Download Bases Físicas del Ultrasonido y Doppler

Bases Físicas
del
Ultrasonido
y
Doppler
Bases Físicas de Ultrasonido

La ecografía es un método diagnóstico
basado en el eco del ultrasonido en los
diferentes órganos maternos y fetales.
 Nos permite ver y oír.

Método complementario de exploración no
invasivo.

Permite la obtención de imágenes en
tiempo real o en movimiento.
Bases Físicas de Ultrasonido

Sonido:
 Propagación de ondas sonoras mecánicas
longitudinales, audibles o no audibles, a través de
un medio, provocando particularmente cambios de
presión en el medio en que se desplaza.
 Viaja a 331.5m/seg.
○ A nivel del mar (1 ATM), 0°C, 0% humedad.
○ Vs = Vo + βT
Donde:
 Vs = velocidad del sonido.
 Vo = 331.5 m/seg.
 β = 0.666 m/seg.°C.
 T = temperatura en grados centígrados.
Bases Físicas de Ultrasonido

Onda Sonora:
 Longitud:
○ Distancia entre 2
crestas.
 Amplitud:
○ Distancia entre cresta
y valle.
 Frecuencia:
○ Longitud de la onda
por segundo.
 Ciclo/segundo.
 Hertz (Hz).
 Intensidad:
○ Ps máxima que la
misma ejerce sobre el
medio.
 Frecuencia y
Amplitud.
1 KHz = mil ciclos por segundo
Bases Físicas de Ultrasonido

Sonido Audible:
 Corresponde a las ondas sonoras en un
intervalo de frecuencias de 20 a 20,000 Hz.
 Ondas Sonoras Infrasónicas:
○ Frecuencias por debajo del intervalo audible.
 < de 20 Hz.
 Ondas Sonoras Ultrasónicas:
○ Frecuencias por encima del intervalo audible.
 > de 20,000 Hz.
Bases Físicas de Ultrasonido

Onda Sonora:
 Velocidad de Propagación:
○ La velocidad en la cual el sonido puede viajar
a través de un medio y se considera
típicamente a 1540 m/seg. en tejidos
blandos.
 Determinada solamente por las características del
medio, especialmente D e n s i d a d y R i g i d e z .
Bases Físicas de Ultrasonido

Velocidad de Propagación del Sonido:
SUSTANCIA
VELOCIDAD DEL SONIDO (m/s)
AGUA
1497
TEJIDO MUSCULAR
1568
TEJIDO HEPATICO
1570
TEJIDO ADIPOSO
1476
TEJIDO CEREBRAL
1521
HUESO
3360
AIRE
331.5
Bases Físicas de Ultrasonido

Ultrasonido:
 Ondas sonoras de frecuencia superior a la
audible por el oído humano.
○ >20,000 ciclos por segundo, Hz.

El diagnóstico por ultrasonido se basa
en ondas sonoras de frecuencia entre
 2 y 10 MHz.
○ Transductores.
Bases Físicas de Ultrasonido

Transductores.
 Tamaño relacionado
con número de
componentes.
○ Lineal.
○ Convexo.
 Diferentes frecuencias.
○ Transductores de 3-5
MHz.
○ Transductores de 4-10
MHz.
Bases Físicas de Ultrasonido

Efecto Piezo-eléctrico.
 Es la emisión de la onda sónica producida en los cristales
contenidos en el transductor, ordenados en forma lineal,
provocada por la vibración de estos, secundario a la aplicación
de energía eléctrica entre sus caras creando un medio de
propagación/emisión de la onda sonora y cada uno tiene la
capacidad de producir o captar ultrasonido.
Bases Físicas de Ultrasonido

Efecto Piezo-eléctrico.
 Convierte energía eléctrica en mecánica que se
transforma en ultrasonido.
 A > cantidad de “cristales” > calidad de la
imagen.
 El grosor (d) determina la frecuencia.
- 1.8 mm para 1 MHz
- 0.18 mm para 10 mHz.
 Transductor de buena calidad entre 128 a 256 “cristales”.
Bases Físicas de Ultrasonido

Cada cristal tiene determinado
tiempo para vibrar.


