Ultrasonido

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Antes de entrar en materia tenemos que definir un concepto básico:

¿Qué es el sonido?

Un objeto produce sonido cuando vibra. Éste objeto puede ser sólido como un hueso, líquido como el agua o gaseoso como el aire. La gran mayoria del tiempo escuchamos sonidos que viajan a través del aire de nuestra atmósfera.

Cuando un objeto vibra en la atmósfera, éste objeto mueve las partículas de aire que se encuentran alrededor de él, y éstas partículas a su vez mueven a otras y así sucesivamente, y de ésta manera es como se transmite el sonido, a través de movimiento de compresion y descompresión de las patículas de aire (o de cualquier otro material).

El siguiente experimento hará entender mejor éste fenómeno. Coloquen la palma de su mano derecha en su oido derecho y con la mano izquierda, golpen su codo derecho con el dedo. El sonido se transmitio por un medio sólido que és su hueso, dado que lo golpearon para que vibrara.

Lo que hace que unos sonidos se escuchen mas graves o más agudos que otros, depende de la frecuencia a la cuál se mueven las partículas ó en otras palabras que tan rápido se mueven y chocan entre ellas, y el volumen o que tan fuerte se escucha depende de la cantidad de particulas que se mueven.

El oido humano es capaz de escuchar en in intervalo de frecuencias que va de los 20Hz a 20 000Hz.

Física del Sonido.

Los sonidos a altas frecuencias tienden a moverse en lineas rectas como las ondas electromagnéticas y son reflejadas como ondas electromagnéticas. Los sonidos a altas frecuencias son reflejados o tienden a chocar con objetos muy pequeños (dado a su corta longitud de onda), y no se propagan fácilmente en medios gaseosos.

La velocidad del sonido es diferente de un medio a otro y ésta velocidad es constante. A continuación se muestra una tabla:

Material Velocidad (m/s)
Aire 330
Agua 1479
Metal 3000-6000
Grasa 1440
Sangre 1570
Tejido 1540

La siguiente ecuación nos da la relación que guardan la longitud de onda y la velocidad de propagación.

(1)
\begin{align} v=\frac{\lambda}{T} \end{align}

Donde $\lambda$ es la longitud de la onda que es la distancia que la onda recorre durante el periodo $T$. En otras palabras imaginemos que tenemos una cuerda amarrada a un pilar y tenemos el otro extremo de la cuerda en nuestra mano, y agitamos la cuerda de arriba hacia abajo, veremos que se forman ondas, la distancia que hay de una cresta de la cuerda a otra es la longitud de onda.

Pero sabemos que el periodo $T$ es :

(2)
\begin{align} f=\frac{1}{T} \end{align}

por lo tanto:

(3)
\begin{align} v=\lambda f \end{align}

Entonces como la velocidad del sonido es constante en los materiales lo que cambia son la longitud de onda $\lambda$ y la frecuencia de la onda $f$.

Si despejamos $\lambda$ obtenemos que $\lambda=\frac{v}{f}$, es decir que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia $f$ de la onda. A mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa.

¿Qué es el ultrasonido ó ultrasonografía ó ecografía?

El ultrasonido es una técnica para obtener imágenes médicas a partir de ondas sónicas de alta frecuencia y sus ecos. La técnica es similar a la eco-localización que utilizan los murciélagos, las ballenas y los delfines. Los barcos pesqueros utilizan una técnica llamada SONAR que utiliza el mismo principio que el ultrasonido para localizar los bancos de peces o cardúmenes y tirar las redes.

¿Cómo funciona?

El utiliza principios físicos. Los siguientes eventos ocurren en un ultrasonido de uso médico.

  1. La máquina de ultrasonido emite sonidos de 1 a 16 MHertz (1*106) dentro del cuerpo con ayuda de un transductor.
  2. Las ondas de sonido entran al cuerpo y chocan contra los tejidos.
  3. Algunas de las ondas sónicas emitidas son reflejadas y regresan al transductor, mientras que otras viajan más tiempo hasta que choquen con algún tejido y son reflejadas regresando al transductor.
  4. Las ondas sónicas que fueron reflejadas son recogidas por el transductor y enviadas a procesamiento.
  5. La unidad de procesamiento calcula la distancia del transductor al tejido u órgano usando la velocidad del sonido a través del tejido y el tiempo que tardo el regresar el eco (usualmente en el orden de millonésimas de segundo).
  6. La máquina de ultrasonido despliega las distancias e intensidades de los ecos en pantalla, formando una imagen en 2 dimensiones.

