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Principios físicos en ecografía

INTRODUCCIÓN

Lenta pero inexorablemente se están dando los primeros pasos hacia el uso rutinario de la ecografía en Atención Primaria. Debemos capacitar por tanto a nuestros profesionales de la Atención Primaria para el dominio y uso de esta técnica. Para lograr nuestro objetivo creamos este curso básico sobre ecografía abdomino pelviana, que forma al médico de atención Primaria en esta técnica. .

El inicio de la utilización médica de la técnica ecográfica, como en la radiología convencional, nació asociada a la práctica médica especializada y dominada exclusivamente por los especialistas en radiología. La evolución y generalización de esta técnica ha hecho que diferentes especialidades hayan comenzado a usarla de forma independiente. Un ejemplo serían los cardiólogos, ginecólogos, los especialistas en aparato digestivo, en cirugía vascular, neurólogos, urólogos, cirujanos y otros especialistas que poco a poco la han ido introduciendo en su actividad diaria.

HISTORIA

Después de la guerra el Dr. Douglas Howry aplicó tecnología del sonar a la medicina, pero hasta el descubrimiento y aplicación del modo B no se difundió su uso en el diagnóstico médico. Luego en 1974 con la llegada de la imagen en escala de grises se produjo el siguiente gran avance en esta técnica. La aplicación de los ordenadores contribuyó a la aplicación de la escala de grises y la ecografía en tiempo real. Posteriormente se desarrollaron nuevas aplicaciones como el Doppler Color o el Power Doppler, que configurarían definitivamente la técnica como la conocemos hoy en día.

ULTRASONIDOS

El ultrasonido es aquel sonido que tiene una frecuencia mayor de la que puede ser oída por los seres humanos. Nuestro oído detecta un rango de frecuencias comprendido ente los 15.000 y los 20.000 Hz. Se denomina ultrasonido a cualquier sonido que tiene una frecuencia mayor de 20.000 Hz. Las imágenes médicas utilizan rangos de frecuencia situados entre los 3 y los 15 MHz2.

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FRECUENCIA DEL SONIDO

La frecuencia del sonido se mide en número de ciclos por unidad de tiempo. Normalmente como unidad de tiempo se utiliza el segundo.

La unidad de frecuencia (ciclos/seg) se denomina Hertzio (Hz), 1 ciclo/seg = 1 Hz.

KiloHertzio: 1.000 ciclos/seg = 1.000 Hz = 1 KHz

MegaHertzio: 1.000.000 ciclos /seg. = 1.000.000 Hz = 1 MHz.

Importante:

A mayor frecuencia mayor calidad de imagen y menor penetración en el cuerpo

Figura 1: 4 sonidos con distinta frecuencia

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LONGITUD DE ONDA La distancia desde una cresta a la siguiente, desde un valle al siguiente, o desde cualquier punto de la onda sinusoidal al mismo punto de la onda siguiente. Cuando se modifica la frecuencia también se modifica la longitud de onda. La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales para una misma velocidad.

Figura 2: Longitud de onda

AMPLITUD Es la máxima separación de la onda o vibración de su punto de equilibrio. Una onda sónica se acompaña de fluctuaciones de presión cuando viaja a través de un medio. A la magnitud de la presión que ejerce la onda sónica denominamos amplitud. Podemos decir entonces que la amplitud representa la intensidad de la onda sonora correspondiente a la deflexión máxima de las partículas del medio de transmisión.

Figura 3: Amplitud de onda

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SONIDO

El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas audibles o no, generalmente a través de un fluido u otro medio elástico que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

También lo podemos definir como el resultado del recorrido de la energía a través de la materia en forma de una onda que produce alternativamente los fenómenos de compresión y rarefacción.

El ultrasonido es una onda longitudinal. Cuando se genera un sonido las moléculas de aire son comprimidas y descomprimidas alternativamente por la acción mecánica del sonido generador (por ejemplo un parlante o altavoz). El sonido es transmitido desde su generador (altavoz) hasta el oyente por las moléculas de aire. Las moléculas están y quedan en su lugar. No recorren distancia alguna. La compresión y descompresión alternantes producen un movimiento de avance y retroceso que se transmite de molécula a molécula. Ese movimiento de avance y retroceso de las moléculas de aire se hace en la dirección de la onda sonora, por lo que esas ondas se denominan ondas longitudinales.

