Fundamentos técnicos de la ecografía
La ecografía es el método que utiliza la energía mecánica de las ondas de los ultrasonidos aprovechando propiedades acústicas de la materia.
facultad de medicina · ecografía en medicina
vie. 05 de mar. 2021
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Las técnicas de imagen tienen una enorme importancia en el campo de las urgencias, las emergencias y en los cuidados críticos. Estas situaciones constituyen una parte sustancial de la actividad de cualquier servicio de diagnóstico por imagen. Por ende, requieren un manejo clínico eficiente, con diagnósticos correctos y decisiones terapéuticas realizadas de manera oportuna.

La ecografía es el método diagnóstico que utiliza la energía mecánica de las ondas (no son radiaciones ionizantes) de los ultrasonidos (US) y que aprovecha las propiedades acústicas de la materia.

Física de los US

Los ultrasonidos son vibraciones mecánicas de la misma naturaleza que los sonidos audibles.

Clasificación de los sonidos según su frecuencia

La frecuencia se define como el número de ciclos por segundo. Los ultrasonidos utilizados en Medicina tienen frecuencias comprendidas entre 2 MHz y 20 MHz.

  • Infrasonidos: ondas por debajo de 16-20 vibraciones por segundo.
  • Sonidos audibles: ondas entre 16-20.000 Hz.
  • Ultrasonidos: ondas mecánicas que tienen una frecuencia superior a los 20.000 Hz.
  • Hipersonidos: ondas mecánicas que tienen una frecuencia superior a 1 Gz.

Onda ultrasónica y sus características

Los US necesitan un medio elástico y deformable para su propagación. Tiene forma sinusoide ya que ocasiona oscilaciones de las moléculas del medio que atraviesa. Cuando el tejido es atravesado por la onda de US, unas moléculas se agrupan y otras se dispersan. Así producen áreas de compresión y áreas de rarefacción que equivalen a los picos y valles de la onda.

  • Frecuencia: número de ciclos por segundo. Se mide en hertzios (Hz).
  • Período (T): tiempo en el que se produce un ciclo.
  • Longitud de onda: distancia de una compresión a la siguiente (distacia entre picos).
  • Amplitud de onda (A): máxima distancia que se desplaza una molécula desde su estado normal

Efecto piezoeléctrico

Cuando determinados cristales (cuarzo, cerámicas, etc.) son sometidos a una diferencia de potencial y se deforman (expansión-contracción). Este movimiento mecánico produce un ultrasonido con la misma frecuencia que la señal eléctrica aplicada. También es posible la secuencia inversa. El US choca contra un material cristalino adecuado, transfiere la energía mecánica (en forma de contracción y expansión del cristal) y provoca una señal eléctrica oscilante.

Interacción con la materia

  • Impedancia acústica

Es la resistencia del medio a la propagación de la onda sonora. Los sólidos tienen una alta impedancia. En cambio, los líquidos, partes blandas y gases transmiten mejor el sonido (menor resistencia). Impedancia es la resistencia que opone un medio a las ondas que se propagan sobre él y tiene que ver con la densidad. Los diferentes tejidos tienen distintas impedancias.

  • Interfase

Es la superficie de separación entre dos medios de impedancia diferente. Cuando el haz de US se encuentra con una interfase, pueden ocurrirse varios fenómenos. El primero es la transmisión o velocidad con que se transmite el sonido. Depende de la elasticidad del medio, es decir, su capacidad para recuperar su forma inicial. El segundo es la reflexión que es cuando el haz incide de modo ortogonal a la interfase. Una fracción de haz se refleja sin cambiar la dirección y así se constituye el eco del retorno. De tercero está la refracción, la cual señala el momento en que el haz incide oblicuo a la interfase. Y de último la difusión o reflexión del haz de US en todas las direcciones del espacio. Depende del tamaño de la estructura, la longitud de onda (por lo tanto la frecuencia) y la arquitectura interna del órgano.

  • Atenuación

Es la pérdida progresiva de energía del haz a medida que atraviesa los tejidos. Se produce por una modificación del haz debido a los fenómenos en la interfase y por una absorción (o conversión) de energía mecánica en calor.

Componentes del ecógrafo

Sonda o transductor

Es el sitio donde se encuentran los cristales que se mueven para emitir y recibir las ondas ultrasónicas. Transforma la energía eléctrica aplicada en energía mecánica. Al aplicar un voltaje a sus cristales, éstos se deforman y se crea una onda de presión. A la inversa, si se les aplica presión (por ejemplo una onda de US de retorno), también se deforman y se produce un voltaje.

  • Cerámica (cristal)

Se trata de una cerámica de titanato y circonato de plomo con grandes propiedades piezoeléctricas. Suelen ser múltiples, manipulables y ajustables entre sí para constituir conjuntos curvilíneos o lineales. Es importante evitar la transmisión de las vibraciones de un cristal a otro, para lo cual pueden situarse ranuras entre cristales. Son sensibles al calor y por eso no pueden esterilizarse por este método.

