Principios físicos de la ecografía: resolución espacial y temporal

TABLA DE CONTENIDOS

Introducción. 1

1. Física de los ultrasonidos (US) 2

1.1. Naturaleza de los ultrasonidos 2

1.2. Características y parámetros de la onda ultrasónica 3

1.3. Interacción de los US con los tejidos 7

1.4. Resolución 10

1.5. Característica del haz y su generación 12

2. Ecógrafo: modos de registro 15

3. Eco doppler: indicaciones 20

3.1. Modalidades Doppler 20

4. Efectos biológicos de los ultrasonidos 23

4.1. Efectos térmicos 23

4.2. Efectos mecánicos 24

5. Artefactos en ultrasonidos 26

Bibliografía 38

Introducción a la ecografía

En este tema vamos a abordar las cuestiones que suelen preguntar en los exámenes y que corresponden a los principios físicos, pero también a cómo se ven determinadas estructuras o lesiones; es decir, su ecogenicidad.

¡El hígado y el riñón son los que más caen! En cuanto a imágenes patológicas, el cálculo es su preferido. Otro aspecto que preguntan son los artefactos: se lleva el premio la «sombra sónica», aunque cada vez hay más preguntas referidas a este apartado e incluso preguntan por qué se producen, por ello os sugiero que no obvieis esa parte aunque os pueda parecer intragable, iintentaré que no lo sea!

El hecho de que la mayoría del colectivo no realicéis ecografías puede dificultar, al principio, el estudio. Os recomiendo que veáis imágenes para ayudaros a incorporar la terminología.

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Física de los ultrasonidos (US)

05/05/10 09:36: 10 BG: 27 210mm DYN : 4 ENH: 1/2 SCC ; 1 BG: 30 210mm DYN ; 4 ENH; 1/2 SCC ; 1 > 000 > 000 RI M F1 PWR ; HIGH ID: M F1 3.5M C.ESP. VENTORRILLO Imagen 1. Imagen ecográfica

Antes de entrar de lleno en este tema, me gustaría que te fijases en esta imagen y reflexionases un rato, 2 minutos bastan, e intentes dar respuesta a las siguiente pregunta:

¿Por qué hay un parte que se ve negra, otra mas clara, incluso blanca y otras zonas se ven grises?

No es necesario tener conocimientos previos de ecografía para contestar, si de cómo se forman las imágenes. ¡ Una vez hayas visto el tema sabrás qué estructuras se ven en la imagen!

Naturaleza de los ultrasonidos

La primera aplicación de US en medicina diagnóstica data de 1942. La ecografía difiere de la radiología diagnóstica en que usa ondas sonoras no ionizantes de alta frecuencia para generar la imagen de una estructura particular. La radiografía es útil en la visualización de estructuras óseas densas y estructuras llenas de aire. La ecografía, en cambio, se emplea para visualizar interfases de tejidos blandos y puede distinguir entre lesiones sólidas (p. ej., masas tumorales) y líquidas. Para visualizar las estructuras utiliza ultrasonidos.

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Los ultrasonidos son vibraciones sonoras de una frecuencia superior a 20 000 ciclos/segundo, que es la que corresponde al límite de la audición humana. Las vibraciones sonoras son vibraciones de tipo mecánico que se propagan a través de un medio material por compresiones y dilataciones periódicas del material a partir del foco que las genera.

Para entender esta definición vamos a intentar acercarnos a las ondas y a las características que las definen.

Características y parámetros de la onda ultrasónica

En el cuerpo humano, las oscilaciones de las partículas del medio adoptan siempre una disposición longitudinal.

Observa estas ondas:

W

Imagen 2. Onda

¿Qué observar ?: ¿ tienen todas la misma altura, están igual de juntas?

La onda de la imagen anterior no es un ultrasonido. Sin embargo, nos sirve para entender la definición de onda sonora. Cuando se propaga, este tipo de onda provoca compresiones y dilataciones; si representamos estas variaciones de la presión a lo largo del tiempo, obtenemos una figura sinusoidal, que es la que aparece en la imagen

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Amplitud de la onda

Las tres ondas que ves no tiene la misma altura debido a que no tienen la misma amplitud. La amplitud representa el cambio máximo producido en las partículas debido a la presión de la onda y se relaciona con la intensidad del ultrasonido: a mayor intensidad, mayor amplitud. En los equipos de ecografía diagnóstica, las ondas no suelen ser simétricas.

Te dejo, a continuación, un dibujo de la onda sinusoidal.

1 2 3 1. Compresión 2. Rarefracción 3. Transductor

En este dibujo puedes ver la figura sinusoidal. Observa que la parte de la onda que queda por encima de la línea horizontal corresponde a la compresión, y la que está por debajo corresponde a la rarefracción. La que está por encima suele tener mayor amplitud que la que está por debajo de la línea base; por eso no son simétricas.

Longitud de onda

Tampoco hay la misma distancia entre los puntos más elevados (denominados crestas) o los más hundido (conocidos como valles) entre las tres ondas. Esa distancia es la longitud de onda.

