Ultrasonido Clínico: Física, Botones y Generación de Imagen

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.

Frecuencias bajas --> mayor penetración

Se pueden hacer ajustes de la señal eléctrica generada por los ecos por el operador y esto es llamado “ganancia” (gain).

2. Términos Básicos

3. Botonología: utilizando la física para obtener las mejores imágenes de la máquina de ultrasonido

Basado en lo que ya discutimos, cada imagen que obtienes usando el ultrasonido requerirá un esfuerzo coordinado entre la mano que sostiene el transductor (siempre utiliza la misma, generalmente la derecha) para dirigirlo al órgano de interés, evitando objetos que impiden la transmisión del ultrasonido (primariamente hueso y gas), y la mano que está operando la máquina (utiliza siempre la misma, generalmente la izquierda), la cual la manipula para optimizar la imagen. Casi cada vez que muevas la sonda de un punto en la superficie del cuerpo del paciente a otro, deberás considerar ajustar los siguiente CINCO parámetros, cada uno de los cuales se relaciona a un aspecto de la física del ultrasonido: profundidad, frecuencia, ganancia, foco, rango dinámico.

a. Profundidad. La imagen de ultrasonido debe ser ajustada para que el objeto de interés aparezca en algún lugar de la mitad inferior de la pantalla. Esto permitirá la magnificación máxima del objeto. Una excepción podrían ser los casos donde se buscan sombras detrás de un objeto, en cuyo caso el objeto debería de estar más arriba en la pantalla. La función de “zoom” casi nunca es necesaria, a menos que un objeto muy profundo requiera mayor magnificación. La colocación del objeto de interés en el cuarto o la mitad superior de la pantalla es frecuentemente llamada “desperdicio de terreno”.

b. Frecuencia. Este es el siguiente ajuste. Debe ser hecho antes de ajustar la ganancia, ya que las alteraciones en frecuencia afectarán la brillantez de la imagen. (¿Disminuir la ganancia hace a la imagen más clara o más oscura?) En general, la frecuencia debería de ser la más alta posible con penetración adecuada. En algunos pacientes, por razones desconocidas, las características de transmisión de los tejidos resultan en una resolución mayor con frecuencias más bajas. Esto sólo puede ser determinado ajustando la frecuencia y viendo cuál funciona mejor.

c. Ganancia (gain). Esta es la amplificación electrónica de la señal recibida desde el transductor como resultado de los ecos de ultrasonido generados en los tejidos. En general, debe ser ajustada para que los objetos que sabes que deberían ser anecoicos (p. ej., el lumen de vasos, la vesícula biliar o la vejiga) aparezcan NEGROS. Las máquinas de ultrasonido tienen además un ajuste de la ganancia que puede hacerse en distintos niveles de superior a inferior. Debido a que los ajustes de ganancia fueron originalmente creados por ingenieros usando el intervalo de tiempo previo a que el eco de ultrasonido regrese, se les llama “compensación de tiempo de ganancia”. Estas perillas aparecen en la mayoría de las máquinas como deslizadores organizados topográficamente, cada uno de los cuales ajusta la ganancia a cierto nivel de la imagen. En el SonoSite, hay 3 botones distintos, el superior es para “ganancia próxima”, el medio es para “ganancia lejana” y el inferior ajusta la ganancia total.

d. Enfoque. Aunque siempre representamos conceptualmente el ultrasonido como si creara una rodaja infinitamente delgada al proveer la imagen que vemos en la pantalla, de hecho, las ondas de ultrasonido que salen del transductor son tan gruesas como la cinta de hule en la cara del transductor: frecuentemente 5 a 10 mm de grosor. El grosor de la rodaja puede ser ajustado hasta cierta profundidad en el plano de la imagen. Esta profundidad es llamada la “profundidad focal” o “foco” de la imagen. El foco debe ser ajustado al nivel del objeto de interés. Hay que notar que en la máquina SonoSite, el foco es automáticamente colocado en el centro de la pantalla entre el borde superior y el inferior, por lo que el objeto de interés debe ser colocado en este lugar en esta máquina. Hay que notar que, para objetos muy superficiales, las zonas de enfoque se vuelven más y más pequeñas. Esto adquiere importancia al escanear estructuras superficiales buscando objetos pequeños, como por ejemplo cuerpos extraños. Se dice que los objetos superficiales en relación a la zona de enfoque están en el “campo próximo”; los que están más profundos, en el “campo lejano”.

