Ultrasonido

Resumen

El ultrasonido, a manera sencilla se entiende como una
señal de audio que no puede ser

captada por el oído humano, sirve en
múltiples aplicaciones y es en muchos casos la manera
de

dar solución a problemas de una manera menos
costosa, sin embargo, dependiendo de la aplicación su
implementación puede ser de mayor o menor complejidad, su
funcionamiento se remite básicamente a los mismos
principios que los materiales piezoeléctricos,
convirtiendo la energía mecánica en
eléctrica y viceversa.

PALABRAS CLAVE: Ultrasonido,
frecuencia.

Introducción

El ultrasonido siempre ha existido en la naturaleza. Es
una herramienta útil para varios seres vivos (como en el
conocido caso de los murciélagos). Sin embargo,
recién en 1790 se tienen los primeros registros humanos de
la existencia del fenómeno y la iniciación humana
se encuentra durante la guerra mundial de 1914. Por consiguiente,
es un campo de la acústica que se encuentra en constante
desarrollo y cuyos avances presentan mejoras a la calidad de vida
de manera evidente. En el siguiente trabajo se establecerá
qué es el ultrasonido y se hará un análisis
histórico desde el punto de vista de la comunidad
científica. Además, se estudiarán distintos
usos que se le dan hoy en día al ultrasonido con el fin de
exponer su relevancia, no sólo para los estudiosos de la
acústica sino también para la humanidad en su
conjunto.

Conceptos
básicos

Sonido

Vibraciones mecánicas en un medio
elástico, las cuales pueden hacer vibrar la membrana
timpánica, convirtiéndose en vibraciones sonoras en
dependencia de su frecuencia, frecuencias inferiores a 16 Hz son
subsónicas y superiores a 16 000 Hz son
ultrasónicas.

Velocidad de
propagación

Es la velocidad en la que el sonido viaja a
través de un medio, y se considera típicamente de
1.540 m/sec para los tejidos blandos.

La velocidad de propagación del sonido
varía dependiendo del tipo y características del
material por el que atraviese. Los factores que determinan la
velocidad del sonido a través de una sustancia son la
densidad y la compresibilidad, de tal forma que los materiales
con mayor densidad y menor compresibilidad transmitirán el
sonido a una mayor velocidad. Esta velocidad varía en cada
tejido; por ejemplo, en la grasa, las ondas sonoras se mueven
más lentamente; mientras que en el aire, la velocidad de
propagación es tan lenta, que las estructuras que lo
contienen no pueden ser evaluadas por ultrasonido. Por otro lado,
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.

Frecuencia

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. Hay animales, como perros, delfines o
mosquitos, capaces de oír sonidos más agudos, de 25
KHz y aún más, pero estas ondas ya no entran dentro
de espectro de los sonidos.

Ultrasonidos: son las ondas
mecánicas que tienen una frecuencia superior a los 16.000
Hz, aunque los utilizados en medicina son, habitualmente, de
frecuencia superior a 0,5 Megahercios (MHz). Suelen oscilar entre
0,5 y 3 MHz para su uso terapéutico y entre 1 y 10 MHz en
ecografía.

Figura 1. A partir de los 20khz se da el
ultrasonido, el máximo alcance audible humano es hasta los
20 Khz

Partes del
ultrasonido

Transductor (cabezal) – es el sitio donde se
encuentran los cristales que se mueven para emitir las ondas
ultrasónicas. estos transductores también reciben
los ecos, para transformarlos en energía
eléctrica.

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, así como los indicadores de la
sesión, incluyendo fecha del estudio.

Impresora – para imprimir las
imágenes en papel.

Fifura 2.El equipo que se utiliza
pa realizar ultrasonidos.

Generación de
un ultrasonido

Cualquier objeto que vibre es una fuente de sonido. Las
ondas sonoras pueden ser generadas mecánicamente
(diapazon), en medicina se generan por medio de transductores
electroacústicos.

Efecto piezoeléctrico: son cambios
eléctricos que se producen en la superficie externa del
material piezoeléctrico al aplicar presión a los
cristales de cuarzo y a ciertos materiales policristalinos
(titanato de plomo-circonato y titanato de bario). en el cuerpo
humano se observan estos efectos especialmente en tejidos
óseos, fibras de colágeno y proteínas
corporales. este efecto es reversible.

