Las imágenes del hígado de un felino, a inicios de
la década de los cincuenta en el siglo pasado, fueron las vistas
ultrasonográficas más primitivas que se tiene mención, y aunque el avance
tecnológico la ha concedido un cómodo lugar como método complementario al
examen clínico dentro de la medicina veterinaria, no ha sido una técnica
plenamente comprendida por los profesionales del área.
Los resultados de los estudios de exploración
ecográfica permiten una gran eficiencia en el diagnóstico y el pronóstico de
una serie de cuadros patológicos, pero el conocimiento de su esencia, queda
apenas reservado al grupo de especialistas que manejan esta técnica.
El objetivo de este artículo es facilitar la
comprensión de los fenómenos asociados al ultrasonido en sus aspectos
aplicados al diagnóstico médico, minimizando al máximo su formulación
físico‑matemática.
Para entender la rápida evolución que esta
tecnología ha tenido, y que seguirá presentado a futuro, es preciso conocer
algunos de sus fundamentos biofísicos que, a su vez, nos permitirá deducir sus
posibilidades y limitaciones en la aplicación rutinaria en medicina
veterinaria.
Base Biofísica
El fundamento de la ecografía reside en la
visualización de las modificaciones de los rayos ultrasónicos al atravesar
medios de diferente densidad e impedancia acústica.
Desarrollaremos cada uno de estos conceptos:
Rayos ultrasónicos. Son ondas sonoras, es decir,
corresponden a una energía que altera la posición de equilibrio de las
partículas de un medio, cambiando transitoriamente la densidad del entorno por
donde la energía se trasmite.
Como toda onda, las sonoras se caracterizan por
3 parámetros:
-
1.‑ Dirección de propagación (o rayo). Los
sonidos se propagan como ondas longitudinales, siguiendo un eje de
propagación. Cada onda corresponde a una sucesión alternadas de fases de
compresión y descompresión que varían en función de la elasticidad del
medio.
-
2.‑ Frecuencia (f). El tiempo que transcurre
entre dos instantes consecutivos en que las condiciones de perturbación del
medio transmisor son iguales, se denomina Período (T). La frecuencia es el
número de períodos en la unidad de tiempo. Se mide en Hertz (símbolo Hz) o
ciclos /segundo. Entonces matemáticamente la frecuencia es el valor inverso
del período (f=1/T).
-
En los equipos ecográficos utilizados en el
diagnóstico médico, los ultrasonidos
-
utilizados van desde las frecuencias de 1 a 10
Megahertz (MHz). Todo sonido superior a 20 kHz, se le denomina ultrasonido.
Esta clasificación aparentemente arbitraria se debe a que el oído humano
puede detectar sonidos hasta de frecuencias de 20 kHz. Recordemos en cambio,
que el oído de un canino puede registrar hasta 50 kHz y un murciélago puede
registrar hasta 100 kHz.
-
3.‑ Longitud de onda (1). Es la distancia entre
dos puntos ubicados en la trayectoria de la onda que presentan igual
vibración (o que vibran en igual fase).
-
En toda onda, su frecuencia y su longitud de
onda son inversamente proporcionales.
-
De esta manera mientras más elevada es la
frecuencia de una onda, necesariamente su longitud de onda es más corta
(pues el producto de ambas es constante para el mismo medio). Si C es la
velocidad de transmisión de una onda ultrasónica en ese medio. Entonces, 1 x
f = C Como se ve, la velocidad de trasmisión de una onda
-
ultrasónica en un medio resulta ser
independiente de la intensidad o cantidad de energía tras‑mitida. En los
tejidos blandos, la velocidad de transmisión del sonido varía, según el tipo
de tejido, entre 1490‑1610 m/s.
Producción de ondas ultrasónicas
Para el ámbito que nos interesa, las ondas
ultrasónicas emitidas por los ecógrafos son producidas por cristales
semiconductores que presentan en forma destacada el llamado efecto piezo‑eléctrico.
