Principios fisicos del ultrasonido

Principios físicos del ultrasonido

El método diagnóstico de la ultrasonografía está basado en la producción de ondas que se transmiten en el cuerpo humano para poder formar imágenes según la velocidad de estas ondas y según su reflexión en las diferentes interfaces constituidas por los tejidos del cuerpo humano.

¿Qué es el ultrasonido? Una serie de ondas mecánicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibración de un cuerpo elástico (cristal piezoeléctrico) y propagadas por un medio material (tejidos corporales) cuya frecuencia supera la del sonido audible por el humano: 20.000 ciclos / segundo o 20 kilohercios (20 KHz).

Escalas de sonidos.

Por esta razón es importante analizar el movimiento ondulatorio que constituye la piedra angular de la ultrasonografía. Una onda puede considerarse una perturbación que se propaga en un medio desde un punto a otro sin que en dicho medio, en conjunto, exista algún desplazamiento.Debe mencionarse que las ondas mecánicas, a las que corresponde el ultrasonido pueden tener dos grandes clasificaciones.

Las ondas transversales son una onda en la que cierta magnitud vectorial presenta oscilaciones. Para el caso de una onda mecánica de desplazamiento, el concepto es ligeramente sencillo, la onda es transversal cuando las vibraciones de las partículas afectadas por la onda son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Una onda longitudinal es aquella en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda.

Características de una onda

λ= longitud de onda (es la distancia entre una cresta y la siguiente, o entre un valle y el siguiente).

c= velocidad de la luz

f= frecuencia (indica el número de vibraciones u oscilaciones producidas en la unidad de tiempo).

V= velocidad de propagación de la onda (v=λ*f).

φ= fase

ω=2πf

Al considerar las características mencionadas es posible construir una función de onda la cual será la base para el estudio en la ultrasonografía

\begin{equation} y(x,t)=ASen(kx-ωt+φ) \end{equation}

En la ultrasonografía se trata de ondas mecánicas longitudinales que se desplazan en el mismo sentido de la dirección del movimiento.

La velocidad del sonido es simplemente la distancia que recorre por segundo. En el caso de la ultrasonografía ya se ha mencionado con anterioridad que la velocidad promedio es de 1540 $m/seg$. Si nosotros quisiéramos analizar la fórmula en el caso del ultrasonido, considerando que la velocidad promedio es de 1540 $m/seg$, es decir 154000 $cm/seg$ la longitud de onda de un transductor de 1.0 MHz será de 0.154 $cm$ ó 1.54 $mm$.

Características el ultrasonido (frecuencia)

Por definición el ultrasonido está representado por ondas mecánicas longitudinales con una frecuencia mayor de 20 000 ciclos por segundo, la frecuencia en que funcionan los transductores en ultrasonido diagnóstico es usualmente de 2 a 5 $MHz$ (de dos a cinco millones de ciclos por segundo), aunque existen transductores desde 1 $MHz$ hasta 20 $MHz$, cada ciclo por segundo es llamado hertz o hertzio y un millón de ciclos por segundo representan un megahertz ( MHz). El sonido audible está representado por ondas mecánicas longitudinales con frecuencias de veinte a veinte mil ciclos por segundo.

Si hablamos de la ultrasonografía diagnóstica estaremos considerando el movimiento ondulatorio a velocidades del orden de 1 540 $m/seg$, con frecuencias del orden de 2 a 5 millones de ciclos por segundo (MHz) y longitudes de onda de 1 $mm$ aproximadamente, las ondas sonoras son el ejemplo característico de las ondas longitudinales. Las ondas de sonido pueden viajar a través de cualquier medio material como gases, sólidos o líquidos y con una velocidad que depende de las propiedades del medio en cuestión. Existen tres tipos de ondas mecánicas longitudinales a los que corresponden diferentes frecuencias.

Las ondas audibles la de una onda de presión con frecuencia entre 20 $Hz$ y 20.000 $Hz$, y con una intensidad por encima del umbral de audición estándar así mismo la velocidad del sonido es 344 $m/s$, las ondas de sonido audible, tienen longitudes de onda desde 0.0172 $mm$, a 17.2 metros.

Las ondas infrasónicas son ondas longitudinales cuya frecuencia está por debajo del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20 $Hz$).

Las ondas ultrasónicas son una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20.000 $Hz$), es decir, más allá de las frecuencias audibles.