Efecto piezoeléctrico invertido: si los
materiales arriba mencionados son expuestos a una corriente
eléctrica alterna experimentan cambios en la forma, de
acuerdo con la frecuencia del campo eléctrico,
convirtiéndose así en una fuente de
sonido.

Interacción
con los tejidos

Cuando la energía acústica
interactúa con los tejidos corporales, las
moléculas tisulares son estimuladas y la energía se
transmite de una molécula a otra adyacente.

La energía acústica se mueve a
través de los tejidos mediante ondas longitudinales y las
moléculas del medio de transmisión oscilan en la
misma dirección. Estas ondas sonoras corresponden
básicamente a la rarefacción y compresión
periódica del medio en el cual se desplazan (Figura 3). La
distancia de una compresión a la siguiente (distancia
entre picos de la onda sinusal) constituye la longitud de onda
(?), y se obtiene de dividir la velocidad de propagación
entre la frecuencia. 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 de US atraviesa un tejido se sucede una
serie de hechos; entre ellos, la reflexión o rebote de los
haces ultrasónicos hacia el transductor, que es llamada
"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. El contacto de dos materiales
con diferente impedancia acústica da lugar a una interfase
entre ellos (Figura 4). 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.(5)

Cuando dos materiales tienen la misma impedancia
acústica, este límite no produce un eco. Si la
diferencia en la impedancia acústica es pequeña se
producirá un eco débil; por otro lado, si la
diferencia es amplia, se producirá un eco fuerte y si es
muy grande se reflejará todo el haz de ultrasonido. En los
tejidos blandos la amplitud de un eco producido en la interfase
entre dos tejidos representa un pequeño porcentaje de las
amplitudes incidentes. 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).

Figura 3.Longitud de la onda. Compresión y
rarefacción. La energía acústica se mueve
mediante ondas longitudinales a través de los tejidos; las
moléculas del medio de transmisión oscilan en la
misma dirección que la onda. Estas ondas sonoras
corresponden a la rarefacción y compresión
periódica del medio en el cual se desplazan.

Figura 4. Interacción del US(Ultrasonido)
con los tejidos. Al entrar en contacto con dos 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.

Transductores

Un transductor es un dispositivo que transforma el
efecto de una causa física, como la presión, la
temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo
de señal, normalmente eléctrica.

En el caso de los transductores de ultrasonido, la
energía ultrasónica se genera en el transductor,
que contiene los cristales piezoeléctricos; éstos
poseen la capacidad de transformar la energía
eléctrica en sonido y viceversa, de tal manera que el
transductor o sonda actúa tanto como emisor y receptor de
ultrasonidos(Figura 5).

La circonita de plomo con titanio es una cerámica
usada frecuentemente como cristal piezoeléctrico y
constituye el alma del transductor. Existen cuatro tipos
básicos de transductores: sectoriales, anulares, de
arreglo radial y los lineales; difieren tan sólo en la
manera en que están dispuestos sus componentes. Los
transductores lineales son los más frecuentemente
empleados en ecografía musculoesquelética: se
componen de un número variable de cristales
piezoeléctricos, usualmente de 64 a 256, que se disponen
de forma rectangular y que se sitúan uno frente al otro.
Funcionan en grupos, de modo que al ser estimulados
eléctricamente producen o emiten simultáneamente un
haz ultrasónico.

Figura 5. 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.

Formación de
la imagen

Las imágenes ecográficas están
formadas por una matriz de elementos fotográficos. Las
imágenes en escala de grises están generadas por la
visualización de los ecos, regresando al transductor como
elementos fotográficos (píxeles). Su brillo
dependerá de la intensidad del eco que es captado por el
transductor en su viaje de retorno.

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.

El circuito receptor puede determinar la amplitud de la
onda sonora de retorno y el tiempo de transmisión total,
ya que rastrea tanto cuando se transmite como cuando retorna.
Conociendo el tiempo del recorrido se puede calcular la
profundidad del tejido refractante usando la constante de 1.540
metros / segundo como velocidad del sonido. 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.

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 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.

Aplicación en
la medicina

Existen varios aspectos para la utilización en la
medina ya sea de manera de solo realizar diagnósticos o
para realizar terapias. La técnica más segura ya
que no usa radiación, es sin duda la sonografìa,
pero existen otras muchas como desinfección de
herramientas, las fisioterapéuticas, la litotricia,
Etc.

