Principios Fundamentales del Ultrasonido en Ecografía Médica

Principios Fundamentales del Ultrasonido

Interacción de la Onda Sonora con el Objeto

• Si el tamaño del objeto es mayor al triple de la longitud de onda, habrá reflexión total.
• Si es igual a la longitud de onda, se produce un 50% de reflexión y un 50% de difracción.
• Si es menor a 1/3 de la longitud de onda, no se produce reflexión.

Parámetros de la Onda Sonora

• Amplitud: Cuando la elongación es máxima, la amplitud de la onda también lo es.
• Frecuencia: Número de ciclos en una unidad de tiempo.
• Periodo: Tiempo que demora cada ciclo.
• Velocidad de Propagación (v): Se calcula como lambda (λ) / Periodo (T). Depende de la densidad del medio; a mayor compresibilidad, más lenta es la propagación.
• Fase: Relacionada con la elongación y la velocidad de movimiento. Hay oposición de fase cuando la elongación y la velocidad de movimiento son justo las contrarias.

Rangos de Frecuencia

• Audición Humana: 15-20 kHz.
• Ultrasonido: Mayor a 20 kHz.
• Ecografía Médica: 1 a 20 MHz.

Conceptos de Interfaz y Acústica

• Interfaz: Cambio de un medio a otro que posee distinta impedancia acústica.
• Impedancia Acústica (Z): Resistencia de un medio al paso de la onda sonora.
• Efecto de la Interfaz: A menor diferencia de impedancia acústica (Z) entre medios, mayor será la propagación de las ondas y menor la amplitud de las ondas reflejadas (eco débil). Una alta diferencia en Z produce un eco fuerte.

Fenómenos de Interacción del Ultrasonido

• Atenuación: Pérdida de la energía acústica al propagarse la onda sonora por el medio. A mayor frecuencia, mayor atenuación. Por lo tanto, a menor frecuencia, los ecos en zonas distales tendrán menor amplitud.
• Ganancia: Capacidad del ecógrafo para amplificar los ecos que recibe.
• Reflexión: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. El ángulo de entrada es el mismo que el de reflexión. Ocurre al incidir en un medio con distinta impedancia acústica.
• Refracción: Cambio de dirección de la onda al pasar de un medio a otro con distintas velocidades de propagación. Si v1 > v2, la onda se acerca a la normal.
• Dispersión: Cambio de dirección del sonido en diferentes direcciones.
• Absorción: Pérdida de energía por conversión a calor. A mayor absorción, menor penetración. Generalmente, a mayor frecuencia, mayor absorción y, por ende, menor penetración.

Componentes y Formación de la Imagen Ecográfica

El Transductor de Ultrasonido

• El transductor contiene cristales piezoeléctricos (generalmente entre 65 y 512) que convierten la energía eléctrica en pulsos acústicos y viceversa.

Procesamiento de la Imagen

• La imagen se representa en una escala de 256 grises en la memoria gráfica del ordenador.
• Superposición de Ondas: Las ondas pueden amplificarse si están en la misma fase o anularse si están en fases contrarias.
• Haz de Ultrasonido: Región donde las ondas están en fase.

Zonas del Haz y Resolución

• Zona Cercana (Fresnel): Punto de mayor resolución lateral.
• Zona Lejana (Fraunhofer): Las zonas laterales contribuyen a los artefactos. Se compone de un lóbulo central y dos lóbulos laterales.
• Resolución Espacial: Capacidad de distinguir como estructuras individuales dos objetos cercanos.
  • Resolución Axial: Capacidad de distinguir objetos uno tras otro (en la dirección del haz).
  • Resolución Lateral: Capacidad de distinguir objetos uno al lado del otro (perpendicular al haz).
• Relación Frecuencia-Penetración-Resolución: A mayor frecuencia, menor penetración y mayor resolución.

Tipos de Transductores y sus Aplicaciones

• Transductores Lineales:
  • Forma de imagen: Rectangular.
  • Aplicaciones: Tiroides, vasos sanguíneos.
  • Frecuencia: 7.5 a 13 MHz.
• Transductores Convexos:
  • Forma de imagen: Curva (trapecio).
  • Aplicaciones: Abdominal, obstétrico.
  • Frecuencia: 3.5 a 5 MHz.
• Transductores Sectoriales:
  • Forma de imagen: Triangular.
  • Aplicaciones: Cardiología, abdominal (abordaje costal).
  • Frecuencia: 3.5 a 5 MHz (para profundidad).
• Transductores Intracavitarios:
  • Tipo: Lineales o convexos.
  • Aplicaciones: Intrarectales o intravaginales.
  • Frecuencia: 5 a 7.5 MHz.

Tecnología de Arrays

• Lineal Array: Transductores lineales.
• Phased Array: Transductores vectoriales (comúnmente sectoriales).
• Cada pulso de ultrasonido está conformado por 3 a 5 ciclos.

Características del Pulso de Ultrasonido

• Duración de un Pulso: 0.5 a 3 µs.
• Periodo de Repetición de Pulso (PRP): 0.1 a 1 ms.
• Frecuencia de Repetición de Pulso (FRP o PRF): Número de pulsos emitidos por segundo. Es inversamente proporcional a la profundidad de la imagen.
• Duty Factor (Factor de Trabajo): Tiempo que el transmisor actúa como emisor, generalmente entre 0.1% y 1%.
• Longitud Espacial de Pulso (LEP): Distancia desde el inicio hasta el final del pulso.

Dependencia de la Frecuencia de Repetición de Pulso (PRF)

El PRF depende directamente de la profundidad de la imagen y suele variar entre 1 kHz y 10 kHz.

"Depende del tiempo que tarda en recibir el eco reflejado. A mayor profundidad del volumen de muestra, menor es la frecuencia de emisión que puede transmitir el transductor." (Esto se debe a que hay que esperar más tiempo a que regrese el eco).

Modos de Visualización en Ecografía

• Modo M (Movimiento):
  • Utiliza un solo cristal y un único haz.
  • Genera ecos reflejados y registra el movimiento de estructuras, cavidades y la contractilidad.
  • Principalmente usado en cardiología.
• Modo A (Amplitud):
  • Grafica las amplitudes de los ecos.
  • Proporciona información posicional unidimensional.
  • Usado en oftalmología para medir el tamaño de estructuras.
• Modo B (Brillo o Bidimensional):
  • Utiliza varios cristales y direcciones de haz.
  • Genera una imagen bidimensional.
  • Traduce el eco en una escala de grises.

Procesamiento y Calidad de la Imagen

• Línea de Barrido: Sucesión de ecos en una misma línea.
• Imágenes Dinámicas o en Tiempo Real: Requieren un mínimo de 15 cuadros por segundo para una percepción fluida.
• Se realizan modificaciones del pulso para optimizar las imágenes clínicas.

Parámetros de Ajuste de Imagen

• Rango Dinámico (RD): Intervalo entre la señal más alta y la más baja, medido en decibelios (dB).
  • Con un RD alto, la imagen es más suave, con muchos tonos de gris (más blancos).
  • Con un RD bajo, la imagen es más contrastada, con predominio de blancos y negros.
• Amplificación: Aumento de la señal eléctrica.
• Compensación de Ganancia por Tiempo (TGC - Time Gain Compensation): Amplifica la intensidad de la señal en función de su distancia (profundidad), compensando la atenuación.
• Ancho de Banda: Rango de frecuencias en el que se concentra la mayor potencia de la señal. Su ajuste puede reducir la superposición de ecos.