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Lección No. 1

ASPECTOS GENERALES DEL ULTRASONIDO.Dr. Edgar Encinas Valdivia.

Dr. José Carlos Elías Estrada.

1. INTRODUCCIÓN.

Aunque algunos animales como los delfines y murciélagos usan el ultrasonido para la detección de objetos, el hombre empezó a usarlo en la 1ra. Guerra Mundial para detectar submarinos.La ecografía es un método diagnostico basado en imágenes obtenidas por el procesamiento de ecos reflejados a través estructuras corporales, gracias a la emisión y la recepción de ondas sonoras, cuya frecuencia está por encima de la capacidad del oído humano para percibirlas (ultrasonidos).

2. CONCEPTOS BASICOS.

SonidoEs la sensación percibida en el oído de una onda mecánica originada por la vibración de un cuerpo elástico y propagado por un medio material. Estas vibraciones mecánicas pueden hacer vibrar la membrana timpánica, convirtiéndose en vibraciones sonoras.

Velocidad de propagación (VP)Es la velocidad en la que el sonido viaja a través de un medio. Depende de la densidad y la compresibilidad del material por el que atraviese. Los materiales con mayor densidad y menor compresibilidad transmitirán el sonido a una mayor velocidad. La velocidad es inversamente proporcional a la compresibilidad; las moléculas en los tejidos más compresibles están muy separadas, por lo que transmiten el sonido más lentamente. En los tejidos blandos la VP es en promedio 1520 m/s, en el hueso es mayor de 4,000 m/s y en el aire 340 m/s.

Frecuencia.

Es usada para medir el sonido y se refiere a los cambios de presión (ecos) por unidad de tiempo.

La unidad de frecuencia acústica es el Hertzio (Hz). Un hercio representa un ciclo por cada segundo. Sus múltiplos son: kHz/s (kilociclos por segundo), MHz/s (megaciclos por segundo) y GHz/s (gigaciclos por segundo).

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Principales Componentes de un Equipo de Ultrasonido.

Infrasonidos: Son ondas por debajo de 16 vibraciones por segundo o, lo que es igual, de menos de 16 Hz, que es el límite inferior de audición del oído humano. Vibraciones más lentas quizá podremos notarlas, pero nunca oírlas.

Sonidos: Son las ondas entre 16 y 16.000 Hz, que conforman todo el espectro de sonidos que el hombre es capaz de escuchar. Los perros, delfines, mosquitos, y otros son capaces de oír sonidos más agudos, de 25 KHz y aún más.

Ultrasonidos: Son las ondas mecánicas originadas por la vibración de un cuerpo elástico (cristal piezoeléctrico) y propagadas por un medio (tejidos corporales) que tienen una frecuencia superior a los 16.000 Hz (16 KHz). En medicina suelen oscilar entre 0,5 y 3 Megahercios (MHz) para uso terapéutico y entre 1 y 10 MHz en ecografía.

3. PARTES DEL ULTRASONIDO

Transductor (cabezal). Es el sitio donde están los cristales que se mueven para emitir las ondas ultrasónicas, también reciben los ecos para transformarlos en señales eléctricas.

Receptor.  Capta las señales eléctricas y las envía al amplificador. Amplificador. Amplifica las ondas eléctricas. Seleccionador. Selecciona las ondas eléctricas que son relevantes para el

estudio. Transmisor. Transforma estas corrientes en representaciones gráficas para

verlas en pantalla, guardarlas en disquete, vídeo; o imprimirlas en papel. Calibradores (calipers). Son controles que permiten hacer mediciones, poseen

botones y teclas para aumentar o disminuir ecos, de acuerdo a la claridad con la que se reciba la señal.

Teclado. Permite introducir comandos y los datos de paciente, fecha del estudio, ETC

Impresora. Para imprimir las imágenes en papel.

4. GENERACION DE UN ULTRASONIDO: TRANSDUCTORES

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Cualquier objeto que vibre es una fuente de sonido. Las ondas sonoras pueden ser generadas mecánicamente (diapasón), en medicina se generan por medio de transductores electroacústicos.Los transductores contienen cristales piezoeléctricos, los cuales poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en sonido y viceversa, por lo tanto el transductor actúa como emisor y receptor del sonido. Las ondas reflejadas y captadas por el transductor, se visualiza como imágenes en escala de grises, por medio de elementos fotográficos (pixeles), variando en brillo, intensidad y profundidad del eco.Existen diferentes tipos de transductores que van desde 3,5 MHz hasta 10MHz. Los transductores con mayor frecuencia tienen mejor resolución axial, pero a expensas de una menor penetración tisular. Por el contrario los transductores de baja frecuencia permiten evaluar estructuras más profundas.

