Teoría del ultrasonido

Publicado por imdimx en Secciones activas en noviembre 9th, 2011

INFORMACION GENERAL SOBRE EL ULTRASONIDO

DESARROLLO:

Un análisis completo sobre la física y el desarrollo histórico del ultrasonido pudiera requerir todo un libro completo, por lo que revisaremos casi esquemáticamente algunos ejes que han movido los avances en el campo del ultrasonido diagnóstico.

Solo por seguir un orden dividiremos el devenir histórico del ultrasonido en  cuatro etapas. Su descubrimiento, el descubrimiento del efecto Doppler, la capacidad de crear ondas de ultrasonido a voluntad y el poder darles uso útil en la industria, la guerra y la medicina. 

En 1880, los hermanos Jacques y Pierre Curie,  descubren el efecto piezoeléctrico. Que es la propiedad de algunos cristales de cuarzo, porcelanas y otros materiales para convertir un pulso eléctrico en una onda mecánica, e inversamente una onda mecánica en pulso eléctrico. O sea, logran un método de crear ondas de ultrasonido a voluntad.

Resumiendo, primero se descubre que existe el ultrasonido, segundo hay materiales que lo crean a nuestro alcance, tercero que tiene utilidad en la medicina y cuarto que podemos fabricar utensilios que creándolo a voluntad sirven para el diagnóstico médico.

BASES FISICAS:

El sonido se transmite a diferentes velocidades en los tejidos, dependiendo del tamaño de sus células o de la distancia entre las mismas, justamente esa diferencia de velocidades determina los diferentes tonos de gris formados en la imagen, cada tejido tiene por lo tanto una diferente impedancia, o sea que determina un diferente obstáculo al paso del sonido, retrasando mas o retrasando menos su paso, y en materiales líquidos casi no modificándolo.

Dos tejidos con impedancia semejante son difíciles de diferenciar entre si, dos tejidos con diferente impedancia determinan una interfase entre ellos y ahí es justamente donde se refleja el sonido y regresa al transductor en forma de un eco reconocible.

 

VEAMOS AHORA ALGUNAS DE LAS PROPIEDADES DEL SONIDO EN GENERAL Y ESPECIAL DE LOS ULTRASONIDOS.

LA FRECUENCIA MIDE EL NUMERO DE CICLOS POR SEGUNDO

1 Hrtz               = 1 ciclo por segundo

1 KHrtz             = 1,000 ciclos por segundo

1 MHrtz            = 1,000,000 ciclos por segundo

El ultrasonido es enviado a determinada velocidad por el transductor, pero esta velocidad es retardada y modificada por los tejidos en diferente grado, dependiendo de sus características anatómicas e histológicas propias, se sabe ahora que las velocidades en los diferentes tejidos son las señaladas en el cuadro siguiente, donde en el renglón de TEJIDOS BLANDOS, se indica la velocidad promedio de los mismos y a la que esta calibrado el equipo de ultrasonido.

Como es fácil apreciar las velocidades, medidas en metros sobre segundo, en los tejidos son apenas diferentes, por lo que, la diferencia en tonos de gris es también discreta y por ello se requiere el conocimiento de lo anterior para efectuar valoraciones de carácter diagnóstico.

También de otras características de la interacción del sonido con los tejidos, las que tienden a disminuir la calidad de los ecos recogidos y por ende de la imagen que finalmente se expresa en el monitor.

Recordar el llamado FACTOR DUTY, que relaciona la fracción de tiempo en que el transductor genera un pulso de ultrasonido, (una milésima de segundo por ej.) y el tiempo en que el transductor reposa, coloquialmente se dice que “escucha”, (los otros 999 milisegundos).

REFLEXION:  

Si el sonido emitido por el transductor se refleja en los tejidos en ángulo perpendicular, el eco será de máxima calidad, pero si la interfase donde se refleja tiene algún grado de angulacion, dependerá de ese grado la perdida de sonido y la menor calidad del eco reflejado. Entre mayor angulacion, mayor pérdida.

Si la interfase es rugosa, es decir con múltiples angulaciones en diferentes direcciones, las reflexiones serán también múltiples y la calidad final será aun menor, pues se perderán ecos que nunca llegan a la superficie del transductor y se diseminan en los tejidos de vecindad.

