医療用超音波センサーとトランスデューサーの市場投入までの時間を短縮

アミール・R・ミルザ博士著

2023 年 5 月 22 日

14:00

現在、超音波技術は、手術器具からネブライザー、病院や家庭用の透析装置に至るまで、医療機器市場に広く浸透しています。

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超音波は、超音波イメージングなどの診断用途と、2027 年までに市場規模が 4 億 8,600 万ドルに達すると報告されている HIFU (高密度焦点式超音波) などの治療用途の両方に使用されています。

超音波技術の最大の単一市場は超音波イメージングで、2021 年の市場規模は 79 億ドルで、2030 年までに 145 億ドルに成長すると予測されています。もう 1 つの主要な成長市場は超音波電気外科器具で、2021 年の収益は 38 億 6,000 万ドルでした。

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超音波技術は血液透析や腹膜透析で広く使用されています。 CDC によると、米国では成人 7 人に 1 人が慢性腎臓病に罹患しています。 WHO によると、世界の 60 歳以上の人口は 2015 年の 9 億人から 2050 年までに 20 億人に達するため、在宅透析も重要な成長分野になりつつあります。

超音波技術は、ライン内の気泡の検出、液体の流れ、レベル検知など、医療機器の流体管理に特に強力です。 たとえば、機器内の血流を測定する場合、超音波流量センサーと患者の血液自体は接触しません。 多くの場合、医療用途では、光学式、機械式、または容量性センシング技術よりも超音波が優先されるソリューションです。

超音波における数値コンピューターモデリングの重要性

超音波センサーとトランスデューサーの製品開発時間を短縮するための重要な要素は、最新の数値コンピューター モデリング ソフトウェアの使用です。 超音波デバイスは、機械的応力に応じて電場を生成することができるセラミック材料である圧電材料をベースにしており、またその逆も同様です。

圧電コンポーネントは通常、電気エネルギーが機械エネルギーに最も効率的に変換される周波数である共振モードで動作します。 ただし、圧電プレートとディスクを励起して共振させると、機械システム内にさまざまな共振モードが作成される可能性があるため、目的の共振モードを最適化し、他の共振を区別するにはコンピュータ モデリングが不可欠です。

たとえば、超音波トランスデューサアセンブリは圧電セラミックディスクと金属またはプラスチックコンポーネントで構成されるため、数値モデリングに対するマルチフィジックスアプローチを採用する必要があります。 したがって、コンピュータモデリングでは、電気信号、圧電効果（電気信号の機械的応力への変換）、機械システム全体の熱機械的挙動など、関連するさまざまな領域を考慮する必要があります。 このマルチフィジックス ソリューションは、適切な制御電子機器を設計するために、一次共振周波数、インピーダンス、静電容量、Q ファクターなどの必要な情報を電子設計者に提供する必要があります。

圧電セラミック コンポーネントの性能は、機械弾性定数、誘電特性、結合係数 (電気と機械の結合) などの幅広い基本的な材料特性と、セラミック ディスクおよびプレートの寸法制御によって決まります。 これらのパラメータはすべて、圧電セラミックの製造プロセス自体に依存します。 コンピュータ数値モデリングの価値は、これらの材料特性と機械特性、およびそれらの許容差の再現性によって決まります。 製造パフォーマンスに対して調整されていないコンピューター モデルでは、正確なモデリングや初回の成功ではなく、試行錯誤のアプローチを使用する必要があるため、製品開発のリードタイムが長くなるだけです。

圧電セラミック材料と製造の管理が鍵

圧電セラミック材料は、粉末、結合剤、添加剤の複雑な混合物であり、コンポーネントの圧電​​感度、静電容量、誘電損失、および電力処理の点で望ましい性能が得られるように微調整されています。 チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) は、電子用途に最も一般的に使用される圧電セラミックです。 世界の圧電材料市場は、2021 年に 15 億 1,000 万ドルと評価されています。

PZT 材料は、優れた感度と温度性能を提供するだけでなく、医療、自動車、産業、防衛などの市場向けのさまざまな電子アプリケーションに対して機械的に堅牢です。

PZT プレート、シリンダー、ディスクを作成する実際の製造プロセスは、多くのステップで構成されます。 これらには、研削、焼結、成形と機械加工、高温 (1000°C 以上) での焼成、電極を形成するためのメタライゼーション、および圧電動作を可能にする高電圧分極が含まれます。 最終的なセラミック材料の正しい均質性と形態を可能にするためには、材料の混合だけでなく、原材料の純度や管理も重要です。 基板の平行度などの厳密な寸法制御は、圧電セラミック コンポーネントから最高の性能を引き出す上で重要な役割を果たします。

