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TEMA 04: ECOCARDIOGRAFÍA- ULTRASONIDO
HCG 2015
Lunes 3 de agosto de 2015
7:00- 8:30 am
Dr. Gilbeth Vázquez Esquivel
La ecocardiografía es un método de diagnóstico que se basa en el uso de ondas sonoras.
Son ondas que se generan a más de 20000 ciclos/s, de ahí su nombre ultrasonido. Estas ondas
están por encima del rango de audición. En la actualidad se utilizan frecuencias de millones de
ciclos por segundo para propósitos diagnósticos médicos y su funcionamiento consiste en la
emisión de ondas sonoras que viajan por un medio y cuando chocan contra un objeto son
devueltas, con lo cual se puede detectar algún cuerpo en el medio.
Historia
El ultrasonido tiene una historia interesante, ya que inicialmente fue diseñado para uso
militar durante la segunda guerra mundial, y era un secreto militar por lo que no tenía otros usos
más que en los sonares, donde se utilizaba para detectar barcos, submarinos, ballenas, porque el
ultrasonido tiene la cualidad de que la onda rebota. A partir de los años 50 en Suecia, se inicia su
aplicación en el área de salud. Actualmente, el ultrasonido se utiliza en medicina para abdomen,
ginecología, oftalmología, cardiología, etc…
Con el paso de los años se han desarrollado equipos más modernos y complejos, con
mejor precisión. En sus inicios, los equipos de ultrasonido utilizaban un modo sencillo llamado M
(de movimiento) que se movía de derecha a izquierda, unidireccional, posteriormente se pasa a la
tecnología bidimensional, tridimensional y hasta tetradimensional, desde hace 10 años la técnica
Doppler, en la cual se utiliza únicamente el movimiento de glóbulos rojos para poder obtener los
diferentes análisis.
Propiedades físicas del ultrasonido
El sonido es una vibración mecánica que se transmite a través de un medio elástico o
acústico. Si se transmite a través del aire y a la frecuencia apropiada, puede producir la sensación
de audición. Sin embargo el aire no es tan buen conductor, por eso no se utiliza para ver intestino
delgado o colon; solo funciona con órganos sólidos como hígado, ovarios, bazo, corazón (a pesar
de que en este último hay interposición del aire presente en los pulmones).
A medida que una onda ultrasónica se propaga a través de un medio las partículas de este
vibran en forma paralela a la línea de propagación, lo que produce las ondas longitudinales o
sinusoidales. Con las técnicas M, 2D, 3D, 4D se utilizan las válvulas del corazón, las paredes, el
pericardio y el miocardio como interfaces donde esa onda puede impactar y devolverse.
Existen distintos tipos de ecocardiografía desde la de modo M, la ecocardiografía doppler,
con medio de contraste, hasta la transesofágica, donde se obtienen imágenes en tercera y cuarta
dimensión y se utilizan con distintos objetivos.
En resumen el empleo del ultrasonido con frecuencias mayores a 20000 ciclos por segundo
es el que se utiliza para estudiar tanto las estructuras anatómicas como la función del corazón y
los grandes vasos; y eso es a lo que se le denomina Ecocardiografía (Ver figura 1). Se compone de
un pulso ultrasónico, que se define como una ráfaga o paquete de ultrasonidos que son emitidos
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con una duración limitada y que contienen un número definido de ciclos que viajan juntos, cada
ciclo mide menos de 5 ųs, por lo que son difíciles de detectar.
Ventrículo
izquierdo
Ventrículo
derecho
Atrio izquierdo
Atrio derecho
Venas pulmonares
Figura 1. Ecocardiografía.
Ventajas del ultrasonido
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Puede ser dirigido en un haz (producido por el transductor) y ser focalizado (Como la luz
de un foco).
Obedece las leyes reflexión – refracción y dispersión (Entonces cada vez que un haz
choque con cualquier estructura será reflejado el sonido, aunque también puede
refractarse entonces se desvía y se pierde. La dispersión es otra forma de pérdida).
No produce ningún daño en las estructuras del cuerpo humano.
Puede ser reflejado por objetos de tamaño pequeño de hasta un milímetro de separación
entre ellos, los cuales pueden ser detectados y caracterizados.