En un estudio de ultrasonido, se envian y reciben millones de ondas sónicas y ecos cada segundo. El transductor se mueve a lo largo de la superficie del cuerpo y en distintos ángulos para obtener distintos planos (vistas).

Partes de una máquina de ultrasonido.

Un aparato de ultrasonido básicamente esta conformado por las siguientes partes:

  • Transductor: és el elemento que envía y recibe las ondas sónicas.
  • Central de Proceso (CPU): la parte que hace todos los cálculos con la información dada por el transductor
  • Controles del transductor: con los que se pueden cambiar la frecuencia de las ondas sónicas emitidas por el transductor y su amplitud.
  • Pantalla: en donde se muestra la imagen del ultrasonido.
  • Teclado: para introducir los datos del paciente y poner anotaciones.
  • Sistemas de almacenamiento de datos: en donde se puedan guardar las imágenes y datos.
  • Impresora: para imprimir la imagen obtenida.

Transductor.

El transductor es la parte más importante de un aparato de ultrasonido. És el que hace las ondas de sonido y recibe los ecos que éstas producen; és como la boca y los oidos del ultrasonido.

El transductor genera y recibe las ondas de sonido por el efecto piezoelectrico, que fué descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880. Dentro del transductor hay mas un cristal de cuarzo llamados cristales piezoeléctricos.

Funcionamiento cristales piezoeléctricos.

Nota: poner definicion etimológica.

Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de éstos cristales, éstos cambian de forma muy rápido. Éstos cambios de forma, o vibraciones de los cristales producen ondas de sonido que viajan hacia el exterior. De igual manera, cuando las ondas de sonido rebotan en los órganos y tejidos de regreso al transductor, las ondas de sonido chocan con los cristales haciendo que a causa de la deformación producida por el choque produzcan una corriente eléctrica. los mismos cristales se usan para emitir y recibir ondas de sonido. El transductor tiene un sistema de lentes acústicos que ayudan a dar dirección a las ondas de sonido emitidas.

Hay distintos tipos de transductores, ya que la forma de éstos depende de su uso. Ya que una forma nos puede ofrecer un campo de visión más amplio, mayor profundidad y resolución en la imagen. Es bien sabido que el ultrasonido nos proporciona imágnes de un feto con un transductor que se desliza sobre el vientre de la madre, sin embargo también hay transductores que pueden ser introducidos a través de orificios del cuerpo (vagina, el recto esófago), de ésta manera se puede ver mejor el órgano a examinar (útero, próstata, estómago).

En la imagen se observan se abajo hacia arriba el Transvaginal, el Convexo (grande y chico), que se utiliza para el abdomen y ver fetos, Plano de alta frecuencia y el transductor que se utiliza para ver el corazón.

Transductores

Distintos tipos de Ultrasonido.

Ultrasonido 3D

En los últimos años los aparatos de ultrasonido son capaces de obtener imagenes en 3 dimensiones. En ésta modalidad lo que se hace es tomar muchas imágenes en 2 dimensiones moviendo el transductor por toda la superficie. Las imagenes que se obtuvieron son combinadas con un algoritmo especializado para formar una imagen en 3D.

Las imágenes en 3D permiten observar con mayor detalle el organo que se examina.

Aplicaciones

  • Detección temprana de tumores cancerigenos y benignos.
          • examinación de la próstata con un transductor especial para detección de tumores.
          • búsqueda de anomalías en el colon y el recto.
          • detección de lesiones en los senos.
  • Visualización del feto en su formación para identificar desarrollos anormales de cara y extremidades.
  • Visualizar el flujo de sangre en organos o en un feto.

Ultrasonido Doppler

Éste tipo de ultrasonido es mayormente usado para medir los flujos de sangre que circulan por las arterias o el corazón, dado que el efecto Doppler ayuda a medir velocidades. También se puede observar el comportamiento del flujo sanguíneo, e identificar flujos turbulentos (que son los que "rompen" la sangre). Es muy útil para verificar cuando una válvula del corazón, no cierra completamente y se identifica una regurgitación de sangre. Por ejemplo, la válcula aortica se encarga de dejar pasar la sangre a todo el cuerpo, pero hay ocasiones en la que no cierra bien, y la sangre tiende a regresarse al ventrículo izquierdo.

Efecto Doppler.

