Transcript ULTRASONIDO Y ECOGRAFÍA

ULTRASONIDO Y
ECOGRAFÍA
Descripción de las técnicas básicas del
ultrasonido y su aplicación en monitoreos
fetales.
Principios básicos de funcionamiento y
operación de las unidades de diagnóstico por
Ecografía
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En el permanente avance de las técnicas de
diagnóstico en medicina, se descubren nuevos
medios de estudio cada vez más eficientes y
seguros.
Entre estas técnicas, las que gozan de mayor
éxito y aceptación, y que son las que finalmente
se consolidan e imponen entre la comunidad
médica, son aquellas que resultan inocuas para el
paciente, exactas y precisas para el profesional, y
de simple aplicación.
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Desde hace muchos años se conocen las
propiedades del ultrasonido, y sus posibilidades
de ser aplicado como técnica de diagnóstico
inofensiva.
Se han desarrollado, a partir de los principios
físicos que rigen la transmisión y propagación del
ultrasonido, varias técnicas de diagnóstico
sumamente útiles y de aplicación sencilla y
universalmente aceptada
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Principios físicos del ultrasonido
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Se define como ultrasonido (U.S.) a aquellas ondas sonoras
que superan el umbral auditivo humano, o sea por encima
de 20 Khz.
Su estudio data de 1920 cuando el físico francés Paul
Langevin observó que se podía aprovechar el efecto
piezoeléctrico descubierto en 1880 por Pierre Curie.
Su desarrollo se desprende, entre otras técnicas, del
SONAR(1) y del RADAR (2), los cuales experimentaron un
gran avance en las guerras mundiales, principalmente en la
segunda.
En medicina se viene utilizando con fines diagnósticos
desde 1956.
La gama de frecuencias utilizada es de 1 a 10 Mhz.
(1) Sound Navigation and Ranging
(2) radio detection and ranging
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La generación del U.S. se realiza a través de un oscilador
electrónico que entrega su señal a un cristal piezoeléctrico
que como es bien sabido, tiene la propiedad de deformarse
cuando se le aplica una tensión y viceversa, entregar una
tensión cuando se lo deforma.
El material piezoeléctrico se talla de tal manera que su
frecuencia natural coincida con la del oscilador. De esta
manera se estabiliza el funcionamiento del oscilador y se
refuerza la emisión del U.S.
Los materiales piezoeléctricos más usados son el cuarzo,
las cerámicas piezoeléctricas (artificiales en base a óxidos
metálicos) el sulfato de litio, etc.
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Algunos conceptos:
Intensidad acústica (IA):
Se la define como la potencia que fluye por unidad de superficie (W/cm2).
La intensidad acústica a su vez es proporcional al cuadrado de la presión
generada por al onda sonora, cuando el frente de onda es plano.
En diagnóstico se utilizan IA de hasta 0,5 mW/cm2 eficaces. En
consecuencia, la IA máxima corresponde a 127 dB ( IA de referencia 10 -16
W/cm2).
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Algunos conceptos:
Velocidad del U.S.:
La velocidad de una onda sonora depende de la elasticidad y de las
propiedades inerciales de la sustancia en la cual se transmite, y no de su
frecuencia.
En la tabla siguiente vemos las velocidades del sonido en distintos tejidos
biológicos y otros materiales:
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Velocidades del sonido en distintos medios
material
velocidad m/seg.
acero
3320
sangre
1570
tejidos blandos (promedio)
1540
hígado
1550
cerebro
1530
hueso compacto
3380
líquido cefalorraquídeo
1500
aire
348
agua a 25º C
1497
músculo
1540
hueso craneal
4080
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Algunos conceptos:
Impedancia acústica:
La velocidad del sonido multiplicada por la densidad del mismo da una
magnitud que se llama "impedancia acústica característica" que
constituye una importante propiedad de los medios transmisores del
sonido.
Las ondas atraviesan con facilidad un medio que tenga una elevada
impedancia acústica.
