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Ultrasonido Clínico: Física, Botones y Generación de Imagen

January 21, 2019

Índice:

1. Física básica y generación de imagen

2. Uso del ultrasonido para captar imágenes de estructuras anatómicas

3. Botonología

4.  Artefactos

5. Convenciones de la configuración de imagen

 

 

 

1. Física y generación de imagen

  Sonido: cualquier onda en medios físicos generada por la vibración física del medio

  Sonido audible: aprox. 25 Hz – 25,000 Hz

  Ultrasonido: cualquier onda con frecuencia > 25 KHz

  Medios distintos tienen rangos distintos utilizados por el ultrasonido diagnóstico.

        Gases: rango de Hz a KHz

        Líquidos: MHz.  Esta es la frecuencia utilizada por el ultrasonido clínico. El medio es el agua.

        Sólidos: GHz

 

El principio básico del ultrasonido diagnóstico es la formula

                 v = d/t                                    donde                    v= velocidad                                                                                                                       d= distancia

                                                                                               t= tiempo

 

Mide el tiempo (t) que le toma a un sonido viajar hacia un objeto y al sonido reflejado (un eco) viajar de regreso.  Ya que sabemos la velocidad (v) del ultrasonido en agua (aprox. 1,500 m/s), podemos medir la distancia (d) al objeto.  En ultrasonografía, este concepto fundamental es llamado el “principio pulsación-eco”.

 

 

 

 

        Así que con el sonido viajando el doble de distancia (hacia y desde el objeto) d = 1/2 vt

Problemas: pulsaciones cortas y agudas de ultrasonido resultarán en ecos cortos y agudos, permitiendo así la localización más precisa de un objeto.  ¿Qué tan cortas pueden ser las pulsaciones?

 

¿Qué se puede usar para generar el ultrasonido y escuchar el eco?

        El efecto piezoeléctrico: la propiedad de algunos cristales de vibrar al ser sujetos a una corriente alternante y de generar una corriente alternante al ser sujetos a una vibración.

Si vibran y están en contacto con un medio de transmisión al vibrar, causarán ondas en dicho medio.

 

 

 

Si los cristales piezoeléctricos están en descanso y en contacto con un medio que transmite ondas, estos vibrarán y por lo tanto generarán una corriente.

 

 

 

Los problemas de la localización en 3-D

        ¿Cómo se localiza un objeto en el espacio? No sólo su distancia, sino ¿su dirección?

        Opción 1: Utilizar la triangulación

        Opción 2: (i) Crear cristales direccionales (como el cañon de una pistola, dirigen las ondas de ultrasonido en una dirección específica y sólo “escuchan” ecos desde esa misma dirección).

 

                (ii) Colocar múltiples cristales direccionales lado a lado para crear una imagen en planos.

 

Difusión vs reflexión

La gran mayoría de la energía ultrasónica que pasa como ondas a través del tejido es desperdigada aleatoriamente.  Aunque ondas desperdigadas regresen a la sonda, causando que los cristales piezoeléctricos generen señales eléctricas, no tienen utilidad diagnostica, ya que son aleatorias y desorganizadas.

La reflexión es una forma especial de dispersión que es coordinada y organizada. Es diagnósticamente útil ya que es causada por superficies que se correlacionan con estructuras anatómicas.  Existen 3 características de superficies que determinan su propensidad para reflejar ondas de ultrasonido.

 

    1.  Las interfaces entre las regiones con una alta disparidad de impedancia.  La impedancia es una medida de la tendencia de un material de transmitir ondas.  Es impactada por la elasticidad y densidad del material.  Un material singular puede tener distintas impedancias a distintas frecuencias de ondas.  Por ejemplo, el aire tiene una baja impedancia al sonido (es decir, es un buen transmisor de frecuencias audibles), pero con una alta impedancia al ultrasonido clínico (lo que lo vuelve un mal transmisor).  Las frecuencias del ultrasonido diagnóstico son bien transmitidas a través de medios acuosos desde centímetros hasta metros.  Esto las hace útiles en la medicina humana.

 

        Las interfaces entre los tejidos con impedancias diferentes (una “disparidad de impedancia”) son reflectoras eficientes de ultrasonido, creando ecos que pueden ser detectados por los cristales piezoeléctricos del transductor.  Las variaciones de impedancia más extremas están entre estados distintos: gas, líquido y sólido (correspondiendo al aire, tejidos y huesos en el cuerpo).  Ejemplos incluyen las superficies de los huesos, la línea pleural en el tórax, y colecciones de gas (tanto normales como patológicas).  En la mayoría de los casos, la magnitud de la reflexión en estos sitios es tan alta que ninguna onda de ultrasonido es trasmitida a través de ellos, lo que resulta en un artefacto de sombra detrás de ellos (ver más abajo).

