SEMINARIO 1: Principios físicos del ultrasonido

Dr. Felipe Osorio Espinoza, Dr. Juan Guillermo Rodriguez, Dra. Daniela Cisternas, Dr. Leonardo Zuñiga

CERPO Centro de Referencia Perinatal Oriente

Facultad de Medicina, Universidad de Chile

Objetivo

n  Descripción de principios físicos del Ultrasonido

Introducción

n  El ultrasonido ha sido utilizado desde su introducción con propósitos industriales

n  En medicina se ha convertido una herramienta esencial capaz de entregar imágenes de alta calidad, un medio terapéutico y una potencial herramienta quirúrgica no invasiva

n  El mejor ejemplo de la importancia del ultrasonido es su rol en el ultrasonido obstétrico

n  El ultrasonido ha convertido al feto en un paciente

Sonido

Es la sensación percibida en el órgano del oído por una onda mecánica originada por la vibración de un cuerpo elástico y

propagado por un medio material

Ultrasonido

Una serie de ondas mecánicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibración de un cuerpo elástico (cristal piezoeléctrico) y

propagadas por un medio material (tejidos corporales) cuya frecuencia supera la del sonido audible por el humano: 20.000 ciclos / segundo o 20

kilohercios (20 KHz)

Características del Ultrasonido

Frecuencia Velocidad de propagación

Interacción con tejidos

Longitud de onda

Impedancia acústica

Ángulo de incidencia

Atenuación Frecuencia

de repetición de pulsos

Características del Ultrasonido Frecuencia

n  Número de ciclos o de cambios de presión que ocurren en una unidad de tiempo

n  Se cuantifica en ciclos por segundo o Hertz u  Hertz = 1 ciclo/segundo

n  Determinada por la fuente emisora del sonido y por el medio a través del cual está viajando

n  Las frecuencias que se utilizan en medicina para fines de diagnóstico clínico están comprendidas entre 2-30 MHz

Obstetricia y Ginecología à 2-9 MHz Trans-vaginal à 3,8.7,5 MHz Trans-abdominal à 3,5 MHz

Velocidad de propagación

n  Varía dependiendo del tipo y características del material por el que atraviese

n  Determinado por Densidad y Compresibilidad

Producto entre la frecuencia y la longitud de onda (λ) v = f x λ

Interacción con los tejidos

n  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 en la misma dirección

n  Estas ondas sonoras corresponden básicamente a la rarefacción y compresión periódica del medio en el cual se desplazan

Longitud de onda

n  Distancia longitudinal que recorre 1 onda en 1 ciclo

n  De una compresión a la siguiente (centímetros)

λ = v / f

n  Cuando una onda de US atraviesa un tejido suceden una serie de hechos; entre ellos, la reflexión o rebote de los haces ultrasónicos hacia el transductor, que es llamado «eco»

n  Una reflexión ocurre en el límite o interfase entre dos materiales y provee evidencia de que un material es diferente a otro, esta propiedad es conocida como: «impedancia acústica» (Z)

n  El contacto de dos materiales con diferente impedancia acústica da lugar a una interfase entre ellos

Z = v x d

Impedancia acústica

n  Cuando dos materiales tienen la misma impedancia à No se producen ecos

n  Si la diferencia en la impedancia acústica es: n  Pequeña à se producirá un eco débil n  Amplia à se producirá un eco fuerte n  Muy grande à se reflejará todo el haz de ultrasonido

Escala de grises: Anecoicos

Hipoecoicos Hiperecoicos

Ángulo de incidencia o isonación

n  La intensidad con la que un haz de ultrasonido se refleja dependerá también del ángulo de incidencia o insonación

n  La reflexión es máxima cuando la onda sonora incide de forma perpendicular a la interfase entre dos tejidos

n  Si el haz ultrasónico se aleja sólo unos cuantos grados de la perpendicular, el sonido reflejado no regresará al centro de la fuente emisora y será tan sólo detectado parcialmente, o bien, no será detectado por la fuente receptora

Atenuación

n  Mientras las ondas ultrasónicas se propagan a través de las diferentes interfases tisulares, la energía ultrasónica pierde potencia y su intensidad disminuye progresivamente a medida que inciden estructuras más profundas

Absorción à transformación de la energía mecánica en calor Dispersión à desviación de la dirección de propagación de la energía

Líquidos à no atenuadores Hueso à atenuador mediante absorción y dispersión de la energía Aire à absorbe de forma potente y dispersa la energía en todas las direcciones

Frecuencia de repetición de pulsos

n  Corresponde a la frecuencia con la que el generador produce pulsos eléctricos en un segundo

n  Mejor conocida por sus siglas en inglés «PRF» n  PRF à determina el intervalo de tiempo entre las dos fases: emisión

y recepción de los ultrasonidos n  El PRF depende entonces de la profundidad de la imagen y suele

variar entre 1,000 - 10,000 KHz n  Cada uno de los pulsos recibidos y digitalizados pasan a la memoria

gráfica, se ordenan, se procesan y son presentados en forma de puntos brillantes en el monitor; en éste se emiten secuencias de al menos 20 barridos tomográficos por segundo para ser visualizados en tiempo real

Transductores

n  Dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otra de diferente a la salida

n  La energía ultrasónica se genera en el transductor que contiene a los cristales piezoeléctricos

n  Éstos poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en sonido y viceversa, de tal manera que el transductor actúa como emisor y receptor de ultrasonidos

n  Existen varios tipos de transductores que difieren tan sólo en la manera en que están dispuestos sus componentes

