PRODUCCIÓN BOVINA DE CARNE
Director: Guillermo
Alejandro Bavera, Méd. Vet., Profesor Titular Efectivo de Producción Bovina de
Carne, Depto. Producción Animal,
Facultad de Agronomía y Veterinaria, Universidad Nacional de Río Cuarto,
Río Cuarto, provincia de Córdoba, República Argentina
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y ultrasonografía
Fundamento biofísico de la
exploración ecográfica
Dr. Eduardo Freire C.
2004. MEVEPA
Introducción
Las imágenes
del hígado de un felino, a inicios de la década de los cincuenta en el siglo
pasado, fueron las vistas ultrasonográficas más primitivas que se tiene
mención, y aunque el avance tecnológico la ha concedido un cómodo lugar como
método complementario al examen clínico dentro de la medicina veterinaria, no
ha sido una técnica plenamente comprendida por los profesionales del área.
Los
resultados de los estudios de exploración ecográfica permiten una gran
eficiencia en el diagnóstico y el pronóstico de una serie de cuadros
patológicos, pero el conocimiento de su esencia, queda apenas reservado al
grupo de especialistas que manejan esta técnica.
El objetivo
de este artículo es facilitar la comprensión de los fenómenos asociados al
ultrasonido en sus aspectos aplicados al diagnóstico médico, minimizando al
máximo su formulación físico‑matemática.
Para entender
la rápida evolución que esta tecnología ha tenido, y que seguirá presentado a
futuro, es preciso conocer algunos de sus fundamentos biofísicos que, a su vez,
nos permitirá deducir sus posibilidades y limitaciones en la aplicación
rutinaria en medicina veterinaria.
Base Biofísica
El fundamento
de la ecografía reside en la visualización de las modificaciones de los rayos
ultrasónicos al atravesar medios de diferente densidad e impedancia acústica.
Desarrollaremos
cada uno de estos conceptos:
Rayos
ultrasónicos. Son ondas sonoras, es decir, corresponden a una energía que
altera la posición de equilibrio de las partículas de un medio, cambiando
transitoriamente la densidad del entorno por donde la energía se trasmite.
Como toda
onda, las sonoras se caracterizan por 3 parámetros:
♦
1.‑
Dirección de propagación (o rayo). Los sonidos se propagan como ondas
longitudinales, siguiendo un eje de propagación. Cada onda corresponde a una
sucesión alternadas de fases de compresión y descompresión que varían en
función de la elasticidad del medio.
♦
2.‑ Frecuencia
(f). El tiempo que transcurre entre dos instantes consecutivos en que las
condiciones de perturbación del medio transmisor son iguales, se denomina
Período (T). La frecuencia es el número de períodos en la unidad de tiempo. Se
mide en Hertz (símbolo Hz) o ciclos /segundo. Entonces matemáticamente la
frecuencia es el valor inverso del período (f=1/T). En los equipos ecográficos utilizados en el
diagnóstico médico, los ultrasonidos utilizados
van desde las frecuencias de
♦
3.‑
Longitud de onda (1). Es la distancia entre dos puntos ubicados en la
trayectoria de la onda que presentan igual vibración (o que vibran en igual
fase). En toda onda, su frecuencia y su longitud de
onda son inversamente proporcionales. De esta
manera mientras más elevada es la frecuencia de una onda, necesariamente su
longitud de onda es más corta (pues el producto de ambas es constante para el
mismo medio). Si C es la velocidad de transmisión de una onda ultrasónica en
ese medio. Entonces, 1 x f = C Como se ve, la velocidad de transmisión de una
onda ultrasónica en un medio resulta ser
independiente de la intensidad o cantidad de energía trasmitida. En los tejidos
blandos, la velocidad de transmisión del sonido varía, según el tipo de tejido,
entre 1490‑1610 m/s.
Producción de ondas ultrasónicas
Para el
ámbito que nos interesa, las ondas ultrasónicas emitidas por los ecógrafos son
producidas por cristales semiconductores que presentan en forma destacada el
llamado efecto piezo‑eléctrico.
