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TEMA 02: ECOCARDIOGRAFÍA- ULTRASONIDO
HCG 2014
Martes 5 de agosto de 2014
7:00- 8:30 am
Dr. Gilbeth Vázquez Esquivel
El principio básico del ultrasonido es que las ondas viajan por un medio y cuando chocan contra un
objeto son devueltas, con lo cual se puede detectar algún cuerpo en el medio.
Este fue descubierto para uso militar en la segunda guerra mundial. Es hasta los años 50-53 en
Suecia que se inicia la aplicación del ultrasonido en el ámbito de salud.
En la actualidad el ultrasonido se utiliza en medicina para abdomen, ginecología, oftalmología,
cardiología…
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.
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.
Ahora existen equipos más modernos y complejos, lo cual mejora la evolución tecnológica de los
mismos y además la precisión en los diagnósticos. Cuando iniciaron, utilizaban un modo sencillo
llamado M (de movimiento) que se movía de derecha a izquierda, unidireccional, posteriormente
se pasa a la tecnología bidimensional y desde hace 10 años la técnica Doppler. Las dos primeras
técnicas mencionadas utilizan las válvulas del corazón, las paredes, el pericardio y el miocardio
como interfaces donde esa onda puede impactar y devolverse. En el Doppler se utilizan
únicamente el movimiento de 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 color donde se ve la sangre en diferentes colores y su desplazamiento a
través del corazón y los grandes vasos. Por convención, se utilizan tres colores: El rojo, para flujos
que se dirigen hacia el transductor, el azul, que se aleja, y el verde. Otros colores aparecen cuando
hay turbulencia como en el caso de una insuficiencia mitral, aórtica…
¿Por qué se llama ultrasonido? Es porque utiliza frecuencias mayores a 20.000 ciclos por segundo
y que están por encima del rango de audición. En la actualidad se utilizan frecuencias de millones
de ciclos por segundo para propósitos diagnósticos médicos.
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El empleo del ultrasonido con frecuencias mayores a 20000 ciclos por segundo es el que se utiliza
para estudiar las estructuras, anatomía y función del corazón y de los grandes vasos y eso es a lo
que se le denomina Ecocardiografía.
Existen distintos tipos de ecocardiografía desde la de modo M hasta la ecocardiografía doppler,
con medio de contraste, transesofágica y se obtienen imágenes en tercera y cuarta dimensión y se
utilizan con distintos objetivos.
La producción de un ultrasonido en medicina comprende principios físicos e instrumentos que son
complejos y sofisticados.
Ventajas del ultrasonido




No produce ningún daño en las estructuras del cuerpo humano
Puede ser dirigido en un haz (producido por el transductor) y ser focalizado.
Obedece las leyes reflexión – refracción y dispersión
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 corarón en
distintos niveles.
Lo que sucede con la onda ultrasónica es que cada vez que encuentra una interfase se refleja y
refracta y por lo tanto llega 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.
Por ello cuando se coloca el transductor se coloca un gel en la piel del paciente para que no haya
aire entre el transductor y el cuerpo del paciente.
Conceptos
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.
Onda Sonora: está formada por una serie de compresiones y rarefacciones que pueden ser
expresadas en una onda sinusoidal.
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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: es la combinación de una compresión más una rarefacción. Va de una cresta a otra.
Longitud onda: distancia entre el pico máximo de dos ciclos. Varía entre 0.15-1.5mm.
Velocidad: es aquella a través de la cual el sonido viaja a través
dependiendo del medio en el que viaje va a ser mayor o menor.
un medio particular. Y
Frecuencia: número de ciclos en un tiempo dado.
Velocidad: igual frecuencia por longitud de onda.
Frecuencia y longitud onda están inversamente relacionados porque a mayor frecuencia menor
longitud de onda.
La velocidad con que el sonido atraviesa un medio depende de las siguientes características:


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
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.
Propiedades físicas
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 la velocidad a la cual
disminuye la intensidad del haz de ultrasonido conforme penetra en el tejido. La atenuación se
produce por absorción en los tejidos, dispersión y reflexión.
Impedancia acústica: impedimento en la transmisión de la onda ultrasónica y es la forma en que
el sonido viaja a través de un medio.