Diez millonésimas de segundo.
1-2% se utiliza para emitir
ultrasonido, el resto para captar
los ecos.
○


Delgada envoltura metálica.
Cristales esperan ondas reflejadas
que llegan a diferentes tiempos e
intensidad emitiendo vibraciones
distintas.
Se convierten en energía eléctrica
(voltaje) y enviadas a un
procesador para su análisis.
○
○
○
Proceso a alta velocidad.
Siguiente cristal no empieza a
vibrar hasta que el procesador no
ha completado el periodo
asignado a la recepción de ecos.
Información obtenida por cada
cristal, se producen imágenes
dinámicas en tiempo real.
16-60 cuadros/seg.
Bases Físicas de Ultrasonido

Haz Ultrasónico.
 Resolución:
○ Agudeza y claridad
de una imagen,
siendo la capacidad
de identificar
estructuras pequeñas
con mas detalle o
claridad visual
(nitidez).
 Haz estrecho.
 CP lo mas alargado
posible.
Bases Físicas de Ultrasonido

Angulo de Insonación:
 Área que abarca la
expansión de la onda
sonora.
○ Determina condiciones
y características del
lugar donde se
colocara el transductor
y se realizara la toma
de imágenes.

Zona de Focalización.
 Crea haz US estrecho.
○ A través de lentes.
 Mejora resolución
lateral.
Bases Físicas de Ultrasonido

Interacción del US con los Tejidos.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos

Reflexión:
 Producción de ecos sobre
los tejidos.
○ Impedancia acústica:
 Resistencia al paso de las
ondas en un tejido.
- Producto de la densidad
del medio y la velocidad
de propagación del
sonido.
○ Onda sonora se transmite
en los tejidos blandos a una
velocidad constante, el
único factor que puede
modificar la impedancia
acústica, es la densidad.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos
 Reflexiones fuertes: imágenes blancas.
 Reflexiones débiles: imágenes negras.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos

Angulo de Incidencia:
 Proyección de ondas
sonoras oblicuas entre
2 medios de diferente
impedancia,
provocando su
reflexión.

Refracción:
 Desviación de las
ondas sonoras de su
trayecto original al
atravesar un medio,
dado por la velocidad
US emitida y su VDP
sobre este.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos

Difracción:
 Variación de las
dirección de las
ondas sonoras al
bordear o chocar
contra un objeto que
se encuentra en su
trayecto.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos

Interface:
 Porcentaje de ondas
sonoras reflejadas.
○ Transductores deben
“adaptarse” a la
superficie de la piel
de la paciente sin
ninguna brecha de
aire.
 Gel entre el
transductor y el
paciente.
Bases Físicas de Ultrasonido
Interacción del US con los Tejidos

Atenuación:
 Disminución gradual de la intensidad de las ondas
sonoras en un medio.
Dispersión
Reflexión
Refracción
Absorción
Calor
○ Varia con la frecuencia del US
 A mayor frecuencia mayor atenuación.
 A menor frecuencia menor atenuación.
Bases Físicas de Ultrasonido

El sonido se dispersa mas rápido en medios sólidos que
en líquidos, pero en medios líquidos viaja mas rápido que
en los gases.
 A mayor densidad (hueso) mayor conducción y mayor reflexión.
 A menor densidad (líquido) menor conducción y menor reflexión.
 A mayor frecuencia mayor dispersión y atenuación, menor
resolución.
○ Menos cantidad de ondas sonoras alcanzan zonas mas
profundas.
 A menor frecuencia menor dispersión y atenuación, mayor
resolución.
○ Mayor cantidad de ondas sonoras alcanzan zonas mas
profundas.
Bases Físicas de Ultrasonido

Transductores.
 De 3-5 MHz.
○ Áreas profundas;
Tejidos profundos.
 Cavidad abdominal.
 De 4-10 MHz.
○ Áreas superficiales;
Tejidos superficiales.
 Endovaginal.
Bases Físicas de Ultrasonido

Imágenes en pantalla
en 2 dimensiones:
 Escaneo Lineal.
 Escaneo en Fases.
○ Resolución lateral:
 Máxima definición del
espacio mínimo entre
2 puntos localizados a
la misma profundidad.
○ Resolución axial:
 Máxima definición del
espacio mínimo entre
2 puntos localizados
en el mismo eje.
Bases Físicas de Ultrasonido