LA REFRACCION:

Es el cambio de dirección del haz de sonido en las interfases, es decir cuando pasa de un tejido a otro que tengan diferente impedancia acústica. Esto constituye la LEY DE SNELL.

LA DIFRACCION:

Es un fenómeno que se produce en los perfiles de las masas densas o redondeadas, donde sus perfiles determinan sombra sonica posterior, debido a que parte de los ecos, “resbalan” en la superficie redondeada o sea que se difractan y se pierden anguladamente en la profundidad de los tejidos, no habiendo ecos que regresen ya al transductor.

Por lo que en los perfiles de estas áreas ya sean quisticas o sólidas se crean franjas oscuras hacia la profundidad, determinando sombra sonica posterior.

LA DISPERSION:

Es el fenómeno que ocurre en las interfases pequeñas, donde el eco producido, se dispersa en todos los ángulos, (como en las interfases rugosas), y solo un porcentaje muy menor regresa al transductor.

LA ATENUACION:

Es la reducción de la amplitud y de la intensidad del haz de sonido que se pierde a través de cualquier medio, por los fenómenos de absorción, reflexión, difracción y dispersión.

El ultrasonido se atenúa a razón de un decibel por mHz. de señal por cada centímetro de profundidad.

Como un ejemplo: si estamos trabajando con 5 mHz de señal, se perderán 5 dB. de intensidad por cada centímetro de profundidad.

Esto nos lleva a conocer que cada equipo trabaja con cierta potencia, trabajo que realiza la fuente emisora y se mide en Watts de energía.

La intensidad general debe dividirse por el área del haz de sonido.

Los ecos recibidos son necesariamente menos intensos, aunque en los equipos los podemos compensar, (aumentar las ganancias), y se miden en decibeles que son la décima parte de un Bel, (SISTEMA BEL).

Los decibeles son medidas de comparación entre los sonidos, para tener una idea aproximada de su intensidad, como por ejemplo, comparar el sonido de una sirena de ambulancia, con el tráfico normal de una calle con el grito de un vendedor o de un trueno, etc. para compensar los sonidos débiles, sirve la escala de ganancias general y especial por áreas.

Las atenuaciones propias de cada tejido, se señalan en el cuadro siguiente, entre mayor diferencia entre la impedancia acústica de cada tejido, habrá una mayor reflexión.

Por ello el aire determina casi una total reflexión del sonido, casi todo regresa al transductor y no queda sonido que avance a la profundidad y forme imagen alguna.

El hueso también determina el mismo fenómeno y además tiende a absorber el sonido en forma de calor, (mínimo), así que también crea una sombra sonica posterior.

RESOLUCION DE LA IMAGEN:

Es la capacidad del equipo para poder diferenciar 2 puntos como separados, hay resolución axial o sea en el mismo eje del sonido y lateral o sea en el sentido transverso a eje del haz sonico.

La resolución axial es la apreciación de 2 puntos en un plano longitudinal y depende de la longitud de onda.

La resolución lateral es la apreciación de 2 puntos en sentido perpendicular y depende del transductor.

Cuando la imagen que se forma no tiene la nitidez adecuada, se dice que le falta resolución.

A mayor frecuencia, mayor resolución, pues dos frecuencias diferentes separan a los puntos vecinos, si quedan en la misma onda no se resuelven y aparecen como solo uno, esto se logra con menor longitud de onda, lo que también determina una menor profundidad.

A menor frecuencia, menor resolución, mayor longitud de onda, pero mayor profundidad.

LAS ZONAS DE LA IMAGEN:

Los transductores por razones de construcción, de la misma física y del enfoque de los mismos y de que reciben los ecos desde diversas profundidades, crean las imágenes en dos zonas diferentes.

Una zona lejana o de Fraunhofer y una cercana o de Fresnel.

Es la zona lejana, donde el sonido comienza a “perderse”, está determinada por el diámetro del transductor, la longitud de onda y la frecuencia a que se transmite.

Es la zona proximal, donde mejor trabaja el US, es decir, donde la visualización es óptima, es donde coinciden las ondas de compresión y descompresión, está determinada por el diámetro del transductor y la longitud de onda, puede sermodificada con el “FOCO” del equipo (focus, fucosing) y en algunos equipos es posible modificar la profundidad del foco (depth), y aun obtener dos o tres puntos focales.