El haz es producido por el transductor que ha avanzado tanto de tener sólo una unidad a tener
hasta 64 unidades. Este haz tiene forma de abanico. Y este es el que corta o diseca el corazón en
distintos niveles. Lo que sucede con la onda ultrasónica es que cada vez que encuentra una
interface se refleja y refracta, por lo tanto el sonido regresa al transductor donde se crea la
imagen.
Desventaja principal
La transmisión de las ondas en el medio gaseoso, como el aire es muy pobre, muy baja…
En el aire es de 300m/s, en la grasa 1450m/s, en tejidos blandos de 1540m/s, en músculo 1580
m/s y en el hueso 4080m/s. Entonces el aire impide o no facilita el estudio por ultrasonido, por
ello no se utiliza en intestino delgado y grueso, únicamente de estructuras sólidas como el
corazón. También queda complicado el análisis cardiaco en el caso de pacientes con enfisema
crónico o pacientes EPOC avanzados. Es por esto que cuando se coloca el transductor se utiliza un
gel en la piel del paciente para que no haya aire entre el transductor y el cuerpo del paciente, así
se disminuye el contacto con el aire.
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Conceptos
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Pulso o pulso ultrasónico: es una ráfaga o paquete de ondas ultrasónicas emitido, de
duración limitada, que contiene un número definido de ciclos y que viajan juntos. Mide
menos de 5 microsegundos.
Atenuación: Es la pérdida neta de la energía ultrasónica a medida que la onda se propaga
a través de un medio, sobre todo a las frecuencias más altas. Es una medida de cómo
disminuye la intensidad del haz ultrasónico con forme avanza entre los tejidos. Esa
atenuación se lleva a cabo a través de la absorción en los tejidos, la reflexión, refracción y
dispersión.
Onda Sonora: está formada por una serie de compresiones y rarefacciones que pueden
ser expresadas en una onda sinusoidal. Y van a tener dos áreas de partículas agrupadas:
Un área de partículas más densamente agrupadas dentro del medio que es la zona de
compresión. Otra área de partículas menos densamente agrupadas que es la zona de
refracción. Y ambas se alternan.
Ciclo: Combinación de una compresión más una rarefacción. Va de una cresta a otra. La
velocidad depende de los ciclos.
Amplitud: La altura de una rarefacción y una compresión (Ver figuras 2 y 3).
Longitud onda: Distancia entre el pico máximo de dos ciclos. Varía entre 0.5-1.5mm.
Cuanto menor sea la longitud de onda, la frecuencia será mayor y viceversa.
Velocidad: Es aquella a través de la cual el sonido viaja por un medio particular. Y
dependiendo del medio en el que viaje va a ser mayor o menor.
Frecuencia: Número de ciclos en un tiempo dado.
Velocidad: Igual a frecuencia por la longitud de onda. Cuanto menor sea la longitud de
onda entonces mayor será la velocidad.
Impedancia acústica: impedimento en la transmisión de la onda ultrasónica y es la forma
en que el sonido viaja a través de un medio. La impedancia acústica es inversamente
proporcional a la densidad del medio; en ese caso a mayor densidad menor impedancia
acústica. La cantidad de sonido reflejada depende del grado de diferencia entre los dos
medios; cuanto mayor la diferencia, mayor la cantidad de sonido reflejado. Mayor sonido
se reflejará entre un medio gaseoso y uno sólido que entre líquido y sólido. Esto porque la
interface es más acentuada.
Frecuencia y longitud de onda están inversamente relacionados, porque a mayor frecuencia
menor longitud de onda.
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Figura 2. Amplitud, Propagación, Longitud de Onda.
La velocidad con que el sonido atraviesa un medio depende de las siguientes
características:
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Densidad: viaja más rápido a través de un medio denso como lo es un sólido que a través
de uno menos denso como el agua o el aire.
Propiedades elásticas del mismo: Si el medio es más elástico entonces el sonido viaja a
mayor velocidad. Ejemplo, el aire es menos elástico que los sólidos, por ende el sonido
viaja a mayor velocidad en los sólidos.
La velocidad también depende de la temperatura. Pero en seres humanos no es de relevancia ya
que la temperatura es constante. La velocidad de la onda ultrasónica en los tejidos blandos
humano está definida como 1.540m/s.
Figura 3. Onda sonora que es sinusoidal.
