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Bases Físicas

del

Ultrasonido

y

Doppler

Bases Físicas de Ultrasonido

La ecografía es un método diagnóstico basado en el eco del ultrasonido en los diferentes órganos maternos y fetales. Nos permite ver y oír.

Método complementario de exploración no invasivo.

Permite la obtención de imágenes en tiempo real o en movimiento.


Sonido: Propagación de ondas sonoras mecánicas

longitudinales, audibles o no audibles, a través de un medio, provocando particularmente cambios de presión en el medio en que se desplaza.

Viaja a 331.5m/seg.○ A nivel del mar (1 ATM), 0°C, 0% humedad.

○ Vs = Vo + βTDonde:

Vs = velocidad del sonido.

Vo = 331.5 m/seg.

β = 0.666 m/seg.°C.

T = temperatura en grados centígrados.


Onda Sonora: Longitud:

○ Distancia entre 2 crestas.

Amplitud:○ Distancia entre cresta

y valle.

Frecuencia:○ Longitud de la onda

por segundo. Ciclo/segundo.

Hertz (Hz).

Intensidad:○ Ps máxima que la

misma ejerce sobre el medio. Frecuencia y

Amplitud.

1 KHz = mil ciclos por segundo


Sonido Audible:

Corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de frecuencias de 20 a 20,000 Hz.

Ondas Sonoras Infrasónicas:

○ Frecuencias por debajo del intervalo audible. < de 20 Hz.

Ondas Sonoras Ultrasónicas:

○ Frecuencias por encima del intervalo audible. > de 20,000 Hz.


Onda Sonora:

Velocidad de Propagación:

○ La velocidad en la cual el sonido puede viajar

a través de un medio y se considera

típicamente a 1540 m/seg. en tejidos

blandos.

Determinada solamente por las características del

medio, especialmente D e n s i d a d y R i g i d e z .


Velocidad de Propagación del Sonido:

SUSTANCIA VELOCIDAD DEL SONIDO (m/s)

AGUA 1497

TEJIDO MUSCULAR 1568

TEJIDO HEPATICO 1570

TEJIDO ADIPOSO 1476

TEJIDO CEREBRAL 1521

HUESO 3360

AIRE 331.5


Ultrasonido:

Ondas sonoras de frecuencia superior a la

audible por el oído humano.

○ >20,000 ciclos por segundo, Hz.

El diagnóstico por ultrasonido se basa

en ondas sonoras de frecuencia entre

2 y 10 MHz.

○ Transductores.


Transductores.

Tamaño relacionado

con número de

componentes.

○ Lineal.

○ Convexo.

Diferentes frecuencias.

○ Transductores de 3-5

MHz.

○ Transductores de 4-10

MHz.


Efecto Piezo-eléctrico. Es la emisión de la onda sónica producida en los cristales

contenidos en el transductor, ordenados en forma lineal,

provocada por la vibración de estos, secundario a la aplicación

de energía eléctrica entre sus caras creando un medio de

propagación/emisión de la onda sonora y cada uno tiene la

capacidad de producir o captar ultrasonido.


Efecto Piezo-eléctrico.

Convierte energía eléctrica en mecánica que se

transforma en ultrasonido.

A > cantidad de “cristales” > calidad de la

imagen. El grosor (d) determina la frecuencia.

- 1.8 mm para 1 MHz

- 0.18 mm para 10 mHz.

Transductor de buena calidad entre 128 a 256 “cristales”.


Cada cristal tiene determinado tiempo para vibrar. Diez millonésimas de segundo.

1-2% se utiliza para emitir ultrasonido, el resto para captar los ecos.○ Delgada envoltura metálica.

Cristales esperan ondas reflejadas que llegan a diferentes tiempos e intensidad emitiendo vibraciones distintas.

Se convierten en energía eléctrica (voltaje) y enviadas a un procesador para su análisis.○ Proceso a alta velocidad.

○ Siguiente cristal no empieza a vibrar hasta que el procesador no ha completado el periodo asignado a la recepción de ecos.

○ Información obtenida por cada cristal, se producen imágenes dinámicas en tiempo real.

16-60 cuadros/seg.


Haz Ultrasónico.

Resolución:

○ Agudeza y claridad de una imagen, siendo la capacidad de identificar estructuras pequeñas con mas detalle o claridad visual (nitidez).

Haz estrecho.

CP lo mas alargado posible.


Angulo de Insonación: Área que abarca la

expansión de la onda sonora.○ Determina condiciones

y características del lugar donde se colocara el transductor y se realizara la toma de imágenes.

Zona de Focalización. Crea haz US estrecho.

○ A través de lentes.

Mejora resolución lateral.


