1. Introducción

1.1. Un Poco de Historia

• 1794: Spallanzani describe los ultrasonidos (tapa orejas a murciélagos y observa que se desorientan).
• Mediados del siglo XIX: Doppler (VER).
• 1881: Jacques y Pierre Curie describen el efecto piezoeléctrico. Este efecto ocurre en los cristales como el cuarzo (hexagonal, un silicato de aluminio o de calcio).

El efecto piezoeléctrico consiste en que al someter a tensiones mecánicas a algunos sólidos de estructura cristalina (cristales naturales o sintéticos), estos se deforman y, al mismo tiempo, aparecen electrones en su superficie, convirtiéndose sus extremos en dipolos elementales. Es decir, las ondas mecánicas aplicadas a la masa producen campos eléctricos perpendiculares a la línea de presión. Este fenómeno también ocurre a la inversa: cuando se aplica una corriente eléctrica, el cristal se deforma, se mueve, y cuando vibra produce ondas mecánicas. El sonido son ondas mecánicas.

Si la frecuencia de las ondas coincide con la del sonido, el cristal sonará. Cuando son más de 20.000 ciclos/seg, estaremos ante los ultrasonidos. Cada vez que el sólido es presionado, se produce una onda. Para que la frecuencia sea de 240 Hz, habrá que presionar el sólido 240 veces. Si, por ejemplo, aplicamos al sólido la corriente de la red, serán 60 ciclos por segundo.

Este fenómeno es utilizado en ecografía, ya que si a un cristal en equilibrio se le aplica una corriente eléctrica a determinados ciclos, produce ondas acústicas, un haz de rayos sónicos que servirán para crear la imagen.

1.2. ¿Qué son y qué requieren todas las ondas mecánicas?

Las ondas mecánicas son perturbaciones de las propiedades mecánicas de un medio material (posición de sus moléculas, velocidad y energía de las mismas) que se propagan. Las más conocidas son el sonido. Requieren:

• Una fuente de energía que cree la perturbación (ej. un golpe).
• Un medio, porque no se transmiten en el vacío sino por movimientos moleculares, o sea, muy rápidamente en los sólidos, lento en el agua (ahí se mezclan longitudinales y transversales) y más lento aún en el aire.
• Un receptor.

Las moléculas se disponen formando una red y manteniendo distancias fijas entre sí. Si les aplicamos una energía, podemos modificar las distancias intermoleculares y hacer que vibren, que emitan sonido.

El movimiento de cada una de las partículas es un movimiento ondulatorio que primero la cambia de lugar y luego la devuelve al lugar al que pertenece.

1.3. Tipos de Ondas

• Longitudinales: las partículas se mueven hacia delante y hacia atrás en la misma línea en que viaja la onda. Es decir, la dirección de la onda y la de la perturbación es la misma. Es el caso del sonido.
• Transversales: se mueven de manera perpendicular a la línea de propagación de la onda. La dirección de la perturbación es, por tanto, diferente a la de la onda.

En ambos casos, lo que sucede es que hay un cambio de posición a lo largo de un cierto efecto, pero siempre volviendo a la misma posición inicial. Sin embargo, es importante tener en cuenta que en un movimiento ondulatorio no existe traslación de materia. Lo que se propaga es el movimiento en sí, el impulso de moverse, la energía. Las partículas se quedan finalmente en el mismo sitio que estaban.

1.4. Características de las Ondas

• Longitud: distancia entre dos puntos de la perturbación que estén en la misma fase o posición. O sea, la distancia entre dos puntos que están en el mismo estado de vibración.
• Tiempo: el intervalo entre dos puntos equivalentes de la onda.
• Amplitud: distancia entre el punto medio de una onda y su punto más alejado, más alto.
• Frecuencia: número de oscilaciones o ciclos por unidad de tiempo (por segundo). En ecografía se emplean frecuencias entre 2 y 20 MHz.
• Velocidad de transmisión: varía considerablemente dependiendo del medio en el que se esté desplazando la onda. Corresponde al tiempo que tarda la perturbación en recorrer un espacio. (No se refiere a la velocidad de las partículas).
• Interferencia: se produce cuando dos ondas (o dos trenes de ondas) diferentes se encuentran en un punto de su trayectoria. Se unen formando una onda cuya energía será la suma vectorial de la energía de cada una de las que se han encontrado.
• Resonancia: se produce porque cuando se estimula un objeto, el que está al lado también empieza a vibrar al cabo de un tiempo.
• Fase: sería el ángulo formado por la partícula que está vibrando respecto a su estado de reposo.