Todo cristal
semiconductor, sometido a una presión, cambia la distribución de sus electrones
libres, lo que genera una diferencia de potencial eléctrico. Y a la inversa, si
al mismo cristal se le aplica una diferencia de potencial eléctrico entre sus
caras, genera una deformación estructural del cristal. Este efecto es conocido
como efecto piezo‑eléctrico.
La llegada de
una presión sonora a uno de estos cristales causa una diferencia de potencial
que puede ser registrado (receptor o transductor de presión). Del mismo modo,
aplicando una diferencia de potencial a sus caras genera una compresión del
aire, lo cual conocemos como sonido (emisor). Si la diferencia de potencial que
se aplica a un cristal es alterna, se genera una onda sonora de compresión de
igual frecuencia. De esta manera, el mismo cristal puede utilizarse como emisor
y receptor de ondas ultrasónicas. El cristal que reciba ultrasonidos induce una
diferencia de potencial cuya intensidad es proporcional a la cantidad de
energía sonora recibida.
Esa
transformación de una energía eléctrica en una mecánica (y viceversa) se conoce
como transducción. Por eso el elemento emisor‑receptor de las ondas
sonoras se conoce como transductor (detector o sonda). Entonces si tenemos un
transductor, y podemos procesar las señales emitidas y recibidas para que
puedan ser presentados en una pantalla, estaremos ante un ecógrafo.
En un
ecógrafo, se permite que el transductor alterne las fases de emisión (y que
dure unos pocos microsegundos), con las de recepción (de unos pocos
milisegundos).
Fig. 2 Frecuencia y periodo
Propagación de ondas ultrasónicas
Las ondas
sonoras requieren para su propagación de un medio que pueda transmitir la
energía de una partícula a otra.
La velocidad
de transmisión está determinada por el factor densidad del medio, que le otorga
diferente resistencia a la compresión y por ende, define la velocidad del
cambio. Como hemos dicho, para el mismo medio, la velocidad resulta constante.
Entonces, sólo se puede aumentar la velocidad de propagación en un mismo medio,
aumentando la frecuencia de las ondas sonoras. En la Tabla 1 se registran estos
datos medidos en diferentes medios. Por cierto, los equipos ecográficos se
calibran a la velocidad de propagación de un medio conocido y estandarizado.
La impedancia
acústica es entonces, una expresión de la resistencia o dificultad que ofrece
el medio a la propagación de las ondas ultrasónicas.
En un examen
ecográfico, cuando un ultrasonido atraviesa de un tejido a otro, que posean
diferente impedancia acústica, entonces se dirá que existe una interfaz entre
ambos. En general los límites de los órganos o de los tejidos de diferente tipo
conforman naturalmente diferentes interfases (también se escribe, interfaces).
En una interfaz, parte de las ondas ultrasónicas produce una reflexión
especular generando el eco y otra parte se transmite o refracta.
Cuando el
rayo incidente no se ubica perpendicular al órgano explorado se observa una
distorsión de la imagen real.
En ocasiones es
imposible que el transductor reciba toda la onda reflejada. En otras
situaciones, no sólo existe reflexión o absorción por los
"obstáculos", también puede existir desviación o restitución de ondas
previas que llegan de una manera multidireccional difusa.
En los
tejidos, la energía ultrasónica emitida por el transductor se va debilitando,
característica conocida come atenuación. La disipación de la energía de una
onda (principalmente en forma de calor o luz) tiene una caída geométrica y
depende del medio (se mide en decibeles símbolo: db). Para los fines prácticos
en este uso médico, la atenuación es del orden de 1 db/MHz por cada cm de
penetración en los tejidos de los mamíferos. Este orden de magnitud señala la
importancia que tiene la frecuencia de emisión de los ultrasonidos: a mayor
frecuencia, mayor es la atenuación y, por tanto, con menos energía (menor
frecuencia) se puede obtener mayor penetración en los tejidos.
Por eso en la
práctica, para obtener una mejor calidad de imagen es preciso reducir al máximo
el fenómeno de atenuación; eligiendo una frecuencia adecuada, dirigir un rayo
estrecho, etc.