MODOS DE OPERACIÓN:

MODO A. La información del eco es captado por un amplificador y enviada a un osciloscopio graficando la amplitud del eco y su profundidad, en forma de espigas, sobre una línea basal.

MODO B. La información se presenta como puntos brillantes en la pantalla donde permanece determinando una imagen estática, los puntos tienen mayor o menor área, dependiendo de la intensidad del eco que los produce, es lo que forma las imágenes en la escala de gris de 256 tonos en los equipos de ultrasonido actuales.

MODO M. MOVIMIENTO. Se emplea para estructuras pulsátiles, el transductor se coloca sobre un punto, en el cual los ecos se proyectan como puntos brillantes. Los puntos se mueven en el osciloscopio en sentido vertical dando así la información de la frecuencia de las pulsaciones que se están midiendo, así también de la amplitud de sus movimientos.

TIEMPO REAL. En este modo las imágenes son formadas rápidamente, la posición de un órgano se registra simultáneamente en la pantalla, las imágenes no se almacenan, sino que se modifican de acuerdo a los movimientos o barridos del transductor, para almacenarlas deben ser fijadas, digitalizadas o fotografiadas. Dejando el transductor inmóvil, se pueden observar los movimientos propios de los órganos. 

DOPPLER:

La amplitud de onda determina el tono de gris que se obtendrá, ECOS débiles darán un gris oscuro, muy cercano al negro, aspecto hipoecogenico, cuando la imagen se observa “negra” es porque no hay ecos, área anecoica, como la que se aprecia en la vejiga llena de orina.

Los ECOS potentes determinan un gris cercano al blanco, aspecto hiperecogenico y cabe recordar que la mayoría de los equipos actuales logran diferenciar hasta 256 tonos de gris.

Cada imagen está compuesta por las líneas suficientes para producir una adecuada resolución con mínimo de 128. (WINDOWING).

Es necesario de 20 a 30 imágenes por segundo para que no “titile” la imagen (FRAME AVERAGE, CPS.).

A más imágenes, la imagen es más fina pero hay menos movimiento; a menos imágenes la imagen es más gruesa pero hay más movimiento.

Los artefactos son informaciones no deseadas, que interfieren en la correcta interpretación de la imagen, hay que reconocerlas para desecharlas o interpretarlas, y aun ocasionalmente aprovecharlas. Pueden ser también de ayuda en el diagnóstico. Durante el rastreo ultrasonográfico por regla general podemos estar obteniendo artefactos, algunos los producen los tejidos, pero algunos se producen por mal manejo del equipo. La pericia del ultrasonografista es muy importante para el reconocimiento e identificación de los artefactos.

Muchas ganancias generaran ruido aleatorio en la imagen, dando una alta brillantez. Pocas ganancias obscurecerán la imagen y perderemos la posibilidad de diagnóstico. El manejo adecuado de las ganancias a todas las profundidades de la imagen, nos dará una pantalla equilibrada y con valor diagnóstico.

Esta se producirá al chocar el sonido con un tejido muy denso, con alta impedancia acústica. Esto hace que pase poco o ningún sonido después de esta interfase.

Las estructuras o tejidos que determinan sombra acústica son principalmente: Hueso. Calcificaciones. Cálculos biliares. Cálculos renales. O del aparato urinario en general.

SOMBRA POR REFRACCION Y DIFRACCION:

Se observa en objetos con superficies muy curvadas como la diáfisis de un hueso largo, la vesícula, un quiste o una masa sólida. La sombra se observa en los márgenes laterales del objeto, donde el sonido choca con una interfase con un ángulo muy oblicuo. Debido a la refracción y a la reflexión, ningún sonido regresa al transductor.

Es una característica que se observa cuando hay gas en los tejidos blandos.

Es un artefacto de reverberación que produce ecos falsos por detrás de la interfase muy reflectiva.

Cuando el ultrasonido pasa por una estructura líquida no sufre atenuación debido a la baja impedancia del líquido. Al pasar el sonido a la siguiente interfase los ecos se observan muy brillantes porque el sonido no ha tenido atenuación.