  • Amortiguador

Tiene tres funciones: primero, amortiguar las vibraciones de la cerámica tras los impulsos eléctricos. Segundo, absorber las ondas US emitidas hacia atrás. Tercero, generar estabilidad y conservación del cristal.

  • Adaptador de impedancia

Está colocado delante de la cerámica. Aísla la piel del paciente de la electricidad del sistema y actúa como lente acústica. Su principal función es evitar la fuerte reflexión que se produciría desde la piel hacia la sonda. Esto debido al importante cambio de impedancia. Al tiempo facilita la transmisión a través de la piel. El material del adaptador debe tener una impedancia intermedia entre el cristal y el tejido

Funcionamiento de la sonda

  • Emisión del haz de US

El haz tiene una dirección perpendicular al frente de la onda. En él se distinguen 2 zonas diferenciadas: campo proximal o zona de Fresnel y campo distal o zona de Fraunhofer. Con el fin de detectar pequeñas estructuras, se utiliza el método de la focalización mecánica y una focalización electrónica.

  • Recepción de los ecos de US

Los ecos recibidos son, por un lado, ecos de reflexión producidos en las interfases y, por otro, ecos de dispersión producidos en todas las direcciones. Son característicos de la estructura interna del órgano. Los ecos formados más profundamente alcanzan la sonda más tarde ya que son atenuados. En otras palabras, esto se genera debido a la pérdida de energía producida al atravesar los tejidos.

Tipos de transductores

  • Sondas mecánicas

Pueden constar de uno o varios elementos piezoeléctricos que oscilan o giran dependiendo de los tipos). Sólo emiten US cuando rotan en la superficie frontal del transductor. Hay varios tipos, destacando las sondas anulares como las de mayor resolución. Están formadas por cerámicas dispuestas en anillos concéntricos. Cada anillo tiene una focalización propia, con lo que se consigue una zona focal más extensa (lo que proporciona mayor calidad del haz de US).

  • Sondas electrónicas

Constituidas por múltiples elementos que se activan de modo secuencial por medios electrónicos puros. Se distinguen dos tipos: de barrido lineal (grupo de elementos piezoeléctricos que producen una imagen rectangular) y de barrido sectorial (se estimulan todos los elementos mediante prismas rectos o sondas «convex».

Imagen ecográfica

Formación de la imagen

El transductor se coloca sobre el paciente con una fina capa de gel para facilitar la transmisión del US. Un circuito transmisor aplica un pulso de pequeño voltaje a los electrodos de un cristal transductor. Este empieza a vibrar y transmite un pulso sonoro corto. El sonido se propaga dentro del paciente, donde es parcialmente reflejado y parcialmente transmitido por los tejidos que encuentra. La energía reflejada regresa al transductor y produce la vibración del cristal. Estas vibraciones se transforman en corriente eléctrica por el cristal y después son amplificadas.

El circuito receptor calcula la amplitud de la onda US de retorno y el tiempo de transmisión total. Distingue cuándo se transmite y cuándo vuelve. La amplitud de la onda de retorno determina el nivel de gris que debe asignarse. Ecos muy débiles dan un nivel cercano al negro de la escala de grises y ecos potentes dan un nivel cercano al blanco. Con el tiempo de transmisión se puede calcular la profundidad del tejido reflectante (interfases).

Representación de la imagen

  • Modo A (Modulación de amplitud)

Se usa una representación gráfica de la señal. Los picos corresponden a la amplitud y la profundidad se representa por la distancia en el eje horizontal. La principal finalidad es determinar la profundidad de las interfases y detectar la separación entre distintas interfases con exactitud. Este modo ofrece información de la distancia a la que se encuentran los objetos con los que se topa el haz de ultrasonido. Por tanto, cada pico corresponderá a cada interfase del objeto u objetos.

  • Modo M (Movimiento)

Se usa una representación gráfica de la señal a lo largo de la línea que representa el haz ultrasónico (el eje X es profundidad y el Y, el tiempo). Se observarán los ecos como puntos de brillo de distinta intensidad. La distancia también es proporcional al tiempo que tardan en ser recibidos. Esta línea de puntos es presentada en el monitor de forma continua a lo largo del tiempo.

  • Modo B (Modo de brillo)

Transformará los picos del Modo A en puntos luminosos. Con la tecnología implementada en los transductores se conseguirá introducir la variable del tiempo. Los transductores emiten varios haces ultrasónicos simultáneamente debido a que disponen de varias hileras de cristales. Este modo es el más usado en medicina.

Calidad de imagen

  • Resolución especial (RE)

Capacidad para distinguir interfases muy cercanas. La RE en ecografía se subdivide en resolución axial (a lo largo del recorrido del sonido) y resolución lateral (que depende de la anchura del haz). La resolución axial y la resolución lateral deben estar separados al menos por la anchura del haz.

  • Resolución dinámica (temporal)

Es la capacidad de un ecógrafo para reproducir el movimiento de estructuras rápidas. La velocidad de refresco de la imagen en tiempo real debe ser suficientemente alta para que la imagen no vaya a saltos. Es el “frame rate”. Se mide en “imágenes por segundo” y se ve afectada por la profundidad de imagen, campo de visión temporal y focalización dinámica.

