Bases Físicas del Ultrasonido y Doppler

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.

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Método complementario de exploración no invasivo.

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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 + βT Donde:  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.

Bases Físicas de Ultrasonido 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.

Bases Físicas de Ultrasonido Interacción del US con los Tejidos  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. Dispersión Reflexión

Refracción Absorción Calor

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


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.

Modo B

 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 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.

Bases Físicas de Ultrasonido


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.

Vena con dirección contraria a la sonda.

Arteria con dirección 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. ○



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°: ○ ○ ○ ○

Índice Mecánico. ○

IT 1 

○



Doppler pulsado. Doppler color. Doppler continuo. USG bidimensional (2D).



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. Ed Masson 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.).

Principios físicos, metodología, consistencia y seguridad del ultrasonido Doppler en la

 Mario Guzmán Huerta.

evaluación fetoplacentaria. Ginecol Obstet Mex 2007;75(10):621-9.

Bases Físicas del Ultrasonido y Doppler

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