Este artefacto aparece cuando el ultrasonido se encuentra con un tejido ocupado por gas. El gas genera líneas intensamente reflectivas que se extienden por detrás del gas semejando una cola de cometa.

Ocurre cuando el ultrasonido se encuentra con una estructura de alta impedancia produciéndose un eco muy intenso. El eco choca con otras estructuras en su regreso al transductor produciendo una imagen que sugiere una segunda estructura, que no existe. Es en realidad un eco del eco o sea un segundo eco y puede haber aun hasta un tercer eco, cuando el sonido va y viene entre el transductor y la interfase reflectiva.

EVOLUCION:

En los países en vías de desarrollo, la tecnología llega mas lentamente que en los países con mayor desarrollo o que dedican mayor cantidad de recursos económicos a la salud del pueblo, aun así, han llegado en los últimos 30 años, equipos que aprovechan los adelantos tecnológicos, los principios físicos del ultrasonido y se han podido aprovechar desde los equipos de imagen fija y luego en tiempo real.

Utilizando inicialmente imágenes solo en blanco y negro y después con 8, 12 y hasta 64 tonos de gris. Hasta los adelantos actuales con 264 tonos, el Doppler color y de potencia, el análisis espectral de los flujos y la tercera y cuarta dimensión. Así como los transductores endocavitarios, los de imagen extendida y otras novedades que permiten al ultrasonido, competir ventajosamente con otras técnicas, formadoras de imagen diagnostica.

Al mismo tiempo, la tecnología computacional, permite lograr medidas y cálculos automáticamente y se facilita la obtención de diámetros, perímetros, superficies, volúmenes y peso, por lo que los diagnósticos de edad gestacional y del retraso de crecimiento en útero se facilitan.

Estos y otros adelantos técnicos, abren la puerta al ultrasonido en la obtención de diagnósticos por imagen, que antes estaban abiertas solo para métodos intervencionistas, con o sin medios de contraste yodados y la tomografía computada, -métodos mas especializados, sofisticados, agresivos, peligrosos y caros.

No obstante los anteriores adelantos y, otros más, que seguramente llegaran y que en alguna forma burlaran las propias limitaciones de la física del sonido es el:

Análisis espectral de los flujos mediante el Ultrasonido Doppler

El que determina ahora, el haber pasado de diagnósticos básicamente anatómicos y estructurales hacia los dinámicos y  funcionales.

Podemos ahora, no solo valorar la anatomía, sino también importantes aspectos fisiológicos que pueden explicar y predecir la falla del órgano interrogado.

El reto actual es saber utilizarlo, saber solicitarlo y adquirir la capacidad de análisis del resultado obtenido o referido, capacidad para ver si concuerda con la clínica de nuestro paciente y mantenernos actualizados.

ES  DECIR,  ES  OPERADOR  DEPENDIENTE

No todo padecimiento entra en la esfera diagnosticable por el ultrasonido, como todo método de imagen también tiene sus limitaciones, en ocasiones por la física misma, o el avance tecnológico utilizado, otras por las condiciones propias del paciente o de su padecimiento y otras mas por el equipo al alcance del medico.

INDICACIONES DIAGNOSTICAS GENERALES

            Las indicaciones diagnosticas son todas aquellas en las que este método de imagen puede ser aprovechado y en realidad son muchas y muy variadas, ya que es útil en todas las edades a lo largo de la vida y aun puede detectar al saco gestacional desde la semana cinco del embarazo, es igualmente útil en ambos sexos, no requiere inmovilidad total, no determina radiaciones ionizantes, es absolutamente inocuo y además, prácticamente portátil, no requiriendo nada mas que un toma-corriente normal. Y luego de todo ello es comparativamente muy barato.

Todo lo anterior hace del ultrasonido el método de diagnóstico por imagen de mayor utilidad diagnostica y de mayor interés social, especialmente en los países en vías de desarrollo.

Ya que la mayoría de las solicitudes de un estudio ecográfico se relaciona con la obstetricia, veamos primero un esquema de sus posibilidades diagnosticas en este campo.

ULTRASONIDO OBSTETRICO.