Por definición: densidad medio veces la velocidad con que el sonido viaja a través de ese medio. A
mayor densidad, mayor velocidad y viceversa. Para efectos prácticos se debe de analizar la
impedancia acústica con base en la densidad del medio. Por ello los órganos sólidos se estudian
con facilidad.
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Si el sonido viaja a través de un medio homogéneo, osea sin interfaces, esencialmente continuará
en línea recta, no se refleja. Cuando el rayo alcanza una interfase entre dos medios con diferentes
impedancias acústicas se produce reflexión y refracción.
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. Y esta es una interfase
(pericardio, pared anterior, ventrículo).
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 interfase es más acentuada.
El ultrasonido que posee una frecuencia alta o una longitud de onda corta puede reflejar sonido a
partir de objetos pequeños, separados de hasta un milímetro o menos entre si. 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 interfases muy cercanas una a la otra.
Las frecuencias de los transductores en cardiología son de 2,5 hasta 7,5 mega Hz para vasos del
cuello ya que se requiere un alto poder de resolución. Con esta frecuencia se pueden registrar
ecos diferentes a partir de interfases separadas por 1mm.
Con este tipo de frecuencia, la mayor parte del U.S. es reflejado por muchas interfases pequeñas,
por lo cual se pierde la mayor parte de la energía ultrasónica y por lo tanto menos energía esta
disponible para penetrar dentro del cuerpo. A mayor frecuencia menor penetración.
En el caso de los niños se utilizan frecuencias mayores a 5 MHz ya que las estructuras son más
pequeñas con separación muy pequeña y eso hace que se pierda mucha energía. Estas altas
frecuencias tienen mucho poder de resolución pero poca penetración. Por ello no se utilizan en
adultos.
La atenuación es la pérdida de ondas conforme atraviesan un medio por absorción, dispersión y
reflexión. Con mayores frecuencias hay más ateniación.
“Half – Value Layer” o Valor medio de los tejidos: que se refiere a la distancia que el ultrasonido
viajará en determinado tejido antes que su energía o amplitud sea atenúe a la mitad de su valor
original. 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: 15cm, Tejido blando: 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 refleja o atenúa el ultrasonido e
impide su transmisión sólo en esa área. Se ve cuando hay válvulas prostéticas y calcificaciones ya
que son objetos sumamente densos.
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En el ultrasonido se utiliza el gel de adherencia acústica durante la obtención de imágenes transtorácicas. Sin el gel, la interfase aire-tejido en la piel produce que más del 99% de la energía
ultrasónica sea reflejada. La impedancia acústica del aire muy elevada y eso impide obtener
imágenes adecuadas.
TRANSDUCTORES
Es la estructura que se coloca en la piel del paciente y se habla de transductores Piezo – Eléctricos
que es que ejercen presión a través de un campo eléctrico. Las sustancias piezo- eléctricas
cambian su forma bajo la influencia de un campo eléctrico. Si se imprime una corriente eléctrica a
través de un cristal de cuarzo (material piezoeléctrico) la forma del cristal varía con la polaridad.
Otros materiales piezoeléctricos son el Titanato Bario y Titanato de Zirconio que son los que se
utilizan en la práctica clínica.
Conforme el cristal se expande y contrae se producen compresiones y rarefacciones que son las
ondas sonoras.
Los transductores poseen muchos elementos piezoeléctricos pequeños y cuidadosamente
dispuestos que se interconectan electrónicamente. En el caso de ecocardiografía son 64 unidades.
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 atenuación que acorta la vibración excesiva o
reverberación y absorbe la energía acústica generada hacia atrás y a los lados.
Existen capas de equiparación colocadas en la superficie del transductor para lograr la
concordancia de la impedancia acústica entre los elementos piezoeléctricos y el cuerpo. Esta hace
que la onda sea genera 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:


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 porque:

El rayo U.S. es más paralelo.
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
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Las interfases reflectoras se hayan en la posición más perpendicular con respecto al
transductor.
Con respecto al corazón, entre más perpendiculares sean los rayos, mejor va a ser la reflexión.