5. PENETRACIÓN A TEJIDOS.

Cuando las ondas sonoras interactúan con los tejidos corporales, estas se mueven longitudinalmente transmitiendo las ondas de una molécula a otra.

La distancia entre un pico de onda y otro se define como longitud de onda () y se obtiene de dividir la velocidad de propagación entre la frecuencia.

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Producción de un pulso de ultrasonido.

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El número de veces que se comprime una molécula es la Frecuencia (F) y se expresa en ciclos por segundo o hercios.Cuando una onda ultrasonográfica atraviesa un tejido, parte de la energía se transmite y parte de la energía rebota hacia el transductor (fenómeno de reflexión o rebote), o que se conoce como eco.Una reflexión ocurre en el límite o interfase entre dos materiales y provee la evidencia de que un material es diferente a otro; esta propiedad es conocida como Impedancia Acústica y es el producto de la densidad y velocidad de propagación. Sí dos materiales tienen la misma impedancia acústica se producirá un eco débil, pero a mayor diferencia de la impedancia acústica se producirá un eco fuerte.

Así es como tenemos que la impedancia (Z) es igual al producto de la densidad (D) de un medio por la velocidad (V) del sonido en dicho medio: Z = VD.

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Longitud de Onda ()

Interacción del US con los tejidos. Al entrar en contacto con 2 tejidos de diferente impedancia acústica una parte de la onda acústica emitida por el transductor se refleja como eco; la otra parte se transmite por el tejido.

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Cuando se emplea la Escala de Grises, las reflexiones más intensas o ecos reflejados se observan en tono blanco (hiperecoicos) y las más débiles, en diversos tonos de gris (hipoecoicos) y cuando no hay reflexiones, en negro (anecoicos).Angulo de isonación. La reflexión dependerá del ángulo en que se incidan las ondas sónicas, siendo máxima cuando se incide en forma perpendicular a la interface de los tejidos. Si el haz ultrasónico se aleja unos pocos grados de la perpendicular, el sonido reflejado no volverá al centro de la fuente de emisión y será solo detectado parcialmente.

Atenuación. Ocurre cuando la onda sonora se propaga a través de estructuras profundas y parte de la energía se pierde por absorción o dispersión. La absorción involucra la transformación de energía mecánica en calor, mientras que la dispersión consiste en la desviación de la dirección de la energía.

6. TRANSDUCTORES.

Los transductores contienen cristales piezoeléctricos, los cuales poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en sonido y viceversa, por lo tanto el transductor actúa como emisor y receptor del sonido. Las ondas reflejadas y captadas por el transductor, se visualiza como imágenes en escala de grises, por medio de elementos fotográficos (pixeles), variando en brillo, intensidad y profundidad del eco.La circonita de plomo con titanio es una cerámica usada frecuentemente como cristal piezoeléctrico y constituye el alma del transductor.Existen cuatro tipos de transductores: sectoriales, anulares, de arreglo radial y los lineales; difieren tan sólo en la manera en que están dispuestos sus componentes. Van desde 3,5 MHz hasta 10MHz. Los transductores con mayor frecuencia tienen mejor resolución axial, pero a expensas de una menor penetración tisular. Por el contrario los transductores de baja frecuencia permiten evaluar estructuras más profundas.

Una sonda exploradora contiene uno o más transductores piezoeléctricos. Se clasifican según la disposición de sus transductores en sondas de disposición lineal, sectorial o curvilínea (convexa). Sonda lineal: Explora en un formato rectangular y se utiliza para la mama. Contiene de 64 a 120 transductores montados lado a lado en una longitud de 5—10 cm. Cada transductor está conectado por separado a un cable fino.

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Transductor. Al transmitirse el impulso eléctrico a los cristales éstos vibran de manera proporcional a la potencia de la electricidad dentro del transductor, creando ondas similares a las del sonido dentro de una campana.