e. Rango dinámico (también conocido como Compresión). La fuerza de los ecos de ultrasonido que regresan, como la fuerza de cualquier onda de sonido, puede ser medida en decibeles. El rango dinámico refleja el número de decibeles que la imagen de ultrasonido representa entre áreas que son completamente negras en la pantalla y aquellas que son completamente blancas. Como se notó previamente, al ajustar la ganancia, comenzamos al encontrar algo que sabemos que debe ser negro, y lo hacemos NEGRO. Este es un objeto que sabemos que no debería de proveer ningún eco, y por lo tanto por definición, la señal de ultrasonido de regreso es 0 dB. Por otro lado, puedes hacer ajustes para determinar si un eco de 30 a 80 dB es representado por un punto completamente blanco en la imagen. Entre más bajo el número que selecciones, más grande la proporción de ecos de regreso que serán representados por el blanco. Por ejemplo, si ajustas el rango dinámico en 40 dB, cualquier eco arriba de 40dB aparecerá blanco. Por el contrario, si ajustas el rango dinámico en 80 dB, los ecos que regresan entre 40 y 80 dB serán representados en la escala de grises, y un eco de 40 dB estará en medio de los grises. En general, disminuimos el rango dinámico cuando nos interesa simplemente distinguir entre líquido y “no líquido”. Esto es frecuentemente usado en imágenes cardiacas para resaltar la diferencia entre el endocardio y la sangre dentro del corazón. Reducir el rango dinámico enfatiza esta distinción. Puede ser también útil tener un rango dinámico bajo al realizar un acceso vascular u otro procedimiento invasivo, donde lo único que te importa es ver la punta de tu aguja y el objetivo relleno de líquido.

f. Auto optimización. Muchas máquinas modernas tienen un “botón de pánico”, especialmente útil si encuentras que, sin importar tus ajustes, obtienes una mala imagen. Presionar este botón te dará la estimación programada de la máquina para la imagen óptima en tu sitio escaneado. Si usas este botón, algunos ajustes finos podrían aún ser necesarios para mejorar la imagen.

g. Tipos y opciones de transductor. Debido a la variedad de aplicaciones del ultrasonido, ha sido necesario desarrollar cierto número de distintos tipos de transductor para obtener imágenes óptimas en las distintas situaciones clínicas.

i. Las sondas de formación curva tienen la fila de cristales alineada como arco para que, desde un área de piel relativamente pequeña, una mayor área de estructuras pueda ser examinada. Debido a que son diseñadas para examinar estructuras más grandes, frecuentemente también deben examinar estructuras más profundas, y por lo tanto tienen menores frecuencias para mejor penetración (2 a 5 MHz). La desventaja de este arreglo es que, debido a la dispersión de los rayos de ultrasonido, la resolución disminuye progresivamente entre más profunda la imagen. El tamaño de la “huella” de la sonda curva puede también variar. Los transductores de huella pequeña también son descritos como “sondas de fila apretada”. La sonda endocavitaria usada para examinación cercana de las amígdalas, el útero o la próstata, entre otros, es un ejemplo de un transductor de fila curva apretada de alta frecuencia (típicamente 5 a 8 MHz).

ii. Los transductores de formación en fase son también diseñados para escaneo profundo, utilizan un único cristal dirigido en direcciones distintas tanto para la transmisión como para la detección de ecos. Esto permite la creación de imágenes a través de ventanas sonográficas muy apretadas, como los espacios costales. Esto es ideal para crear imágenes del corazón, pero puede ser también utilizado para el abdomen. Este transductor también generalmente usa frecuencias bajas (2 a 4 MHz). Tiene una desventaja similar al de la sonda curva, con la disminución de resolución de estructuras profundas. La resolución también tiende a ser mala en los campos proximos.

