Bases Físicas del Ultrasonido Dr. Arturo Contreras Cisneros
Introducción El ultrasonido se introdujo en la medicina a principios de 1960, como método de diagnóstico por imagen Durante la década de los 70 s obtuvo un desarrollo constante ocupando un lugar preponderante en medicina
Introducción Se basa en la emisión de ondas de alta frecuencia, que no causa efectos nocivos Esto permite el desarrollo del Sonar y el Doppler
Introducción La Ultrasonografía en escala de grises se desarrolló por el Ing. George Kossoff y Cols, en el Instituto de Ultrasonido de Sidney, Australia A partir de 1974 se introducen mejoras en la calidad de imagen por medio de la escala de grises, perfeccionando hasta la fecha en calidad y resolución de la imagen
Introducción Para explicar el funcionamiento de los aparatos y los fundamentos de la formación de imagen, es necesario estudiar los principios básicos de la física del sonido
Principios Básicos El ultrasonido es un sonido que tiene frecuencias muy elevadas inaudibles al oído humano 1 Hz. = Símbolo internacional del hertz, unidad que mide la frecuencia = 1 ciclo/seg 1 KHz. = 1 000 ciclos/seg 1 MHz = 1 000 000 ciclos/seg
Principios Básicos Rango Audible: Varía entre el rango de frecuencia de 16 a 20000 ciclos/seg Infrasonidos: Rango menor de estas frecuencias (No Audible) Ultrasonidos: Rango mayor a estas frecuencias, y varían con fines diagnósticos de 1 a 20 MHz
Principios Básicos La transmisión del sonido depende, en gran medida, de la interacción entre las ondas y el material biológico en el que se está transmitiendo Regularmente el sonido se propaga en el aire En medicina, se transmite a través de los diferentes tejidos que componen el cuerpo humano
Origen del Sonido Para generar el sonido, sólo es necesario que se mueva algo mecánicamente Altavoz que vibra al recibir una señal produciendo movimientos en sentido anterior y posterior
Origen del Sonido La frecuencia de estos movimientos en el cono del altavoz se mide en hertz El número de movimientos que ocurra en un segundo, es la frecuencia del sonido que este emite
Origen del Sonido Al accionar el cono del altavoz, empuja múltiples moléculas de aire que se encuentran en estrecha relación, causándoles una compresión que se transfiere sucesivamente de una partícula a otra, transmitiendo el sonido
Origen del Sonido Este fenómeno ocupa exactamente la mitad del ciclo
Origen del Sonido Durante la otra mitad, el cono del altavoz vuelve a su posición original (descansa), propiciando que las moléculas adyacentes a él tengan un movimiento inverso al antes efectuado, cumpliéndose de este modo un ciclo
Origen del Sonido Un ciclo tiene dos fases: Compresión (transmitido de molécula a molécula) Descompresión (en el cual el cono descansa) El ultrasonido diagnóstico comprende el mismo fenómeno, pero solo que a altas frecuencias
Características del Sonido Ultrasonido No presenta radiación ionizante Requiere un medio de propagación Ondas longitudinales Interactúa con la materia al igual que la Luz (Reflexión, Refracción, Difracción y Dispersión) Rayos X Sí hay radiación ionizante Se propaga en el vacío por medio de Ondas transversas
Velocidad del Sonido Tejido Vel. (m/seg) Aire 348 Grasa 1500 Hígado 1550 Hueso 4080 Músculo 1580 Sangre 1570 Tejido Blando 1540
Longitud de Onda Frecuencia (MHz) Longitud de Onda (mm.) Resolución Aproximada (mm.) 1 1.54 4.6 2 0.77 2.3 5 0.31 0.9 10 0.15 0.5
Longitud de Onda A menor frecuencia, mayor penetración pero menor resolución A mayor frecuencia, menor penetración, pero mayor resolución
Potencia e Intensidad del Sonido Existen tres características fundamentales en todos los sonidos: Intensidad Frecuencia Forma de Onda
Potencia e Intensidad del Sonido Intensidad: Está caracterizada por la sonoridad y se mide científicamente por la cantidad de energía en un volumen dado, del espacio donde se propaga el sonido Se mide en Bel, y por ser una medida muy grande, en ultrasonido se usa el Decibel (db)