Interacción del US con los Tejidos.


Interacción del US con los Tejidos

Reflexión:

Producción de ecos sobre los tejidos.

○ Impedancia acústica:

Resistencia al paso de las ondas en un tejido.

- Producto de la densidad del medio y la velocidad de propagación del sonido.

○ Onda sonora se transmite en los tejidos blandos a una velocidad constante, el único factor que puede modificar la impedancia acústica, es la densidad.



Reflexiones fuertes: imágenes blancas.

Reflexiones débiles: imágenes negras.



Angulo de Incidencia: Proyección de ondas

sonoras oblicuas entre 2 medios de diferente impedancia, provocando su reflexión.

Refracción: Desviación de las

ondas sonoras de su trayecto original al atravesar un medio, dado por la velocidad US emitida y su VDP sobre este.



Difracción:

Variación de las

dirección de las

ondas sonoras al

bordear o chocar

contra un objeto que

se encuentra en su

trayecto.



Interface:

Porcentaje de ondas

sonoras reflejadas.

○ Transductores deben

“adaptarse” a la

superficie de la piel

de la paciente sin

ninguna brecha de

aire.

Gel entre el

transductor y el

paciente.



Atenuación: Disminución gradual de la intensidad de las ondas

sonoras en un medio.

○ Varia con la frecuencia del US A mayor frecuencia mayor atenuación.

A menor frecuencia menor atenuación.

Calor

Dispersión

Absorción

RefracciónReflexión


El sonido se dispersa mas rápido en medios sólidos que en líquidos, pero en medios líquidos viaja mas rápido que en los gases.

A mayor densidad (hueso) mayor conducción y mayor reflexión.

A menor densidad (líquido) menor conducción y menor reflexión.

A mayor frecuencia mayor dispersión y atenuación, menor resolución.○ Menos cantidad de ondas sonoras alcanzan zonas mas

profundas.

A menor frecuencia menor dispersión y atenuación, mayor resolución.○ Mayor cantidad de ondas sonoras alcanzan zonas mas

profundas.


Transductores.

De 3-5 MHz.

○ Áreas profundas;

Tejidos profundos.

Cavidad abdominal.

De 4-10 MHz.

○ Áreas superficiales;

Tejidos superficiales.

Endovaginal.


Imágenes en pantalla en 2 dimensiones:

Escaneo Lineal.

Escaneo en Fases.

○ Resolución lateral: Máxima definición del

espacio mínimo entre 2 puntos localizados a la misma profundidad.

○ Resolución axial: Máxima definición del

espacio mínimo entre 2 puntos localizados en el mismo eje.


Modos ecográficos.- Modo A (Amplitud):

○ Línea con diversos picos. Eje horizontal: profundidad

de la estructura reflejada.

Eje vertical: intensidad del eco producido.

Modo B (Brillo):○ Las diferentes

intensidades se traducen en una escala de grises.

○ Estático / Dinámico.

Modo M (Movimiento):○ La imagen se mueve en un

eje lateral y axial. Movimiento en función del

tiempo.

Registra movimientos de la pared de los órganos.

Modo

B

Modo

M


Imágenes

Bidimensionales.

Creada por una serie

de imágenes.

○ “Setting” –

Profundidad.

10 a 12 cm..

○ Ganancia.

Amplitud del haz

US.

- Alta, > reflexión.

- Baja, < reflexión >

visualización.


Calidad de Imagen Ecográfica.

Preemisión del USG.

○ Potencia de emisión.

○ Frecuencia de repetición de pulsos.

Postemisión del USG.

○ Ganancia.

○ Filtros.

○ Velocidad de emisión de cuadros.


Interpretación ecográfica: Hiperecoico:

○ Ecos brillantes, blancos.

○ Interface que refleja mucho los ultrasonidos.

Hipoecoico:○ Ecos claros, gris oscuro.

○ Distintas tonalidades de gris dependiendo de la proporción en grasa, tejido fibroso y líquidos.

Anecoico:○ Ausencia de ecos, negro.

○ Representa una transmisión completa del sonido.


Artefacto:

Son errores en

imágenes.

Punto presente en la

imagen que no

corresponde con un

eco verdadero en la

paciente.

Causa de artefactos:

○ Operador.

○ Equipo.

○ Paciente.

Sombra acústica.

Refuerzo posterior.

Reverberación.

“Ring down”.

Imagen es espejo.

Reflexión.


Sombra acústica:

Producida por una

menor transmisión

del sonido debido a

atenuación de la

onda sonora al haber

sido reflejada en un

medio mas denso.


Refuerzo posterior:

Después de atravesar

un medio líquido

homogéneo hay una

atenuación menor en

el tejido circundante,

apreciándose una

zona más ecogénica.