  • Resolución de contraste

Determina qué diferencia de amplitud deben tener dos ecos para que se les asignen distintos niveles de grises. Depende del rango dinámico, que es la compresión de estas amplitudes.

Parámetros técnicos

Hay un conjunto de parámetros que el operador puede ajustar en el ecógrafo para cada estudio concreto. Los parámetros técnicos son aquellos parámetros dependientes del operador para conseguir una imagen en modo B. Cada paciente transmite de una forma diferente debido a sus características acústicas. Estos parámetros se modifican para tratar de obtener la mejor imagen posible. Los ecógrafos tienen programas que se guardan con las características habituales para cada estudio: son los “preseteados” de cada equipo.

  • Sondas y frecuencias

Se selecciona el tipo de sonda y la frecuencia dependiendo del tipo e estudio. Los US de alta frecuencia (longitud de onda corta), proporcionan mayor resolución espacial. Sin embargo, también sufren mayor absorción, por lo que tiene poco poder de penetración. Se dispone, además, de dos tipos de sondas: convex (amplían el campo de visión con la profundidad) y lineales (útiles para estructuras superficiales).

  • Índice mecánico y térmico

La potencia eléctrica que llega a la sonda ecográfica o transductor recibe el nombre de potencia de transmisión. Tiene relación estrecha con el índice mecánico (IM, en relación con el riesgo de cavitación) y el índice térmico (IT, que indica la capacidad del US de aumentar la temperatura del tejido). Ambos tienen relación directa con los efectos biomecánicos de sonido.

  • Compensación de ganancia

Permite compensar la atenuación que sufre el sonido al atravesar los tejidos. De este modo se representan imágenes “homogéneas”, es decir, con la misma intensidad ecográfica en las zonas superficiales y en las profundas. Actúa amplificando los ecos de retorno y puede afectar a toda la imagen (ganancia global). O bien se puede amplificar selectivamente los ecos procedentes de zonas más proximales o más profundas según interese (ganancia parcial).

  • Potencia

Es un parámetro que se puede modificar para variar el poder de penetración del haz de US. Se puede obtener un efecto parecido al de la ganancia global, pero actuando sobre el haz US transmitido. La Potencia acústica se mide en watios (W).

  • Rango dinámico

Es la capacidad del aparato para discernir entre diferencias de amplitud de onda en el espectro total de las señales que configuran la información con las que se construye la imagen. Es la habilidad del equipo para informar de todos los cambios de interfase que se producen en los tejidos. Si se aumenta el rango dinámico, habrá mayor cantidad de ecos de retorno presentados en pantalla. Se tendrá así, mayor cantidad de información.

  • Enfoque

El equipo permite enfocar a diferente profundidad. Se colocará la parte más útil del haz, de mayor calidad, a la profundidad de la estructura anatómica que interese estudiar.

Seguridad y efectos biológicos

Está probado científicamente que el ultrasonido utilizado en medicina puede ocasionar una serie de efectos en el tejido que atraviesa. Lo han dividido genéricamente en Efectos Térmicos y Efectos No Térmicos. Si bien, es una obviedad que el ultrasonido es una técnica segura en el ámbito de diagnóstico.

Como norma general se sabe que el ultrasonido y sus efectos dependerán de la duración de la exposición, tipo de tejido expuesto, tasa de proliferación celular, potencial de regeneración, edad y estado del desarrollo (fetos y neonatos). Se debe considerar además que los adultos son más tolerantes a los aumentos de la temperatura. También que en exposiciones largas (50 horas) todavía no se han observado riesgos biológicos. El riesgo más importantes es, por ende, el aumento de la temperatura.

Efectos térmicos

  • Intensidad del ultrasonido

Forma en que la potencia de transmisión es entregada en los tejidos. De ellos depende mucho los modos de trabajo, donde el Modo M mantiene un haz de ultrasonido inmóvil y, por tanto, más dañino. En modo B, Doppler Color y Power Doppler no son inmóviles, siendo en estos últimos menos acusado el efecto térmico.

  • Tiempo de permanencia a la exposición de los ultrasonidos

El efecto será mayor dependiendo de cuánto tiempo se está expuesto a la ecografía.

  • Coeficiente de atenuación de los tejidos

No todos los tejidos absorben del mismo modo el calor provocado por el ultrasonido. Es irrelevante en tejido sanguíneo, pero es muy alto para el hueso. Allí, en la superficie de este tejido, se puede presentar un aumento de temperatura muy rápido.

Efectos mecánicos

Estos efectos son  alteraciones mecánicas producidas por los ultrasonidos (en los cuerpos gaseosos se conoce como cavitación). Pueden manifestarse como burbujas de aire microscópicas. El índice mecánico (IM) se relaciona con la probabilidad de la formación de estas cavidades. Es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia del ultrasonido. Es un efecto mucho menos conocido y estudiado que el efecto térmico y sus consecuencias.

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