La transmisión del sonido exige de materia para transmitirse. No lo pueden hacer en el vacío como las ondas electromagnéticas. Los rayos X pueden viajar en el vacío. La transmisión del sonido exige la presencia de materia. En ecografía la fuente productora del sonido es un cristal piezoeléctrico (que como detallaremos más adelante es capaz de emitir y recibir ondas sonoras).

ECOS

Son sonidos, ondas sonoras, que se reflejan, rebotan, tras chocar contra una superficie o barrera capaz de reflejarlos. La interfase reflectante es la superficie o barrera capaz de reflejar los sonidos y por tanto también los ultrasonidos. Esta barrera o interfase existe entre dos medios contiguos o adyacentes con diferente impedancia acústica. La impedancia acústica es la resistencia que un medio opone al paso de los ultrasonidos. La impedancia acústica (Z) es el producto de la densidad (D) del medio por la velocidad (V) a la que el ultrasonido lo atraviesa.

Z = D X V

Cuanto mayor sea la diferencia entre las impedancias de ambos medios, mayor será la intensidad del eco. De menos a más la impedancia acústica del cuerpo es: aire, agua, músculo y hueso.

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REFLEXION

Cuando un haz de ultrasonidos llega a una interfase reflectante experimenta un fenómeno de reflexión: una parte del haz se refleja en forma de ecos (ultrasonidos reflejados) y la otra parte continúa hacia la siguiente interfase. Cuanto mayor sea la diferencia de impedancia acústica entre los dos medios que separa la interfase, mayor será el eco. El principal parámetro de este fenómeno es la amplitud de la onda acústica reflejada y su relación con la amplitud de la onda incidente.

Figura 4. Reflexión de sonidos

Reflexión y superficies reflectantes

El tipo de superficie sobre el que incide el haz de ultrasonidos condiciona la forma en que estos se reflejan. Las superficies lisas reflejan muy bien los ultrasonidos. Actúan como un espejo, de ahí el término reflexión especular. En este tipo de superficies tiene una enorme importancia el ángulo de incidencia de los ultrasonidos: mejor cuanto más perpendicular sea la incidencia. Las superficies irregulares o rugosas dan lugar a gran cantidad de ecos de baja amplitud que se dispersan en múltiples direcciones, de ahí el término difusión. En estas superficies tiene escasa relevancia el ángulo de incidencia, pero adquiere gran importancia la frecuencia de los ultrasonidos.

Nota: La difusión es mayor con frecuencias altas.

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REFRACCION

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos.

La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia.

La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura.

El grado de refracción está en relación con el ángulo de incidencia y el gradiente de velocidades. Tiene relevancia por ejemplo: músculo-hueso (gradiente de velocidad muy diferente). Superficie curvilínea (diafragma, quiste, etc.).

Figura 5: Refracción

C1  sonido  incidente;  C2  sonido  refractado

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ABSORCION

Es la pérdida de energía que se produce cuando un haz de ultrasonidos atraviesa un medio, haciendo que las partículas que lo componen comiencen a vibrar; debido al roce entre dichas partículas una parte de la energía se transforma en calor.

La absorción es uno de los principales mecanismos que producen la atenuación de la onda sónica en un medio. Ello es debido que en el proceso de absorción una parte de la energía es retenida y convertida en calor, producto del rozamiento asociado a las vibraciones a que están sometidas las partículas o moléculas que forman el tejido. A medida que la onda continua avanzando en el medio llegara un tiempo en el cual la energía cinética de los átomos será regresada al medio, pero esto sucede de forma demorada, entonces se produce un desfase con la onda original produciendo una interacción destructiva, la cual es mayor a mayor frecuencia de onda. La cantidad de energía absorbida durante la propagación de la onda depende de los siguientes factores:

1.- Distancia recorrida 2.- Viscosidad del tejido 3.- El cuadrado de la frecuencia de onda

Figura 6: Absorción

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En la siguiente tabla mencionamos la absorción relativa de algunos tejidos:

MATERIAL ABSORCIÓN (dB/cm)

Agua 0,002 Sangre 0,20 Grasa 0,63 Cerebro 0,85 Hígado 0,94 Riñón 1,00 Tejido Muscular 2,50 Aire 12,0 Tejido Óseo 20,0

Cuanto mayor es la absorción menor es la penetración de los ultrasonidos en el medio.