En resumen:

1. Número de ciclos o de cambios de presión que ocurren en una unidad de tiempo.
2. Se cuantifica en ciclos por segundo o Hertz (Hertz = 1 ciclo/segundo).
3. Es determinada por la fuente emisora del sonido y por el medio a través del cual está viajando.
4. Las frecuencias que se utilizan en medicina para fines de diagnóstico clínico están comprendidas entre 2-30 MHz

Adelantaremos que la ultrasonografía diagnóstica produce ondas mecánicas longitudinales formadas por un movimiento vibratorio de los cristales que componen al transductor. Ya se ha mencionado con anterioridad que la velocidad del sonido depende del medio en que se transmite. El medio de transmisión está representado por partículas, ya sea átomos o moléculas, con la propiedad de comprimirse y descomprimirse bajo el efecto de las ondas mecánicas, tales como las ondas de ultrasonido. Las ondas mecánicas longitudinales se propagan en el medio transmisor en forma de movimientos de vaivén produciendo zonas de compresión y rarefacción.

En el aspecto de la interacción con los tejidos es cuando la energía acústica interactúa con los tejidos corporales, las moléculas tisulares (tejidos del organismo) son estimuladas y la energía se transmite de una molécula a otra adyacente en la misma dirección así pues estas ondas sonoras corresponden básicamente a la rarefacción y compresión periódica del medio en el cual se desplazan.

De esta manera podemos tener una ecogenicidad (propiedad de generar la reflexión de las ondas ultrasónicas), es decir, una densidad ultrasonográfica homogénea desde la superficie hasta la profundidad de los tejidos estudiados.

Compresión y refracción.

También hemos visto que cuando existe alguna entidad patológica que altera la atenuación predecida de antemano, la compensación aplicada a los ecos va a ser errónea y se pueden generar un procedimiento como el reforzamiento posterior que eventualmente puede ser útil en los procesos diagnósticos.

Cuando una onda de US atraviesa un tejido suceden una serie de hechos; entre ellos, la reflexión o rebote de los haces ultrasónicos hacia el transductor, que es llamado $eco$, a su vez si una reflexión ocurre en el límite o interfase entre dos materiales y provee evidencia de que un material es diferente a otro, esta propiedad es conocida como: impedancia acústica definida por $Z$ y además si hay dicho contacto entre dos materiales con diferente impedancia acústica esto dará lugar a una interfase entre ellos.

\begin{equation} Z=v \cdot d \end{equation}

impedancia acústica.

Impedancia acústica y Ángulo de incidencia

Cuando dos materiales tienen la misma impedancia no se producen ecos pero existen diferencias entre las mismas de las cuales podemos encontrar. La atenuación se ocasiona por condiciones diversas tales como la absorción, reflexión, dispersión y refracción del sonido.

1. Pequeña (se producirá un eco débil)
2. Amplia (se producirá un eco fuerte)
3. Muy grande (se reflejará todo el haz de ultrasonido)

La intensidad con la que un haz de ultrasonido se refleja dependerá también del ángulo de incidencia o insonación dicha reflexión será máxima cuando la onda sonora incide de forma perpendicular a la interfase entre dos tejidos (a), además si el haz ultrasónico se aleja sólo unos cuantos grados de la perpendicular, el sonido reflejado no regresará al centro de la fuente emisora y será tan sólo detectado parcialmente, o bien, no será detectado por la fuente receptora (b).

Ángulos incidentes variantes.

Atenuación y Transductores

Mientras las ondas ultrasónicas se propagan a través de las diferentes interfases dentro del tejido, la energía ultrasónica pierde potencia y su intensidad disminuye progresivamente a medida que inciden estructuras más profunda y se caracterizan principalmente en dos ramas

1. Absorción (transformación de la energía mecánica en calor)
2. Dispersión (desviación dela dirección de propagación de la energía)

Dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otra de diferente a la salida. La energía ultrasónica se genera en el transductor que contiene a los cristales piezoeléctricos los cuales poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en sonido y viceversa, de tal manera que el transductor actúa como emisor y receptor de ultrasonidos que describen su funcionalidad.

1. Efecto transversal (Se aplica una fuerza a lo largo del eje neutro Y, los cambios son generados a los largo del eje X, es decir perpendicular a la línea de fuerza. La cantidad de carga, depende de las dimensiones geométricas del elemento piezoeléctrico). \begin{equation} Cx=\frac{dxyFyb}{a} \end{equation}
2. Efecto longitudinal (La cantidad de carga producida es directamente proporcional a la fuerza aplicada y es independiente del tamaño y la forma del elemento piezoeléctrico). \begin{equation} Cy=dxxFxn \end{equation} Donde $dxx$ es el coeficiente piezoeléctrico para una carga en dirección X, carga liberada por fuerzas aplicadas a lo largo del eje X. $Fx$ es la carga proporcionada en dirección X [N] y $n$ corresponde al número de elementos en el circuito. Donde $a$ es la dimensión alineada con el eje Y, $b$ está alineada con el eje que genera la carga y $d$ es el correspondiente coeficiente piezoeléctrico