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Las bases físicas del ultrasonido

CONTENIDO 

Introducción

La utilización del ultrasonido como herramienta diagnóstica o terapéutica, y específicamente en las áreas de interés para el anestesiólogo: la anestesia regional, ultrasonido a la cabecera del paciente, ecografía de urgencias, accesos vasculares, entre otros; requiere entender algunos principios físicos básicos y fenómenos propios del funcionamiento de equipos de ultrasonido y la formación de imágenes, permitiendo un manejo óptimo en la obtención de imágenes, con una mejor configuración y manipulación durante su uso.

En la práctica clínica, se han difundido varios conceptos poco claros en cuanto al ultrasonido, como la afirmación escuchada en múltiples oportunidades, que el aire o el hueso no transmiten el ultrasonido, aquí abordaremos de forma sencilla estos conceptos.

Principios generales del ultrasonido

El ultrasonido es una onda mecánica de iguales características físicas al sonido. En realidad, la única diferencia con el sonido es que nuestro sistema auditivo no puede percibirlo por estar por fuera del rango de frecuencias audibles para el ser humano (aproximadamente 20000 Hz).

Por tratarse de una onda mecánica, requiere un medio para su propagación, pues requiere moléculas para transmitirse a través de ellas, mediante vibración. Por esta razón, al igual que el sonido, el ultrasonido no se propaga en el vacío.

Por tal razón, es totalmente incorrecto afirmar que el ultrasonido no se transmite en el aire, aunque es cierto decir que el aire es el gran enemigo del ultrasonido médico, más adelante en este texto explicaremos el porqué.

Características del ultrasonido

Velocidad: distancia recorrida por las ondas por unidad de tiempo. Se mide en metros/segundo.

Frecuencia: número de ciclos por unidad de tiempo. Se expresa en hertzios. Un Hertz es una oscilación en un segundo. Se clasifica como ultrasonido aquellos con frecuencia mayor de 20 kHz, las ondas de ultrasonido para uso médico oscilan en el rango de 1-15 MHz.

Período: es el tiempo que tarda en completarse un ciclo. Se expresa en segundos y equivale a .

Longitud de onda: distancia entre dos fases iguales del ciclo. Es una unidad de distancia. Cabe anotar que es inversamente proporcional a la frecuencia.

Amplitud: distancia entre el punto medio al punto máximo o al punto mínimo de la onda. Se relaciona con la magnitud de la ondulación.

Intensidad: en el caso del sonido o ultrasonido se mide en unidades de presión como pascales -Pa- o milibar -mbar-, o en su unidad relativa decibeles -dB-. Es la medida relacionada de la amplitud y se refiere a la percepción de la onda. La mayoría de los ultrasonidos médicos manejan una intensidad de 100 dB.

Figura 1. Características de la onda de ultrasonido. En este caso se muestra una frecuencia de 3 Hz, es decir, 3 ciclos por segundo.

La velocidad de la onda de ultrasonido depende del medio en el cual se propague, siendo mayor la velocidad a mayor densidad del medio, como ya se mencionó la onda vibrante debe hacer vibrar las moléculas del medio y estas transmiten su vibración unas con otras, de modo que entre más cercanas se encuentren las moléculas más rápida será la transmisión del ultrasonido (medios densos). En caso contrario, si las moléculas del medio se encuentran distantes unas de otras como en medios de baja densidad tales como: aire, agua; las moléculas deben desplazarse mayores distancias para transmitir la vibración y la velocidad del ultrasonido es menor.

Para entender una onda mecánica como el sonido la podríamos asemejar a las bolas de billar o al péndulo de Newton, donde una molécula transmite la energía de la onda a su vecina con la que entra en contacto.

En términos matemáticos la velocidad es el desplazamiento por unidad de tiempo, que para una onda de ultrasonido se traduce en: donde es la longitud de onda y es la frecuencia. Dado que la velocidad del ultrasonido en un medio es constante; al cambiar la frecuencia, cambia la longitud de onda, estas dos propiedades del ultrasonido muestran una relación de proporcionalidad inversa, a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa.

