónico que utiliza un aparato como se define en 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, 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 previamente.
7. Procedimiento según la reivindicación 6 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,
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 hasta una profundidad máxima de D2 /4λ siendo λ
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,
8. Procedimiento según la reivindicación 7 en el que se excita al transductor con una señal que incluye ciclos a contrafase.
9. Procedimiento según cualquiera 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.
10. Utilización del aparato mediante el procedimiento de las reivindicaciones 6 a 9 para terapia y/o diagnóstico.
1 1 . Utilización según la reivindicación 10 en lesiones musculoesqueléticas.
12. Utilización según la reivindicación 10 para el estudio y modificación del estrés en la membrana celular.
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.
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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