Pero realmente nos enfocaremos en una sola que es la de
sonografìa.

SONOGRAFÍA

La sonografía médica es un tipo de
diagnóstico. Está basado en el uso de ultrasonido
para crear imágenes de músculos, tendones y
órganos internos. Captura correctamente su tamaño,
estructura y varias lesiones patológicas con
imágenes tomográficas en tiempo real. Esta
técnica se usa hace al menos 50 años y es una de
las herramientas de diagnóstico más utilizadas en
la medicina moderna. Es una tecnología relativamente
barata y portable, especialmente si se la compara con la
resonancia magnética o la tomografía computada.
También se usa el ultrasonido para visualizar fetos
durante exámenes de rutina y de emergencia en cuidado
prenatal

Figura 6. Imagen por ultrasonido
en 2d.

Como se aplica actualmente en la medicina y utilizado
correctamente, hay consenso en que el ultrasonido no presenta
riesgos para el paciente. Aunque diversos estudios plantean que
podríamos estar equivocados, la sonografía se
describe como un examen seguro porque no usa radiación,
que sí presenta riesgos como el aumento de la posibilidad
de desarrollo de cáncer. De cualquier forma, el uso de
energía ultrasónica presenta dos potenciales
efectos fisiológicos: aumenta la respuesta inflamatoria y
puede calentar tejidos blandos por la fricción que genera.
Este calor suele ser menor ya que la mayoría del calor se
disipa rápidamente. Sin embargo, 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.

El ultrasonido puede ser usado en obstétrica para
identificar condiciones peligrosas tanto para la madre como para
el bebé. Muchos profesionales de la salud consideran que
el riesgo de no examinar ciertas malformaciones 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. De cualquier forma, la FDA sugiere no utilizar el
ultrasonido para propósitos no médicos como
sería obtener imágenes del feto para mostrar a la
familia.

El ultrasonido se usa en obstétrica
para:

• Establecer la edad del feto

• Confirmar la vitalidad del mismo

• Determinar la locación

• Chequear la cantidad de niños
  gestándose (por embarazos múltiples)

• Observar el crecimiento

• Descartar anormalidades

• Determinar el sexo

• Establecer la posición de la placenta con
  relación al cuello del útero

• Estudiar el movimiento y el latido cardiaco del
  feto

Figura 7. Instrumento que crea
imágenes directamente a la computadora

Figura 8. Sonograma en
3d.

Conclusión

Los principios físicos y las técnicas de
manejo son esenciales para comprender la naturaleza de los
ultrasonidos y sus aplicaciones clínicas y para adquirir
imágenes diagnósticas de alta calidad. Los
médicos que practican la sonografía deben mejorar y
actualizar continuamente sus conocimientos. Una
comprensión de las bases físicas que gobiernan el
ultrasonido es muy conveniente para que el médico pueda
obtener excelentes resultados de esta técnica no invasiva
de imagen.

Sin embargo, la falta de seguridad sobre sus efectos
secundarios y su peligroso uso con fines cosméticos dejan
entrever que la investigación de este fenómeno no
ha llegado todavía a un punto estable. Todo el tiempo se
descubren nuevos usos y matices sobre el ultrasonido mientras que
se debate sobre la libertad con la que se usa. Seguramente en los
próximos años se desarrollen nuevas
tecnologías y se avance ampliamente en el ambiente
teórico. Lo que es seguro, es que es un campo de la
ciencia con frutos todavía por recoger.

Referencias

[1]http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_03_04/infra_y_ultra/aplicaciones_ultrasonidos.htm

[2]
http://www.techpointcolombiana.com/caracteristicas-del-ultrasonido.html

[3]
http://es.scribd.com/doc/62107552/ultrasonido

[4]http://www.jumpsex.com.ar/Aviso_Mosquitos_archivos/Funcionamiento.pdf

[5]http://www.ate.uniovi.es/8695/documentos/TRABAJOS%202008/avances/viernes%2023-01-09/830/g2%20ULTRASONIDOS%20EN%20MEDICINA.pdf

[6] Http://www.sonotech-inc.com/pi00033.cfm

[7]
http://www.slideshare.net/kurtmilach/ultrasonido-en-medicina

Autor:

Jhonny Paul Guillen
Peñarreta

Docente: Ing. René
Ávila