Existe una fórmula para calcular el campo cercano. La longitud del campo cercano (L) es función
del radio (R) del transductor y la longitud de la onda () y se calcula:
L= R2⁄
Por lo tanto para aumentar el campo cercano uno debe reducir el denominador o aumentar el
tamaño (o el radio) del transductor.
Los ingenieros que inventaron los transductores descubrieron que se podía utilizar lentes acústicos
para generar un transductor enfocado. Se utiliza un lente cóncavo o un transductor con su
superficie cóncava con lo cual el rayo es colocado en una zona más angosta y en una distancia
predeterminada a partir del transductor.
Si se adelgaza el rayo ultrasónico aumenta su intensidad en la zona focal donde existe su mayor
adelgazamiento y por ende que disminuya la cantidad de divergencia de los rayos en el campo
lejano. Actualmente se puede enfocar el rayo ultrasónico electrónicamente.
El mejor transductor que existe es el Phased Array, el cual tiene una matriz en fase y es curvo y
enfocado. Este genera un rayo dinámicamente enfocado, ya que puede tener un rayo ultras+onico
con foco fijo o puede cambiar la zona focal rápidamente (es decir es dinámico). Está formado por
múltiples elementos pequeños que disparan el rayo en forma individual y controlada y produce un
frente de onda concéntricamente curvo.
Resolución: es la distancia menor entre dos puntos que permite que los mismos se distingan en
forma separada. Cuanta más alta sea la frecuencia, mejor es la resolución.
El rayo ultrasónico es tridimensional Y la mayor parte de las aplicaciones clínicas, el ultrasonido
se focaliza y guía electrónicamente.
Dimensiones rayo ultrasónico
Axial: paralelo dirección rayo.
Lateral: perpendicular a la dirección rayo. (mide anchura y grosor.)
Axial – longitudinal - linear.
Lateral – “Azimuthal”.
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Annular phased array transducers: los actuales transductores son de este tipo. Se obtienen
imágenes bidimensionales y ya en los últimos años se han obtenido imágenes tridmensionales. Y la
cuarta dimensión se utiliza generalmente en ecocardiografía transesofágica.
Ventrículo
izquierdo
Ventrículo
derecho
Atrio izquierdo
Atrio derecho
Venas pulmonares
Figura 1. Ecocardiografía.
Figura 2. Onda sonora que es sinusoidal.
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.
El principio del sonar se explica con la siguiente imagen:
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Figura 3. 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. Otra parte se dispersa.
Cuanto más perpendicular sea el rayo ultrasónico a la interfase, más ondas se reflejaran y se
formará una mejor imagen.
Figura 4. Materiales piezoeléctricos.
En la imagen se representan los distintos materiales piezoeléctricos como el cuarzo que 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.
Figura 5. Partes del Transductor.
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Figura 6. 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.
Figura 7. Transductores. Campo cercano (near field) y campo lejano (far field). Se puede aumentar
el campo lejano al utilizar un lente cóncavo.
Figura 8. Transductor “Phased array” o matriz en fase. Está focalizado en un punto fijo.
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Figura 9. Transductores donde se muestra el eje axial o paralelo, el lateral y el horizontal. Se
observa la flecha que esquematiza el rayo. Se utilizan distintos lentes para cambiar el campo
lejano y cercano.
Ultrasonidos: Tipos de Scanners
Existen transductores mecánicos y electrónicos. Uno de los principales problemas de los
mecánicos es que hacían mucho ruido ya que tienen un motor eléctrico. De los electrónicos el más
importante y más utilizado es el “Phased array”. Con este se obtiene el modo M, imágenes
bidimensionales y el Doppler.
Figura 10. Transductores mecánicos y electrónicos. En los mecánicos la ruedita es el motor que
ejerce mucha presión, pueden ser rotatorios u oscilatorios. De los electrónicos, el Linear es el
utilizado en adbomen y el “Phased array” es el de cardiología, que forma un rayo en forma de
abanico.
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¿Cómo funciona el ultrasonido?
Figura 11. Mecanismo y forma de transmisión del ultrasonido.