Modos ecográficos. Modo A (Amplitud):
○ Línea con diversos picos.
Modo
B
 Eje horizontal: profundidad
de la estructura reflejada.
 Eje vertical: intensidad del
eco producido.
 Modo B (Brillo):
○ Las diferentes
intensidades se traducen
en una escala de grises.
○ Estático / Dinámico.
 Modo M (Movimiento):
○ La imagen se mueve en un
eje lateral y axial.
 Movimiento en función del
tiempo.
 Registra movimientos de la
pared de los órganos.
Modo
M
Bases Físicas de Ultrasonido

Imágenes
Bidimensionales.
 Creada por una serie
de imágenes.
○ “Setting” –
Profundidad.
 10 a 12 cm..
○ Ganancia.
 Amplitud del haz
US.
- Alta, > reflexión.
- Baja, < reflexión >
visualización.
Bases Físicas de Ultrasonido
Bases Físicas de Ultrasonido

Calidad de Imagen Ecográfica.
 Preemisión del USG.
○ Potencia de emisión.
○ Frecuencia de repetición de pulsos.
 Postemisión del USG.
○ Ganancia.
○ Filtros.
○ Velocidad de emisión de cuadros.
Bases Físicas de Ultrasonido

Interpretación
ecográfica:
 Hiperecoico:
○ Ecos brillantes, blancos.
○ Interface que refleja
mucho los ultrasonidos.
 Hipoecoico:
○ Ecos claros, gris oscuro.
○ Distintas tonalidades de
gris dependiendo de la
proporción en grasa,
tejido fibroso y líquidos.
 Anecoico:
○ Ausencia de ecos, negro.
○ Representa una
transmisión completa del
sonido.
Bases Físicas de Ultrasonido

Artefacto:
 Son errores en
imágenes.
 Punto presente en la
imagen que no
corresponde con un
eco verdadero en la
paciente.
 Causa de artefactos:
○ Operador.
○ Equipo.
○ Paciente.
 Sombra acústica.
 Refuerzo posterior.
 Reverberación.
 “Ring down”.
 Imagen es espejo.
 Reflexión.
Bases Físicas de Ultrasonido

Sombra acústica:
 Producida por una
menor transmisión
del sonido debido a
atenuación de la
onda sonora al haber
sido reflejada en un
medio mas denso.
Bases Físicas de Ultrasonido

Refuerzo posterior:
 Después de atravesar
un medio líquido
homogéneo hay una
atenuación menor en
el tejido circundante,
apreciándose una
zona más ecogénica.
Bases Físicas de Ultrasonido

Reverberación:
 Múltiples líneas
espaciadas iguales a
lo largo de un patrón
lineal.
○ Cola de cometa.
Bases Físicas de Ultrasonido

“Ring down”:
 Es producido cuando
pequeños cristales,
como el colesterol, o
burbujas de aire
resuenan a la
frecuencia del US y
emiten un sonido.
○ Tejidos profundos.
Bases Físicas de Ultrasonido

Imagen de espejo:
 El sonido se refleja
fuerte, actuando
tejidos blandos como
diafragmas
reflejantes.
○ Zonas curvas.
○ Imagen invertida.
Bases Físicas de Ultrasonido

Reflexión:
 Similar a imagen en
espejo pero con
diferente apariencia y
es provocado por
múltiples reflexiones.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Efecto Doppler:
 Análisis del cambio en la frecuencia de ondas sónicas
reflejadas por estructuras en movimiento, generalmente
células sanguíneas.

Emisión de onda US igual que ecografía
bidimensional, pero a MAYOR FRECUENCIA.

Vectores de velocidad.
 La frecuencia del ultrasonido aumenta si la sangre fluye
en dirección al transductor y disminuye si se aleja.
 Se grafica como un espectro, código de color y audible.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Cambio en la frecuencia Doppler
En donde:
 Δf = Cambio de la frecuencia de la onda sónica.
 fo = Frecuencia de transmisión de la onda.
 v = Velocidad del objeto reflejante (sangre).
 c = Velocidad del sonido en el cuerpo humano (aproxte. 1560 m/seg.).
 Θ = Angulo de insonación.

