Descripción de los fundamentos físicos del ultrasonido y su aplicación a la medicina como herramienta diagnóstica y terapéutica.

1. Ignacio Flores J.
Sebastián Gálvez E.
Ignacio Rojas V.

2.  Onda mecánica y longitudinal.
 Ciclo de una onda de
ultrasonido: zona de compresión
y zona de rarefacción.
 Longitud de onda: distancia
entre dos compresiones o
rarefacciones.
 Amplitud de onda:

3.  Frecuencia de onda: número de ciclos por unidad
de tiempo (Hz)
 Velocidad de onda: producto de la frecuencia y la
longitud de onda c=vλ.
La velocidad del ultrasonido es de
aproximadamente unos 1.540 m/sec en la
mayoría de los tejidos blandos.
 El Ultrasonido comprende el rango de los 20 kHz
a 1.000 kHz (1 MHz), siendo el ultrasonido útil
para diagnóstico clínico aún mayor, de 1 a 20
MHz, aproximadamente.

4.  Interferencia:
Dos ondas que se encuentran e interactúan en
su recorrido.
 Interferencia Constructiva
 Interferencia Destructiva

5.  Cuando una onda de ultrasonido se va
propagando por un medio, va transportando
energía a través de este medio.
 Potencia acústica: tasa de energía transportada en
una determinada unidad de tiempo. Watt
(Joule/seg)
 El ultrasonido utilizado en diagnóstico clínico es
producido en haces que son usualmente
enfocados a un área pequeña, los que son
descritos en términos de potencia por unidad de
área…

6.  Intensidad: Potencia por unidad de área
Watt/cm2
 Generalmente, la intensidad es descrita en
relación a una intensidad de referencia.

7.  Escala de decibeles
Escala logarítmica que posee un intervalo de
varias órdenes de magnitud, utilizada para para
medir y registrar todos los cambios producidos
entre onda incidente y devuelta.
 dB = 10log I/I0

8.  En ultrasonido no hay referencias estándar
y/o universales de intensidad.
 Se debe ser cuidadoso con las expresiones
utilizadas, siendo la señal transmitida una
referencia de intensidad para la aplicación
particular.

9.  Se puede utilizar también la potencia para
calcular la Intensidad.
dB = 10 log (Potencia/Potencia0)
 Por su parte, la intensidad de las ondas de
ultrasonido está relacionada a la máxima
presión en el medio
I = Pm2 / 2ρc

10.  Ahora, sustituyendo ecuaciones, tenemos:
dB = 10log I/I0
-> dB = 10 log (Pm2/2ρc)/(Pm20/2 ρc) =
10 log (Pm/Pm0)2 = 20 log (Pm/Pm0)
 O sea, no necesitamos convertir la presión a
intensidad para determinar el valor de
decibeles.

12. • Propiedades extrínsecas
 Densidad del medio atravesado.
 Compresibilidad del medio.

14.  Cada vez que un haz de ultrasonido (US)
atraviesa algún tipo de medio material, cierta
energía de este haz es removida a través de
diversos procesos, entre los que encontramos:
absorción, reflexión, refracción y dispersión
entre otros

15.  En los ultrasonidos la atenuación que se
produce tiene un comportamiento del tipo
exponencial y tras esto es posible establecer
el coeficiente de atenuación compuesto por
las unidades de medición decibel/centímetro
(dB/cm) y que varía con las propiedades del
medio y con la frecuencia del ultrasonido.

16. La energía perteneciente al ultrasonido y
que interacciona con el material es atenuada
de forma exponencial de acuerdo a la
profundidad de penetración que esta
alcanza, tal como se estipula en la gráfica.

17.  Si hacemos referencia a las propiedades
del medio según el tamaño del obstáculo
material con el cual interaccionará el haz
de US, podemos decir que se establece
una relación entre el tamaño del
obstáculo y la longitud de onda del haz

18. 1) Si el tamaño del obstáculo es comparable o más
pequeño que la longitud de onda del ultrasonido, el
obstáculo dispersará la energía en varias direcciones.
2) Si el tamaño del obstáculo es grande comparado con
la longitud de onda de sonido, el haz de US conserva su
integridad pudiendo cambiar su dirección de
propagación.

19.  La atenuación en el caso del cuerpo humano y
donde mayormente centramos el uso del
ultrasonido, depende de las características del
medio. Los tejidos con mayor contenido en
proteínas estructurales (cartílago, tendones,
cápsula articular, ligamentos extracapsulares,
músculos, etc.) absorben mayor cuantía de
energía ultrasónica, aunque el tejido óseo los
supera ampliamente.

21.  La funcionalidad del ultrasonido se encuentra
en la reflexión de diferentes haces de US que
representan en cada caso diversas diferencias
de interface entre dos materiales de distinto
tipo; en el caso de una aplicación diagnóstica
esta diferenciación de materiales haría
referencia a una diferencia entre los diversos
tejidos de un paciente.

22.  La fracción de energía reflejada desde una
interfaz depende de la diferencia de
impedancia acústica (Z) de los medios
materiales ubicados en los lados opuestos de
la interfaz.
Z=ρc

23.  Obteniendo los valores de impedancia a
través de la formula anterior podemos
calcular los dos coeficientes que permiten
explicar de forma proporcional la cantidad de
energía reflejada y la cantidad de energía que
es transmitida al medio material con el cual se
produce una interface:

24. αR + αT = 1.