En la figura anterior se puede observar las compresiones y rarefacciones. La amplitud va
desde la cresta hasta el nadir. La cima es la zona de compresión máxima. Se llama ciclo a la
distancia entre el centro del descenso de la onda hasta el otro descenso. La longitud de onda es la
distancia entre una cresta y otra. Conforme aumenta la frecuencia, disminuye la longitud de onda.
La velocidad de la misma depende de la densidad del medio en el que viaja. Las compresiones y
rarefacciones son producidas por las unidades piezoeléctricas que componen el transductor.
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Propiedades físicas
Si el medio es homogéneo la onda ultrasónica avanza indefinidamente, pero si se
encuentra con una interface (que puede ser una vena, la cápsula de Glisson, la pared torácica, el
miocardio) la onda se refleja. Entonces si se coloca una onda ultrasónica en el precordio, la onda
llega hasta el pericardio que es su primera interfase antes de la pared anterior de ventrículo
derecho.
El funcionamiento es muy sencillo, el mismo transductor que emitió la onda ultrasónica va
a captar la onda reflejada en la interface, para que sea procesada de forma electrónica y nos va
dar las diferentes imágenes de las diversas interfaces con las que chocaron las ondas.
Parte de la ondas pueden ser dispersadas o refractadas, cuanto más perpendicular sea la
onda ultrasónica a la interface entonces más ondas ultrasónicas se van a reflejar y por ende se va a
perder menos ondas refractadas.
Figura 4. Principio básico de los ultrasonidos.
Se observa que después de que la onda choca contra una interfase esta es reflejada al mismo
medio, mientras que parte de la onda es refractada por el otro medio y otra parte se dispersa.
Desde hace aproximadamente 10 años se desarrolló una técnica ultrasónica más avanzada
denominada ultrasonido Doppler. En este último se utiliza únicamente el movimiento de los
glóbulos rojos para poder obtener los diferentes análisis. Con el Doppler se puede medir lo
siguiente:
 Áreas valvulares
 Gradientes de presión
 Velocidad de flujo
Este da una imagen específica espectral y conforme pasaron los años se puede utilizar
actualmente el Doppler en color, donde se ve la sangre en diferentes colores y su desplazamiento
a través del corazón y los vasos. Por convención, se utilizan tres colores: El rojo, para flujos que se
dirigen hacia el transductor, el azul, cuando el flujo se aleja, y el verde. Otros colores aparecen
cuando hay turbulencia como en el caso de una insuficiencia mitral aórtica.
Transductor
Es la estructura que se coloca en la piel del paciente y que están constituidos de materiales
Piezo – Eléctricos como el cristal de cuarzo, Titanato de bario, Titanato de Zirconio, que cambian
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su forma (se expanden y se retraen) bajo la influencia de un campo eléctrico. Los transductores
ejercen presión a través de un campo eléctrico; y si se imprime una corriente eléctrica a través de
un material piezoeléctrico la forma del cristal varía con la polaridad.
Conforme el cristal se expande y contrae se producen compresiones y rarefacciones que
conforman las ondas sonoras.
Figura 5. Materiales piezoeléctricos.
En la imagen anterior se representa lo que ocurre con los distintos materiales piezoeléctricos como
el cuarzo cuando son sometidos a un campo eléctrico. De izquierda a derecha, en el primero no hay
campo eléctrico, está en reposo, en el segundo se le aplica una corriente y hay una variación del
campo (de positivo a negativo) como se observa en la tercera imagen. Además esta se retrae, es
decir se contrae, y después se expande y gracias a esto es que se generan compresiones y
rarefacciones que forman las ondas ultrasónicas.
El ultrasonido que posee una alta frecuencia o una longitud de onda corta puede reflejar sonido a
partir de objetos pequeños, separados de hasta un milímetro o menos entre sí (La sensibilidad es
muy alta). Por ello, un rayo de alta frecuencia tiene mayor poder de resolución, que se define
como la habilidad de visualizar objetos o interfaces muy cercanas una de la otra. Por lo anterior,
en los niños se utilizan transductores que emiten frecuencias muy elevadas, mayores a 6 mega Hz
y hasta 8 mega hz, en los adultos es lo contrario, ya que las estructuras son de mayor tamaño en
estos últimos.
Las frecuencias de los transductores en cardiología para los adultos son de 2,5 hasta 7,5 mega Hz.