Creación de la imagen

n  Imágenes ecográficas à están formadas por una matriz de elementos fotográficos.

n  Las imágenes en escala de grises están generadas por la visualización de los ecos, regresando al transductor como elementos fotográficos (pixeles)

n  Su brillo dependerá de la intensidad del eco que es captado por el transductor en su viaje de retorno

n  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.

n  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

n  La amplitud de la onda sonora de retorno determina la gama o tonalidad de gris que deberá asignarse

Modalidades e Ecografía Modo A (Amplitud)

n  Se empleó inicialmente para distinguir entre estructuras quísticas y sólidas

n  Permite medir distancias

n  Hoy en día es excepcionalmente empleado

Modo M (Movimiento)

n  Se emplea para las estructuras en movimiento como el corazón; se realiza una representación gráfica de la señal

La amplitud es el eje vertical El tiempo y la profundidad son el eje horizontal

Modo B (Brillo)

n  Representación pictórica de la suma de los ecos en diferentes direcciones (axial, lateral), favoreciendo que el equipo reconozca la posición espacial y la dirección del haz

n  Ésta es la modalidad empleada en todos los equipos de ecografía en tiempo real y se trata de una imagen bidimensional estática

n  Modo B dinámico à se obtiene en varias imágenes por segundo (aproximadamente 28 imágenes/seg). Es el modo ultrasonográfico más utilizado en medicina

Doppler

n  El principio básico de la ecografía Doppler radica en la observación de cómo la frecuencia de un haz ultrasónico se altera cuando en su paso se encuentra con un objeto en movimiento

n  En la práctica clínica, el doppler se utiliza para evaluar el flujo sanguíneo por medio de la medición del movimiento de los glóbulos rojos. Éstos actúan como pequeños reflectores que devuelven el sonido a modo de un eco

Doppler Continuo

Pulsado

Espectral

Coloro

Poder (“Power Doppler”)

n  Doppler continuo (CW): El transductor emite y recibe la señal al mismo tiempo, adquiriendo todos los flujos y movimeintos a lo largo del haz, sin determinar la posición o profuundidad del vaso. La ventaja es que no tiene límite de velocidad para su medición, es decir, permite evaluar velocidades muy alta, como ocurre en las cavidades cardiacas

n  Doppler pulsado: Se envían pulsos de onda de ultrasonido que interrogan el vaso, esperando que la información regrese antes de enviar el próximo pulso. Esto permite la discriminación espacial, interrogrando en forma preciso el vaso a estudiar u  Doppler espectral u  Doppler color u  Doppler poder (Power doppler)

n  Doppler espectral: Consiste en una curva de velocidad vs tiempo, que representa la variación de la velocidad de flujo de los glóbulos rojos a lo largo del ciclo cardiaca. El tiempo es representado en ele eje horizontal y la velocidad en el vertical

n  La dirección del flujo se muesra por el signo de la velocidad. Los valores positivos se acercan al transductor y los negativos se alejan

n  Doppler color: Codifica la velocidad media del flujo sanguíneo en colores, de acuerdo a una determiana escala, superponiéndola a la imagen modo B (bidimensional en blanco y negro). La zona de muestreo está determinada por el ROI (caja de color)

n  El color muestra la dirección del flujo. El del margen superior de la columna siempre representa el flujo hacia el transductor y el contrario el flujo que se aleja del transductor. mientras mayor sea la velocidad, el color es mas brillante

n  “Doppler power”: Representa la potencia o intensidad del espectro del flujo, no la velocidad como los otros modos. Este parámetro se obtiene de la misma curva espectral

n  Cuanto mayor sea el número de glóbulos rojo moviéndose, mayor va a ser la información. La ventajas son que tiene una sensibilidad entre 3 y 5 veces el doppler color, no presenta liasing y es independiente del ángulo de incidencia

Conclusiones

n  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

n  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

Bibliografía

n  Carlos Pineda Villaseñor, Mónica Macías Palacios, Araceli Bernal González. Principios físicos básicos del ultrasonido. Instituto Nacional de Rehabilitación. Vol. 1, Núm. 1 Mayo-Agosto 2012 pp 25-34

n  Gonzalo García de Casasola, Juan Torres Macho. Manual de Ecografía Clínica. Servicio de Medicina Interna Hospital Infanta Cristina. Madrid

n  Carlos Pineda V., Araceli Bernal G., Rolando Espinosa M., Cristina Hernández D., Norma Marín A., Angélica H. Peña A., Pedro J. Rodríguez H., Carla Solano A. Principios Físicos Básicos del Ultrasonido. Rev. chil. reumatol. 2009; 25(2):60-66

n  Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. Peter W. Callen. Elsevier, España 2009

n  Dr. Daniel Cafici. Doppler en Obstetricia. Revista Chilena de Ultrasonografía. Volumen 12, Nº1, 2009

n  Dra. Paola Paolinelli G. Physical principles and clinical indications for doppler ultrasound. Rev. Médica Clíica las Condes 2013; 24(1) 139-148

SEMINARIO 1: Principios físicos del ultrasonido

Dr. Felipe Osorio Espinoza, Dr. Juan Guillermo Rodriguez, Dra. Daniela Cisternas, Dr. Leonardo Zuñiga

CERPO Centro de Referencia Perinatal Oriente

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