1.5. Otros fenómenos que se dan en la propagación de la onda: Reflexión y Refracción

La reflexión es un fenómeno por el que una onda, al chocar con un material que no puede atravesar, cambia de dirección para volver hacia el plano de origen, es decir, que se refleja con el mismo ángulo con el que incide (si llega al material con un ángulo de 45 grados, se reflejará con ese mismo ángulo).

Cuando la onda incide sobre superficies rugosas, en la reflexión se descompone en múltiples ondas. Esto se conoce como difusión.

La refracción se da cuando la onda pasa de un medio a otro cambiando de dirección. La desviación que sufrirá depende de su velocidad de propagación en el medio. Cuanto mayor sea la densidad del medio, más velocidad tendrá la onda.

La difracción o dispersión se produce cuando una onda cambia de dirección al encontrarse con un objeto y continúa propagándose. Si el objeto es muy complejo, se produce desviación hacia muchos lados. (El sol en un día neblinoso se dispersa en cada partícula del aire, puede hacerlo en una partícula que esté más abajo de nuestro sombrero y alcanzarnos en la cara igualmente). (El hígado es un órgano complejo y también se dispersa el eco por todas partes).

El eco disperso, como la radiación dispersa, empeora la imagen.

2. Sonido, Ultrasonido, Eco

2.1. Definiciones

El sonido es una onda mecánica, o sea, no hay fotones, no radia, por eso puede usarse, por ejemplo, en una embarazada.

La vibración de un cuerpo produce una onda longitudinal que se propaga en un medio material, por ejemplo el aire, y produce una sensación a través del oído. La potencia de un sonido se expresa en decibelios. Es una unidad relativa, al umbral de audición del ser humano se le asigna el valor 0 dB, que sería un sonido con una presión de 20 micropascales.

Esta onda mecánica o sonora es un fenómeno de perturbación de las relaciones moleculares, en el que la dirección de la perturbación y la de la onda coinciden (longitudinales).

Su velocidad de transmisión dependerá del medio en el que se está transmitiendo. No es lo mismo mover un gas (con poca velocidad valdría) que hacer vibrar a un sólido (se necesita más energía).

El espectro sonoro: el número de perturbaciones por unidad de tiempo determina la energía del sonido. Se puede medir por metros, por ondas o por frecuencias. A partir de una frecuencia de 20.000 ciclos por segundo (20.000 Hz), se trataría de ultrasonidos.

El eco es una señal cuyo ángulo de incidencia sobre un objeto es de 90 grados y que vuelve hacia su origen con un ángulo también de 90 grados.

La buena señal en un ecógrafo es precisamente la de 90 grados; es una señal pura, mientras que el eco disperso, como la radiación dispersa, empeora la imagen.

Para conseguir señal pura, hay que conocer muy bien la anatomía para saber hacia dónde “apuntamos”, para buscar la interfase perpendicular a la onda de propagación.

Reverberación: se produce cuando las ondas reflejadas llegan al oyente antes de que se termine la onda primaria, es decir, en un tiempo menor al de la persistencia acústica del oído, que podrá distinguir entre dos sonidos seguidos si estos se separan al menos entre 70 y 100 milisegundos.

2.2. Atenuación

Pérdida de energía que experimenta el haz de ultrasonidos al atravesar un medio, debido a fenómenos de calor, reflexión y difusión. Depende de la frecuencia del sonido y de la naturaleza del medio atravesado. Según la densidad molecular, así será la velocidad de propagación del sonido. Hay 1 velocidad para cada densidad, así las distinguimos. (Los órganos se calientan algo con esta técnica).

2.3. Impedancia Acústica

La impedancia acústica es la resistencia que un medio opone al paso de los ultrasonidos. La relación entre la densidad de un tejido y la velocidad del haz ultrasónico al atravesarlo. Z= D x V

Cuanto mayor sea la diferencia entre las impedancias de dos medios, mayor será la intensidad del eco. La del músculo, por ejemplo, es mayor que la del agua y la del agua mayor que la del aire.

2.4. Dos Formas de Emitir el Sonido

1. Ultrasonidos de onda continua, en el Doppler. Son ondas de un objeto móvil, que al acercarse cada vez están más comprimidas, tienen menos espacio que recorrer, o sea, alta frecuencia, mientras que cuando se aleja cada vez es menor la frecuencia.

El Doppler da buenos resultados para identificar si al estudiar un “tubo” se trata de una arteria o una vena. Según detectemos si el efecto se acerca o se aleja, será lo uno o lo otro.

2. Eco pulsado, tren de ondas que se emite, se para, se emite… Es decir, obtendremos un tiempo de reposo, unas vibraciones, otro tiempo de reposo y así sucesivamente.

