El sonido, en términos físicos, es una vibración mecánica que se propaga a través de un medio elástico, como el aire, el agua o los tejidos. Estas vibraciones viajan en ondas y, cuando tienen una frecuencia dentro del rango audible para el oído humano, producen la sensación de audición. El rango de frecuencias que el oído humano puede percibir está entre 20 Hz y 20 kHz. Sin embargo, los sonidos con frecuencias superiores a 20 000 ciclos por segundo, o 20 kHz, no son audibles para los humanos, pero son utilizados en una técnica conocida como ultrasonido.
El ultrasonido, debido a su alta frecuencia, tiene la capacidad de interactuar de manera diferente con los materiales o tejidos a través de los cuales se propaga. Esta característica es aprovechada en ecocardiografía, un campo específico de la medicina que utiliza ultrasonido para estudiar la estructura y función del corazón y los grandes vasos sanguíneos. Al ser una tecnología no invasiva, la ecocardiografía permite obtener imágenes detalladas del corazón en tiempo real, proporcionando información crucial para el diagnóstico de diversas condiciones cardíacas.
El uso de ultrasonido con fines diagnósticos, sin embargo, implica la aplicación de principios físicos complejos y el manejo de equipos sofisticados. Aunque estos principios físicos son fundamentales para entender cómo funciona la ecografía, los profesionales de la salud no necesitan ser expertos en física o ingeniería para utilizar la tecnología de manera efectiva en el ámbito clínico. Es suficiente con que tengan una comprensión básica de estos principios para poder aprovechar todas las ventajas de la ecocardiografía, así como para ser conscientes de sus fortalezas y limitaciones. Esta comprensión básica es esencial para una correcta interpretación de las imágenes y la selección de las mejores técnicas para cada caso.
El objetivo principal de la ecocardiografía es proporcionar una guía clínica para los médicos, estudiantes y ecografistas interesados en la aplicación práctica de la tecnología, sin profundizar necesariamente en los detalles teóricos de la física detrás de la técnica. Si bien el dominio completo de la física y la ingeniería relacionadas con los equipos ecográficos no es obligatorio, es fundamental tener conocimientos suficientes para entender cómo se obtienen las imágenes y cómo los avances tecnológicos influyen en su calidad y precisión. Los avances más recientes en el campo de la ecocardiografía, tales como mejoras en la resolución de las imágenes, el uso de nuevos transductores y la incorporación de tecnología de análisis de imágenes en 3D, se mencionan brevemente para proporcionar al lector una idea de la constante evolución de esta tecnología.
Los ultrasonidos poseen características físicas que los hacen especialmente útiles en aplicaciones diagnósticas, particularmente en la ecocardiografía. A diferencia de las frecuencias audibles, los ultrasonidos tienen propiedades que permiten su utilización efectiva para crear imágenes del interior del cuerpo, a través de una técnica basada en la propagación de ondas sonoras de alta frecuencia.
Características de los ultrasonidos
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Dirección y enfoque: A diferencia de las ondas sonoras audibles, los ultrasonidos pueden ser dirigidos en forma de un haz y enfocados en áreas específicas del cuerpo. Esto permite concentrar la energía en una región concreta, facilitando la obtención de imágenes detalladas de estructuras internas, como el corazón y los vasos sanguíneos.
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Reflexión y refracción: Al igual que otras ondas, los ultrasonidos obedecen las leyes de la reflexión y la refracción cuando interactúan con diferentes medios. La reflexión ocurre cuando las ondas ultrasónicas se encuentran con una interfaz entre dos materiales con diferentes propiedades acústicas, como la interfase entre el tejido blando y el hueso, y se reflejan hacia el transductor para ser detectadas. La refracción, por otro lado, se produce cuando las ondas cambian de dirección al pasar de un medio a otro con diferentes densidades acústicas.
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Reflexión en objetos pequeños: Los ultrasonidos pueden detectar objetos relativamente pequeños si estos reflejan las ondas. En la ecocardiografía, esta propiedad se utiliza para identificar y diferenciar las estructuras del corazón, como las válvulas o las paredes del ventrículo, que reflejan los ultrasonidos de forma característica.
Limitaciones y comportamiento de los ultrasonidos
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Atenuación en medios gaseosos: Un gran inconveniente de los ultrasonidos es que no se propagan bien en medios gaseosos, como los pulmones. Esto se debe a que el aire tiene una densidad acústica mucho menor que los tejidos sólidos o líquidos, lo que provoca una rápida atenuación de la señal ultrasónica. Como resultado, la penetración en áreas gaseosas (como los pulmones) es limitada, y se refleja la mayor parte de la energía.
