Transductor de ultrasonidos de frecuencia dual.

Un transductor (10) de ultrasonidos de frecuencia dual, que comprende

un substrato (14);

y

un único elemento (12) piezoeléctrico unido al substrato, donde el diámetro del substrato es mayor que el diámetro del elemento piezoeléctrico ;

medios capaces de excitar al transductor en un modo de resonancia de flexión mecánica de baja frecuencia aplicando una tensión al elemento piezoeléctrico, que incluye una componente oscilatoria de baja frecuencia en el rango de 20 kHz a 500 kHz; y

medios capaces de excitar al transductor en un modo de resonancia de espesor de alta frecuencia aplicando una tensión al elemento piezoeléctrico, que incluye una componente oscilatoria de alta frecuencia en el rango de 500 kHz a 5 MHz.

Transductor de ultrasonidos de frecuencia dual

Campo de la Invención La invención se refiere a un transductor para emitir ultrasonidos de alta y de baja frecuencia y a sistemas de montaje para dicho transductor que permiten mayor profundidad de penetración de los ultrasonidos emitidos a la menor frecuencia de ultrasonidos.

Antecedentes de la Invención Los ultrasonidos aplicados a la piel tienen dos efectos principales. Primero, se produce cavitación por el campo de presiones que oscila con rapidez, provocando formación y colapso de burbujas, la cual crea mecánicamente canales a través de la capa córnea de la epidermis. El segundo efecto es el calentamiento directo del material a través del cual viajan las ondas sonoras, debido a atenuación de la energía acústica por reflexión, absorción y dispersión. En la piel, debido a su heterogeneidad, esto ocurre hasta cuatro veces más que en otros tejidos. Se sabe que el calentamiento rompe el sistema de bicapa lipídica de la capa córnea contribuyendo también a la mayor permeabilidad de la epidermis.

Se sabe que se pueden usar ultrasonidos para introducir moléculas en la piel. Cuando se usan ultrasonidos en este contexto se utiliza el término “sonoforesis”. La permeabilidad de la piel aumenta por rotura de los lípidos intercelulares por calentamiento y/o tensión mecánica, y por el aumento de porosidad. Los ultrasonidos en modo continuo con una intensidad de 1 W/cm2 elevan la temperatura de tejido situado a una profundidad de 3 cm hasta aproximadamente 40ºC en 10 minutos. Para moléculas más pequeñas, tales como el manitol, el aumento de la penetración a través de la piel se produce cuando se aplican ultrasonidos como un tratamiento previo a la aplicación de la molécula o de forma simultánea: mientras que para moléculas grandes como la insulina, sólo se ha registrado aumento de la penetración durante la aplicación de ultrasonidos.

Los tratamientos cosméticos que tienen por objetivo mejorar la calidad de la piel también se ven dificultados por la función de barrera de la epidermis y en particular de la capa córnea exterior. La epidermis proporciona una barrera mecánica y química significativa al paso de soluto debido a la bicapa lipídica/célula cornificada. Asimismo, existe una significativa actividad enzimática en la epidermis y en la dermis, la cual proporciona una defensa bioquímica para neutralizar xenobióticos aplicados y que es similar a la del hígado en términos de actividad por unidad de volumen. Además, se sabe que la masa molecular de las substancias activas es importante para la determinación de su propensión a difundirse a través de la piel. Se sabe que la difusión de substancias de masa molecular aproximadamente 500 Da y mayor es ineficiente. Se han descrito métodos y aparatos que implican ultrasonidos para ser usados en cosmética de la piel y en tratamientos médicos.

Para que sea efectivo, el tratamiento para condiciones cosméticas de la piel, tales como envejecimiento de la piel y daños producidos por el sol, debe suministrar substancias activas al menos a la profundidad de la dermis superior (dermis papilar) y, por lo tanto, el tratamiento debe emplear un mecanismo para superar esta efectiva barrera física y bioquímica, incluso cuando se ha deteriorado con la edad.