1.-       Inicialmente un rastreo tras la perdida de una menstruación puede determinar la diferencia entre un trastorno disfuncional ovárico o una gestación.

2.-       Si además hay sangrado, el US, podrá diferenciar, entre una amenaza de aborto, un aborto en evolución, uno diferido, o uno completo.

3.-       Si además hay dolor, también tomar en cuenta la posibilidad de un embarazo ectopico.

4.-       El primer trimestre del embarazo, es el mejor momento para la valoración de la edad gestacional y cálculo de la probable fecha del parto, datos que tendrán mucha importancia mas adelante, en los casos de sospecha de retraso de crecimiento in útero. También el diagnóstico del embarazo gemelar y la cigocidad del mismo, la determinación del sexo y la búsqueda de anomalías cromosomicas o de otros orígenes.

5.-       En relación a las anomalías cromosomicas, con un rastreo entre las semanas 11 a 14, podemos valorar con alto grado de certeza las posibilidades de un síndrome de Down y también las  trisomias 18 y 13 y el síndrome de Turner.

Los defectos del tubo neural son los mas fáciles de valorar y desde esta edad son claramente visibles, la visualización del corazón ya resulta útil para su valoración y ello es

importante porque las malformaciones cardiacas son las mas frecuentes de todas y causa de buena parte de las muertes peri o neonatales.

Desde el primer trimestre y a lo largo del segundo trimestre, otras malformaciones podrán ser valoradas, tanto del aparato músculo-esquelético, como del urinario, tracto digestivo, o respiratorio, malformaciones faciales, como el labio leporino

El Doppler de las arterias uterinas y su análisis espectral puede predecir desde la semana 20 las posibilidades de un RCIU, un parto pretermino, una muerte fetal o una preclampsia.

Otras muchas eventualidades de un embarazo, pueden ser valoradas con el US, y para finalizar este esquema solo mencionaremos, la implantación placentaria, su parcial desprendimiento, la coexistencia con miomatosis u otra patología uterina y la incontinencia istmico-cervical.

ULTRASONIDO GINECOLOGICO

            Prácticamente todas las anomalías genéticas del útero y los ovarios pueden ser valoradas, sus tumoraciones malignas o benignas, quisticas, mixtas o sólidas, procesos inflamatorios o infecciosos y así también los cambios derivados de trastornos disfuncionales.

Agenesia uterina, miomatosis en todas sus variantes y complicaciones; endometriosis y adenomiosis, Síndrome de Rokitansky, pio o hidrosalpinx, enfermedad pélvica inflamatoria, incompetencia del piso perineal.

Y a nivel mamario, un rastreo ecografico por US,  comparativamente es de mayor utilidad en mujeres menores de 35 años y además no determina radiación sobre estas glándulas. En mujeres de mayor edad, es también muy útil y  junto con un estudio mastografico radiológico, suele resolver los casos donde hay duda o sea, un BI-RADS 3 de la clasificación de la Sociedad Radiológica de Norteamérica.

ULTRASONIDO ABDOMINAL

            Llamaremos así  a los rastreos que involucran principalmente a la glándula hepática, la vesícula biliar, el páncreas y el bazo.

En hígado se puede valorar su normalidad o patología, en el primer caso podemos descartar que el origen de la sintomatología sea debida al hígado y en el segundo caso podremos valorar patologías difusas, como la esteatosis, la cirrosis, el hígado congestivo y la hepatitis y en las focalizadas, principalmente las tumoraciones primarias o metastasicas, los quistes, hemangiomas o lesiones traumáticas. También la valoración del aspecto y calibre de las venas suprahepaticas, de la vena porta o de las vías biliares intrahepaticas, son indicadores de diversas patologías, propias del hígado o resultado de patologías extrahepaticas.

En la vesícula biliar, es fácil la valoración de su normalidad o la presencia de litiasis, colecistitis crónica o actual, retencionismo, angulacion u otra anormalidad orgánica o disfuncional.

En páncreas la identificación de su normalidad puede ser el propósito principal, pero se puede identificar un proceso de pancreatitis crónica o aguda, la presencia de quistes o tumoraciones propias o metastasicas.

En el bazo, su aspecto y diámetros son visibles al US y su valoración juntamente con la clínica nos alertara de diversas patologías tumorales, hematológicas o post-traumáticas, por solo señalar las más importantes.