Los medios con baja impedancia acústica reflejan las ondas en forma más
acentuada
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Algunos conceptos:
Fenómenos de transmisión:
Para entender la aplicación del U.S. en diagnóstico, los fenómenos de
transmisión más relevantes son los de reflexión y refracción del sonido
en los diversos medios implicados
Cuando una onda sonora plana incide perpendicularmente sobre una
interfase sufre una reflexión cuya intensidad está dada por:
Ir =
(Za - Zb)2
(Za + Zb)2
Ii
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Algunos conceptos:
Medio “a”,
impedancia
acústica Za
Medio “b”,
impedancia
acústica Zb
Intensidad
incidente –
Velocidad “a”
Intensidad
reflejada
Intensidad
transmitida –
Velocidad “b”
Interfase entre
“a” y “b”
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Algunos conceptos:
La relación entre la intensidad transmitida a la incidente es:
4Zb/Za
It =
(Zb/Za + 1)2
Ii
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Algunos conceptos:
Si con datos de impedancias acústicas de tejidos blandos y las ecuaciones
arriba indicadas calculamos la It a través de una interfase aire-tejidos
blandos, resulta que solo 0,1% de la Ii es transmitida. Por ello es que al
utilizar un transductor o cristal de US sobre la piel de un paciente, para
asegurar una buena transmisión debe evitarse la interposición de aire.
Se coloca entonces sobre la piel del paciente un medio de acople de similar
Z acústica que la de los tejidos, denominado gel de U.S.
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Algunos conceptos:
Con respecto a las diferentes densidades y Z acústica que poseen los
distintos tejidos del organismo, es natural que provoquen una serie de
reflexiones y refracciones de la onda, cuyos rebotes pueden ser leídos e
interpretados electrónicamente como veremos más adelante, con distintas
técnicas para lograr los fines de diagnóstico buscados.
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Algunos conceptos:
Efecto Doppler
Es conocido que el efecto Doppler consiste en el cambio de frecuencia
que experimenta un haz sonoro cuando se mueve la fuente que lo
genera o refleja.
La desviación Doppler Δf existente entre el sonido incidente y el reflejado
responde a:
2 f v cos β
Δf =
C
Donde
f = frecuencia del sonido emitido
C = velocidad del sonido en este medio
v = velocidad de la fuente o del elemento que refleja el sonido
β = ángulo entre el haz incidente y la dirección del objeto
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Algunos conceptos: Efecto Doppler
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Algunos conceptos:
Como veremos, puede determinarse mediante este efecto, por ejemplo la
velocidad de la sangre en una arteria.
En ese caso, en la fórmula anterior, serían:
C = velocidad del sonido en la sangre
v = velocidad de la sangre, en realidad el sonido se refleja en los hematíes
o glóbulos rojos, y ésta es la velocidad que medimos.
β = ángulo entre el transductor o cristal piezoeléctrico y la dirección de la
arteria.
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Aplicaciones:
En base a los principios vistos, concluimos que el ultrasonido será de
utilidad en diversas aplicaciones:
Principio utilizado
aplicación
Uso particular
efecto Doppler
detección del latido
del corazón
Detección de la actividad cardíaca
fetal
efecto Doppler
registro de la
frecuencia cardíaca
Monitoreo anteparto
efecto Doppler
Medición de la
velocidad
sanguínea
Diagnóstico de alteraciones
circulatorias
Reflexión del
ultrasonido
ecografía
Numerosos estudios con
obtención de imágenes de
órganos y tejidos
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Aplicaciones:
Veremos entonces en detalle como
aplicaciones en cada caso particular.
se
implementan
estas
Si bien las disposiciones circuitales serán esencialmente distintas
para cada necesidad operativa, puede esquematizarse una
funcionalidad genérica, como la que sigue:
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Esquema funcional / emisión
Emisión
ultrasónica
Generador de
UltraSonido
Señal eléctrica de
ultrasonido
Cristal
piezoeléctrico
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Esquema funcional / recepción
Recepción
ultrasónica
Detectordemodulador
de UltraSonido
Señal eléctrica de
ultrasonido
Cristal
piezoeléctrico
Representación,
sonora o gráfica de la
información
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Esquema funcional
Como vemos, en ambos casos hemos representado al cristal
piezoeléctrico del mismo modo. Esto se debe a que existe una
simetría en las características de ambos, emisor y receptor.
En otras palabras, los cristales emisores y receptores son iguales.
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Aplicaciones particulares
Detector fetal:
Es uno de los equipos de ultrasonido mas sencillos y comunes.
Aprovechando el efecto Doppler es capaz de detectar con precisión
y sensibilidad la actividad cardíaca fetal
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Detector fetal:
Es necesario verificar, durante el embarazo, la actividad cardíaca
fetal.
El corazón fetal es muy pequeño, y la detección de su actividad es a
menudo dificultosa.
Antiguamente se utilizaba un elemento denominado pinard, que
consistía en una especie de embudo de madera con el cual se
amplificaba mecánicamente el sonido del corazón para lograr oirlo,
aislándolo del ruido ambiente.
A partir de este diseño podría pensarse en aplicar un micrófono de
audio con la misma finalidad y amplificarlo electrónicamente.