iii. Las sondas de formación linear tienen los cristales organizados en línea recta. Estas sondas generalmente son diseñadas para estructuras superficiales que no tienen ninguna obstrucción encima, volviéndolas útiles para evaluar las extremidades, estructuras de tejidos blandos y para guiar procedimientos. Debido a que no requieren de penetración profunda, usualmente tienen rangos de frecuencia altos (6 a 12 MHz), permitiendo una resolución superior.

iv. Múltiples otras sondas han sido diseñadas para usos especializados, incluyendo sondas endovasculares (con cristales orientados radialmente), sondas cardiacas transesofágicas, y sondas con filas lineares muy pequeñas para uso en pediatría, entre otras.

4. Artefactos

Los artefactos son características de una imagen de ultrasonido que no tienen relación con las propiedades reales de los tejidos que estás escaneando. Surgen como resultado de las características físicas del ultrasonido. Basado en esta definición, se podría suponer que los artefactos son una maldición incurable. De hecho, usamos los artefactos extensamente en ultrasonido para realizar inferencias sobre estructuras ambiguas. Por ejemplo, las piedras en el seno renal pueden tener las mismas propiedades de eco que la grasa circundante, volviéndolas invisibles en este sitio. Sin embargo, pueden ser frecuentemente identificadas como resultado de las sombras que crean. Similarmente, pequeños cálculos biliares pueden ser frecuentemente reconocidos solo como resultados de las sombras que crean. En ultrasonido pulmonar, se usan métodos para cuantificar el edema pulmonar intersticial anormal basado en artefactos de reverberación llamados “líneas-B” (ver tabla 1).

5. Convenciones de la configuración de imagen

El transductor (= “sonda”) de ultrasonido puede ser puesta en cualquier parte del cuerpo (y tienen muchos usos endocavitarias y endovasculares también). Puede fácilmente ser rotada 360 grados donde sea que sea puesta. Para facilitar el entendimiento común de las imágenes, la pantalla tiene una orientación convencional para los planos cardenales del cuerpo. En planos longitudinales, el lazo izquierdo de la pantalla muestra la dirección cefálica. En imágenes transversas, el lado izquierdo de la imagen muestra el lado derecho del cuerpo del paciente.

Esta regla se aplica libremente. Las siguientes son excepciones frecuentes:

1. Para los órganos cuyo eje no es exactamente anatómico (es decir, “norte-sur” o “este-oeste”), es más fácil y simple escanear con respecto al eje del órgano. Las imágenes aún son llamadas “longitudinales” y “transversas”. Esto es cierto para la mayoría de los órganos, p. ej. la vesícula biliar o el riñón. La vesícula biliar, la cual es altamente variable tanto en localización como en eje, es tradicionalmente mostrada en su eje longitudinal con el cuello de la vesícula (considerada la porción cefálica del órgano) dirigido hacia el lado izquierdo de la pantalla.

2. Los sonografistas frecuentemente hacen un poco de “trampa” para colocarse entre estructuras obstructivas como las costillas. Para hacer esto, la sonda debe ser rotada para estar en paralelo al espacio costal. Por convención, el lado izquierdo de la pantalla muestra la dirección hacia la cabeza de la costilla.

3. Los ejes usados al escanear el corazón, en escaneo endovaginal, y otras situaciones, tienen distintas convenciones que son rápidas de aprender, pero que van más allá del alcance de esta clase.

Sesión Práctica

En una sesión práctica, el estudiante debe enfocarse en ser capaz de demostrar los siguientes: 1. La habilidad de ajustar la profundidad, frecuencia, ganancia, enfoque y rango dinámico y de seleccionar el transductor apropiado para las imágenes de la aorta, el hígado y el antebrazo. 2. La habilidad de demostrar ejemplos de:

a. Sombras b. Realce acústico posterior c. Artefacto espejo d. Artefacto de reverberación e. Artefacto de ganancia 3. La habilidad de demostrar el efecto del ángulo de insonación 4. La habilidad de obtener una imagen del riñón entre las costillas 5. La habilidad de obtener una vista longitudinal y transversa de un vaso sanguíneo con una orientación apropiada de la sonda.