Reverberación:

Múltiples líneas

espaciadas iguales a

lo largo de un patrón

lineal.

○ Cola de cometa.


“Ring down”:

Es producido cuando

pequeños cristales,

como el colesterol, o

burbujas de aire

resuenan a la

frecuencia del US y

emiten un sonido.

○ Tejidos profundos.


Imagen de espejo:

El sonido se refleja

fuerte, actuando

tejidos blandos como

diafragmas

reflejantes.

○ Zonas curvas.

○ Imagen invertida.


Reflexión:

Similar a imagen en

espejo pero con

diferente apariencia y

es provocado por

múltiples reflexiones.

Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Efecto Doppler: Análisis del cambio en la frecuencia de ondas sónicas

reflejadas por estructuras en movimiento, generalmente células sanguíneas.

Emisión de onda US igual que ecografía bidimensional, pero a MAYOR FRECUENCIA.

Vectores de velocidad. La frecuencia del ultrasonido aumenta si la sangre fluye

en dirección al transductor y disminuye si se aleja.

Se grafica como un espectro, código de color y audible.


Cambio en la frecuencia Doppler

En donde:

Δf = Cambio de la frecuencia de la onda sónica.

fo = Frecuencia de transmisión de la onda.

v = Velocidad del objeto reflejante (sangre).

c = Velocidad del sonido en el cuerpo humano (aproxte. 1560 m/seg.).

Θ = Angulo de insonación.

Si θ = 90º, cosθ = 0

Se intenta conseguir siempre θ < 60º.

Para el cálculo de la velocidad la ecuación es:


Doppler.

“Frequency Shift”Involucra un complejo análisis de la diferencia entre la frecuencia

transmitida y la frecuencia recibida.

Analisis Espectral

“Fourier Transform”


Filtros.

Seleccionan velocidades que se encuentran

por encima y por debajo de determinado

punto de corte.

○ Ruido sónico.

○ Fluter.

Se excluyen señales sónicas por debajo del

límite seleccionado, baja o alta velocidad.

○ Ejemplo, Doppler tisular.


Modos de Análisis Doppler.

Doppler Continuo.

Doppler Pulsado.

Doppler Color.

Doppler Power.

Doppler Continuo

Dos cristales trabajando en forma simultánea. Emisor, produce ondas

US continuas.

Receptor, capta ecos reflejados.○ Todos los ecos

generados por el Doppler son evaluados, no existe posibilidad de seleccionar una determinada área a evaluar.

○ Evaluación de flujos sanguíneos de muy alta velocidad. Válvulas, vasos.

Doppler Pulsado

Integra emisión y recepción de las ondas Doppler por el mismo cristal del transductor.

Selecciona captación de ecos con determinado tiempo en llegar al transductor.

FRP.

Volumen muestra.

○ Distintas profundidades

○ Anchura.


Frecuencia de Repetición

de Pulsos (FRP).

Doppler pulsado.

○ Solo ecos que viajen muy

rápido podrán alcanzar la

sonda antes de que se

emita el siguiente pulso, no

captando los de baja

frecuencia.

Vasos profundos de alta

velocidad; Aorta.

Doppler Pulsado

Limitación de Velocidad.

Limite de Nyquist.

○ Máxima velocidad de

medición que corresponde

a la mitad de la frecuencia

de emisión

○ Velocidad muy alta.

Sistema no la analiza

correctamente.

- Flujo negativo (Aliasing)

Doppler Pulsado

Diferencia entre flujo arterial y venoso.

Arteria con dirección a la sonda.

Vena con dirección contraria a la sonda.

Doppler Pulsado

Flujometría Doppler Permite:

Medición de diferentes velocidades de flujo sanguíneo en relación al ciclo cardiaco.

Índices de resistencia vascular.○ Interacción entre la fuerza de

empuje del corazón con la resistencia periférica. Índice de pulsatilidad (IP).

- Pico sistólico menos flujo diastólico final sobre flujo promedio.

- S-D/vp

Relación Sístole/Diástole (S/D).

Índice de resistencia (IR).

- Sístole menos Diástole sobre Sístole.

- S-D/S

Doppler Color

Variante del Doppler Pulsado. Varios cristales o líneas emitiendo

US Doppler en forma escalonada.

Cada línea se divide en 200 ó 300 volúmenes muestra, “puertas”.

○ Se analizan cambios en la frecuencia y dirección de los ecos provenientes.

○ Estimado de el cambio de frecuencias por cada puerta, “FASE”.

○ Se analiza las diferencias de fases en todas las puertas de la línea, representando los cambios en la velocidad.