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Detector fetal:
Sin embargo, el ruido ambiente sería muy difícil de aislar, debido a
la gran sensibilidad o ganancia que se requeriría para escuchar el
corazón.
Mucho más efectivo es utilizar el efecto Doppler, haciendo incidir un
haz de ultrasonido en el corazón fetal y recibir la reflexión
correspondiente. Esta reflexión, será modulada por el movimiento
de la pared cardíaca al latir.
Demodulando esta señal se obtiene información del movimiento de
esta pared y por lo tanto de los latidos del corazón.
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Detector fetal:
Esta señal demodulada se utiliza para gobernar un oscilador de
audiofrecuencia, generando un sonido que simula el del corazón,
siguiendo exactamente sus variaciones.
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Detector fetal:
Salida a parlante y
auricular
Trafo y filtro de línea
Rectificador y regulador
Receptor / emisor
piezoeléctrico
Generador de US
audio
Alimentaciones
señal
Demodulador de FM
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Detector fetal:
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Detector fetal:
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Monitor fetal:
Durante el embarazo, y particularmente durante las últimas
semanas, es necesario monitorear la actividad cardíaca fetal,
relacionándola con los movimientos del útero materno
(contracciones), graficando convenientemente ambos sucesos. Esto
se conoce como monitoreo fetal anteparto.
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Monitor fetal:
De esta relación, el médico extraerá conclusiones que servirán, por
ejemplo, para determinar la necesidad de un adelantamiento del
parto.
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Monitor fetal:
Para lograr este registro, se ha desarrollado un equipo denominado
monitor fetal, que conjuga la aplicación de interesantes técnicas
electrónicas.
Posee básicamente dos canales de medición. Uno para captar el
movimiento del corazón fetal mediante técnicas de ultrasonido
similares a las vistas, además de efectuar el cómputo y muestreo de
la frecuencia cardíaca fetal (FCF), otro para captar las contracciones
uterinas (TOCO).
Ambos sucesos se grafican conjuntamente en un registro en papel,
con fines diagnósticos y de utilidad legal.
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Rectificador y
regulador
Trafo y filtros de
línea
Monitor fetal
Alimentadores
Generador de US
Display FCF
Emisor / detector
ultrasónico
audio
cardiotacómetro
Canal FCF
Salida a parlante
y auricular
señal
Impresión conjunta de
gráficas
Demodulador de FM
LVDT
Display TOCO
Tocodinamómetro
Demodulador LVDT
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Canal
TOCO
Generador y control
LVDT
Monitor fetal: impresión de resultados
Frecuencia
cardíaca fetal
Contracción
uterina
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Monitor fetal
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Monitor fetal
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Ecógrafo
Es otra de las aplicaciones de las propiedades del U.S
Como se deduce de su nombre, es la obtención de imágenes
mediante el procesamiento del rebote (eco) de la señal
ultrasónica en los órganos y tejidos del cuerpo humano.
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Ecógrafo
En este caso los transductores utilizados son de distinta
forma y tamaño, y operan a distintas frecuencia, pero están
constituídos también por cristales piezoeléctricos.
La diferencia fundamental reside en que de la señal
obtenida como retorno o rebote en los órganos y tejidos cada uno con su respectiva impedancia acústica- la cual
estará afectada por las distintas condiciones de
propagación, transmisión y reflexión, se logra la formación
de imágenes correspondientes a las diferentes densidades
observadas
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Composición básica de un Ecógrafo
Varias sondas o transductores (probes) para los diversos estudios
a realizar
Un equipo o circuito electrónico que cumple las funciones básicas de:
Generación del U.S.
Lectura o recepción de la reflexión del U.S.
Interpretación de la señal y generación de imágenes de video
según los diversos modos de funcionamiento
Un panel de control, (básicamente un teclado) desde donde el
operador selecciona las funciones, ajusta los parámetros
deseados, etc.
Un monitor (o más)
Una impresora (externa)
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Composición básica de un Ecógrafo
monitor
Unidad principal / generador de
US, demodulador de señales y
generador de imágenes
Comando de
las sondas
Sondas
ultrasónicas
(probes)
Impresora
de video
Teclado de comando,
funciones de medición
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Composición básica de un Ecógrafo
teclado
monitor
Impresora de
video
Unidad
central
sondas
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Composición básica de un Ecógrafo
Veamos en detalle las características y
funcionalidad de cada uno de estos
componentes:
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Sondas ultrasónicas
Son los transductores mediante los cuales se emite la
señal ultrasónica y se recibe el rebote, convirtiéndose a
señal eléctrica y obteniéndose la información para generar
las imágenes.