Se puede apreciar que los tejidos más rígidos y más viscosos son los que más atenúan las ondas, por lo cual debemos utilizar sondas o transductores de frecuencias más bajas para obtener suficiente penetración. Para los tejidos más livianos, podemos utilizar transductores de mayor frecuencia, ya que estos tejidos producen una menor atenuación y así obtener una mejor resolución.

ATENUACION

Cuando un haz ultrasónico se propaga a través de los tejidos, su Intensidad disminuye al aumentar la distancia. Esta disminución de la intensidad con la longitud recorrida se denomina atenuación. La propagación del sonido a través del medio causa pérdidas sucesivas de la intensidad bajo una forma de absorción (transformación en calor), reflexión, dispersión y pérdidas geométricas. La atenuación del haz acústico esta directamente relacionada con la frecuencia de la onda. Atenuación (dB) = frecuencia (MHZ) x distancia (cm.) La atenuación es medida en decibeles. El fenómeno de atenuación limita el alcance en profundidad de los transductores de alta frecuencia.

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Al escoger un transductor hay que obtener un equilibrio entre la intensidad de la señal y la resolución espacial. Transductores de alta frecuencia para superficies próximas y transductores de baja frecuencia para estructuras profundas. Las estructuras fuertemente atenuantes producen sombra acústica posterior (ejemplo Tumores de mama) El coeficiente de atenuación (se expresa en decibelios por centímetro) depende tanto de los tejidos atravesados como de la frecuencia ultrasónica. Por tanto las ondas sónicas de frecuencias más altas están más atenuadas que las de frecuencias más bajas. Los tejidos como músculo y piel atenúan mas que los tejidos del hígado y la atenuación es muy baja en estructuras llenas de liquido. Como vemos los términos atenuación y absorción están referidos a un mismo hecho. En el caso de los ultrasonidos es más apropiado hablar de ATENUACION refiriéndonos a la reducción de la intensidad del haz al penetrar el tejido, producida por absorción, dispersión y divergencia del haz.

INTENSIDAD

Es la cantidad de energía recibida por unidad de superficie. Como unidad de energía se utiliza el Watio (W) y como unidad de superficie el cm2: (W/cm2). Al aumentar la intensidad de una onda sonora aumentan los desplazamientos de las partículas del medio que atraviesa, aumentando por lo tanto el número y tamaño de los ecos que devuelven. Los ultrasonidos que se emplean en ecografía son de muy baja intensidad (10-50 mW/cm2) para evitar cambios en el medio que atraviesan. En la práctica la intensidad se expresa en decibelios (dB) y mide la diferencia de intensidades entre dos puntos: a) I1 en el punto de origen, b) I2 en un punto concreto del medio que atraviesa. Esta diferencia de intensidad se expresa en decibelios:

I1-2 = 10 X Log10 (I1/I2)

Si decimos que la intensidad en un determinado punto es de 40 dB estamos diciendo que en ese punto la intensidad es 40 dB menor que en el punto de partida.

POTENCIA

Cantidad total de energía producida por unidad de tiempo (seg.).

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RESOLUCION

Es la capacidad que tiene un equipo de ecografía para que dos puntos o interfases muy próximas entre sí se representen como ecos diferentes. A continuación comentamos los tipos de resolución.

RESOLUCION AXIAL

Es un factor condicionante de la imagen de estructuras anatómicas, no es otra cosa que la capacidad de detectar la menor distancia entre dos interfases que se encuentran en la trayectoria del haz de ultrasonido, en otras palabras, la mínima distancia entre dos puntos. La resolución axial está inversamente relacionada con la longitud de onda, por lo que depende de la duración del pulso ultrasónico, por lo tanto será mayor cuando menor es la duración de dicho pulso.

RESOLUCION LATERAL

Es otro factor que condiciona la imagen. La resolución lateral es aquella capaz de diferenciar dos puntos o interfases muy próximas situados en un eje perpendicular a la dirección del haz ultrasónico. A menor longitud de onda mayor resolución axial. A mayor longitud de onda menor resolución axial.

RESOLUCION DINAMICA

Capacidad de un ecógrafo para la reproducción del movimiento de algunas estructuras y del movimiento de barrido del transductor. Está en relación con el número de imágenes por segundo (en general mas de 40 por segundo permiten captar la sensación de movimiento.