25.  Normalmente se piensa que el haz de US
impacta la interfaz de reflexión siguiendo un
ángulo recto, pero en el caso del cuerpo
humano el haz incide sobre las diversas
interfaces en todos los ángulos que se
generen; pero sí se establece de forma certera
que para cualquier ángulo de incidencia,
el ángulo en el que se refleja la energía de
ultrasonido deja la interfaz con un valor igual
al ángulo incidente

26.  En un diagnóstico médico
típico que utilice un haz de
ultrasonido reflejado y un
transductor que transmite
y detecta este ultrasonido,
es muy poca la energía
reflejada que es detectada
si el ultrasonido impacta la
interface en un ángulo
mayor a tres grados desde
una dirección
perpendicular a esta
interface

27.  Cuando un haz de US atraviesa una interface
oblicuamente entre dos medios materiales, su
dirección varía, es decir, el haz se dobla con lo
cual es posible que su velocidad varíe también.
Si la velocidad del US es mayor en el segundo
medio, el haz ingresa a este medio con un
ángulo más inclinado, disminuyendo su
pendiente con respecto al eje vertical. Este
comportamiento que adopta el US al
transmitirse de forma oblicua a través de una
interfaz se denomina refracción.

29.  La relación entre el ángulo de incidencia y el
ángulo de refracción es descrita a través de la
Ley de Snell
 Se establece la relación entre el seno del ángulo
de incidencia y el seno del ángulo de refracción
es igual a la razón entre la velocidad de la onda
en el primer medio y la velocidad de la onda en
el segundo medio

30.  La refracción es la principal causa de
artefactos en las imágenes a través de
ultrasonido en el ámbito clínico.

31.  Los procesos de relajación (compresión y
rarefacción) son los principales mecanismos
de disipación de energía para un haz de
ultrasonidos que ingresa de forma transversal
a un tejido. Estos procesos implican la
eliminación de energía perteneciente al haz de
US y a la disipación final de esta energía
principalmente como calor.

33.  Si la energía cinética de las moléculas en esta
posición es igual a la energía absorbida
originalmente del haz de ultrasonido, entonces
podemos decir que no se ha producido
absorción de energía, y el medio corresponde
a un transmisor ideal de ultrasonido.

34. Dos posibles efectos:
 Efectos Térmicos
 Efectos no Térmicos

35. Efecto piezoeléctrico

36. Efecto piezoeléctrico
-------------------------
+++++++++++++++

37. Efecto piezoeléctrico
 Coeficiente de acoplamiento electromecánico.

38.  Estructura y componentes básicos.
 Frecuencia resonante.
 Frecuencia de respuesta.

40. Y matematicamente..

41.  Ciclos alternados
 Emision de ultrasonidos
 Recepcion de ultrasonidos

42. Esquema animado…

43.  Frentes de onda: Líneas perpendiculares a la
dirección de la onda, que representan su
movimiento en el medio.
 Los tipos de fuente anteriormente descritas no
son utilizadas en diagnóstico por ultrasonido; en
su lugar, son usadas fuentes de dimensiones
finitas.

44.  La región cercana a la fuente donde las
interferencias son aparentemente mayores es
denominada como la zona de Fresnel.
Dfresnel = r2 / λ
 Más allá de la zona de Fresnel, algo de la
energía escapa por la periferia del haz,
produciendo una divergencia gradual del haz
de ultrasonido; la zona de Fraunhofer.
sin θ = 0,6 (λ / r)

46.  Los haces preferidos son los que presentan
pequeña dispersión lateral de energía, por
ende, es deseado un alto valor en la
proporción entre el radio del transductor y la
longitud de onda (r / λ).

47.  Los patrones de transmisión y recepción
en un transductor de ultrasonido se ven
afectados
por ligeras variaciones en la construcción
y la forma de estimulación eléctrica del
mismo.
 Perfiles de respuesta pulso-eco.
Amplitud de la señal inducida en el
transductor por el ultrasonido reflejado
es registrada como una función de la
distancia entre el eje central del haz de
ultrasonido y el reflector.
 Contornos de iso-eco
Cada contorno muestra la ubicación de la
intensidad de eco equivalente para el haz
de ultrasonido.

48.  Lóbulos laterales:
Pequeños haces de
menor intensidad que
son emitidos con
angulación respecto al
haz primario, causados
por el modo de
vibración del
transductor en el plano
transversal.
- Producción de
artefactos.

49.  Producen un haces que se van estrechando a medida
que éstos se alejan de su fuente de emisión.
 Debido a la gran intensidad producida, una señal
mucho más grande será inducida de vuelta en el
transductor desde el reflector posicionado en la zona
focal.

50.  Un haz de ultrasonido
puede ser focalizado
mediante espejos y
lentes, los que son
capaces de
incrementar la
intensidad de un haz
en factores incluso
mayores a 100.

51. Transductores de Onda Continua Doppler
 Transmiten haces y reciben los ecos
separadamente, debido a una ligera
angulación.
 Se utilizan pequeñas cantidades de material de
amortiguación