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.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
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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
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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.
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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 .
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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
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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.
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Transductores. Tamaño relacionado
con número de componentes. ○ Lineal. ○ Convexo.
Diferentes frecuencias. ○ Transductores de 3-5 MHz. ○ Transductores de 4-10 MHz.
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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.
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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”.
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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.
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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.
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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.
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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.
Bases Físicas de Ultrasonido Interacción del US con los Tejidos
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.
Bases Físicas de Ultrasonido Interacción del US con los Tejidos
Difracción: Variación de las
dirección de las ondas sonoras al bordear o chocar contra un objeto que se encuentra en su trayecto.
Bases Físicas de Ultrasonido Interacción del US con los Tejidos
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.
Bases Físicas de Ultrasonido Interacción del US con los Tejidos
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.
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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.
Bases Físicas de Ultrasonido
Transductores. De 3-5 MHz. ○ Áreas profundas; Tejidos profundos. Cavidad abdominal.
De 4-10 MHz. ○ Áreas superficiales; Tejidos superficiales. Endovaginal.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
Bases Físicas de Ultrasonido
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
Bases Físicas de Ultrasonido
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
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.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
Bases Físicas de Ultrasonido
Refuerzo posterior: Después de atravesar
un medio líquido homogéneo hay una atenuación menor en el tejido circundante, apreciándose una zona más ecogénica.
Bases Físicas de Ultrasonido
Reverberación: Múltiples líneas
espaciadas iguales a lo largo de un patrón lineal. ○ Cola de cometa.
Bases Físicas de Ultrasonido
“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.
Bases Físicas de Ultrasonido
Imagen de espejo: El sonido se refleja
fuerte, actuando tejidos blandos como diafragmas reflejantes. ○ Zonas curvas. ○ Imagen invertida.
Bases Físicas de Ultrasonido
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.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler
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:
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler
Doppler. “Frequency Shift” Involucra un complejo análisis de la diferencia entre la frecuencia transmitida y la frecuencia recibida.
Analisis Espectral
“Fourier Transform”
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler
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.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler
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.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler
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.