Cada vez más, los ultrasonidos de baja frecuencia (por ejemplo <100 kHz) están siendo reconocidosa como más efectivos en mejorar la administración transdérmica de medicamentos/solutos (sonoforesis) debido a su mayor modo mecánico/no-térmico de cavitación y a su mayor flujo acústico. Estos mecanismos crean canales temporales y fuerzan a los solutos a pasar a través de la por lo demás impermeable capa córnea de la piel. Las frecuencias mayores también tienen algunas ventajas en administración de soluto pero esto se atribuye en gran medida a más efectos térmicos que rompenb los lípidos intercelulares.

a Mitragotri et al., 1996, Transdermal drug deliver y using low frequency sonophoresis, Pharm. Res., 13, 411-420. b Lavon & Kost, 2004, Ultrasound and transdermal deliver y , Drug Discover y Today, 9 (15) , August.

Tradicionalmente se han empleado frecuencias mayores, típicamente 1-3 MHz, para conseguir efectos terapéuticos por ejemplo en fisioterapiac. Esto es debido a su capacidad de mejorar la vascularización, la expresión de proteínas y las respuestas citocinéticas en las células. La mayoría de los aparatos de fisioterapia adoptan frecuencias en el rango de las altas frecuencias y pueden suministrar 1 MHz ó 3 MHz o ambas frecuencias (desde componentes transductores independientes) . Raramente se usan frecuencias por encima de 3 MHz ya que sólo una proporción pequeña de la energía acústica será suministrada a zonas objetivo en las que se necesitaría fisioterapia tales como músculos y ligamentos. Típicamente, los valores de semiespesor (profundidades a las cuales las respectivas frecuencias disminuyen hasta el 50% de su intensidad original) para 1, 3 y 5 MHz son respectivamented 9 cm, 2, 5 cm y 1, 25 cm a través de tejido homogéneo, lo que indica que sólo objetivos de tejido blando se beneficiarían de frecuencias de 3 MHz o mayores.

c Kitchen S S, Partridge C J. A review of therapeutic ultrasound. Physiotherapy. 1990; 76:593-600.

d Ultrasonics Biophysics, Gail ter Haar, Physical Principles of Medical Ultrasonics. Edited by C. R. Hill. J. C. Bamber and G. R. ter Haar. ©2003 John Wiley & Sons, Ltd: ISBN 0 471 97002 6

La separación estricta de categorías de aplicación entre baja frecuencia (administración de soluto) y alta frecuencia (terapia) no es completamente apropiada ya que ambos rangos de frecuencia tienen eficacia tanto en administración como en terapiad. Sin embargo, se reconoce que los dos rangos de frecuencia interaccionan con tejido duro y blando de maneras predominantemente diferentes: es decir, baja frecuencia – a través de efectos mecánicos/no-térmicos; y alta frecuencia – a través de efectos térmicos.

Para el tratamiento de condiciones cutáneas, es deseable ser capaz a la vez de ejercer un efecto terapéutico en la piel (por ejemplo, mayor vascularización y expresión de proteínas) y de mejorar la administración de substancias activas dirigidas al interior de la piel y a través de ella. Por lo tanto, es lógico que un tratamiento de ultrasonido dermatológico utilice ambos rangos de frecuencia para producir máxima eficacia, en especial cuando se usa con un gel de acoplamiento que contiene substancias activas dirigidas a esa condición específica.

Tradicionalmente, los dispositivos terapéuticos de ultrasonidos que son capaces de emitir más de una frecuencia han estado limitados a altas frecuencias, por ejemplo 1 y 3 MHz. La máquina Chattanooga Intellect Legend Dual Frequency Ultrasound es un ejemplo. Se ha desarrollado y comercializado un dispositivo para emitir tanto una baja frecuencia como una alta frecuencia; siendo este dispositivo la unidad ‘Duoson’ de la empresa SRA Developments, la cual opera a 45 kHz y a 1 MHz.

El dispositivo Duoson tiene elementos transductores contiguos en el espacio que comprenden un transductor de alta frecuencia (1 MHz) circular situado en posición central y un transductor anular de baja frecuencia (45 kHz) que rodea al transductor central. Al igual que con otros dispositivos terapéuticos de ultrasonidos, este dispositivo de ultrasonidos de frecuencia dual tiene un cabezal/sonda de mano que requiere manipulación/movimiento manual constante para tratar zonas del cuerpo.

El movimiento constante de los dispositivos de mano es importante para evitar sobreexposición y subexposición. La sobreexposición puede provocar daños por sobrecalentamiento/térmicos y también que se creen ondas estacionarias con el potencial de provocar lisis de células. Por el contrario, la subexposición reducirá la cantidad de energía ultrasónica recibida por una zona concreta del cuerpo y por lo tanto provocará beneficios terapéuticos reducidos.

