Física del ultrasonido

F Í S I C A D E LO S

ULTRASONIDOS

TTE CORB SSN MCN CÉSAR AUGUSTO MILLÁN SÁNCHEZ

Principio

Se basa en la emisión y recepción de ondas de ultrasonido, y las imágenes se obtienen mediante el procesamiento electrónico de los haces ultrasónicos (ecos) reflejados por las diferentes interfaces tisulares y estructuras corporales.

Principios Físicos Básicos del Ultrasonido, Carlos Pineda V., Araceli Bernal G. Rev. chil. reumatol. 2009; 25(2):60-66

Acústica

Sonido Es el resultado de la energía mecánica

que viaja a través de la materia en forma de onda produciendo compresión y rarefacción alternas.

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 10

El US se define entonces como una serie de ondas mecánicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibración de un cuerpo elástico y propagadas por un medio material cuya frecuencia supera la del sonido audible por el humano.

* Principios Físicos Básicos del Ultrasonido, Carlos Pineda V., Araceli Bernal G. Rev. chil. reumatol. 2009; 25(2):60-66

Acústica

• 20 – 20,000 Hz

Audición humana

• 2 – 20 MHz

Ultrasonido de aplicación diagnóstica


1 KHz = 1,000 Hz1 MHz = 1,000,000 Hz

Propagación del sonido

La velocidad de la onda de presión a través del tejido está influida por las propiedades físicas del mismo.


Resistencia del medio a la

compresión

Densidad del medio

Elasticidad o rigidez


Velocidad de propagación Es la velocidad en la que el sonido viaja

a través de un medio y varía dependiendo del tipo y características del mismo.

1.540 m/sec


λ=𝑐𝑓

Longitud de ondaVelocidad de propagaciónFrecuencia


0 500 10001500200025003000350040004500

Velocidad de propagación en los te-jidosAire

Grasa

Agua

Tejidos Blandos

Hígado

Riñon

Sángre

Músculo

Hueso

m/s

Medición de la distancia

Distancia = Intervalo de tiempo x Velocidad de propagación


Impedancia acústica

Los pulsos sónicos transmitidos en los tejidos Reflejar, dispersar, refractar o absorber.

Ecografía, William D. Middleton M.D., Alfred B. Kurtz , M.D. ; 4

Z=ρ cImpedancia acústicaDensidadVelocidad de propagación


Reflexión

Ocurre en el límite o interfase entre dos materiales y provee la evidencia de que un material es diferente a otro.

El contacto de dos materiales con diferente impedancia acústica da lugar a una interfase entre ellos


Refracción Cambio en la dirección

del sonido cuando pasa de un tejido a una V determinada, a otro de mayor o menor V.

Ley de Snell

Causa de registro erróneo

senθ1/sen θ2=c1/c 2


Atenuación

La energía ultrasónica pierde potencia y su intensidad disminuye progresivamente a medida que inciden estructuras más profundas


Atenuación

AbsorciónTransformación de

energía mecánica en calor

DispersiónDesviación de la

propagación de la energía

Reflexión Pérdida de energía


0 2 4 6 8 10 12 14

Atenuación de algunos tejidosAgua

Sangre

Grasa

Tejidos blandos

Hígado

Riñón

Músculo (Long)

Músculo (Trans)

Hueso

Aire

m/sDiagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 9

Equipo de ultrasonidoTRANSMISO

RTRANSDUCTORRECEPTORPROCESAD

ORPANTALLAGRABADOR /

ARCHIVODiagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 8

Equipo de ultrasonido-Transmisor

Controla la frecuencia de los pulsos emitidos FRP

FRECUENCIA DE REPETICION DE PULSOS Número de veces que los cristales son

estimulados por segundo.


Transmisor Transductor

Tejido

Equipo de ultrasonido-Transductor

Convierte energía eléctrica en energía mecánica y viceversa

Piezoelectricidad Responder a la acción de un campo eléctrico con un

cambio de forma. Genera potenciales eléctricos cuando se comprimen.