3. Ecografía

Obtención de imágenes generadas a partir de los ecos producidos por ultrasonidos.

Aplicando electricidad a un cristal en equilibrio, a unos determinados ciclos por segundo, se producirán ondas acústicas que pueden registrarse y que es con lo que se hará la imagen.

Se basa en las diferentes propiedades de conducción acústica de las sustancias, tanto por la velocidad de conducción del sonido a través de ellas como por su capacidad para reflejar el sonido cuando incide sobre ellas.

La velocidad de perturbación, o sea, cómo se transmite el sonido por el cuerpo, depende de las características de dicho cuerpo. Por ejemplo, en el aire la velocidad es de 343 m/s y en el hueso es de 3.500 m/s. Cuanta más diferencia haya entre dos cuerpos, más potente será el eco. Por esta razón, a la hora de hacer una ecografía hay que tener en cuenta la interfase, o sea, lo que el sonido va a encontrar en su camino entre el transductor y el órgano que queremos ver. Un hueso es como un auténtico espejo, devuelve muchísimo eco, por lo que será imposible ver nada ni dentro de él ni más allá de él.

El ecógrafo consiste en un transductor que produce ondas de sonido. Para utilizarlo, se ha de poner un gel acuoso sobre la superficie corporal porque así los sonidos se transmiten mejor. El mismo transductor que emite los sonidos recoge los ecos y los envía al ordenador para crear la imagen denominada ecografía.

Cuando se aplican ondas al cuerpo, parte de la energía se refracta, parte se queda absorbida en el cuerpo y parte vuelve reflejada al transductor como una onda mecánica que en el cristal produce una onda eléctrica y que, como tal, se registra y se convierte en la señal con la que se creará la imagen. Es decir, no todo lo que se emite vuelve, pero con lo que vuelve reflejado se puede hacer la imagen.

Cada cosa con la que choca la onda es un eco. Los blancos y negros de la imagen dependen de la amplitud del sonido, cuanta más energía llega, más blanco, o sea, hiperecoico.

Cada parte del cuerpo tiene una composición molecular diferente y transmite el sonido de una forma diferente, por lo que el eco servirá para reconocer de qué parte viene. Todo aquello a lo que llegue el haz sónico irá devolviendo ecos, pero serán útiles aquellos cuyo ángulo de reflexión coincida con el de incidencia o, en todo caso, aquellos que tengan solo una ligera inclinación que les permita entrar en la superficie del transductor.

Ecogenicidad

En ecografía se hablará de ecogenicidad, no de densidad. La ecogenicidad es la capacidad que tiene una estructura anatómica o una lesión para producir eco.

• Lesiones hiperecoicas o hiperecogénicas: tienen mayor ecogenicidad que el órgano en el que están, por tanto producen más ecos y se verán más blancas (Ej. tejidos sólidos como el hueso o los cálculos).
• Lesiones hipoecoicas o hipoecogénicas: se ven más negras, hay pocos ecos (Ej. el agua y líquidos de densidad parecida).
• Lesiones isoecoicas o isoecogénicas: tienen la misma ecogenicidad que el órgano en el que se sitúan, o sea, se verán en el mismo tono de gris.
• Lesiones anecoicas: se ven negras, o sea, no hay ecos.

3.1. Estudios donde es útil esta técnica

El ecógrafo suele disponer de dos sondas, una con menos frecuencia para estudios de mucho campo, como por ejemplo un abdomen, y otra de más frecuencia (10 MHz) para obtener mucha señal de zonas más pequeñas, por ejemplo el ojo o un tendón.

Esta técnica es buena para abdomen, mama, pulmón (en este caso habrá que evitar el hueso, por tanto podrá enviar ultrasonidos y recibir ecos a través del espacio intercostal).

En cráneo no es accesible con ecografía, no podemos ver nada, pero hay algunas excepciones:

• En niños, a través de las fontanelas.
• Con un aparato especial para latido carotídeo.
• Y con mucha energía, a través del ala mayor del esfenoides que es muy delgada.

