Ultrasonido – Electromedicina

Resumen

El Ultrasonido, visto de forma sencilla se entiende como una señal de audio que no puede ser captada por el oído humano, sirviendo como ensayo no destructivo de los materiales, se aplica para conocer el interior de un material y sus componentes al procesar la trayectoria de la propagación de las ondas en el interior un objeto dependiendo de las discontinuidades del material examinado, lo que permite evaluar aquella discontinuidad acerca de su forma, tamaño, orientación, ya que estos oponen resistencia conocida como impedancia acústica. Al conocer la propagación de las ondas sonoras, se determina su velocidad con ello las propiedades de los objetos. 

Palabras Claves— Electromedicina, ultrasonido, propagación, onda, velocidad, audio.

Abstract

Ultrasound, seen easily understood as an audio signal cannot be grasped by the human ear, serving as non-destructive testing of materials, is applied to see the inside of a material and its components to process the path wave propagation inside an object depending on the examined material discontinuities, which allows to evaluate this discontinuity on the shape, size, orientation, since they resist known as acoustic impedance. Knowing the propagation of sound waves, their speed is determined by the properties of this object.

Introducción

El ultrasonido es una onda acústica que se transmite a través de un medio físico cuya frecuencia está por encima del límite perceptible por el oído humano (aproximadamente 20KHz). Las frecuencias utilizadas en la práctica pueden llegar, incluso, a los gigahertzios.

En cuanto a las longitudes de onda, éstas son del orden de centímetros para frecuencias bajas y del orden de micras para altas frecuencias. Estas ondas sonoras son vibraciones mecánicas de la materia que se transmiten en forma de ondas de presión. Los ultrasonidos se propagan en forma de ondas longitudinales cuya dirección de propagación coincide con la de vibración.

Este tipo de ondas sonoras son inaudibles por los seres humanos pero no por otras especies animales. De hecho, especies como los murciélagos pueden emitir ultrasonidos que usan a modo de radar para orientarse exactamente lo mismo ocurre con los delfines y otros cetáceos.

El uso de los ultrasonidos es enorme y su campo de utilización muy amplio, tanto en el ámbito industrial (medición de distancias, caracterización interna de materiales, guiado, sondeo, tratamiento de productos alimenticios, esterilización de instrumentos…), como en medicina (diagnóstico y tratamiento).

historia

En la Edad Media aparecen aplicaciones de los ultrasonidos cuando se utilizaba el campo de resonancia de un cristal, puesto en vibración, para el tratamiento de algunas afecciones neurológicas.

Hacia finales del siglo XVIII, los biólogos pudieron comprobar con estupor que el murciélago era capaz de orientarse y volar en una habitación oscura y con los ojos tapados. Más tarde advirtieron que era posible gracias a unos gritos ultrasónicos que emiten, recibiendo los ecos por su aparato auditivo. Se ha comprobado que algunos cetáceos utilizan el mismo sistema para orientarse y localizar sus presas.

En 1847: efecto de magneto-constricción-JOULE.

En 1880: los Pierre y Jacques Curie, descubrieron que al someter un cristal de cuarzo a compresiones o tracciones mecánicas, se producía un campo eléctrico en su superficie, y que este efecto era reversible. Naturalmente, si se administraban cargas eléctricas alternas al cristal, éste vibra transformando una alta frecuencia eléctrica en una vibración mecánica de la misma frecuencia.

El hundimiento del Titanic en 1912 y la Primera Guerra Mundial aceleraron el nacimiento del sonar.

Éste es el origen de la utilización diagnóstica de los ultrasonidos o ecografía.

En 1927: Wood y Lois inician una serie de investigaciones sobre los efectos biológicos y la utilización terapéutica de los ultrasonidos.

En 1939: a partir de los trabajos de Pohlman, comienza a generalizarse su utilización con fines esencialmente antiinflamatorios y analgésicos.

En 1949: se realiza el primer Congreso Internacional de Ultrasonidos. Erlangen-Alemania.