Veamos un ejemplo: en promedio en nuestros tejidos el ultrasonido tiene una velocidad de 1500m/s de modo que si usamos un transductor lineal de alta frecuencia con una frecuencia de emisión de 10 MHz, tendríamos que 

Si usamos un transductor convexo o curvilíneo de baja frecuencia, con una frecuencia de emisión de 2 MHz, tendríamos:

Estos valores tienen importancia clínica dado que a mayor frecuencia, menor longitud de onda y por ende, menor penetración de tejidos. En caso opuesto, a menor frecuencia, mayor longitud de onda y mayor penetración de tejidos. De modo que los transductores de alta frecuencia sirven para ver con nitidez estructuras superficiales y los transductores de baja frecuencia sirven para ver estructuras profundas pero con menor resolución.

Como ya se mencionó, la amplitud de onda es una medida de la magnitud de la onda.En ultrasonido, la unidad de medida más usada para la intensidad de la onda es el decibel (dB). La onda ultrasónica al pasar por los tejidos va perdiendo intensidad (y también amplitud), fenómeno conocido como atenuación, que puede ser comparado con lo que ocurre al alejarnos de la fuente de un sonido, entre más alejados nos encontremos menor va a ser la intensidad del sonido debido a la atenuación. Las ondas de alta frecuencia se atenúan más que las de baja frecuencia, esto también lo hemos notado en nuestro entorno diario, al estar lejos de una fuente de sonido lo único que escuchamos son los sonidos graves (baja frecuencia). Lo mismo ocurre con el ultrasonido: las ondas de baja frecuencia se atenúan menos y llegan más profundo en los tejidos.

Los tejidos menos densos y heterogéneos causan mayor atenuación de la onda, mientras que los tejidos homogéneos y densos atenúan menos la onda de ultrasonido.

El coeficiente de atenuación para nuestros tejidos es en promedio 1 dB/MHz/cm. De modo que una onda de ultrasonido de alta frecuencia 10 MHz la profundidad a la que puede llegar es de 5 cm si sabemos que la mayoría de los ultrasonidos que usamos tienen una intensidad de 100dB:

Recordemos que el ultrasonido tiene que recorrer el camino de ida hacia los tejidos y de regreso al transductor, de modo que esos 10 cm se deben dividir por 2, de este modo la profundidad máxima que puede evaluar ese transductor de 10 MHz con intensidad de 100 dB es 5 cm. Para el transductor de baja frecuencia de 2.5MHz sería:

Debemos dividirlo por dos 20cm es la profundidad máxima que puede explorar el transductor de 2.5Mhz con una intensidad de 100 dB.

Simplificando: la profundidad máxima de escaneo de un transductor equivale a 100 dividido la frecuencia del transductor en y ese resultado dividido en 2.

​INTERACCIÓN CON LOS TEJIDOS

El haz de ultrasonido sufre cambios al atravesar un medio, presentando variaciones en su amplitud, velocidad y frecuencia, estas variaciones son cuantificadas por el transductor y graficadas.

​TEJIDO ​VELOCIDAD(m/s)​DENSIDAD (g/cm³)​IMPEDANCIA ACÚSTICA(Z)
​COEFICIENTE DE ATENUACIÓN (dB/MHz/cm)
​GRASA ​1470​0.97​1425.90.5​
​MÚSCULO​1568​1.04​1630.72​2
​HÍGADO​1540
​1.055​1624.7​0.7
​CEREBRO​1530​1.02​1560.6​1
​HUESOS​3600​1.7​1560.6​4 a 10
​AGUA​1492​0.9982
​14.893.144​0.002
​AIRE​3310.0013​0.4303​1.62544398(1MHz)∗
6.40672156(2MHz)∗
159.40528527(10MHz)∗

∗:a 24oC, 102.3 KPa y 57% de humedad

Tabla 1. Resumen del comportamiento del ultrasonido en diferentes medios. 

 El ecógrafo calcula la distancia de acuerdo al tiempo que tarda la onda en regresar. Suponiendo una velocidad en los tejidos de 1540 m/s, si la onda tarda 0.1ms en regresar tendríamos:

Como la distancia recorrida es de ida y vuelta el cálculo se hace dividiendo por dos, así que para el caso en cuestión el ecógrafo graficaría ese eco a 7.7 cm de profundidad.

Figura 2. Muestra el viaje de la onda de ultrasonido desde que parte del transductor, se refleja en el objeto y regresa al transductor

 Estos son algunos cambios que sufren las ondas del ultrasonido al entrar en contacto con diferentes tejidos:

Atenuación: cambio de amplitud consecuencia de la disminución progresiva de la energía de la onda a su paso por el medio.