4 | PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA ECOGRAFÍA

Frecuencia de la onda

Es el número de oscilaciones que realiza una partícula en un segundo. Fíjate que los ultrasonidos hacen vibrar las partículas. Si las crestas o lo valles están muy juntos, la frecuencia es alta: ¿ cómo será, entonces, la longitud de onda?

1 oscilación/sg = 1 ciclo/seg = 1 hertzio (Hz) 1.106 oscilación/sg = 1 megaciclo/sg = 1 megahertzio (MHz)

Como la velocidad del sonido es una constante para cada medio, a cada frecuencia le correspondería una longitud de onda determinada.

2=1 →V= V= velocidad en m/sg F= frecuencia 2= longitud de onda

Esta relación en muy importante y si ya la estudiaste en el tema de fisica de las radiaciones, lo recordarás: la frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales.

La elección de ambos parámetros es de gran importancia, ya que están estrechamente relacionados con la resolución y con la penetración.

Muy importante

• Menor penetración
• A mayor frecuencia > menor longitud de onda
• Mejor resolución
• Mayor penetración
• A menor frecuencia > mayor longitud de onda
• Peor resolución

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Para recordar esto puede resultarte útil comprobarlo: dibuja una onda con tres crestas y pon la longitud de onda que quieras; debajo, dibuja otra onda con las mismas crestas pero con una longitud de onda menor. ¿ Cuál tiene mayor frecuencia? Es decir, ¿cuál tiene las crestas más juntas?, si lo has hecho bien, será la que tenga menor longitud de onda. Si no lo ves, jenvía la duda al foro!

Debido a esto, en la exploración clínica se usan diferentes frecuencias según la región corporal que se desee explorar. Es necesario contar con transductores que cubran un amplio intervalo de frecuencias, desde 2 MHz para algunas aplicaciones cardíacas y abdomen profundo, donde se requiere mayor penetración, hasta 10 MHz para estructuras superficiales y 20 MHz para imagen intravascular y piel. Por otra parte, el desarrollo de instrumentos que permiten que el transductor esté lo más cerca posible de la estructura anatómica a explorar (sondas endovaginal, endoscópica o endovascular, denominadas sondas anatómicas) ha permitido el uso de frecuencias altas con lo que se consigue una mejor resolución.

En cuanto al rango de frecuencias, según la fuente consultada, las frecuencias utilizadas en ecografía médica van desde 3 MHz hasta 12 MHz.

Clasificación de las ondas

• Infrasonidos: ondas de menos de 16 Hz
• Sonidos: ondas entre 16 y 16 000 Hz o entre 16 y 20 000 Hz = 20 KHz
• Ultrasonidos: ondas con frecuencia superior a 16 000 o 20 000 Hz. Los US con fines diagnósticos se encuentran entre 2 y 20 MHz. Cuando se usan con fines terapéuticos, las frecuencias utilizadas son entre 1 y 3 MHz. Por encima de 1 GHz se llaman hipersonidos.

Intensidad del ultrasonido

Se mide en watios/cm2 e indica la energía que una onda sónica es capaz de liberar por segundo en una superficie de 1 cm2 en la dirección perpendicular a la de propagación del sonido. Al aumentar la intensidad, aumenta la amplitud. En la práctica, la intensidad se expresa en decibelios (dB). La intensidad disminuye con la distancia (de manera

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inversamente proporcional al cuadrado de la misma). Esta disminución es debida a que la energía se distribuye cada vez en una zona más amplia y a la absorción de la misma.

Interacción de los US con los tejidos

Para entender cómo se forma la imagen ecográfica es necesario entender cómo se comporta la onda de ultrasonidos cuando incide en las diferentes estructuras u órganos.

Velocidad del sonido

La velocidad del sonido es menor que la de la luz. Recuerda que en una tormenta, primero ves el rayo y después oyes el trueno. La velocidad depende de la densidad y compresibilidad del medio. Cuanto más sólido sea, mayor será la velocidad del US a través de dicho medio, las partículas se mueven menos si están muy juntas y, por tanto, la onda avanza más rápido. En la mayoría de los tejidos corporales, la velocidad del sonido es parecida a la que existe en el agua, con excepción del tejido óseo compacto en él que la velocidad es 3 veces mayor. Otra excepción la constituyen los gases, con una velocidad de transmisión mucho menor debido a su gran compresibilidad. Esto explica algunas diferencias en la formación de la imagen cuando el haz atraviesa una u otra estructura. Fíjate en que estamos hablando de la velocidad de la onda a través del tejido. Las partículas no se desplazan. La velocidad en los tejidos blandos se puede considerar constante = 1540 m/s.

Impedancia acústica

Este témino es muy importante porque condiciona cómo se ven los órganos y las estructuras. Se llama también resistencia sónica y es la resistencia que ofrece cada tejido al paso de los ultrasonidos y es responsable de la reflexión, el eco, del sonido al atravesar un medio. La detección y el registro en imágenes de los ecos provenientes de los tejidos corporales, con fines diagnósticos, es el objeto de la ecografía.

La impedancia se puede definir como el cociente entre la presión acústica y la velocidad de la partícula sobre la que actúa y es igual a la densidad del medio multiplicada por la velocidad de transmisión de la onda en dicho medio.

Z = Impedancia Z= D V D = Densidad

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