Ignacio Flores J.Sebastián Gálvez E.

Ignacio Rojas V.

FUNDAMENTOS FÍSICOS DEL

ULTRASONIDO.

Características de la Onda de Ultrasonido

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:

Características de la Onda de Ultrasonido

Frecuencia de onda: número de ciclos por unidad de tiempo (Hz)

Velocidad de onda: producto de la frecuencia y la longitud de onda c=v . λLa 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.

Características de la Onda de Ultrasonido

Interferencia:Dos ondas que se encuentran e interactúan en su recorrido.

Interferencia Constructiva Interferencia Destructiva

Intensidad del Ultrasonido

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…

Intensidad del Ultrasonido

Intensidad: Potencia por unidad de áreaWatt/cm2

Generalmente, la intensidad es descrita en relación a una intensidad de referencia.

Intensidad del Ultrasonido 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

Intensidad del Ultrasonido

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.

Intensidad del Ultrasonido

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 medioI = Pm

2 / 2 cρ

Intensidad del Ultrasonido

Ahora, sustituyendo ecuaciones, tenemos:dB = 10log I/I0

-> dB = 10 log (Pm2/2 c)/(Pρ m

20/2 c) = ρ

10 log (Pm/Pm0)2 = 20 log (Pm/Pm0)

O sea, no necesitamos convertir la presión a intensidad para determinar el valor de decibeles.

Velocidad de propagación de la onda ultrasonora.

• Propiedades intrínsecas

• Propiedades extrínsecas

Densidad del medio atravesado.

Compresibilidad del medio.

Atenuación del Ultrasonido

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

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.

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.

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

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.

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.

Reflexión

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.

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 = c ρdensidad ( ) del medio y velocidad de propagación (c)ρ

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:

a) coeficiente es αR de energía reflejada

b) coeficiente es αT de energía transmitida

a) coeficiente es αR de energía reflejada

b) coeficiente es αT de energía transmitida

αR + αT = 1.

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

Ángulo de incidencia = Ángulo de reflexión.

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

Refracción

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.

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

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

Absorción

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.

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.

Dos posibles efectos:

Efectos Térmicos

Efectos no Térmicos

Efecto piezoeléctrico

Efecto piezoeléctrico

+++++++++++++++

-------------------------

Coeficiente de acoplamiento electromecánico.

Efecto piezoeléctrico

Diseño de un transductor Estructura y componentes básicos.

Frecuencia resonante.

Frecuencia de respuesta.

Estructura y componentes básicos.

Frecuencia resonante.

Y matematicamente..

Frecuencia de respuesta.

Ciclos alternados Emision de ultrasonidos Recepcion de ultrasonidos

Esquema animado…

Haces de Ultrasonido

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.

Haces de Ultrasonido

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 = 0,6 ( / r)θ λ

Haces de Ultrasonido

Haces de Ultrasonido

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

Perfiles de Haz Los patrones de transmisión y recepción en

un transductor de ultrasonido se ven afectadospor 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-ecoCada contorno muestra la ubicación de la intensidad de eco equivalente para el haz de ultrasonido.

Perfiles de Haz

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.

Transductores Focalizados 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.

Transductores Focalizados

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.

Sondas Doppler

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