Propiedades de las ondas ultrasónicas

Frecuencia

Es el número de oscilaciones (vibración o ciclo) de una partícula por unidad de tiempo (segundo). La frecuencia se mide en Hertzios (Hz). Un hertzio es una oscilación (ciclo) por segundo. Como los ultrasonidos son ondas de alta frecuencia, se utiliza como medida básica el Megahertzio (MHz).

Longitud de onda

Es la distancia que existe entre dos puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración. Se expresa en mm.

Amplitud

Es el máximo cambio producido en la presión de la onda, es decir la distancia máxima que alcanza la partícula vibratoria desde su posición inicial de reposo. La amplitud se relaciona con la intensidad. Su unidad de medida son los decibeles (dB)

Durante la transmisión de las ondas, por efecto de su interacción con el medio, disminuye la intensidad de la onda en función de la distancia recorrida y como consecuencia se produce una disminución de su amplitud.

Periodo

Es el tiempo de una oscilación completa, es decir lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de onda.

Periodo

Es el tiempo de una oscilación completa, es decir lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de onda. Se mide en segundos.

Intensidad

Es la energía que pasa por segundo a través de una superficie de área unidad colocada perpendicularmente a la dirección de propagación del movimiento. La intensidad disminuye con la distancia.

• A. Velocidad de transmisión

Velocidad de transmisión: depende de la densidad y de la elasticidad de medio por el que se transmite el ultrasonido. Esta velocidad es fundamental, pues no sólo es uno de los factores que intervienen en la producción del eco, sino que además es la base para calcular la impedancia acústica, que a su vez, es la clave para la absorción.

Algunos ejemplos:

Aire 331m-seg.

Grasa 1450 m-seg.

Agua m-seg.

Tej. Blandos 1540 m-seg.

Músculos 1585 m-seg.

Hueso 4080 m-seg.

Impedancia acústica (Z)

Es una característica del medio que atraviesa el ultrasonido. Relaciona la velocidad que la partícula adquiere en el momento de su vibración y la presión a la que está sometida. Da idea de la facilidad que un determinado medio ofrece al paso de ultrasonidos a su través.

• B. Efecto piezoeléctrico

La generación de ondas ultrasónicas se basa fundamentalmente en este efecto que poseen ciertos cristales tales como el cuarzo, la turmalina y el topacio. Dicho fenómeno consiste en la aparición de cargas eléctricas en las caras de determinados cristales cuando se ejerce sobre ellos una presión o tracción mecánica. Estos cristales se caracterizan por tener ciertos ejes fundamentales: óptico, eléctrico y mecánico, careciendo todos ellos de centro de simetría.

Existe una relación directa entre el esfuerzo mecánico ejercido y la carga aparecida, apareciendo un valor máximo cuando el cristal es cortado perpendicularmente al eje polar. Los esfuerzos mecánicos que se aplican sobre el cristal pueden ser de tracción o de compresión; la diferencia entre los efectos de ambos está en el signo de la carga aparecida únicamente.

También se da el fenómeno inverso, es decir, si sometemos a estos materiales a una cierta ensión eléctrica se inducirá una tensión mecánica o vibración, es esta vibración la que produce las ondas ultrasónicas.

Generación de ultrasonidos

La idea básica para generar ultrasonidos es bastante simple. Los generadores o transductores son unos aparatos que constan de un elemento primario o transformador (material piezoeléctrico en general), que está en contacto con el medio y que transforma una señal eléctrica, magnética o mecánica en una onda ultrasónica. La señal "fácil" de generar (eléctrica, magnética, mecánica), es proporcionada por el elemento secundario.

Las ondas producidas, como hemos dicho, hacen vibrar el medio. Los generadores se diseñarán con el objetivo de radiar la mayor cantidad de potencia acústica posible por tanto se usará la frecuencia de resonancia del material.

La producción de las ondas ultrasónicas se realiza por los ciclos sucesivos de contracción –expansión que sufren estos materiales cuando se les aplica un campo eléctrico. Del mismo modo, cuando se comprimen y expanden se generan cargas eléctricas que permiten la detección de las ondas ultrasónicas.