Si bien se trata básicamente de cristales piezoeléctricos,
al igual que en los equipos vistos hasta aquí, poseen
características especiales que es necesario detallar.
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Sondas ultrasónicas
La atenuación que sufren las ondas ultrasónicas puede
estimarse a grosso modo en:
1 dB / cm / Mhz
Donde obviamente debe contarse el trayecto de ida y vuelta
del U.S. Podemos decir entonces que la atenuación crece
rápidamente con la frecuencia.
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Sondas ultrasónicas
El considerar este sólo hecho es una simplificación en el
análisis, pero de ella podemos concluir que los transductores
deberán tener distintas dimensiones (dado que operarán a
distintas frecuencias) adecuadas al análisis específico de los
distintos órganos del cuerpo y a que estudio se requiera de
cada uno de ellos.
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Sondas ultrasónicas
Si bien los transductores para monitores se componían de un
juego de cristales, emisor y receptor, en este caso se trata de
un conjunto de cristales ubicados espacialmente de manera
adecuada para “barrer” con el U.S. una porción o sector del
organismo.
Por ejemplo, se ubican en un arco de ángulo adecuado al
sector a barrer.
Un transductor para ecógrafo puede componerse
actualmente de por ejemplo 512 (y hasta 1024) cristales o
canales.
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Sondas ultrasónicas
Sonda
Barrido del
haz
ultrasónico
Obstáculos
encontrados
por el haz
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Sondas ultrasónicas
Como vemos existe una gran variedad, según las aplicaciones
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Sondas ultrasónicas / lineal (linear array)
Pueden contener mas de 512 elementos, dispuestos en un plano
de entre 75 y 120 mm.
Debido a la divergencia del haz y a la pobre sensibilidad por el
pequeño tamaño de los elementos, es necesario emplear técnicas
de pulsado del haz de modo de mejorar la resolución y eliminar
“artefactos” (imágenes fantasma).
De este modo, son pulsados en la emisión subgrupos de 8 o 16
elementos adyacentes. Este pulsado se repite de igual modo
durante la recepción
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Sondas ultrasónicas / lineal
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Sondas ultrasónicas / lineal
5/10 MHz, uso
vascular y
superficial
5/10 MHz, guía
en procesos de
acceso vascular
5/10 MHz,
análisis venoso
5/10 MHz, uso
obstétrico y
urológico
5/10 MHz, uso
intraoperativo,
vascular y
superficial
5/10 MHz, uso
pequeñas
partes, nervios,
pecho,
músculos
esqueléticos
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Sondas ultrasónicas / convex (convex array)
Para mejorar la calidad de las imágenes obtenidas, principalmente
en algunas aplicaciones específicas como las abdominales, se
desarrolló la sonda convex o convexa.
Su desarrollo comenzó alrededor de finales de la década de 1970
por companías como Hitachi, Toshiba y Aloka, y se introdujo
comercialmente a principios de 1984
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Sondas ultrasónicas /convex
Aviso publicitario
original
explicando las
ventajas de la
sonda convex
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Sondas ultrasónicas /convex
El barrido del
haz se emite
en un plano
convexo
Los cristales
se ubican en
un abanico
La imagen obtenida es,
consecuentemente
trapezoidal
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Sondas ultrasónicas /convex
Es la sonda mas adecuada para imágenes abdominales
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Unidad central de procesamiento (CPU)
La señal detectada por la sonda, debe ser procesada para la
obtención de imágenes. Luego veremos que existen distintos tipos
de funcionamiento, de los cuales se obtienen diferentes imágenes.
Este proceso es efectuado por la CPU. En ella se interpretan y
codifican electrónicamente las informaciones provenientes de las
diferentes interfases e impedancias acústicas atravesadas por el
recorrido del haz ultrasónico.
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Unidad central de procesamiento
La complejidad de este componente, la capacidad de tratamiento de
las imágenes y por lo tanto su calidad y precisión, se han
incrementado permanentemente desde los inicios de la ecografía.
Inicialmente con una muy baja capacidad de procesamiento,
se lograban imágenes biestables, como en un osciloscopio.
En los ecógrafos actuales, el procesador tiene una potencia
equivalente a 40 Pentium, y es capaz de ejecutar de 20 a 30
billones de operaciones por segundo.
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Unidad central de procesamiento
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Calidad de la imagen
Abdomen materno, placenta,
imagen biestable, finales de
los 60’
ídem, imagen con tonos de
gris, finales de los 70’
(equipo: Nuclear Enterprise)
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Calidad de la imagen
ídem, imagen con tonos de
gris, finales de los 70’
(equipo: Octoson)
ídem, imagen con tonos de
gris, principios de los 80’
(equipo: Picker)
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Diagrama general funcional
Para tener idea de la complejidad de la estructura necesaria,
se representa un equipo comercial de tecnología actual, el
ESAOTE 7230.