EL RASTREO URINARIO

El rastreo urinario debe ampliarse a las partes visibles de los uréteres y la vejiga, donde con frecuencia hay signos ecograficos de cistitis o la presencia de litiasis, así también la elevación del trígono vesical de origen prostático, obligara a ampliar ahora por vía rectal la visualización de la próstata y su valoración integral, tratando de descartar entre un cáncer prostático, una prostatitis crónica o aguda o una hipertrofia benigna.

En este apartado de incluyen los rastreos del cuello, especialmente sobre la glándula tiroides, para la valoración de los diversos tipos de bocio, o tumoraciones benignas o malignas. Las glándulas salivales parotidas y submaxilares. También en este apartado se incluye la valoración de las bolsas escrotales y su contenido, con la capacidad de detectar neoformaciones, epididimitis, hidroceles, torciones, traumas o hernias inguinales, también varicoceles. En la infancia la identificación del defecto de descenso testicular.

Además de lo anterior, lesiones de las paredes abdominales o hernias, presencia o no de ascitis o hemoperitoneo, perdida del tono del piso pélvico y otras patologías son detectables.

Rastreos transfontanelares neonatales y músculo-esqueléticos, vasculares arteriales y venosos, en la edad adulta o en la vejez son de importante utilidad.

LOS RASTREOS DE PARTES PEQUEÑAS

            La visualización renal valora con cierta facilidad, la forma, tamaño, situación, contornos y aspecto general renal, así como la presencia o no de litiasis, neoformaciones, quistes o dilatación de los sistemas colectores. El Doppler renal, amplia el estudio valorando los índices de resistencia en las arterias intersegmentarias, en la búsqueda de signos de nefroesclerosis y compromiso disfuncional.

Lo anterior puede adquirir una importancia trascendental, tanto para la salud del paciente como para la protección de sus generalmente limitados recursos económicos.

            En algunos países de Latinoamérica donde, en algunos aspectos, son aun sanitariamente del tercer mundo, un método con estas características resulta doblemente útil, sin embargo una de sus características es que su aplicación es altamente operador-dependiente y que en muy baja proporción obtiene imágenes patognomónicas lo que lleva a requerir de conocimientos médicos profundos, una buena clínica,  así como experiencia y dedicación.

El método de diagnóstico por imagen llamado Ultrasonido, por si mismo y, ahora con el uso de todas las variantes del Doppler y su cada vez mas conocida indicación en diversas especialidades ha determinado el colocar al ultrasonido como el método de imagen mas útil para valorar la normalidad, así como la patología en mayor numero de entidades nosológicas, antes del nacimiento y, en todas las edades, en ambos sexos, sin determinar invasión o dolor y es además de carácter portátil y de bajo costo.

REVERBERACION:

COLA DE COMETA:

REFORZAMIENTO:

SOMBRA SUCIA:

SOMBRA ACUSTICA:

CURVA TIEMPO-GANANCIA:

ARTEFACTO:

CARACTERISTICAS DE LA IMAGEN:

Ya hablamos del efecto Doppler y por sus propiedades es utilizado en la detección y medición del flujo sanguíneo. Ya que la frecuencia de onda reflejada es diferente de la onda transmitida, si la reflexión se produce en una superficie en movimiento. El cambio de frecuencia es una medida directa de la velocidad y dirección del movimiento del flujo.

ZONA DE FRESNEL

ZONA DE FRAUNHOFER:

El sonido se mide en Hrtz, y eso comprende una onda de compresión y la onda de descompresión, esquemáticamente una por arriba y la otra por debajo de la línea base.

Entre numerosos médicos solo mencionaremos al Dr. Ian Donald que desde 1954, inicio estudios en Glasgow. Junto con el Ing. Tom G. Brown diseñaron el prototipo del transductor diseñado para ser operado con la mano.

Con los anteriores avances físicos, los investigadores inician la aplicación del ultrasonido en diversos campos de la industria y también en la medicina. En el primer renglón mencionaremos a Paúl M. Langevin y C. Chilowsky  que en 1916 patentan en Francia un aparato para captar señales submarinas y que finalmente deviene en el SONAR.