Todo cristal semiconductor, sometido a una
presión, cambia la distribución de sus electrones libres, lo que genera una
diferencia de potencial eléctrico. Y a la inversa, si al mismo cristal se le
aplica una diferencia de potencial eléctrico entre sus caras, genera una
deformación estructural del cristal. Este efecto es conocido como efecto piezo‑eléctrico.
La llegada de una presión sonora a uno de estos
cristales causa una diferencia de potencial que puede ser registrado (receptor
o transductor de presión). Del mismo modo, aplicando una diferencia de
potencial a sus caras genera una compresión del aire, lo cual conocemos como
sonido (emisor). Si la diferencia de potencial que se aplica a un cristal es
alterna, se genera una onda sonora de compresión de igual frecuencia. De esta
manera, el mismo cristal puede utilizarse como emisor y receptor de ondas
ultrasónicas. El cristal que reciba ultrasonidos induce una diferencia de
potencial cuya intensidad es proporcional a la cantidad de energía sonora
recibida.
Esa transformación de una energía eléctrica en una
mecánica (y viceversa) se conoce como transducción. Por eso el elemento
emisor‑receptor de las ondas sonoras se conoce como transductor (detector o
sonda). Entonces si tenemos un transductor, y podemos procesar las señales
emitidas y recibidas para que puedan ser presentados en una pantalla,
estaremos ante un ecógrafo.
En un ecógrafo, se permite que el transductor
alterne las fases de emisión (y que dure unos pocos microsegundos), con las de
recepción (de unos pocos milisegundos).
Fig. 2 Frecuencia y periodo
Propagación de ondas ultrasónicas
Las ondas sonoras requieren para su propagación de
un medio que pueda transmitir la energía de una partícula a otra.
La velocidad de transmisión está determinada por
el factor densidad del medio, que le otorga diferente resistencia a la
compresión y por ende, define la velocidad del cambio. Como hemos dicho, para
el mismo medio, la velocidad resulta constante. Entonces, sólo se puede
aumentar la velocidad de propagación en un mismo medio, aumentando la
frecuencia de las ondas sonoras. En la Tabla 1 se registran estos datos
medidos en diferentes medios. Por cierto, los equipos ecográficos se calibran
a la velocidad de propagación de un medio conocido y estandarizado.
La impedancia acústica es entonces, una expresión
de la resistencia o dificultad que ofrece el medio a la propagación de las
ondas ultrasónicas.
En un exámen ecográfico, cuando un ultrasonido
atraviesa de un tejido a otro, que posean diferente impedancia acústica,
entonces se dirá que existe una interfaz entre ambos. En general los límites
de los órganos o de los tejidos de diferente tipo conforman naturalmente
diferentes interfases (también se escribe, interfaces). En una interfaz, parte
de las ondas ultrasónicas produce una reflexión especular generando el eco y
otra parte se transmite o refracta.
Cuando el rayo incidente no se ubica perpendicular
al órgano explorado se observa una distorsión de la imagen real.
En ocasiones es imposible que el transductor
reciba toda la onda reflejada. En otras situaciones, no sólo existe reflexión
o absorción por los "obstáculos", también puede existir desviación o
restitución de ondas previas que llegan de una manera multidireccional difusa.
En los tejidos, la energía ultrasónica emitida por
el transductor se va debili tando, característica conocida come atenuación. La
disipación de la energía de una onda (principalmente en forma de calor o luz)
tiene una caída geométrica y depende del medio (se mide en decibeles símbolo:
db). Para los fines prácticos en este uso médico, la atenuación es del orden
de 1 db/MHz por cada cm de penetración en los tejidos de los mamíferos. Este
orden de magnitud señala la importancia que tiene la frecuencia de emisión de
los ultrasonidos: a mayor frecuencia, mayor es la atenuación y, por tanto, con
menos energía (menor frecuencia) se puede obtener mayor penetración en los
tejidos.
Por eso en la práctica, para obtener una mejor
calidad de imagen es preciso reducir al máximo el fenómeno de atenuación;
eligiendo una frecuencia adecuada, dirigir un rayo estrecho, etc.