Debemos
especificar que una buena imagen es aquella que permite identificar dos puntos
separados como diferentes. Esta característica es conocida como poder separador
o de resolución. Según el punto de vista tiene dos variantes:
a) Resolución
axial o longitudinal. Es la distancia mínima entre dos puntos ubicados en el
eje de los rayos emitidos por el transductor y que el sistema puede discriminar
como diferentes y por ende graficar como distintos.
La resolución
axial es una característica que depende directamente de la frecuencia del rayo.
b) Resolución
transversal o lateral. Es la capacidad de distinguir como distintos dos puntos
situados sobre un eje perpendicular al eje de los rayos ultrasónicos emitido
por el transductor.
Es conocido
que el poder de resolución depende de la relación entre 1 y el ancho del rayo.
Así, en la medida que disminuye el ancho del rayo aumenta la resolución; pero
como al disminuir el ancho del rayo también disminuye la cantidad de energía
que se envía, el débil retorno podría hacer dificultoso determinar la imagen.
Por los
principios enunciados, podemos ahora relacionar de manera sintética los tres
conceptos claves de un ecógrafo: frecuencia de su transductor, poder de
penetración y resolución (longitudinal).
A mayor
frecuencia de un ecógrafo, mejor es la resolución, pero menor será su poder de
penetración.
Por ejemplo,
exámenes ecográficos que requieran poca penetración (inferior a
Formación de la imagen en el ecógrafo
La
transducción de la energía sonora recibida por el transductor (ecos recibidos
desde los órganos internos) es procesada por un conversor análogodigital que
transforma las diferentes intensidades de la señal en una graduación
digitalizada. Con esta forma digitalizada se puede, si se desea, realizar una
serie de operaciones (análisis estadísticos, modificación de la imagen,
histogramas, filtrados, etc.). Finalmente con estos datos digitalizados,
procesados, pulidos y fijados son enviados a un conversor inverso (o sea, un
conversor digital‑análogo) que permite visualizar la señal.
En la mayoría
de los ecógrafos la imagen se visualiza en un tubo de rayos catódicos (tipo TV
o monitor de PC), donde la intensidad del haz de electrones resulta
proporcional a la amplitud de los ecos recibidos. Cada punto de la pantalla es
la visualización de un eco, donde su brillo es proporcional a la energía
recibida. El conjunto de esos puntos entrega una representación estructural del
objeto. En nuestro caso el despliegue en pantalla representa una copia
bidimensional del corte anatómico de la región explorada.
Para generar
esa imagen, el microprocesador calcula la profundidad de los tejidos según el
retraso que tienen al regresar los rayos ultrasónicos luego de la reflexión en
alguna interfaz.
Aspectos a considerar en la
interpretación de las imágenes ultrasonográficas
Los rayos
ultrasónicos, al atravesar diferentes medios biológicos, pueden llegar a
conforman una imagen que será dependiente de la densidad del medio (o mejor de
su impedancia acústica):
♦
Medios
gaseosos con una cohesión muy débil (aire en tórax, gases), son difíciles de
atravesar. El aire junto con otros medios crea interfases muy reflectivas. Por
esta razón se evita la capa de aire entre el transductor y la superficie del
animal, utilizando geles que facilitan su contacto. El
coeficiente de absorción total de rayos ultrasónicos en el aire es de 7 db/cm
para una frecuencia de 2 MHz; en cambio, en el agua es solo de 0,009 db/cm para
la misma frecuencia.
♦
Medios
líquidos (sangre, orina, exudados, etc.). Facilitan la transmisión de las ondas
ultrasonoras.
♦
Medios
sólidos con una mediana cohesión molecular. Causan una importante atenuación de
la energía de las ondas ultrasónicas.
♦
Medios
sólidos con una cohesión muy fuerte (hueso o estructuras calcificadas).
