| Fisica Ultrasonido- Conceptos varios |
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ULTRASONIDOS
Principios Fisicos
El SONIDO es una vibracion mecanica que oscila en la franja audible entre 16 y 20.000 ciclos por segundo. El sonido posee propiedades ondulatorias, a semejanza de las ondas electromagneticas como la luz, y presenta efectos diversos de interaccion con el medio, tales como refraccion, reflexion, atenuación, difraccion, interferencia y emision.
Las caracteristicas del fenómeno sonoro estan relacionadas con su fuente de producción y su medio de propagacion.
El termino ULRASONIDO se utiliza para describir los sonidos que tienen una frecuencia por encima del nivel del sonido audible para el humano.
Al igual que el sonido, los ultrasonidos viajan a traves de un medio con una velocidad definida y en forma de una onda.
El Diagnostico por Ultrasonidos depende del medio fisico en el que el sonido se propaga y de cómo las ondas ultrasonicas interaccionan con los distintos tejidos del cuerpo humano que atraviesan.
El Hertzio ( Hz ) es una unidad de frecuencia.
1 Hz = 1 oscilacion o ciclo por segundo ( c.p.s. )
El rango normal de audición humana esta aproximadamente entre 20 Hz a 20.000 Hz .
El Ultrasonido es cualquier sonido con la frecuencia mas alta ( por lo que no es audible para el oido humano ).
Es decir que el ultrasonido tiene una frecuencia superior a 20.000 Hz.
A diferencia del humano hay otros seres vivos que pueden transmitir y recibir ultrasonidos, como algunos insectos y los murciélagos.
No existen fuentes de ultrasonidos naturales conocidas con el rango de frecuencia empleado en la ultrasonografia diagnostico o en el ultrasonido con fines terapeuticos.
Aunque las primeras fuentes artificiales de ultrasonidos datan de los años 1870 cuando los hermanos Jacques y Pierre Curie describieron el efecto piezoelectrico, no se hizo uso practico de los ultrasonidos hasta la Segunda Guerra Mundial cuando se desarrolla el Sonar con el fin de detectar submarinos sumergidos. Un buque de superficie transmite un haz de ultrasonidos hacia la profundidad del océano, si choca con un objeto sumergido, como un submarino, una pequeña cantidad de ultrasonidos se reflejan , vuelven a la superficie y es posible detectarlos.
El tiempo necesario para que el ultrasonido recorra la distancia hasta el objeto reflector y vuelva al receptor es directamente proporcional a la distancia entre ambos.
En consecuencia el Sonar permite detectar la direccion y la distancia.
La ecografia diagnostica se basa en principios similares.
El ultrasonido es una onda longitudinal . Cuando se genera un sonido las moléculas de aire son comprimidas y descomprimidas alternativamente por la accion mecanica del sonido generador ( por ejemplo un parlante o altavoz ). El sonido es transmitido desde su generador ( altavoz ) hasta el oyente por las moléculas de aire. Las moléculas estan y quedan en su lugar. No recorren distancia alguna. La compresión y descompresion alternantes produce un movimiento de avance y retroceso que se transmite de molécula a molécula. Ese movimiento de avance y retroceso de las moléculas de aire se hace en la direccion de la onda sonora, por lo que esas ondas se denominan ondas longitudinales.
La transmisión del sonido exige de materia para transmitirse. No lo pueden hacer en el vacio como las ondas electromagneticas. Los rayos X pueden viajar en el vacio. La transmisión del sonido exige la presencia de materia.
En ecografia la fuente productora del sonido es un cristal piezoelectrico ( que como detallaremos mas adelante es capaz de emitir y recibir ondas sonoras ).
Las ondas sonoras se representan como ondas sinusoidales que representan las compresiones y descompresiones en un instante de tiempo.
Frecuencia: numero de ciclos u oscilaciones completos en la unidad de tiempo ( seg ).
La unidad de medicion es el hertzio ( Hz ) .
Un Hz es igual a 1 ciclo por segundo.
Longitud de onda: la distancia desde una cresta a la siguiente, desde un valle al siguiente, o desde cualquier punto de la onda sinusoidal al mismo punto de la onda siguiente.