○ Sucesivamente se repita por cada línea hasta llegar al final de la venta de color.

Doppler Color

Calculo final y representación gráfica de mas de 15,000 puertas, 30 milisegundos.

○ > tamaño ventana color.

Gráfica mas lenta, menor calidad.

○ < tamaño ventana color.

Gráfica mas rápida, mejor calidad.

Doppler Color

Analiza velocidad y dirección de los patrones de flujo.

Código de colores.○ Se acerca al transductor,

movimiento positivo (rojo).

○ Se aleja del transductor, movimiento negativo (azul).

Velocidad de los objetos, diferente tonalidades.

Afectado por ángulo de insonación.○ Células moviéndose a 90° no

se representan gráficamente.

Aliasing.

Doppler Color

Permite:

Evaluación cardiaca fetal.

○ Identifica nacimiento y dirección de grandes vasos.

Velocidad de flujo a través de los mismos.

○ Diagnóstico de:

Estenosis e insuficiencias valvulares.

Comunicaciones anormales entre cavidades cardiacas.

- Turbulencias.

○ Grado de vascularización de un órgano.

Doppler Power (Angiografía de Poder)

Modalidad Doppler Color. Capacidad de analizar

amplitud de los ecos reflejados por las escotaduras en movimiento.

Representando el cambio en el poder acústico.○ Decibeles.

Establece si la intensidad de los ecos recibidos es diferente a la emitida.

- Diferencia de decibeles representada en unidades de intensidad con código monocromático.

- Obscuro: cambios mínimos.

- Brillante: cambios intensos.

Doppler Power (Angiografía de Poder)

Técnica muy sensible para identificar movimientos de baja velocidad originados por flujos sanguíneos muy lentos en vasos de pequeño calibre.

Limitación: No permite establecer la

dirección del movimiento.

Angulo de insonación: Menor efecto en el análisis

de los cambios de amplitud.

Bases Físicas del Ultrasonido

Tipos de Ultrasonido. Tipo de Valoración:

○ I Nivel. Evaluación del feto a través

de su fetometría y sus anexos como LA, placenta y cordón umbilical.

○ II Nivel. Evaluación estructura y

funcional del feto.

Tipo de Dimensión:○ 2da. Dimensión (2D).

Imagen en un plano.

○ 3ra. Dimensión (3D). Imagen con volumen.

○ “4ta. Dimensión” (4D). 3ra. Dimensión mas

movimiento en tiempo real.

Efectos Secundarios del USG

Emisión del US aumenta con tiempo de exposición. Edades gestacionales más tempranas.

No existe evidencia de USG Dx. Alteraciones estructurales fetales.

Bajo peso al nacer.

Lesiones tumorales.

Alteraciones del lenguaje.

Cavitación. Exposición de tejidos a US produce aumento de la temperatura

local y cuando las ondas US pasan por un medio que contenga gas, producen fenómeno de condensación.○ A mayor poder de emisión el riesgo se incrementa.

Efectos Secundarios del USG

Índices de Riesgo: Índice Térmico.

○ IT 1 En determinada área se

podría aumentar la temperatura 1°C.

○ Embarazos tempranos, Aumento de 1.5-2°C en

tejidos fetales podría tener efectos teratogénicos y más de 4°C un riesgo importante.

○ IT B (Huesos).

○ IT C (Cráneo).

○ IT S (Tejidos blandos)

A > emisión > T°:○ Doppler pulsado.

○ Doppler color.

○ Doppler continuo.

○ USG bidimensional (2D).

Índice Mecánico.○ Dado por el movimiento de

líquidos por US, pudiendo tener efectos secundarios en etapas tempranas del embarazo cuando aun no se completa la organogénesis.

Para reducir riesgo:○ Mantener IT e IM por debajo

de 1.

○ Visualizar constantemente el marcador en pantalla.

○ Disminuir cuando sea necesario.

○ No extender el tiempo de exposición fetal por arriba de 15 minutos.

Bases Físicas de USG y Doppler

Bibliografía. Kurjak A, Carrera JM. Bases físicas y tecnología.

Capitulo1.En Ecografía en Medicina Materno Fetal. EdMasson 2000: 3-65.

John E. Aldrich, PhD, FCCPM. Basic physics of ultrasound imaging. Crit Care Med 2007 Vol. 35, No. 5 (Suppl.).

John P. Lawrence, MD. Physics and instrumentation of ultrasound. Crit Care Med 2007 Vol. 35, No. 8 (Suppl.).

Mario Guzmán Huerta. Principios físicos, metodología, consistencia y seguridad del ultrasonido Doppler en la evaluación fetoplacentaria. Ginecol Obstet Mex2007;75(10):621-9.

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