Debemos especificar que una buena imagen es
aquella que permite identificar dos puntos separados como diferentes. Esta
característica es conocida como poder separador o de resolución. Según el
punto de vista tiene dos variantes:
a) Resolución axial o longitudinal. Es la
distancia mínima entre dos puntos ubicados en el eje de los rayos emitidos por
el transductor y que el sistema puede discriminar como diferentes y por ende
graficar como distintos.
La resolución axial es una característica que
depende directamente de la frecuencia del rayo.
Resolución transversal o lateral. Es la capacidad
de distinguir como distintos dos puntos situados sobre un eje perpendicular al
eje de los rayos ultrasónicos emitido por el transductor.
Es conocido que el poder de resolución depende de
la relación entre 1 y el ancho del rayo. Así, en la medida que disminuye el
ancho del rayo aumenta la resolución; pero como al disminuir el ancho del rayo
también disminuye la cantidad de energía que se envía, el débil retorno podría
hacer dificultoso determinar la imagen.
Por los principios enunciados, podemos ahora
relacionar de manera sintética los tres conceptos claves de un ecógrafo:
frecuencia de su transductor, poder de penetración y resolución
(longitudinal).
A mayor frecuencia de un ecógrafo, mejor es la
resolución, pero menor será su poder de penetración.
Por ejemplo, exámenes ecográficos que requieran
poca penetración (inferior a 4 cm) se pueden utilizar transductores de 10 MHz
(obteniéndose la mejor resolución). Diferente situación es aquella exploración
que requiera una profundidad de 10 cm, en el cual se recomienda un transductor
de 5 MHz (sacrificando parcialmente su resolución).
Formación de la imagen en el ecógrafo
La transducción de la energía sonora recibida por
el transductor (ecos recibidos desde los órganos internos) es procesada por un
conversor análogodigital que transforma las diferentes intensidades de la
señal en una graduación digitalizada. Con esta forma digitalizada se puede, si
se desea, realizar una serie de operaciones (análisis estadísticos,
modificación de la imagen, histogramas, filtrados, etc.). Finalmente con estos
datos digitalizados, procesados, pulidos y fijados son enviados a un conversor
inverso (o sea, un conversor digital‑análogo) que permite visualizar la señal.
En la mayoría de los ecógrafos la imagen se
visualiza en un tubo de rayos catódicos (tipo TV o monitor de PC), donde la
intensidad del haz de electrones resulta proporcional a la amplitud de los
ecos recibidos. Cada punto de la pantalla es la visualización de un eco, donde
su brillo es proporcional a la energía recibida. El conjunto de esos puntos
entrega una representación estructural del objeto. En nuestro caso el
despliegue en pantalla representa una copia bidimensional del corte anatómico
de la región explorada.
Para generar esa imagen, el microprocesador
calcula la profundidad de los tejidos según el retraso que tienen al regresar
los rayos ultrasónicos luego de la reflexión en alguna interfaz.
Aspectos a considerar en la interpretación de
las imágenes ultrasonográficas.
Los rayos ultrasónicos, al atravesar diferentes
medios biológicos, pueden llegar a conforman una imagen que será dependiente
de la densidad del medio (o mejor de su impedancia acústica):
Medios gaseosos con una cohesión muy débil (aire
en tórax, gases), son difíciles de atravesar. El aire junto con otros medios
crea interfases muy reflectivas. Por esta razón se evita la capa de aire entre
el transductor y la superficie del animal,
utilizando geles que facilitan su contacto. El
coeficiente de absorción total de rayos ultrasónicos en el aire es de 7 db/cm
para una frecuencia de 2 MHz; en cambio, en el agua es solo de 0,009 db/cm
para la misma frecuencia.
Medios líquidos (sangre, orina, exudados, etc).
Facilitan la transmisión de las ondas ultrasonoras.
Medios sólidos con una mediana cohesión molecular.
Causan una importante atenuación de la energía de las ondas ultrasónicas.