Reflexión: cambio de la dirección de la onda en un ángulo igual que el ángulo de incidencia, si el ángulo de incidencia es 90⁰ es decir perpendicular optimizaremos la reflexión.

Refracción: Cambio de dirección de la onda al cambiar de medio, en un ángulo diferente al ángulo de incidencia.

Dispersión: Cambio de la dirección de la onda en varias direcciones.

La reflexión, la refracción y la dispersión son variantes del mismo fenómeno.

Figura 3. Interacción de la onda de ultrasonido con los tejidos.

​Cuando la onda ultrasónica pasa a través de los tejidos, cambia de velocidad dependiendo del medio. Como ya mencionamos, los medios más densos conducen más rápido la onda ultrasónica, pero también la atenúan más. El producto de la velocidad del ultrasonido en un medio determinado por la densidad del medio se denomina impedancia acústica: Z: V x D

​La relación de impedancias acústicas entre los medios contiguos determina el grado de reflexión de la siguiente manera:

Para entender claramente este y otros conceptos calculemos un par de ejemplos.

¿Cuál sería el porcentaje de reflexión del ultrasonido al pasar de grasa a músculo?

Z grasa: 1425.9

Z músculo:1630 

​Quiere decir que en la interfaz de grasa a músculo se reflejan el 0.44% de las ondas de ultrasonido.

¿Qué porcentaje del ultrasonido se refleja en la interfaz músculo-hueso?

Z músculo: 1630

Z hueso: 6120

Esto significa que el 33% de las ondas de ultrasonido se ven reflejadas por la interfaz de músculo a hueso. Esto aunado a la atenuación de los tejidos óseos explica el porqué el hueso causa sombra acústica, no olvidemos que de las ondas que pasan hacia el hueso también regresarán en forma de eco, y que de esas ondas nuevamente el 33% será reflejado hacia los tejidos profundos con el cambio de interfaz de hueso a músculo dado que al cambiar el orden de Z1 y Z2 el resultado sigue siendo el mismo, para dejar claro: en una interfaz hay reflexión de igual proporción tanto de ida como de vuelta.

¿Qué porcentaje del ultrasonido se refleja al pasar de músculo a aire?

Z músculo: 1630

Z aire: 0.4303 

Esto significa que el 99.94% de las ondas de ultrasonido son reflejadas en el primer paso por esta interfaz, de modo que solo el 0.06% de las ondas emitidas continúan su camino, generando una zona anecoica posterior a la interfaz de alta reflexión.

Artefactos en la producción de la imagen por ultrasonido 

 Artefactos.

Los artefactos son aquellas imágenes que se ven en el ultrasonido y que no corresponden a la anatomía o por el contrario que existen anatómicamente pero no se encuentran en el ultrasonido. Los artefactos en la ultrasonografía son consecuencia de la manera como el ecógrafo interpreta el eco y forma la imagen, es importante saberlos identificar para evitar errores de interpretación o en algunos casos para interpretar adecuadamente los artefactos como en ultrasonografía pulmonar.

Reverberación.

Iniciamos la explicación de los artefactos con este fenómeno de reverberación debido a la reciente explicación numérica del coeficiente de reflexión. Retomemos el ejemplo de la interfaz músculo-aire con una reflexión del 99.94% de las ondas de ultrasonido. Estas ondas reflejadas al llegar a piel se encuentran nuevamente con una interfaz altamente reflectiva, la interfaz piel-aire ambiente, de modo que nuevamente refleja el 99.94% de las ondas del primer eco, estas ondas regresan a la profundidad (segundo eco) y nuevamente se encuentran con la interfaz músculo-aire, siendo nuevamente reflejadas (tercer eco) y así sucesivamente hasta que la atenuación termina con la amplitud de la onda. El ecógrafo no tiene forma de saber que se trata de la misma onda de ultrasonido que emitió al inicio y que ha estado reverberando en los tejidos, y calcula su profundidad basándose en el tiempo(t) que tarda en llegar al transductor de esta forma el ecógrafo muestra zonas de alta reflexión a diferente profundidades, separadas por la misma distancia de la piel a la zona real de alta reflexión. Este fenómeno se presenta en otras interfaz de alta reflexión. En el ejemplo a continuación, el ecógrafo interpretaría una línea hiperecoica a 5 cm de profundidad (eco 1), una línea hiperecoica a 10 cm de profundidad (eco 3, primera reverberación), otra línea hiperecoica a 15 cm de profundidad (eco 5, segunda reverberación) y así sucesivamente.