Circonita de plomo con titanio Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 9


Equipo de ultrasonido-Transductor

Convierte energía eléctrica en energía mecánica y viceversa

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 9Ecografía, Middleton M.D. Kurtz M.D. Hertzberg M.D.. 3

Campo cercano

Campo alejado

ZonafocalResoluci

ón Axial• Depende de la longitud de

pulso sónico generado

Resolución

lateral

• Depende del diámetro en el plano del pulso

Resolución de

elevación

Equipo de ultrasonido-Receptor

Detecta y amplifica las señales

Compensa las diferencias de potencia de eco. CGT

Compresión del amplio de rango (rango dinámico de hasta 120dB

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 10,11Principios Físicos Básicos del Ultrasonido, Carlos Pineda V., Araceli Bernal G. Rev. chil. reumatol. 2009; 25(2):60-66

Compensación de la ganancia de tiempo

Presentación de la imagen

Modo A

• Osciloscopio• Capta sólo el �

eco inicial, el retraso en la llegada y su intensidad

• Valora puntos �en una gráfica lineal

• NO VALORA �MORFOLOGIA

Modo M

• Evalúa los patrones de movimientos de reflectores específicos

• Determina las relaciones anatómicas a partir de movimientos característicos

Modo B

• Imagen en 2-D, en escala de grises y en tiempo real

• Valora: • Ecoestructura• Tamaño • Forma

Principios Físicos Básicos del Ultrasonido, Carlos Pineda V., Araceli Bernal G. Rev. chil. reumatol. 2009; 25(2):60-66Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 10,11

Presentación de la imagen

Modo A

Modo M

Modo B

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 10,11AMERAM v.1.0 2006 F. Sandra Portero, O. Torales Chaparro, M. Martínez Morillo

Presentación de la imagen-Modo B

Las imágenes en escala de grises están generadas por la visualización de los ecos, regresando al transductor como elementos fotográficos (píxeles).

Determinar la amplitud de la onda sonora de retorno y el tiempo de transmisión total.

La amplitud de la onda sonora de retorno determina la gama o tonalidad de gris que deberá asignarse. Los ecos muy débiles dan una sombra cercana al negro dentro de la escala de grises, mientras que ecos potentes dan una sombra cercana al blanco


Produce una presión de movimiento al generar una serie de imágenes en 2-D individuales.

15-60 fotogramas por segundo

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 12,13

Presentación de la imagen-Modo B

AMERAM v.1.0 2006 F. Sandra Portero, O. Torales Chaparro, M. Martínez Morillo

Sistemas

Lineales

Curva

En fase

Anular

SistemasLineales

Zonas pequeñas y vasculares Elementos individuales colocados en

forma lineal y paralela


SistemasCurvos

Configuración curva convexa Abdomen, obstétricas y pélvicas Elementos individuales colocados en


Configuración Curva pequeños Vaginales, transrectales y pediatría.


SistemasEn fase

Sonda más pequeña Haces sónicos orientados a ángulos

variables Imagen producida Sector

Ecografía, Middleton M.D. Kurtz M.D. Hertzberg M.D.. 6

SISTEMABIDIMENSIONALES

Configuración curva convexa Abdomen, obstétricas y pélvicas Elementos individuales colocados en


Configuración Curva pequeños Vaginales, transrectales y pediatría.


SELECCIÓN DEL TRANSDUCTOR

Vasos sanguíneos, organos superficiales, tiroides ,mama o testiculo 7.5 – 15 MHz

Estructuras profundas de abdomen 2.25 – 3.5 MHz


Modos de imagen especiales

Imagen armónica Reduce los efectos de las

aberraciones en fase

El componente de presión de la onda vaya mas rapido que el componente de refracción

Modos de imagen especiales

Combinación espacial Mejora el contraste Mejora la detección de

interfases Recude el ruido Reúne imágenes de

diferentes ángulos

Modos de imagen especialesEcografia 3D

Visualización de las imágenes adquiridas en los 3 planos del espacio (axial, sagital, coronal)

Reconstrucción tridimensional Medición de volúmenes Tratamiento de la imagen

Calidad de la imagen

Resolución espacial▪ Capacidad para diferenciar dos estructuras

muy próximas como objetos separados Resolución temporal Contraste

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 19-20

Errores de Imagen

Reverberación Refracción Lóbulo lateral Ring Down

Errores de ImagenReverberación

Aparece cuando la señal de ultrasonido se refleja de forma repetida entre interfases muy reflectoras cerca del transductor

Se puede eliminar cambiando el ángulo o la ubicación del transductor.