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Sonda sectorial: «Mira» al cuerpo por una pequeña ventana acústica, formando una imagen casi triangular. Se utiliza en el abdomen superior y en ginecología. Tiene hasta cinco transductores, uno puede tener un transductor de disposición anular.Una sonda convexa: Tiene un formato de imagen comprendido entre las sondas lineal y sectorial, y es útil para todas las partes del organismo, excepto para la ecocardiografía.La sonda está conectada al escáner por un cable múltiple.

7. FORMACION DE LA IMAGEN.

El transductor se coloca sobre la superficie corporal del paciente a través de una capa de gel para eliminar el aire entre las superficies (transductor-piel). Un circuito transmisor aplica un pulso eléctrico de pequeño voltaje a los electrodos del cristal piezoeléctrico. Éste empieza a vibrar y transmite un haz ultrasónico de corta duración, el cual se propaga dentro del paciente, donde es parcialmente reflejado y transmitido por los tejidos o interfases tisulares que encuentra a su paso. La energía reflejada regresa al transductor y produce vibraciones en el cristal, las cuales son transformadas en corriente eléctrica por el cristal y después son amplificadas y procesadas para convertirse en imágenes ecográficas. Las imágenes en escala de grises están generadas por la visualización de los ecos, regresando al transductor como elementos fotográficos (píxeles). El circuito receptor puede 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.

8. ESCALA DE GRISES.

Las estructuras corporales están formadas por distintos tejidos, lo que da lugar a múltiples interfases que originan, en imagen digital, la escala de grises.El elemento orgánico que mejor transmite los ultrasonidos es el agua, por lo que ésta produce una imagen ultrasonográfica anecoica (negra). En general, los tejidos

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muy celulares son hipoecoicos, dado su alto contenido de agua, mientras que los tejidos fibrosos son hiperecoicos, debido al mayor número de interfases presentes en ellos.

9. MODALIDADES DE LA ECOGRAFÍA.

Modo A o de Amplitud.

Permite observar variaciones en la intensidad del eco retornado como una gráfica simple que mide las variaciones de la amplitud / tiempo (distancia).

Modo B o Bidimensional.

Es la representación pictórica de los ecos. Es la modalidad empleada en todos los equipos de ecografía en tiempo real.

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El modo "A" (Tiempo-Amplitud), muestra los ecos - pico sobre una línea basal isoeléctrica que indica 0 % de Reflectividad.

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Modo M o de Movimiento.

Se emplea con las estructuras en movimiento, como el corazón, y muestra la amplitud en el eje vertical, el tiempo y la profundidad en el eje horizontal

ULTRASONIDO DOPPLER

En la práctica clínica, el doppler se utiliza para evaluar el flujo sanguíneo por medio de la medición del movimiento de los glóbulos rojos. Éstos actúan como pequeños reflectores que devuelven el sonido a modo de un eco.

El transductor envía una onda a una determinada frecuencia, la cual es devuelta con otra frecuencia al transductor. La diferencia entre ellas (frecuency shift) cae dentro de las frecuencias audibles por el ser humano (entre 20 y 20000 hz), por lo que podemos escucharlas durante el estudio.

En clínica tenemos dos tipos de sistemas de doppler:

a. Continuo: Continous Wave Doppler: CW

b. Pulsado: Pulsed Wave Doppler: PW

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Observamos el Modo M para determinar la frecuencia cardiaca fetal.

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a. En el doppler continuo (CW), el transductor emite y recibe la señal al mismo tiempo, adquiriendo todos los flujos y movimientos a lo largo del haz, sin determinar la posición o profundidad del vaso. La ventaja es que no tiene límite de velocidad para su medición, es decir, permite evaluar velocidades muy altas, como ocurre en las cavidades cardiacas. La desventaja es que no se visualizan lo vasos simultáneamente.

b. En el doppler pulsado (PW) se envían pulsos de ondas de ultrasonido que interrogan el vaso, esperando que la información regrese antes de enviar el próximo pulso. Esto permite la discriminación espacial, interrogando en forma precisa el vaso a estudiar.

En el sistema pulsado, los cambios de frecuencia o las velocidades se pueden codificar de distintas maneras, dando origen a tres técnicas:

1) Doppler Espectral2) Doppler Color3) Doppler Poder o Power Angio

1) Doppler espectral.

El doppler espectral consiste en una curva de velocidad versus tiempo, que representa la variación de la velocidad de flujo de los glóbulos rojos a lo largo del ciclo cardiaco. El tiempo es representado en el eje horizontal y la velocidad en el vertical.