これらの多くの製造ステップまたは入ってくる原材料にわたって適切な制御が維持されない場合、圧電セラミックの性能に大きなばらつきが観察されます。 その結果、プロセスの歩留まりが低下するため、製造コストが増加します。

この圧電セラミックのばらつきは、最終的なトランスデューサ アセンブリの歩留まりや、初めて成功する新製品を設計するためにコンピューティング モデリングに依存する能力にも影響を与える可能性があります。 したがって、製品開発時間を短縮し、製品が量産に入った後の高い歩留まりを維持するには、部品段階と最終組み立て段階の両方で、圧電セラミックの製造プロセス自体を制御することが重要です。 理想的には、医療市場への超音波センサーまたはトランスデューサーのサプライヤーは、モデリング/設計から圧電セラミックの製造、最終製品の組み立てとテストに至るまで、製品プロセスを完全に制御できる必要があります。

一貫した製品パフォーマンスを達成し、市場投入までの時間を短縮します

超音波センサーとトランスデューサーは幅広い商業市場で使用されていることがわかります。 しかし、患者が医療用センサー、機器、器具の一貫した性能に依存する医療用途では、製品の信頼性が極めて重要です。

図 1 は、医療機器用途向けに CeramTec が設計した超音波トランスデューサの共振周波数の製造公差の例を示しています。 ここでは、共振周波数がほとんど変動せずに適切に制御されていることがわかります。 同じデバイスが図 2 に示されていますが、今回はトランスデューサのインピーダンス (オーム) がプロットされており、このパラメータも適切に中心にあることが示されています。 圧電セラミック材料と製造におけるこのレベルの一貫性により、超音波設計エンジニアは、最終的な組み立てとテストで予測可能な性能と高い歩留まりを備えた医療機器を開発できるようになります。

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上記の予測可能性により、最終的には全体的な開発コストと時間が削減され、設計が量産用にリリースされる際の製造コストも削減されます。 図 3 (上) は、圧電セラミック材料の性能が一貫していない場合に何が起こるかを示しています。つまり、圧電セラミック材料の特性に関する特定の仮定に基づいてコンピュータ モデリングが行われ、特定の設計が得られる連続サイクルが発生する可能性があります。 その後、数か月後になる可能性がありますが、圧電セラミック ディスクまたはプレートが製造、組み立て、テストされます。

ただし、最終製品のパフォーマンスは、モデリングで予測されたほど期待どおりではありません。 したがって、実際のピエゾ材料の性能に合わせて設計が変更されます。 その後、このサイクルが繰り返され、数か月後に、修正された設計と新しいバッチのピエゾ材料に関するデータが収集されます。

最終的に、このアプローチは、要求より広い仕様または過度に設計された非効率なトランスデューサ設計につながり、性能が変動するトランスデューサ設計で補償できる高出力で高価な制御電子機器を必要とする可能性があります。

最悪の場合、医療機器が生産開始された後にこれらの教訓が得られる可能性があります。 したがって、超音波部品サプライヤーの設計から最終的な量産までの全能力を理解することが重要です。

要約すれば

超音波は、重要な患者用途において独自の利点をもたらす医療機器用の強力な技術です。 新しい革新的な超音波センサーとトランスデューサーを設計するには、高度なマルチフィジックス数値コンピューター モデリングの使用をお勧めします。 これらのモデリング ツールは、試行錯誤的なアプローチによる設計を避けるために、再現可能な基本的な圧電セラミック材料特性に大きく依存しています。 圧電セラミックの材料と機械的特性は、入ってくる原材料の厳格な品質管理と、粉末から機械加工セラミックの完成品に至るまでの多くのプロセスステップによってのみ制御できます。 設計プロセスまたは圧電セラミック製造における制御の欠如は、最終的に製品開発時間とコストの増加につながるだけでなく、製品が量産用にリリースされるときの最終的な単価の上昇にもつながります。

CeramTec は、6 月 7 ～ 8 日にバーミンガムの NEC のスタンド B10 で開催される Med-Tech Innovation Expo に出展します。 無料で登録するには、www.med-techexpo.com にアクセスしてください。

アミール・R・ミルザ博士著

2023 年 5 月 22 日

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