Errores de ImagenReverberación

Diagnóstico por Ecografía, Carol M. Rumak M.D., Stephanie R. Wilson , M.D. 3ra Ed; 21Ecografía De la imagen al diagnóstico, G. Schmidt, Panamericana 1ra Ed; 14

Errores de ImagenRefracción

Aparece cuando la señal de ultrasonido pasa en dirección oblicua a través de la interfase de dos sustancias que transmiten el sonido a diferentes velocidades

Resulta en una duplicación de las estructuras


Errores de ImagenRefracción


Errores de ImagenLóbulo lateral

Ecografía, Middleton M.D. Kurtz M.D. Hertzberg M.D.. 24Ecografía De la imagen al diagnóstico, G. Schmidt, Panamericana 1ra Ed; 9


ECOGRAFIA DOPPLER

Principio

Cuando un sonido de AF alcanza una interfase estacionaria, el US reflejado tiene la misma frecuencia o longitud de onda que el sonido transmitido.

Si la interfase reflectante se mueve respecto al haz de sonido emitido por el transductor, se produce un cambio en la frecuencia del sonido dispersado por el objeto en movimiento.

Este cambio de frecuencia es directamente proporcional a la velocidad con que la IR se mueve respecto al transductor.


Principio

La relación entre la frecuencia del ultrasonio de retorno y la velocidad del reflector queda determinada por la ecuación Doppler:

∆ F= (F R−FT )=2 FT v /c

: Desviación de la frecuencia DopplerFR: Frecuencia del sonido reflejadoFT: Frecuencia del sonido emitido por el transductorv: Velocidad de objetivo hacia el transductor.c: Velocidad del sonido en el medio.


Principio Ángulo Doppler

Conforme el ángulo Doppler (se aproxima a 90°, el coseno de se aproxima a 0.

Se recomienda hacer mediciones Doppler se hagan con ángulos menores de 60° ya que mayores a este ángulo, causan cambios rápidos en el cos

∆ F= (F R−FT )=(2 FT vc )cosθ: Ángulo entre el eje del flujo y el haz de ultrasonido incidente.


Procesado y representación de la señal

Señal Audible Espectro de frecuencia

Cambios en la velocidad y dirección de flujo Anchura de la onda espectral

Flujo en color Presencia y dirección de movimiento


Doppler Color Las señales retro-dispersas de los

hematíes se representan en color como una función de su movimiento hacia o lejos del transductor.

Estimación semicuantitativa del flujo Representa chorros estenóticos y

zonas de turbulencia Visualización de la luz del vaso. Depende del ángulo Aliasing Ruido

Doppler Power, Ene

Detección de flujo No aporta información

relacionada con la dirección o velocidad del flujo

Menos ángulo dependiente No existe aliasing Evita el ruido

Artefactos de imagen Doppler

FRECUENCIA DOPPLER

ENSANCHAMIENTO ESPECTRAL ALIASING

ANGULO DOPPLER

TAMAÑO DEL VOLUMEN DE

MUESTRA


Artefactos de imagen DopplerFrecuencia Doppler

Los hematíes actúan como dispersores puntuales de los ultrasonidos mas que como reflectores especulares. Por lo que hay que aumentar la frecuencia del transductor para mejorar la sensibilidad Doppler, equilibrándolo con la atenuación de los tejidos y la penetración del haz de US.

Generalmente se requieren frecuencias Doppler de entre 3 y 3,5 MHz para vasos abdominales


Artefactos de imagen DopplerEnsanchamiento espectral

Ganancia excesiva en el sistema. Selección de un volumen de muestra

muy amplio o colocar este muy cerca de la pared del vaso.


Artefactos de imagen DopplerAliasing

Surge por la ambigüedad en la medición de las desviaciones alar de la Frecuencia Doppler.

Si la FRP es menor del doble de la desviación máxima de la frecuencia producida por el movimiento del objetivo, se produce aliasing.

Es posible reducirlo aumentando la FRP y el ángulo Doppler.


Artefactos de imagen DopplerAliasing


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