Medios sólidos con una cohesión muy fuerte (hueso
o estructuras calcificadas). Permiten una penetración acelerada de las ondas
ultrasónicas, pero como su impedancia acústica es muy elevada, posee una alta
atenuación. La diferencia de impedancia acústica entre una estructura
calcificada y otra de tejidos blandos cualquiera,
genera una interfaz que hace que gran parte de la energía incidente sea
reflejada. Este aspecto se torna más importante cuando se pretende comparar
pacientes de diferente talla y edad.
En una exploración ecográfica, un medio biológico
se puede definir según su nivel sonoro
en: hipoecogénico, anecogénico y hiperecogénico.
Este grado de ecogenicidad, es también calculado por el microprocesador,
midiendo la diferencia de energía que retorna como también registrando los
cambios en la frecuencia recibida con relación al rayo emitido.
De acuerdo con el grado de ecogenicidad y a la
experiencia que se tenga de un determinado ecógrafo, es posible inferir la
densidad y composición de los fluidos existente en las imágenes exploradas.
Nuevos desarrollos.
Adición del efecto Doppler
El desarrollo de software de uso en ecografía ha
permitido interesante avances sobretodo en lo referente a estudios
cardiológicos, pues de su análisis se desprende un alto acercamiento a la
funcionalidad cardiaca.
Por ejemplo, aspectos tan complejos de medir como
son las velocidades de flujo y las presiones asociadas en el sistema
cardiovascular, se han visto simplificadas con la incorporación del efecto
Doppler en los especializados ecógrafos, llamados por tanto, ecocardiógrafos
Doppler.
El efecto Doppler se basa en el ampliamente
conocido cambio de frecuencia que se registra en cualquier onda cuando es
reflejada (o también producida por un emisor) por un componente en movimiento.
En el caso de los ecocardiógrafos, el principal
componente en movimiento a observar es la sangre circulante. Y es su
microprocesador el que calcula en algunos nanosegundos la velocidad de flujo
de la sangre, a partir de la medida de las diferencias entre la frecuencia de
retorno del eco y la frecuencia emitida por el transductor, así como el ángulo
conformado por ambos rayos, asumiendo como constante la velocidad del
ultrasonido en la sangre estática.
Con este dato, el microprocesador puede informar
si el flujo de sangre se mueve acercándose o alejándose del transductor.
En los más recientes ecocardiógrafos dotados de
pantalla a color ("Ecocardiógrafo Doppler Color") se le representa con el
color rojo al flujo laminar' que se acerca al transductor, azul al flujo
laminar que se aleja y de los colores verde al amarillo en los flujos
turbulentos como son los que ocurren en los estrechamientos o bifurcaciones
del sistema cardiovascular.
Con igual facilidad permite el cálculo de las
áreas, presiones y velocidades de flujo en cualquier parte del sistema
cardiovascular, que le sea definido.
Del mismo modo, se han incorporado otras mejoras
tecnológicas que permiten una impresionante composición tridimensional de las
imágenes ultrasonográficas (amplia exposición de imágenes en Internet: http://www.ob‑ultrasound.net/).
Resulta emocionante observar que el desarrollo de
esta tecnología, sobretodo en los últimos años, no se ha debido al desarrollo
reciente de las ciencias, sino a la aplicación de conceptos que fueron
rigurosamente formulados hace más de 150 años.
Bibliografía
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Biofísica. Texto guía. Universidad de Chile. Santiago, 1988.
Lamb, C. Abdominal ultrasonography
in small animals intestinal tract and mesentery, kidneys and adrenal glands,
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Legrand, J y B. Carlier. Bases
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Moretti J. Eleménts de physique
ultrasonore. Echographie. Bull Acad Vet de France 55: 159, 1982.
Penminck, D. y S. Cuvelliez.
Principes physiques et méthodes d'exploration échographique. Ann Méd Vét 129:
381‑391, 1985.(Footnotes)
1 Se llama flujo laminar pues el
líquido de las zonas del centro de un vaso conductor se mueve más rápido que
las cercanas a su pared, asimilándose a láminas concéntricas que se desplazan.
Fuente: MEVEPA
www.mevepa.cl
Autorizada la reproducción por
Gustavo Contreras