El depender del movimiento manual del dispositivo es poco fiable y no puede garantizar una cobertura uniforme y por lo tanto una exposición uniforme. Algunas zonas no recibirán el mismo nivel de tratamiento que otras y dependen mucho de las capacidades del profesional médico para mantener el dispositivo en movimiento a una velocidad uniforme constante, potencialmente durante un periodo de tiempo de 20-30 minutos. Esta manipulación puede provocar fatiga en brazo/muñeca/mano y por lo tanto un tratamiento no uniforme del paciente.

Esto sería un problema incluso mayor si un dispositivo requiriera emisión de dos regímenes de frecuencia y los dos transductores estuvieran configurados uno junto al otro. En este caso, zonas de piel... [Seguir leyendo]

1. Un transductor (10) de ultrasonidos de frecuencia dual, que comprende un substrato (14) ; y

un único elemento (12) piezoeléctrico unido al substrato, donde el diámetro del substrato es mayor que el diámetro del elemento piezoeléctrico ;

medios capaces de excitar al transductor en un modo de resonancia de flexión mecánica de baja frecuencia aplicando una tensión al elemento piezoeléctrico, que incluye una componente oscilatoria de baja frecuencia en el rango de 20 kHz a 500 kHz; y

medios capaces de excitar al transductor en un modo de resonancia de espesor de alta frecuencia aplicando una tensión al elemento piezoeléctrico, que incluye una componente oscilatoria de alta frecuencia en el rango de 500 kHz a 5 MHz.

2. El transductor de la reivindicación 1, en el cual el elemento piezoeléctrico está rebajado con respecto al borde (14’) del substrato.

3. El transductor de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en el cual el elemento piezoeléctrico es un disco plano.

4. El transductor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el substrato es un disco plano.

5. El transductor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una capa (18) de base sobre la cual está soportado el substrato, estando el borde exterior del substrato doblado para que se aleje de la capa de base y deje de hacer contacto con ella.

6. El transductor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el borde periférico del substrato está aprisionado entre una estructura de soporte y una capa de base.

7. El transductor de la reivindicación 6, en el cual la estructura de soporte incluye un rebaje (31) orientado hacia el interior, dentro del cual se aloja el borde (14’) periférico del substrato para restringir desplazamiento y giro del substrato en dicho borde periférico.

8. El transductor de la reivindicación 6, en el cual la estructura de soporte incluye una superficie (36) inferior acabada en punta que impide el desplazamiento del substrato y que permite el giro del substrato, y donde el primer y único diámetro nodal del transductor está en el borde exterior del transductor.

9. El transductor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual el substrato está perfilado para conformar un rebaje (62) en el que se aloja el elemento piezoeléctrico.

10. El transductor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el substrato es metálico.

11. Un parche que comprende una pluralidad de los transductores de cualquiera de las reivindicaciones anteriores organizados en una matriz.

12. Un método de fabricación de un transductor (10) de ultrasonidos de frecuencia dual como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por:

unir un único elemento (12) piezoeléctrico a un substrato (14) , donde el diámetro del substrato es mayor que el diámetro del elemento piezoeléctrico ;

donde el espesor combinado del elemento piezoeléctrico y el substrato se determina basándose en una alta frecuencia de resonancia deseada en el rango de 500 kHz a 5 MHz; y

donde los diámetros del elemento piezoeléctrico y del substrato se determinan basándose en el espesor seleccionado y en una baja frecuencia de resonancia deseada en el rango de 20 kHz a 500 kHz.

13. El método de la reivindicación 12, en el cual los diámetros se determinan como al menos 5 veces el espesor combinado del substrato y el elemento piezoeléctrico.

14. El método de la reivindicación 12 ó 13, que comprende además seleccionar los materiales y espesores del substrato y del transductor de acuerdo con la ecuación:

Y1 h12 = Y2 h22,

donde Y1 es la rigidez del elemento piezoeléctrico, Y2 es la rigidez del substrato, h1 es el espesor del elemento piezoeléctrico y h2 es el espesor del substrato.

15. Un kit que comprende: el parche de la reivindicación 11; y una almohadilla de gel configurada para ser colocada entre el parche y la piel en tratamiento.