Cuando se modifica la frecuencia tambien se modifica la longitud de onda.
La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales para una misma velocidad.
Amplitud: una onda sonica se acompaña de fluctuaciones de presion cuando viaja a traves de un medio. A la magnitud de la presion que ejerce la onda sonica denominamos amplitud.
Podemos decir entonces que la amplitud representa la intensidad de la onda sonora correspondiente a la deflexion maxima de las particulas del medio de transmisión.
Ecuación de la onda
La onda sonora puede ser caracterizada en relacion con el tamaño de la onda ( longitud de onda ), frecuencia y velocidad.
Velocidad = frecuencia x longitud de onda
En el caso del ultrasonido, en la ecuación de la onda la velocidad es variable.
La velocidad del ultrasonido depende de la densidad del medio en que se transmite, de su facilidad para la compresión y descompresion.
La velocidad del ultrasonido depende del medio en el que viaja o atraviesa.
Por lo general cuanto mas alta sea la densidad del medio, mayor sera la velocidad del sonido.
Los gases tienen pequeña densidad y por tanto baja velocidad. ( gran compresibilidad )
El hueso tiene alta densidad ( baja compresibilidad ) y por tanto alta velocidad.
Los tejidos blandos son intermedios en densidad, encontrandose su velocidad entre ambos extremos.
Velocidad del Ultrasonido en distintos medios
Aire 348 m/seg
Hueso 3.360 m/seg
Grasa 1.500 m/seg
Higado 1.550 m/seg
Músculo 1.580 m/seg
Tej Blando 1.540 m/seg
Agua 1.480 m/seg
Los otros dos parámetros incluidos en la ecuación de la onda, frecuencia y longitud de onda, son inversamente proporcionales. Al aumentar la frecuencia disminuye la longitud de onda.
El ultrasonido de alta frecuencia ( longitud de onda corta ) proporciona mejor resolucion espacial que el de frecuencia baja.
Pero al elevarse la frecuencia, aumenta el grado de interaccion con el medio conductor y aumenta la absorción del haz de ultrasonido. Por tanto el haz de ultrasonido de alta frecuencia tiene menor poder de penetración.
Por tanto, como veremos mas adelante, los transductores de alta frecuencia se utilizan para examinar estructuras superficiales, que se encuentren proximas al transductor ( ej. Tiroides, mama, testiculo, celular subcutaneo ).
La amplitud es equivalente a la intensidad del sonido o a la ganancia. Cuando la amplitud del ultrasonido es alta, las ondas de compresión y descompresion son mas altas, lo cual da lugar a una intensidad y potencia del ultrasonido mayor.
Potencia acustica
La Potencia Acustica producida por un ecógrafo es el valor al que el transductor emite la energia.
Los niveles medios de potencia acustica en ecografia diagnostica son bajos. Los niveles de potencia tipicos son del orden de 10 a 20 mW para la mayoria de las aplicaciones.
La potencia ultrasonica es la intensidad multiplicada por el area transversal del haz y se mide en vatios o milivatios. Para una determinada intensidad del haz, un haz ultrasonico ancho tendra mayor potencia que otro fino, aunque el movimiento de las moléculas sea el mismo.
Las unidades ultrasonicas comerciales no tienen controles ni medidores que indiquen la intensidad del haz en mW/m2.
La unidad empleada para medir la intensidad del ultrasonido es el bel, o la decima parte del bel, el decibel.
Son una forma de expresar la proporcion de dos niveles de intensidades.
El decibel es una medida relativa y se usa para comparar las intensidades de dos haces ultrasonicos. Por ejemplo el transmitido y el reflejado.
Podemos decir que la relacion en decibeles entre dos intensidades es el logaritmo de su relacion multiplicado por 10.
dB = 10.log Ia
Ib
Pasaremos ahora a comentar de que manera influye el medio en el que se transmite esta onda sonora sobre las caracteristicas de la misma.
Atenuación
Cuando un haz ultrasonico se propaga a traves de los tejidos, su Intensidad disminuye al aumentar la distancia.