Potencia e Intensidad del Sonido Atenuación del Sonido: Cuando el sonido es transmitido a través de los tejidos, su intensidad se reduce por medio de la absorción y dispersión Juntos, estos procesos atenúan el haz sónico de manera exponencial
Potencia e Intensidad del Sonido Atenuación del Sonido: la intensidad del sonido se reduce en 1 db/mhz por cm. en los tejidos blandos
Potencia e Intensidad del Sonido Impedancia Acústica Es la propiedad que presenta la materia para impedir la transmisión del sonido, donde: Z = Impedancia Acústica p = Densidad V = Velocidad del Sonido Z = p V
Potencia e Intensidad del Sonido Impedancia Acústica La velocidad de transmisión del sonido dependerá del medio por el que viaje Material Z=K/m2 sec (10 6) Aire 0.0004 Cerebro 1.58 Grasa 1.30 Hígado 1.65 Hueso 7 80 Músculo 1.70 Sangre 1.61 Tej.Blandos 1.63
Potencia e Intensidad del Sonido Cuando un haz de sonido choca con una interface entre dos tejidos, poco sonido es transmitido y otra cantidad es reflejado Si la impedancia acústica de los dos tejidos son muy diferentes, la mayor cantidad del sonido será reflejada (coeficiente de atenuación) Si los tejidos presentan una impedancia acústica semejante, la cantidad del sonido transmitido a través de las interfases aumenta
Potencia e Intensidad del Sonido La reflectividad es la relación que existe entre las impedancias acústicas de los tejidos R= ( Z1 - Z2 ) 2 Z1 + Z2 Donde Z1 y Z2 son las impedancias acústicas de los tejidos Una vez obtenido el grado de reflectividad, si se quiere saber el porcentaje, se multiplica por 100
Generación y Captación del Sonido Piezoelectricidad: El efecto piezoeléctrico permite tanto producir como captar el sonido con fines diagnósticos La generación y captación del sonido es un proceso que comprende la conversión de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa
Generación y Captación del Sonido Los materiales piezoeléctricos son llamados transductores, pues poseen la capacidad de transformar a ambos tipos de energía
Generación y Captación del Sonido La frecuencia del transductor está determinado por el corte del cristal piezoeléctrico Los cristales anchos vibran a menor frecuencia y los delgados a mayor frecuencia
Generación y Captación del Sonido Transductor: Lo componen el cristal piezoeléctrico y el circuito eléctrico, que vibra emitiendo y recibiendo alternativamente los pulsos
Resolución La resolución es la capacidad que tienen los equipos para diferenciar a dos puntos como separados Resolución Axial: Es la resolución de dos puntos que se encuentran en sentido longitudinal al desplazamiento de la onda del sonido Resolución Lateral: Es donde se encuentran dos puntos en sentido perpendicular al desplazamiento del sonido
Resolución Resolución Axial: Dependerá principalmente de la frecuencia y de la longitud de cada haz de sonido Resolución Lateral: Está influenciada por las dimensiones del transductor, y en menor grado por la frecuencia
Modos de Operación Tipo Características Aplicación Modo A Oftalmología Modo B Fijo y Tiempo Real General Modo M Tiempo Real 2D, 3D, 4D, Endocavitarios Cardiología General Doppler Vascular
Modo A El Modo A es lineal y unidireccional Se toma en cuenta la amplitud del eco y el tiempo del recorrido Los datos diagnósticos se encuentran limitados Aplicación en Oftalmología
Modo B El Modo B tiene proyección bidimensional Tenía un método de barrido estático, que retardaba el tiempo del estudio Permitía obtener cortes panorámicos Ya no se usa
Modo M El Modo M o de movimiento, se emplea para detectar las estructuras pulsátiles Tiene su aplicación en ecocardiografía Equivale al Modo A, pero con movimiento Se le puede regular la velocidad del trazo
Modo de Tiempo Real
Modo de 3D 4D
Modo Doppler Se usa en la detección y medición del flujo sanguíneo, o en los movimientos cardiacos del feto
Efectos Biológicos Desde hace más de 50 años, investigadores de varios países han estudiado los efectos que produce el ultrasonido La conclusión de éstos protocolos es clara y contundente: A frecuencias diagnósticas, el ultrasonido es innocuo al ser vivo