Existen transductores focalizados dinámicamente, que son los más modernos. En todo aparato de
ultrasonido debe haber un transductor, un recibidor y un transmisor que son esenciales para que
se formen las imágenes. Es un proceso complejo y dinámico
Ecógrafo o ecocardiógrafo: es el instrumento utilizado para crear una imagen usando el
ultrasonido. El ecógrafo contiene la electrónica y los circuitos necesarios para transmitir, recibir,
amplificar, filtrar, procesar y mostrar la información del ultrasonido
El transmisor regula el envío ultrasónico por parte del transductor a través de un timer que
controla la duración y frecuencia de los pulsos ultrasónicos emitidos.
El transductor se haya en contacto con los tejidos examinados. Envía y recibe el ultrasonido.
Convierte los ecos que retornan en impulsos eléctricos que van luego al receptor y al amplificador
de señales. Por último tales ecos o impulsos son procesados de tal forma que pueden desplegarse
en el tubo de rayos catódicos o en el osciloscopio.
Este proceso se observa en la figura 11.
¿Cómo se puede por ultrasonido obtener la imagen de un objeto?
Tal imagen acústica llamada también “Eco Ranging” depende de la reflexión y la pulsación. La
pulsación se realiza a través del transmisor que pulsa las ondas ultrasónicas.
La energía eléctrica se introduce en el transductor en forma intermitente y hace que el elemento
piezoeléctrico envíe ultrasonido por períodos cortos de tiempo. En determinado tiempo se envían
las ondas y en otro se reciben las mismas.
La duración de cada impulso ultrasónico, que es de hasta un microsegundo, produce influencia en
la forma del pulso ultrasónico.
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El transductor luego de transmitir impulsos a posteriori se convierte en un receptor el cual registra
cualquier onda ultrasónica reflejada o Eco. Luego de cierto período de tiempo se emite otra ráfaga
de ultrasonido y el ciclo se repite.
La frecuencia con que se emiten las ráfagas de energía ultrasónica se llama “pulse repetition rate”
(P.R.R.) o frecuencia de repetición del pulso del ecógrafo. Y tiene estas magnitudes:


M- Modo: 1000 - 2000⁄seg.
2D: 3000 - 5000⁄seg.
Es una frecuencia bastante alta.
Los ecógrafos standard emiten ráfagas de ultrasonido durante 1.5 microsegundos con una
frecuencia de repetición de pulso de 1000⁄s, lo que hace que el transductor funciona como un
receptor 99% del tiempo. Entonces sólo un 1% emite ráfagas de ultrasonido.
La sensibilidad o la resolución es cuando pueden detectar una señal ultrasónica aun cuando
menos del 1% de la energía ultrasónica sea reflejada.
Figura 12. Imagen del ultrasonido en modo M o en movimiento.
Estas imágenes van pasando en una pantalla de forma secuenciada, en una sola dimensión. De
superior a inferior se observan: Pared torácica, pared anterior del ventrículo derecho, cavidad
ventricular derecha, septum interventricular, cavidad ventricular izquierda, la válvula mitral (en el
medio de la imagen), pared posterior y el pericardio. Todos están separados por interfaces.
Dependiendo de cómo incida el rayo ultrasónico así serán las imágenes visualizadas.
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Figura 13. Ultrasonido de dos dimensiones.
En el bidimensional, el haz ultrasónico diseca el corazón en las regiones que se quieran. Se coloca
en posición longitudinal o transversal. Son cortes como de “salchicha”, en trocitos. Dependiendo
del lugar de disección así serán las imágenes observadas, donde se pueden visualizar en la base del
corazón, se ven la Aorta, la A. Pulmonar, la válvula aórtica. Y en otros cortes se pueden ver
músculos papilares, cuerdas tendinosas, trabéculas…
Figura 14. Anatomía del corazón y la representación en dibujo.
Figura 15. Imagen del Ecocardiograma en modo 2D. Se observa la vía de salida el ventrículo
izquierdo (LVO), vía de salida el ventrículo derecho (RVO), válvula pulmonar (PV), válvula mitral
(MV) y atrio izquierdo (LA).
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Figura 16. Ecocardiograma tomado desde el ápex hacia arriba para observar las 4 cámaras
cardiacas. Para efectos universales en Eco, se observa el ápex en la parte superior. Se observan los
atrios, ventrículos, paredes laterales, septum interventricular.
Transcrito por Mónica Cambronero Valverde: [email protected]
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