Esta disminución de la intensidad con la longitud recorrida se denomina atenuación.
La propagacion del sonido a traves del medio causa perdidas sucesivas de la intensidad bajo una forma de absorción ( transformación en calor ), reflexion, dispersión y perdidas geometricas.
La atenuación del haz acustico esta directamente relacionada con la frecuencia de la onda.
Atenuación ( dB ) = frecuencia ( MHZ ) x distancia ( cm )
La atenuación es medida en decibeles.
El fenómeno de atenuación limita el alcance en profundidad de los transductores de alta frecuencia.
Al escoger un transductor hay que obtener un equilibrio entre la intensidad de la señal y la resolucion espacial.
Transductores de alta frecuencia para superficies proximas y transductores de baja frecuencia para estructuras profundas.
Las estructuras fuertemente atenuantes producen sombra acustica posterior ( ej Tumores de mama )
ABSORCIÓN: Es uno de los principales mecanismos que producen la atenuación de la onda sónica en un medio. Ello es debido que en el proceso de absorción una parte de la energía es retenida y convertida en calor, producto del rozamiento asociado a las vibraciones a que están sometidas las partículas o moléculas que forman el tejido. A medida que la onda continua avanzando en el medio llegara un tiempo en el cual la energía cinética de los átomos será regresada al medio, pero esto sucede de forma demorada, entonces se produce un desfase con la onda original produciendo una interacción destructiva, la cual es mayor a mayor frecuencia de onda. La cantidad de energía absorbida durante la propagación de la onda depende de los siguientes factores:
1.- Distancia recorrida
2.- Viscosidad del tejido
3.- El cuadrado de la frecuencia de onda
Así tenemos la absorción relativa de algunos tejidos:
Se puede apreciar que los tejidos mas rígidos y mas viscosos son los que mas atenúan las ondas, por lo cual debemos utilizar sondas o transductores de frecuencias mas bajas para obtener suficiente penetración.
Para los tejidos mas livianos, podemos utilizar transductores de mayor frecuencia, ya que estos tejidos producen una menor atenuación y así obtener una mejor resolución.
El coeficiente de atenuación ( se expresa en decibelios por centímetro ) depende tanto de los tejidos atravesados como de la frecuencia ultrasonica.
Por tanto las ondas sonicas de frecuencias mas altas estan mas atenuadas que las de frecuencias mas bajas. Los tejidos como músculo y piel atenuan mas que los tejidos del higado y la atenuación es muy baja en estructuras llenas de liquido.
Como vemos los terminos atenuación y absorción estan referidos a un mismo hecho.
En el caso de los ultrasonidos es mas apropiado hablar de ATENUACION refiriendonos a la reduccion de la intensidad del haz al penetrar el tejido, producida por absorción, dispersión y divergencia del haz.
REFLEXION ACUSTICA
El ultrasonido se refleja en las interfases histicas.
Las reflexiones mayores se observan entre tejidos con grandes diferencias de impedancia acustica.
La IMPEDANCIA ACUSTICA es una funcion de la densidad del medio y su compresibilidad, que se mide por la velocidad del sonido en el medio.
La Impedancia Acustica es el producto de la Densidad del medio en el que se propaga el sonido por la Velocidad de Propagacion sonica en el citado medio
Dado que la impedancia acustica esta determinada por la velocidad del sonido en el medio no depende de la frecuencia o longitud de onda del ultrasonido.
La impedancia acustica es una caracterisitica importante del tejido. Las reflexiones mayores se observan entre tejidos con grandes diferencias de impedancia acustica.
Siempre que un haz de ultrasonido incida sobre una interfase formada por dos tejidos que tiene distinta IMPEDANCIA ACUSTICA, parte de el refleja y parte se transmite.
Z = P x V
P es la densidad ( expresada en kg/m3 )
V es la velocidad ( expresada en m/seg )
REFLECTIVIDAD
Cuando una onda de ultrasonido incide en una interfaz histica, una parte se transmite y otra es reflejada. El haz transmitido abandonara la interfase con un angulo distinto al del haz incidente. Esa desviación del haz se denomina refraccion.