Cuando la fuente de ondas de sonido y el observador están en movimiento relativo con respecto al medio material en el cuál la onda se propaga, la frecuencia de las ondas observadas es diferente de la frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. Este fenómeno recibe el nombre de efecto Doppler en honor al físico C.J. Doppler (1803-1853) quien lo observó por vez primera en las ondas sonoras. Video del Efecto Doppler

En la figura se muestran unos ejemplos clásicos de efecto Doppler. En la figura a se muestra el tren que esta emitiendo un sonido tiene una velocidad de cero y tiene a dos personas una a cada lado del tren, en este caso las 2 personas escuchan lo mismo dado que la fuente de sonido no se encuentra en movimiento ni las personas, entonces se puede decir que las dos personas perciben el mismo sonido que emite el tren. En la figura b, el tren se encuentra ahora en movimiento y las personas siguen estáticas, el que el tren se encuentre en movimiento provoca que las ondas de sonido se junten en la dirección y sentido en la cuál se mueve dando como resultado un aumento en la frecuencia del sonido en inglés llamado pitch ó tono, en cambio la persona que se encuentra en la parte trasera del tren, dado que éste se aleja de la persona percibe el sonido con una frecuencia menor ó una longitud de onda mayor. En la figura c, se ilustra lo que pasa de noche, cuando un automóvil tiene encendidas las luces y se aproxima a nosotros cada vez la luz es más intensa y de igual manera cuando se aleja se hace más tenue porque la incidencia en nuestro ojo de las ondas son menores.

Ahora imaginemos que el tren avanza hacia nosotros emitiendo un sonido y nosotros avanzamos hacia él, lo que dara por resultado un aumento en la frecuencia a la cuál percibimos el sonido, dado que las ondas chocan más rápido con nuestro oido al nosotros estar avanzando hacia él que estando estáticos.

Efecto Doppler

Este principio es el que utilizan los radares de los policias en las carreteras para verificar si un automóvil, rebasa el límite de velocidad. El radar emite una onda a una frecuencia determinada, la onda choca con el automóvil y regresa el radar y si la longitud de onda es menor que la onda emitida entonces rebasó el límite de velocidad y si es mayor entonces nunca sobrepaso el límite.

Medios de contraste.

Al igual que en otras técnicas de diagnóstico por imágenes, como la Resonancia Magnética (RM), los Rayos-X, la Gammacámara, la Tomografía Axial Computarizada (CAT ó CT), en el Ultrasonido se utilizan medios de contraste, pero son muy distintos a los que se usan en las otras técnicas.

Por los principios físicos que utiliza, no sería posible inyectar radio opacos (Rayos X), sustancias paramagnéticas (RM), o radiofármacos que emitan rayos gamma (gammacamara). Sin embargo es posible inyectar microburbujas, las cuales se encuentran rellenas de un gas y la superficie de las burbujas es de albumina ó galactosa (proteinas), o algun lipido, o un polimero. Dado que son como pelotas, reflejan de muy buena manera las ondas de sonido, dado que el gas es compresible, y las proteinas se pueden deformar y regresar a su forma original, si bien los órganos dentro del cuerpo, tienen proteinas, el índice de reflección de estas burbujas es mucho mayor.

Éstas microburbujas son inyectadas a la circulación sistemica , y se utilizan para ver prefusión de sangre en órganos, medir el flujo sanguineo en el corazón y otros óganos.

Tal como su nombre lo indica las microburbujas miden del orden de micras (una micra es $1*10^{-5} m = 1 \mu m$).

Hoy en día (año 2007), su uso es reducido, ya que algunos prototipos se encuentran en desarrollo.

Aunque la FDA recientemente aprobó unas microesferas desarrolladas por General Electric Healthcare, las cuales tienen cubierta de albúmina y rellenas de un gas llamado octafluoropropano.

Éstas microburbujas, duran poco tiempo, alrededor de 5 ó 10 minutos ya que algunas son reventadas por las propias ondas de ultrasonido, y otras se disuelven. Las personas a las que se la ha administrado este medio de contraste reportan mareos, dolores de cabeza, nauseas, etc. Sin embargo, a las personas a las que se la dicho que se les va a administrar un medio de contraste y se les inyecta un placebo, han reportado los mismos efectos. Es decir, el efecto secundario, es un efecto psicosomático.

En inglés pueden encontrarlo en la red como: microbubbles ultrasound contrast media agents.

La siguiente es una imagen de ultrasonido antes y después de la aplicación del medio de contraste.

beforeandafter.jpg

La siguiente es una imagen de como lucen las microburbujas.

microsphereSEM.jpg

Aplicaciones generales del Ultrasonido

Aspectos en contra del Ultrasonido.

Referencias

Comentarios y Sugerencias.

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