Con esta frecuencia se pueden registrar ecos diferentes a partir de interfaces separadas por 1mm.
Con este tipo de frecuencias, la mayor parte de las ondas son reflejadas por muchas interfaces
pequeñas, por lo cual se pierde la mayor parte de la energía ultrasónica y por lo tanto menos
energía está disponible para penetrar dentro del cuerpo. Por ende se puede concluir que a mayor
frecuencia, menor penetración.
La atenuación como ya se mencionó es la pérdida de ondas conforme atraviesan un medio por
absorción, dispersión y reflexión. Con mayores frecuencias hay más atenuación.
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Half – Value Layer” o Valor medio de los tejidos: Se refiere a la distancia que el
ultrasonido viajará en determinado tejido antes que su energía o amplitud se atenúe a la
mitad de su valor original. Por ejemplo, el ultrasonido puede recorrer 380 cm en el agua
antes de que su energía o amplitud se reduzca a la mitad de su valor original. En la sangre
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15cm. En Tejidos blandos: 1-5cm. músculo: 0.6-1cm. Hueso: 0.2-0.7cm. Aire: 0.08,
Pulmón: 0.05 (con frecuencias de 2.0 MHz).
Acoustic Shadow o sombra acústica: Cuando un objeto específico no refleja de forma
adecuada, o cuando atenúa el ultrasonido. Y se impide su transmisión en esa área. Se ve
cuando hay válvulas prostéticas y calcificaciones ya que son objetos sumamente densos;
también se observa en el enfisema.
En el ultrasonido se utiliza el gel de adherencia acústica durante la obtención de imágenes
trans-torácicas. Sin el gel, la interfase aire-tejido en la piel produce que más del 99% de la energía
ultrasónica sea reflejada. Este fenómeno se produce porque la impedancia acústica del aire es
muy elevada, y eso impide obtener imágenes adecuadas. Debemos tener en cuenta que este gel
de adherencia acústica no tiene absolutamente ninguna relación con el gel que se utiliza para
realizar EKG, por ende no debemos confundirlos.
Retomando el tema de la composición de los transductores, debemos entender que estos
poseen muchos elementos piezoeléctricos pequeños y cuidadosamente dispuestos que se
interconectan electrónicamente. En el caso de la ecocardiografía son 64 unidades que producen
un haz en forma de abanico, que “diseca” las diversas estructuras. La frecuencia del transductor
está determinada por el espesor de esos elementos, y cada elemento está acoplado a electrodos
que transmiten corriente a los cristales.
Dentro del transductor hay un material de atenuación que acorta la vibración excesiva o
reverberación y absorbe la energía acústica generada hacia atrás y a los lados. Existen además,
capas de equiparación, colocadas en la superficie del transductor para lograr la concordancia de la
impedancia acústica entre los elementos piezoeléctricos y el cuerpo. Estas hacen que la onda sea
generada sin impedimentos y que puedan ser dirigidas.
Todas las ondas longitudinales forman el rayo ultrasónico que es en forma de abanico.
Conforme el rayo se propaga se mantiene en forma paralela durante una cierta distancia y luego
comienza a divergir, se refracta. Y van a producir dos zonas:
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Campo cercano o zona de Fresnel: Aquí es donde se obtienen las mejores imágenes.
Campo lejano o zona de Fraunhofer: En este se refractan los rayos y hay imágenes que no
son adecuadas.
El ultrasonido como diagnóstico funciona mejor cuando los objetos a examinar se localizan en el
campo cercano, debido a que el rayo ultrasónico es más paralelo; además de que las interfaces
reflectoras se encuentran en una posición más perpendicular con respecto al transductor.
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Figura 6. Partes del Transductor.
Figura 7. Materiales piezoeléctricos.
De izquierda a derecha, en el primero se observa sólo una pieza que genera muchas ondas
ultrasónicas, en el del medio hay distintos materiales piezoeléctricos que uno junto al otro forman
múltiples ondas ultrasónicas y en el tercero se observa un solo elemento que produce muchas
ondas. Este se utiliza en abdomen. Los transductores que se utilizan en cardiología son distintos de
los que se usan para ginecología o gastroenterología.
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Figura 8. Transductores. Campo cercano (near field) y campo lejano (far field). Se puede aumentar
el campo lejano al utilizar un lente cóncavo.
Transcrito por Daniel Alfaro Castro
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