En ecografia se requiere la transmisión del haz para visualizar los tejidos mas profundos.
En relacion al haz reflejado interesa su INTENSIDAD con relacion a la del haz incidente.
Esa relacion de intensidad se conoce como REFLECTIVIDAD ( R ) de la interfase y se define por la ecuación
Cuanto mayor sea la diferencia entre Z1 y Z2 mayor es la amplitud del eco reflejado y menor la intensidad del eco transmitido en profundidad.
La reflexion ocurre cuando el haz de sonido encuentra una interfaz entre los tejidos que tienen Impedancia Acustica diferente .
Las mayores diferencias de impedancia se encuentran en la interfase de tejidos aire y tejidos hueso. De hecho tales interfases son casi impenetrables a un haz ultrasonico. Refleja todo el sonido no pasando a la profundidad nada del haz. ( caso del aire y hueso )
La mayoria de reflectores solo devolveran ecos al transductor cuando el haz sonico es perpendicular a la misma.
La reflexion no ocurre en un medio homogeneo que no tenga interfases para reflejar el sonido, y por tanto el medio aparece anecogenico. ( liquido. Vejiga con contenido liquido, quistes, liquido amniotico ) .
Los ecos significativamente mas debiles se originan en interfases formadas por dos tejidos blandos . Generalmente no hay una gran diferencia de impedancia entre los tejidos blandos.
Reflectores Especulares las superficies de las interfases son grandes y lisas. La onda se refleja hacia atrás en la misma direccion solo cuando el haz incidente es perpendicular ( 90° ) a la superficie de la interfaz.
Reflectores Difusos las superficies de las interfases son pequeñas y rugosas. Los haces incidentes se reflejan en todas las direcciones. En tal caso el haz de ultrasonido se hace difuso y menos intenso debido a dispersión multiple.
Las interfases muy irregulares y los tejidos heterogeneos dan lugar a dispersión. Una parte del ultrasonido se dispersa hacia atrás, al transductor, y contribuye a la formación de la imagen. Eso se conoce como ultrasonido retrodisperso.
Los efectos combinados de reflexion, dispersión, absorción , producen una disminución en la Intensidad del haz de sonido según viaja a traves de la materia. Esta DISMINUCION EN LA INTENSIDAD DEL SONIDO se denomina ATENUACION.
Como resultado de la atenuación , una interfaz acustica en los tejidos mas profundos produce una reflexion mas debil que una interfaz identica en los tejidos mas superficiales. Para compensar esta degradacion en la intensidad sónica, los ecos que vuelven de zonas mas profundas de la imagen se AMPLIFICAN electrónicamente. Esto se lo denomina como GANANCIA DE COMPENSACION por distancia.
Onda Continua y Onda Pulsatil
En ultrasonido diagnostico se utilizan dos tipos, ultrasonido de onda continua y ultrasonido de onda pulsatil.
Durante la emision de onda continua, el dispositivo generador de ultrasonidos, el transductor, vibra de forma continua. Este tipo de ultrasonido se utiliza sobretodo en estudios cardiacos donde es necesario medir altas velocidades de flujo.
El ultrasonido pulsatil se utiliza en casi todos los estudios de diagnostico visual, incluyendo modoA, modo B, modo M y tiempo real.
En el pulsatil el cristal piezoelectrico vibra durante unos pocos ciclos y permanece después en reposo durante un intervalo de tiempo antes de emitir el pulso ultrasonico siguiente.
Se emite un pulso de ultrasonido y la onda reflejada la recibe el mismo transductor después de un cierto tiempo.
Periodo de Repetición de Pulsos: el intervalo entre el comienzo de un pulso de ultrasonido y el inicio del siguiente pulso. ( PRP )
Tasa de Repetición de Pulsos : Es el numero de pulsos que se disparan durante 1 segundo.
( TRP )
Duración del Pulso: es el tiempo total durante el que se produce un pulso ( DP )
Periodo: es el tiempo que dura una longitud de onda o un ciclo del ultrasonido.
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