 

    2.  Las interfaces regulares lisas que permiten una reflexión ordenada y eficiente de las ondas de ultrasonido son llamadas reflectores especulares.  Esto es análogo al hecho que los ecos audibles son más probables en un cuarto con paredes descubiertas que en uno con alfombras gruesas, objetos colgados, muebles y mucha gente adentro.  La interfaz diafragma-pleura es un ejemplo de un buen reflector especular.  La mayoría de los planos fasciales y superficies son también buenos reflectores especulares, permitiendo la visualización de las fascias musculares, los espacios esplenorrenal y hepatorrenal, las paredes de vesícula biliar y los vasos sanguíneos.  Las interfaces tejido-hueso también crean superficies ecogénicas bien definidas, haciendo del ultrasonido una herramienta útil para la identificación de fracturas.  Esta técnica es útil en ámbitos médicos austeros, como los países en desarrollo, el espacio y expediciones donde el acceso a equipo radiográfico caro y voluminoso es limitado.

 

        En cambio, muchos sitios dentro del cuerpo con disparidades de impedancia significativas NO tienen la característica de reflectores especulares.  Esto tiende a ocurrir en interfaces que son desorganizadas e irregulares, creado eco/señales desperdigadas sin reflexión organizada.  Ejemplos de reflectores especulares malos incluyen el pulmón (aunque la superficie pleural en sí es una buena reflectora) y el intestino lleno de aire, el cual contiene extensas interfaces gas-liquido microscópicas.  Estos órganos crean una señal ecográfica intensa pero desorganizada, frecuentemente con sombras distales debido a la falla de transmisión a través de ellos.  Ya que los ecos son desorganizados, y las señales de regreso son impedidas por las mismas interfaces aire-liquido, se dispone de información limitada desde estos órganos.  Otro ejemplo sonográfico de este proceso: la grasa subcutánea normal es homogéneamente hipoecoica; al desarrollarse una celulitis se vuelve cada vez más ecogénica debido a la presencia de inflamación y edema que crean una multitud de interfaces liquido-grasa microscópicas.

 

    3.  Angulo de Insonación.  Las superficies que están a 90 grados del rayo de ultrasonido incidente generarán un eco que se dirige de regreso hacia la sonda (y es por lo tanto más fácilmente detectada).  Esto es similar a la situación que ocurre cuando una linterna es apuntada en la noche sobre una superficie de un lago tranquilo en un ángulo casi paralelo a la superficie del lago: es difícil ver la superficie ya que casi no hay luz que se refleje de vuelta hacia el observador.  En cambio, cuando la luz es dirigida a la superficie con los ángulos correctos, ésta es fácilmente vista.  Los ultrasonografistas explotan esto encontrando un ángulo de insonación que esté en ángulos rectos al plano anticipado del tejido de estructuras difíciles de visualizar.  Un ejemplo son las venas profundas de las piernas, las cuales frecuentemente tienen propiedades de impedancia muy similares a las de los tejidos circundantes, y las cuales requieren por lo tanto el ángulo de insonación apropiado para ser visualizadas claramente.  Algunos tejidos con una estructura laminar en la cual las capas son buenos reflectores especulares (p. ej., los tendones) demuestran esto por el fenómeno de anisotropía, por el cual parecen ecogénicos al ser vistos en ángulos rectos al rayo de ultrasonido, y anecoicos al ser vistos en otros ángulos.

 

Física: resumen

 

        El transductor de ultrasonido es una formación de cristales piezoeléctricos que pueden vibrar al ser sujetos a una corriente eléctrica alternante, y la cual puede crear campos eléctricos al ser sujeta a una vibración.

        El transductor (= “sonda”) generalmente transmite un 1% del tiempo y actúa como receptor un 99% del tiempo.

        El transductor crea pulsaciones de ultrasonido en un plano.  Estas forman ecos desde el mismo plano.  El procesamiento de los impulsos eléctricos creados en el transductor por los ecos de vuelta permite una representación bidimensional del plano en una pantalla.

        Los ecos fuertes son representados por puntos/áreas BRILLANTES en la pantalla.  La ausencia de ecos es representada por puntos/áreas NEGRAS en la pantalla.  Ecos de intensidad intermedia son representados por puntos GRISES.  Cada área dentro del plano de escaneo es representada por un punto cuya brillantez representa la intensidad del eco desde ese punto.  Términos comúnmente utilizados para describir la brillantez u oscuridad de las estructuras en una imagen de ultrasonido son cubiertos en la sección 3, “Términos Básicos”.

        Por lo tanto, ultrasonido en “Modalidad B” = “Modalidad de Brillantez” = “Escala Gris”.  Otras modalidades no incluidas aquí incluyen la modalidad M, modalidad A, Doppler y Doppler de flujo a color.

       Las pulsaciones de sonido requieren cierto número de ondas completas para ser propagadas de manera estable a través de un medio.  Debido a que las frecuencias más altas tienen amplitudes de onda más cortas, las pulsaciones de frecuencias mayores son físicamente más cortas en el espacio, permitiendo una localización más precisa de las estructuras que producen ecos.

                Mayor frecuencia --> mayor resolución

    Lo que se sacrifica es que las ondas de alta frecuencia tienen menos penetración.  Por lo tanto, las estructuras superficiales pueden ser convertidas en imágenes con mayores frecuencias (útil para colocar líneas IV, identificar cuerpos extraños subcutáneos).  Las estructuras profundas y pacientes grandes requieren menores frecuencias.