Permiten una penetración acelerada de las ondas ultrasónicas, pero como su
impedancia acústica es muy elevada, posee una alta atenuación. La diferencia de
impedancia acústica entre una estructura calcificada
y otra de tejidos blandos cualquiera, genera una interfaz que hace que gran
parte de la energía incidente sea reflejada. Este aspecto se torna más
importante cuando se pretende comparar pacientes de diferente talla y edad.
♦
En una exploración
ecográfica, un medio biológico se puede definir según su nivel sonoro en: hipoecogénico, anecogénico y
hiperecogénico. Este grado de ecogenicidad, es también calculado por el
microprocesador, midiendo la diferencia de energía que retorna como también
registrando los cambios en la frecuencia recibida con relación al rayo emitido.
♦
De acuerdo
con el grado de ecogenicidad y a la experiencia que se tenga de un determinado
ecógrafo, es posible inferir la densidad y composición de los fluidos existente
en las imágenes exploradas.
Nuevos desarrollos
Adición del efecto Doppler
El desarrollo
de software de uso en ecografía ha permitido interesante avances sobretodo en
lo referente a estudios cardiológicos, pues de su análisis se desprende un alto
acercamiento a la funcionalidad cardiaca.
Por ejemplo,
aspectos tan complejos de medir como son las velocidades de flujo y las
presiones asociadas en el sistema cardiovascular, se han visto simplificadas
con la incorporación del efecto Doppler en los especializados ecógrafos,
llamados por tanto, ecocardiógrafos Doppler.
El efecto
Doppler se basa en el ampliamente conocido cambio de frecuencia que se registra
en cualquier onda cuando es reflejada (o también producida por un emisor) por
un componente en movimiento.
En el caso de
los ecocardiógrafos, el principal componente en movimiento a observar es la
sangre circulante. Y es su microprocesador el que calcula en algunos
nanosegundos la velocidad de flujo de la sangre, a partir de la medida de las
diferencias entre la frecuencia de retorno del eco y la frecuencia emitida por
el transductor, así como el ángulo conformado por ambos rayos, asumiendo como
constante la velocidad del ultrasonido en la sangre estática.
Con este
dato, el microprocesador puede informar si el flujo de sangre se mueve
acercándose o alejándose del transductor.
En los más
recientes ecocardiógrafos dotados de pantalla a color ("Ecocardiógrafo
Doppler Color") se le representa con el color rojo al flujo laminar (1)
que se acerca al transductor, azul al flujo laminar que se aleja y de los
colores verde al amarillo en los flujos turbulentos como son los que ocurren en
los estrechamientos o bifurcaciones del sistema cardiovascular.
Con igual
facilidad permite el cálculo de las áreas, presiones y velocidades de flujo en
cualquier parte del sistema cardiovascular, que le sea definido.
Del mismo
modo, se han incorporado otras mejoras tecnológicas que permiten una
impresionante composición tridimensional de las imágenes ultrasonográficas
(amplia exposición de imágenes en Internet: http://www.ob‑ultrasound.net/).
Resulta emocionante
observar que el desarrollo de esta tecnología, sobretodo en los últimos años,
no se ha debido al desarrollo reciente de las ciencias, sino a la aplicación de
conceptos que fueron rigurosamente formulados hace más de 150 años.
(1)
Se llama flujo laminar pues el líquido de las zonas del centro de un vaso
conductor se mueve más rápido que las cercanas a su pared, asimilándose a
láminas concéntricas que se desplazan.
Bibliografía
Fuenzalida, M. y E. Freire. Curso de Biofísica. Texto guía. Universidad de Chile. Santiago, 1988.
Lamb, C. Abdominal ultrasonography in small animals intestinal tract and
mesentery, kidneys and adrenal glands, uterus and prostate. J. Small Anim. Prac 31: 295‑304,1990.
Legrand, J y B. Carlier. Bases physiques de l'échotomagraphie. Res Méd Vét
157: 553, 1981.
Moretti J. Eleménts de physique ultrasonore. Echographie. Bull
Acad Vet de France 55: 159, 1982.
Penminck, D. y S. Cuvelliez. Principes
physiques et méthodes d'exploration
échographique. Ann Méd Vét 129: 381‑391, 1985.(Footnotes).
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