Si bien el diseño tendrá diferencias según las marcas y
modelos, la unidad puede representarse esencialmente con los
siguientes bloques.
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Diagrama general funcional
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Modos de funcionamiento
Un ecógrafo puede operar en distintos modos, a saber:
Modo A (amplitud)
La intensidad de cada eco se aprecia
por la amplitud del tipo de medición
eléctrica medida en dB.
La posición de los ecos en relación a la
sonda se mide en cm, y el análisis se
realiza a lo largo del eje de
propagación del haz.
Este método se usa siempre como
primer paso antes de el modo TM o B.
Permite una identificación rápida en
los tejidos de las estructuras líquidas,
normales o patológicas.
Se utilizó en los comienzos de la
ecografía, actualmente desplazado
por otros de mayor pertinencia.
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Modos de funcionamiento
Modo M (movimiento)
Las informaciones obtenidas por el modo A
se estudian en función del tiempo
mediante
un
barrido
horizontal
permanente de la pantalla de video.
Las estructuras móviles se representan por
curvas y las estructuras inmóviles por
rectas.
Este método constituye el modo de
exploración más utilizado en cardiología.
Es muy útil para detectar la actividad
cardíaca y los movimientos del feto en
ecocardiografía obstétrica
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Modos de funcionamiento
Modo M
Movimiento de
la pared
cardíaca
Dilatación del
ventrículo
izquierdo
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Modos de funcionamiento
Modo
B
(brillantez
o
ecotomografía estática)
Las informaciones obtenidas del
barrido
manual
representan
cortes planos compuestos de
puntos o ecos de intensidad
variable representados por tonos
de gris.
El grosor del corte depende de la
anchura del haz utilizado por el
transductor.
Constituye el examen básico en
ecografía abdominal y obstétrica,
por la anchura del campo de
exploración y la calidad de las
imágenes obtenidas.
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Modos de funcionamiento
Modo B
Imagen
fetal
Vesícula biliar
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Modos de funcionamiento
Modo D (dinámico), o realtime scanning
El barrido del haz es realizado
automáticamente
por
el
equipo,
electrónico
o
mecánico.
La información obtenida es
permanente,
caracterizada
por una gran cantidad de
imágenes B. Se trata de una
información en tiempo real.
Se usa para la exploración de
las
estructuras
móviles,
particularmente
en
cardiología,
obstetricia
y
pediatría
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Modos de funcionamiento
Este modo ha podido lograrse sólo a partir del desarrollo
acelerado de las técnicas de tratamiento de las imágenes y la
velocidad de los procesadores, con la aparición de los primeros
microprocesadores en los principios de los años 70’.
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Modos de funcionamiento
Doppler
En este modo, se estudia el
movimiento de la sangre en las
arterias,
para
determinar
velocidad,
descubriendo
posibles
alteraciones
u
obstrucciones.
La representación es en un eje
X en función del tiempo, y un
eje Y con valores que indican
las velocidades y dirección de
la circulación sanguínea.
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Modos de funcionamiento
Doppler color
Puede ser similar al anterior o
en modo B, se codifican los
datos obtenidos en una escala
de colores que representan
direcciones e intensidades de la
circulaciones. Es mucho mas
rico en detalles y de gran valor
en diagnóstico..
B Doppler,
arterias
renales
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Modos de funcionamiento
Doppler
vascular
B Doppler,
corazón
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Modos de funcionamiento
Modo 3-D: con las grandes posibilidades de tratamiento de
imágenes de los nuevos microprocesadores sumados al desarrollo
de sondas con gran número de elementos dispuestos en forma de
matriz, ha sido posible lograr imágenes en tres dimensiones, es
decir, con volúmen
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Modos de funcionamiento
Modo 3-D en tiempo real: lo que fue soñado por los primeros
técnicos y científicos al comienzo de la ecografía, está siendo
logrado actualmente, poder registrar por ejemplo los movimientos
del feto en el seno materno.
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Bibliografía
www.History of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology.htm
Electromedicina, Carlos del Aguila, Ed. H.A.S.A.
Ecografía abdominal, Pedro Groppa, Ed. El Ateneo
Guía práctica de ecografía abdominal, J. Taboury, Ed. Masson
Apunte preparado por la cátedra, 1999
www.UMI Ultrasound, the leading source for new and pre-owned
ultrasound equipment.htm
www.medison.com
www.ekhoson.com.ar
http://images.google.com.ar/
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