Si θ = 90º, cosθ = 0

Se intenta conseguir siempre θ < 60º.

Para el cálculo de la velocidad la ecuación es:
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Doppler.
“Frequency Shift”
Involucra un complejo análisis de la diferencia entre la frecuencia
transmitida y la frecuencia recibida.
Analisis Espectral
“Fourier Transform”
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Filtros.
 Seleccionan velocidades que se encuentran
por encima y por debajo de determinado
punto de corte.
○ Ruido sónico.
○ Fluter.
 Se excluyen señales sónicas por debajo del
límite seleccionado, baja o alta velocidad.
○ Ejemplo, Doppler tisular.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Modos de Análisis Doppler.
 Doppler Continuo.
 Doppler Pulsado.
 Doppler Color.
 Doppler Power.
Doppler Continuo

Dos cristales trabajando
en forma simultánea.
 Emisor, produce ondas
US continuas.
 Receptor, capta ecos
reflejados.
○ Todos los ecos
generados por el Doppler
son evaluados, no existe
posibilidad de
seleccionar una
determinada área a
evaluar.
○ Evaluación de flujos
sanguíneos de muy alta
velocidad.
 Válvulas, vasos.
Doppler Pulsado

Integra emisión y
recepción de las ondas
Doppler por el mismo
cristal del transductor.

Selecciona captación de
ecos con determinado
tiempo en llegar al
transductor.
 FRP.
 Volumen muestra.
○ Distintas profundidades
○ Anchura.
Bases Físicas de Ultrasonido Doppler

Frecuencia de Repetición
de Pulsos (FRP).
 Doppler pulsado.
○ Solo ecos que viajen muy
rápido podrán alcanzar la
sonda antes de que se
emita el siguiente pulso, no
captando los de baja
frecuencia.
 Vasos profundos de alta
velocidad; Aorta.
Doppler Pulsado

Limitación de Velocidad.
 Limite de Nyquist.
○ Máxima velocidad de
medición que corresponde
a la mitad de la frecuencia
de emisión
○ Velocidad muy alta.
 Sistema no la analiza
correctamente.
- Flujo negativo (Aliasing)
Doppler Pulsado

Diferencia entre flujo arterial y venoso.
Vena con dirección contraria a la sonda.
Arteria con dirección a la sonda.
Doppler Pulsado

Flujometría Doppler Permite:

Medición de diferentes
velocidades de flujo sanguíneo en
relación al ciclo cardiaco.

Índices de resistencia vascular.
○
Interacción entre la fuerza de
empuje del corazón con la
resistencia periférica.

Índice de pulsatilidad (IP).
- Pico sistólico menos flujo
diastólico final sobre flujo
promedio.
- S-D/vp
 Relación Sístole/Diástole (S/D).
 Índice de resistencia (IR).
- Sístole menos Diástole sobre
Sístole.
- S-D/S
Doppler Color

Variante del Doppler Pulsado.

Varios cristales o líneas emitiendo
US Doppler en forma escalonada.

Cada línea se divide en 200 ó 300
volúmenes muestra, “puertas”.
○
Se analizan cambios en la
frecuencia y dirección de los
ecos provenientes.
○ Estimado de el cambio de
frecuencias por cada puerta,
“FASE”.
○ Se analiza las diferencias de
fases en todas las puertas de la
línea, representando los cambios
en la velocidad.
○ Sucesivamente se repita por
cada línea hasta llegar al final de
la venta de color.
Doppler Color
 Calculo final y
representación
gráfica de mas de
15,000 puertas, 30
milisegundos.
○ > tamaño ventana
color.
 Gráfica mas lenta,
menor calidad.
○ < tamaño ventana
color.
 Gráfica mas rápida,
mejor calidad.
Doppler Color

Analiza velocidad y dirección
de los patrones de flujo.

Código de colores.
○
Se acerca al transductor,
movimiento positivo (rojo).
○ Se aleja del transductor,
movimiento negativo (azul).

Velocidad de los objetos,
diferente tonalidades.