La dirección del flujo se muestra por el signo de la velocidad. Los valores positivos se acercan al transductor y los negativos se alejan. Además permite observar el modo B simultáneamente (dúplex). Dúplex: significa doble, en este caso el explorador no sólo capta el espectro de ondas de flujo del Doppler sino que es capaz de visualizar la imagen bidimensional en tiempo real de la estructura anatómica que analiza.

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2) Doppler color (CDI: Color Doppler Imaging o CFM: Color Flow Mapping)

Codifica la velocidad media del flujo sanguíneo en colores, de acuerdo a una determinada escala, superponiéndola a la imagen Modo B (bidimensional en blanco y negro). La zona de muestreo está determinada por el ROI (caja de color).

El color muestra la dirección del flujo. El del margen superior de la columna siempre representa el flujo hacia el transductor y el contrario el flujo que se aleja del transductor. Mientras mayor sea la velocidad, el color es más brillante.

El Doppler color también depende del ángulo de insonación; éste debe ser adecuado para detectar el flujo. No puede detectar el flujo cuando es perpendicular al haz de ultrasonidos

Permite observar el espectro Doppler, la imagen bidimensional y la imagen de flujo con color (Triplex)

3) Power Angio

El doppler power representa la potencia o intensidad del espectro del flujo, no la velocidad como los otros modos. Este parámetro se obtiene de la misma curva espectral. Cuanto mayor sea el número de glóbulos rojos moviéndose, mayor va a

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ser la información. Las ventajas son que tiene una sensibilidad entre 3 y 5 veces el doppler color, no presenta aliasing y es independiente del ángulo de incidencia.

La desventaja es que no da información de velocidad ni permite determinar el sentido del flujo. En la actualidad hay equipos que combinan el color angio con la información del sentido del flujo del espectro y los representa simultáneamente.

Ecografía Volumétrica (3D y 4D): Utiliza transductores electrónicos de barrido automático que tienen un cristal fijo que genera la imagen 2D -que es imagen A con el plano de corte inicial-; al activar el programa volumétrico, empieza la captura, al desplazarse otro cristal movido por un motor ubicado dentro del transductor, haciendo el barrido de los otros dos planos ortogonales.

La información en 2D de los 3 planos (sagital, axial y coronal) es integrada en un voxel, llenándose algorítmicamente los espacios vacíos. Así se obtiene el volumen: al agregar al largo y ancho del 2D la profundidad, se constituye el 3D. Si solo se realiza un barrido, se obtiene un solo volumen en 3D, es el denominado 3D estático. Si se captura secuencialmente más volúmenes, que son presentados en el monitor a una velocidad mayor de 18 volúmenes por segundo, se tendrá la sensación de tiempo real (3D dinámico), que es el mal denominado 4D (recordar que en el universo físico solo hay 3 dimensiones).

Realizada la captura del volumen, hay 3 formas de presentación de este: de superficie, multiplanar y Doppler + 3D.

Los sistemas de superficie (multiplanar) sirven para estudiar relieves o superficies, que permiten, por ejemplo, tener la superficie del cuerpo fetal.

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La combinación del Doppler con el 3D estático genera imágenes volumétricas del árbol vascular capturado, aplicación de gran ayuda en el estudio de tumores, vasculatura fetal, entre otros. El programa VOCAL (análisis virtual de los órganos, asistido por computadora) ofrece gran ayuda en cálculos más exactos del volumen de masas y en la evaluación de la cantidad de vasos sanguíneos y flujos en determinada área (índice de vascularización, índice de flujo, índice de flujo de la vascularización).

Elastografía: Refleja en una imagen la elasticidad de los tejidos.

9. APLICACIÓN EN LA MEDICINA.

La sonografía es la técnica diagnóstica más segura ya que no usa radiación. Tiene otras aplicaciones como desinfección de herramientas, fisioterapéuticas, litotricia, etc.

1O. SONOGRAFÍA.La sonografía médica diagnóstica se basa en el uso del US para crear imágenes de músculos, tendones, fetos y órganos internos. Captura correctamente su tamaño, estructura y varias lesiones con imágenes tomográficas en tiempo real. Es una tecnología relativamente barata y portable si se la compara con la resonancia magnética o la tomografía computarizada.

Figura 6. Imagen por ultrasonido en 2d.

