Un instrumento musical miniaturizado mejora la imagenología con ultrasonido

Un estudio nuevo muestra que el ancho de banda de los transductores ultrasónicos acoplados por aire puede mejorarse sin pérdida de sensibilidad al conectar tubos de resonancia de varias longitudes a una cavidad central, imitando un órgano de tubo.

Investigadores de la Universidad de Strathclyde (Reino Unido) desarrollaron una modificación de transductor ultrasónico micromaquinado piezoeléctrico (PMUT), que consiste en una película delgada de fluoruro de polivinilo sobre una placa posterior diseñada por estereolitografía. El diseño se inspiró en un órgano de tubos, donde la frecuencia de resonancia de cada tubo está determinada principalmente por su longitud. El ancho de banda de 6 dB del PMUT acoplado es 55,7% y 58,5% en los modos de transmisión y recepción, respectivamente, aproximadamente cinco veces más ancho que un dispositivo estándar personalizado.

Los diseños se desarrollaron y ensayaron utilizando modelos matemáticos y simulaciones por computadora para acelerar el proceso y se imprimieron utilizando técnicas de fabricación de aditivos tridimensionales (3D). Los investigadores agregaron que si bien el desarrollo se encuentra en una etapa temprana, la tecnología podría tener implicaciones significativas en el diseño de audífonos, en sonares subacuáticos y en evaluaciones no destructivas (ECM) de estructuras críticas de seguridad, como las plantas nucleares. El estudio fue publicado en la edición de octubre de 2018 de la revista IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.

“Los instrumentos musicales tienen una gran variedad de diseños, pero todos tienen una cosa en común, emiten sonido a través de una amplia gama de frecuencias. Así que hay un tesoro de ideas de diseño para los futuros sensores de imágenes médicas que esperan ser descubiertos entre esta amplia gama de diseños”, dijo el coautor del estudio, el profesor Tony Mulholland, PhD. “Los escáneres de ultrasonido funcionan con una sola frecuencia, y esto explica en parte la resolución relativamente deficiente que se ve. Si tuviéramos un escáner que pudiera emitir ondas en una amplia gama de frecuencias, esto proporcionaría una mejora notable en la capacidad de generación de imágenes”.

“Los instrumentos musicales crean sonidos en una amplia gama de frecuencias y han sido diseñados cuidadosamente a lo largo de los siglos para que sean muy eficientes al hacerlo. Es bien sabido que las tuberías de mayor frecuencia son las más pequeñas en longitud, como por ejemplo en un píccolo. Entonces, para darse cuenta de las frecuencias que están más allá del oído humano, las ondas de ultrasonido, la longitud debe ser muy pequeña, de milímetros”, dijo el autor principal, el profesor James Windmill, PhD, del Centro de Ingeniería Ultrasónica. “Esto sería extremadamente difícil de construir utilizando técnicas de fabricación tradicionales, como las que se usan para construir instrumentos musicales. El uso de impresoras 3D de alta resolución nos permite probar nuevos diseños con ciclos de desarrollo mucho más rápidos”.

Mientras que los transductores piezoeléctricos de cerámica estándar utilizan resonancias en modo de grosor, los PMUT tienen una película delgada y flexible para transmitir y recibir ondas de ultrasonido, y tienen un mejor desempeño en el aire porque la película flexible es más fácil de acoplar a los medios, con una impedancia mecánica más cercana. Y como la película almacena mucha menos energía cinética que las piezocerámicas a granel, los PMUT tienen anchos de banda más grandes cuando están en resonancia. La deflexión de la membrana PMUT es causada por la tensión lateral de su capa piezoeléctrica.

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Universidad de Strathclyde