Un transductor piezoeléctrico también puede usarse como detector, ya que las vibraciones detectadas por el cristal inducen caras alternativas sobre los electrodos, las cuales dependerán de la frecuencia de las vibraciones. Esto nos permite utilizar un mismo transductor como emisor y como receptor.

Absorción, reflexión y refracción de los ultrasonidos

Al incidir la onda sobre la separación de dos medios, la energía que porta se divide en dos.

Cuando el haz de ultrasonidos en su propagación se encuentra con una interface (límite o zona de contacto entre dos medios) cuya impedancia acústica es diferente parte del haz atravesará la interface sufriendo una refracción y parte se reflejará formando el ECO (reflexión) es decir una parte se transmite al segundo medio cambiando de dirección, y el resto se ve reflejado sobre la superficie de separación. El mecanismo es similar al que sufre una onda luminosa y es la base de la aplicación de los ultrasonidos en el diagnóstico en Medicina.

La primera aplicación con fines prácticos de este fenómeno con ultrasonidos fue el sonar que se desarrolló enormemente en la segunda guerra mundial para la detección de submarinos.

Por otro lado, parte de la energía en forma de ondas ultrasónicas se transforma en calor (fundamentalmente debido a las fuerzas de fricción). La absorción es directamente proporcional a la frecuencia utilizada.

La mayoría de la energía absorbida es convertida en calor y este proceso es la base de la diatermia ultrasónica, un uso terapéutico en los ultrasonidos.

Aplicación de los ultrasonidos en medicina

Si bien se conocía la existencia de este fenómeno desde finales del siglo XIX, no fue hasta aproximadamente unos 50 años cuando se empezó a investigar y utilizar con fines biomédicos. El uso de los ultrasonidos en medicina es muy amplio y satisfactorio y se divide en dos áreas: la terapia y el diagnostico. La técnica más conocida, sin ninguna duda, es la ecografía, pero existen otras muchas como la litotricia, desinfección de herramientas, técnicas fisioterapéuticas etc.. Algunas de sus ventajas son:

• Mínimamente invasivo.

• Fácil y rápida adquisición.

• Repetitividad y Reproductibilidad.

• No tiene efectos secundarios relevantes.

• Bajo coste.

• Alta innovación tecnológica.

• Muy accesible.

• Prototipos portátiles.

• Imágenes estáticas, e imágenes dinámicas.

Contraindicaciones para el tratamiento con ultrasonido:

• Zonas isquémicas.

• Trastornos de la sensibilidad.

• Inflamaciones agudas.

• Tumores.

• Abdomen en embarazo.

• Globos oculares, cerca de los oídos y cerebro

Conclusiones

El ultrasonido es una técnica que utiliza ondas sonoras para tomar imágenes en diferentes medios. Por otra parte debido a que utiliza ondas sonoras en lugar de radiaciones, el ultrasonido es más seguro que los rayos X. Poco a poco, el ultrasonido se ha convertido en una parte cada vez más importante de la medicina y otras áreas, ya que proporciona información que puede ayudar al médico a planear el seguimiento de un paciente por ejemplo a una mujer embarazada, mejorando así las probabilidades de éxito del embarazo.

Referencias

• [1] C. C. Vera, "El ultrasonido y su aplicación, Scielo Cuba, Artículos científicos, Junio 2005.

http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=81680105

• [2] L. D. Carrillo, "Ultrasonido pulmonar en la unidad de terapia intensiva fundamentos y aplicaciones clínicas", Redalyc, Sistema de Información Científica,Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal.

http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=66211210012

• [3] J. R. Cordova. Cirugía y Cirujanos, Vol. 77, Núm. 4, Mexico, julio-agosto, 2009, pp. 323-32

• [4] C. C. Vera, "Ultrasonido de alta resolución", Rev. chil. radiol. v.10 n.1 Santiago  2004.

www.scielo.cl/pdf/rchradiol/v10n1/art03.pdf

"Documento diseñado para presentar el desarrollo del ultrasonido en la electromedicina"

Autor:

Luis Miguel Bonilla Marchan

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

INGENIERIA ELECTRONICA

13 de Enero 2013