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Como se aplica actualmente en la medicina, hay consenso en que el ultrasonido no presenta riesgos para el paciente. Es un examen seguro porque no usa radiación.El uso de energía ultrasónica presenta dos potenciales efectos fisiológicos: Aumenta la respuesta inflamatoria y Puede calentar tejidos blandos por la fricción que genera. Con altas

intensidades, puede crear pequeñas cavidades de gas en los fluidos corporales o tejidos y estas se expanden y colapsan en un fenómeno llamado cavitación. Este efecto secundario es utilizado con fines estéticos debido a que destruye la fibrosis pero no se encuentra a los niveles que se utilizan normalmente para diagnóstico. Además, la onda de presión causada con ultrasonido puede generar distorsión en la membrana celular, influenciando en el flujo de iones y la actividad intracelular.

En obstetricia, el riesgo de no examinar el desarrollo del embarazo es mucho mayor que, si existe, el de someter al scan ultrasónico. Según la librería Cochrane, el uso de ultrasonido de rutina en embarazos de menos de 24 semanas genera mejor precisión de la edad del niño, detecta tempranamente embarazos múltiples y malformaciones del feto en un momento donde todavía es considerable terminar el mismo.

SEGURIDAD DEL ULTRASONIDO EN OBSTETRICIA.

¿Es seguro el US en Obstetricia?

Hay pocos estudios sobre los posibles efectos térmicos y de cavitación del US en el feto. Ya que realizar estudios prospectivos aleatorios de bioseguridad en el US obstétrico es difícil por el uso tan frecuente del US, de tal forma que casi todos los fetos del grupo control ya han sido expuestos al menos a una exploración ecográfica.

Se encontró un mayor número de RN con lateralidad izquierda solo en fetos masculinos, pero no se ha encontrado asociación con alteraciones del desarrollo neuronal.

A pesar de que el US ha ganado reputación en su seguridad, la posibilidad de efectos adversos biológicos no se puede descartar; particularmente, en las edades gestacionales tempranas. Por ello, el US obstétrico debe ser solicitado por razones médicas precisas para disminuir el tiempo de exposición.

Efecto térmico.

El principal efecto adverso biológico con el US obstétrico sería el calentamiento de los tejidos blandos y del hueso por la absorción de energía de las ondas de ultrasonido.

Estudios en embriones y animales han encontrado:

1. Si el US aumenta la T menos de 1.5 °C del nivel fisiológico, no hay daño con secuelas.

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2. A mayor tiempo de exposición, mayor elevación de la temperatura en los tejidos embrionarios y mayor riesgo de daño tisular

3. A mayor temperatura se necesita menor tiempo para producir el mismo daño.

Índice Térmico (IT).

Estima el incremento máximo de temperatura que ocurre en un tejido expuesto en el US

Un IT de 1 = Incremento de 1o C de temperatura con respecto a la temperatura inicial.

Para que afecte el desarrollo fetal, el umbral debe estar entre 1.5 a 2 °C por encima de la T materna. Con los equipos modernos se produce un incremento < a 1 °C.

Efecto mecánico.

Resulta de la fuerza de radiación, de la corriente y de la cavitación.

Los efectos mecánicos del US obstétrico han sido valorados en tejidos con gas (pulmón, intestino).

El índice mecánico es un estimado del riesgo de hemorragia capilar en el pulmón.

Los efectos mecánicos son improbables en el US obstétrico debido a la ausencia de gas en las bolsas amnióticas.

Se ha observado que el Doppler obstétrico produce índices térmicos más altos que en el modo B porque usa mayor intensidad de sonido. El cerebro fetal es el más susceptible, por lo que el Doppler en el embarazo temprano debe evitarse.

Aunque existe la posibilidad de efectos biológicos por el Doppler, hay pocas evidencias de que el US resulte teratogénico.

Principales dificultades que presentan los estudios de los efectos deletéreos del US:

1. El nivel o tiempo de exposición del US experimental es mayor que en el diagnóstico.

2. Los sistemas utilizados en plantas o animales no son aplicables a seres humanos.

3. Los estudios que han mostrado efectos adversos in vitro no han sido reproducibles.

11. REFERENCIAS.

http://www.monografias.com/trabajos90/ultrasonido-frecuencia/ultrasonido-frecuencia.shtml#ixzz38kBiNRk8

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