El signos de "la cola de cometa" es un tipo de reverberación en la cual la distancia entre las superficies altamente reflectantes es pequeña, como consecuencia se produce una imagen reverberante tan estrecha que se fusionan y da forma triangular.

Figura 4. Formación del artefacto de reverberación (t:tiempo transcurrido, D: distancia recorrida por la onda)

Sombra acústica.

Este artefacto se presenta en las interfaces de alta reflexión, y unos coeficientes de atenuación altos, el ejemplo típico es la interfaz músculo-hueso, en esta interfaz se refleja el 33% de las ondas de ultrasonido y el hueso atenúa rápidamente las ondas que pasan hacia él, al otro lado hay otra interfaz hueso-músculo con otro 33% de reflexión. Así, muy pocas ondas pasan y las que regresan nuevamente se reflejan un 33% hacia la profundidad, esto suma solo en reflexión un 99% de la onda sin tener en cuenta la atenuación, refracción y dispersión, de modo que el ecógrafo no encuentra ondas provenientes de esa zona y la interpreta como una zona sin eco (anecoica). 

Figura 5. Formación de la sombra acústica.

Refuerzo o realce acústico.

Se presenta cuando el ultrasonido atraviesa una zona de baja atenuación como el líquido, en los quistes o en las estructuras vasculares, las estructuras posteriores se ven más brillantes debido a que las ondas provenientes de esa zona llegan con más amplitud al transductor que las provenientes de la zona aledañas que recibieron la atenuación normal de los tejidos. El gráfico muestra cómo la onda 1 al recibir menor atenuación produce un eco de mayor intensidad (amplitud) que se grafica como más brillante, y la onda 2 al recibir la atenuación usual produce un eco menos intenso que contrasta con el eco de la onda 1. 

Figura 6. Mecanismo del refuerzo o realce acústico posterior.

Artefacto del ancho del haz.

El transductor emite un haz de ultrasonido principal de aproximadamente el tamaño del transductor; pero este no es el único, también emite alrededor de ese haz principal unos haces secundarios de menor amplitud. Además de eso, el haz principal después de pasar la zona de Fresnel, el foco y entrar en la zona de Fraunhofer, se dispersa. Estas ondas que se dispersan, también pueden generar ecos y regresar al transductor.

El ecógrafo asume que los eco provienen de la zona por debajo al transductor; pero algunos elementos ecogénicos pueden ocasionar ecos de la zona periférica que son captados por el transductor e interpretados erróneamente como provenientes de la zona de escaneo. Para evitarlos se debe enfocar en la zona de interés.

Artefacto de imagen en espejo.

Este artefacto se produce de dos maneras: la primera como consecuencia de la reflexión y la segunda como consecuencia de la refracción. En el primer caso una zona altamente reflectante yace posterior a un tejido reflectante, de modo que una parte del haz ultrasónico reverbera entre las dos y se produce una segunda imagen falsa posterior a la zona altamente reflectante. 

Figura 7. Artefacto de ancho de haz
Figura 8. Imagen en espejo.

También puede producirse artefacto en espejo cuando la onda es reflejada en ángulo hacia el objeto, causando un recorrido mayor y por ende retraso en su retorno al ecógrafo, que este interpreta como otra imagen a mayor profundidad.

Figura 9. Imagen en espejo.

Conclusiones.

El ultrasonido es una onda mecánica, por lo tanto necesita un medio para su transmisión. El aire es un medio por lo tanto el aire transmite el ultrasonido, el vacío (ausencia de medio) es la única situación en la que no se transmite el ultrasonido. La dificultad del ultrasonido con el aire reside en su baja impedancia acústica (Z), esto hace que las interfaces que incluya aire van a tener una alta tasa de reflexión haciendo muy difícil, si no imposible, obtener imágenes posteriores a dicha interfaz.

El hueso y otras estructuras densas transmiten muy bien el ultrasonido, por tratarse de medios densos y con una alta impedancia acústica van a causar una alta reflexión en las interfaces de las cuales formen parte, además de una atenuación alta, haciendo que los ecos no retornen al transductor y como consecuencia creando las sombras acústicas tan características.

El entendimiento de todos estos conceptos físicos y la forma como se producen las imágenes y los diferentes artefactos, nos va a servir para no caer en errores diagnósticos o procedimentales durante nuestra práctica clínica. 

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