Afectado por ángulo de
insonación.
○

Células moviéndose a 90° no
se representan gráficamente.
Aliasing.
Doppler Color

Permite:
 Evaluación cardiaca
fetal.
○ Identifica nacimiento y
dirección de grandes
vasos.
 Velocidad de flujo a
través de los mismos.
○ Diagnóstico de:
 Estenosis e insuficiencias
valvulares.
 Comunicaciones
anormales entre
cavidades cardiacas.
- Turbulencias.
○ Grado de vascularización
de un órgano.
Doppler Power (Angiografía de Poder)

Modalidad Doppler Color.
 Capacidad de analizar
amplitud de los ecos
reflejados por las
escotaduras en movimiento.
 Representando el cambio
en el poder acústico.
○ Decibeles.
 Establece si la intensidad
de los ecos recibidos es
diferente a la emitida.
- Diferencia de decibeles
representada en
unidades de intensidad
con código
monocromático.
- Obscuro: cambios
mínimos.
- Brillante: cambios
intensos.
Doppler Power (Angiografía de Poder)

Técnica muy sensible para
identificar movimientos de
baja velocidad originados
por flujos sanguíneos muy
lentos en vasos de
pequeño calibre.

Limitación:
 No permite establecer la
dirección del movimiento.

Angulo de insonación:
 Menor efecto en el análisis
de los cambios de amplitud.
Bases Físicas del Ultrasonido

Tipos de Ultrasonido.
 Tipo de Valoración:
○ I Nivel.
 Evaluación del feto a través
de su fetometría y sus
anexos como LA, placenta
y cordón umbilical.
○ II Nivel.
 Evaluación estructura y
funcional del feto.
 Tipo de Dimensión:
○ 2da. Dimensión (2D).
 Imagen en un plano.
○ 3ra. Dimensión (3D).
 Imagen con volumen.
○ “4ta. Dimensión” (4D).
 3ra. Dimensión mas
movimiento en tiempo real.
Efectos Secundarios del USG

Emisión del US aumenta con tiempo de exposición.
 Edades gestacionales más tempranas.

No existe evidencia de USG Dx.





Alteraciones estructurales fetales.
Bajo peso al nacer.
Lesiones tumorales.
Alteraciones del lenguaje.
Cavitación.
 Exposición de tejidos a US produce aumento de la temperatura
local y cuando las ondas US pasan por un medio que contenga
gas, producen fenómeno de condensación.
○ A mayor poder de emisión el riesgo se incrementa.
Efectos Secundarios del USG

Índices de Riesgo:

Índice Térmico.
○

En determinada área se
podría aumentar la
temperatura 1°C.
Embarazos tempranos,

○
○
○
Aumento de 1.5-2°C en
tejidos fetales podría tener
efectos teratogénicos y más
de 4°C un riesgo importante.
IT B (Huesos).
IT C (Cráneo).
IT S (Tejidos blandos)
A > emisión > T°:
○
○
○
○
Índice Mecánico.
○
IT 1

○

Doppler pulsado.
Doppler color.
Doppler continuo.
USG bidimensional (2D).

Dado por el movimiento de
líquidos por US, pudiendo
tener efectos secundarios en
etapas tempranas del
embarazo cuando aun no se
completa la organogénesis.
Para reducir riesgo:
○
Mantener IT e IM por debajo
de 1.
○ Visualizar constantemente el
marcador en pantalla.
○ Disminuir cuando sea
necesario.
○ No extender el tiempo de
exposición fetal por arriba de
15 minutos.
Bases Físicas de USG y Doppler

Bibliografía.
 Kurjak A, Carrera JM. Bases físicas y tecnología.
Capitulo1.En Ecografía en Medicina Materno Fetal. Ed
Masson 2000: 3-65.
 John E. Aldrich, PhD, FCCPM. Basic physics of ultrasound
imaging. Crit Care Med 2007 Vol. 35, No. 5 (Suppl.).
 John P. Lawrence, MD. Physics and instrumentation of
ultrasound. Crit Care Med 2007 Vol. 35, No. 8 (Suppl.).
Principios físicos, metodología,
consistencia y seguridad del ultrasonido Doppler en la
 Mario Guzmán Huerta.
evaluación fetoplacentaria. Ginecol Obstet Mex
2007;75(10):621-9.