3.2. Partes del Ecógrafo

1. Generador: genera pulsos de corriente eléctrica que llegan al transductor. (En eco multiplicamos la frecuencia sobre todo para que vibren los cristales; la frecuencia se consigue con un generador de alta frecuencia y la potencia de tensión con un transformador).
2. Transductor: formado por cristales que cuando son estimulados por pulsos eléctricos se mueven y emiten ondas ultrasónicas. Los ultrasonidos reflejados, es decir, los ecos, estimulan nuevamente a los cristales y se convierten en señal eléctrica (o sea, usan el efecto piezoeléctrico).
3. Receptor: capta las señales eléctricas y las envía al amplificador.
4. Amplificador: amplifica las ondas eléctricas porque son muy pequeñas. Para ello, acelera los electrones y al cabo de un tiempo se convierten en muchos más, o sea, en más señal. El problema es que si se amplía mucho la señal nos dará error. Hay que calibrar los equipos para que la ganancia, es decir, la relación entre la señal que sale y la que finalmente registramos, sea la adecuada (el exceso es malo).
5. Convertidor Analógico Digital: convierte la señal en código binario.
6. Memoria Gráfica: ordena la información y la presenta en una escala de grises.
7. Monitor: muestra las imágenes en tiempo real.
8. Mesa de Control: permite hacer mediciones y aumentar o disminuir los ecos dependiendo de la claridad con la que se reciba la señal.
9. Teclado: para introducir los datos del paciente, los comandos y los indicadores de la sesión, incluida la fecha del estudio.
10. Impresora.

3.3. El Transductor

Es una antena mecánica que consta de carcasa, cara y capa adaptadora, un poliéster con la misma velocidad de transmisión que la piel. El material era cuarzo, pero ahora se usa circonio con plomo.

Grosor: determina la longitud de onda que produzca o reciba y la frecuencia de esa onda. A más fino, más Hz y más frecuencia. (Para frecuencias puras en eco, las ondas son pulsadas, en Doppler son continuas).

El haz ultrasónico tiene dos campos primarios, el proximal o Zona Fresnel y el lejano (Zona Fraunhofer). La zona de interés clínico debe situarse en la zona Fresnel, o sea, entre el transductor y el foco, a partir del cual comenzará a divergir y esto perjudica a la imagen.

Con las dimensiones del cristal se tiende a colimar en un punto óptico y primero se produce una agrupación y luego divergencia. Que se genere la mejor imagen en la zona de transición depende de cómo está construido el cristal.

Tipos de Transductores

• Lineales: varios cristales que funcionan en paralelo. Proporcionan un formato rectangular y van línea a línea. Se usan para el estudio de estructuras más superficiales que ofrecen una buena área de acceso: músculos, tendones, mama, tiroides. (Para el esqueleto y estructuras duras). Frecuencias: entre 7.5 y 13 MHz. Deforma un poco pero llega profundo.
• Sectoriales: el formato de imagen que proporcionan es triangular o en abanico, con una base de inicio de los ecos que será mínima. Para exploración cardiaca y abdominal, permite además un abordaje intercostal. Frecuencias de trabajo entre 3,5 y 5 MHz.
• Convex: forma curva y proporciona un formato de imagen de trapecio. Para exploración de abdomen general y obstétrica. Frecuencias son las mismas que en los transductores sectoriales. La que más se usa es la sonda convexa de 3,5 MHz.
• Intracavitarias: pueden ser lineales o convex. Se usan para exploraciones intrarrectales e intravaginales. Con frecuencias entre 5 y 7,5 MHz.

(Si amplifico todo, se ve blanco y si no amplifico nada, se verá negro. Hay que calibrar bien, o sea, buscar contrastes entre las cosas).

4. Modos Ecográficos

Modo A (amplitud): Se obtiene imagen de estructuras estáticas, pero es una imagen unidimensional, solo dibuja superficies, por lo que la información anatómica que proporciona es muy limitada.

Cada vez que el transductor encuentra una diferencia de velocidad de transmisión, hay un eco. No toda la energía se pierde, una parte continúa su camino y cada vez que vuelve a encontrar un punto con diferente velocidad de transmisión, parte de la energía pasa y la otra vuelve como eco. La señal es cada vez más pobre por la parte que se absorbe, la que se refracta (esta no vale para nada) y la que se devuelve.

En MODO A, sobre el hueso no se verá nada.

Es con la energía que se devuelve con la que se puede medir el tamaño de los órganos. Esto es importante para la retina, por ejemplo, porque la lente que se ha de poner para corregir una catarata dependerá de cómo es el ojo (con un aparato muy chiquitito alta / o baja frecuencia).

(BLIP, punto brillante en la pantalla, cuanto más brillante sea, más cantidad de onda reflejada).

Modo B (brillo): El eco captado es un punto en la imagen, dibuja el volumen del órgano, así podemos ver cómo es la anatomía de una región. La intensidad de brillo es proporcional a la intensidad del eco. (Con varios transductores en paralelo).

Modo M (movimiento): Para registrar movimientos de estructuras en tiempo real. Fundamentalmente de corazón (ecocardiogramas).