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Interacción con diferentes medios: La capacidad de penetración de los ultrasonidos depende de las propiedades acústicas del medio por el que se propagan. Los tejidos más densos o sólidos, como el hueso, tienden a reflejar una mayor parte de la energía de los ultrasonidos, lo que limita su penetración y dificulta la visualización de las estructuras detrás de ellos. En cambio, los tejidos blandos y la sangre permiten una mayor propagación de la energía ultrasónica, lo que mejora la penetración y la utilidad diagnóstica, ya que permiten obtener imágenes más claras.
Ondas longitudinales y sus características
Cuando los ultrasonidos se propagan a través de un medio, las partículas de ese medio vibran en la misma dirección en que se mueve la onda. Esta vibración produce ondas longitudinales, que son caracterizadas por zonas alternadas de compresión y expansión de las partículas del medio. En las zonas de compresión, las partículas están más densamente concentradas, mientras que en las zonas de expansión, las partículas están menos concentradas. Esta alternancia de compresión y expansión permite que la onda de ultrasonido se propague a través de los medios y sea reflejada por las interfaces entre diferentes estructuras, lo que facilita la creación de las imágenes en la ecocardiografía.
Influencia de las propiedades acústicas de los tejidos
La reflexión, la refracción y la atenuación de los ultrasonidos dependen de las propiedades acústicas de los diferentes medios que atraviesa el haz ultrasónico. Los medios sólidos, como el hueso, reflejan la mayor parte de la energía del ultrasonido, lo que impide que las ondas penetren en profundidad y dificulta la visualización de las estructuras internas que se encuentran detrás del hueso. En contraste, los tejidos más blandos y la sangre permiten que los ultrasonidos se propaguen con mayor eficacia, lo que mejora la penetración de las ondas ultrasónicas y facilita la obtención de imágenes más detalladas.
En la ecocardiografía, este fenómeno se aprovecha para visualizar las estructuras del corazón, ya que los ultrasonidos pueden atravesar los tejidos blandos, como el miocardio y los vasos sanguíneos, con mayor facilidad, mientras que se refleja parte de la energía en estructuras más densas, como las válvulas o las paredes del corazón. Esto permite obtener imágenes de alta resolución y en tiempo real del funcionamiento del corazón, lo que es esencial para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares.
La onda de ultrasonido se representa gráficamente como una onda sinusoidal, en la que los picos y los valles corresponden a las zonas de compresión y expansión, respectivamente. En un medio, cuando las ondas de ultrasonido viajan a través de él, producen pequeños cambios de presión que corresponden a estas zonas de compresión y expansión. Estos cambios de presión causan oscilaciones diminutas de las partículas del medio, pero en realidad las partículas no se desplazan de manera significativa; simplemente vibran alrededor de su posición original.
La onda sinusoidal es una representación idealizada de la propagación del ultrasonido, que permite ilustrar algunos de los principios fundamentales de la física del sonido. Sin embargo, esta representación tiene algunas limitaciones, ya que no captura todos los aspectos complejos del comportamiento real de las ondas ultrasónicas. A continuación se detallan algunos conceptos clave relacionados con la propagación de las ondas de ultrasonido.
Ciclo y Longitud de Onda
Un ciclo de ultrasonido se define como la combinación de una compresión y una expansión. La distancia entre dos puntos sucesivos que se encuentran en una fase similar de la onda (por ejemplo, entre dos picos consecutivos) se denomina longitud de onda. En el contexto de la ecografía diagnóstica, la longitud de onda en los tejidos blandos varía entre 0,15 mm y 1,5 mm, dependiendo de la frecuencia del ultrasonido.
Frecuencia y Longitud de Onda: Relación Inversa
La frecuencia de una onda es el número de ciclos (longitudes de onda) que ocurren por unidad de tiempo, generalmente expresado en hertzios (Hz) o ciclos por segundo. En las ondas ultrasónicas, la frecuencia está directamente relacionada con la longitud de onda: cuanto mayor es la frecuencia, menor es la longitud de onda, y viceversa. Esto se debe a que la frecuencia y la longitud de onda están inversamente relacionadas.
La relación entre la velocidad de propagación, la frecuencia y la longitud de onda está dada por la ecuación:
v=f×λ(Ecuacioˊn 2-1)
donde:
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v es la velocidad de la onda en el medio,
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f es la frecuencia de la onda (en ciclos por segundo o hercios, Hz),
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λ es la longitud de onda (en metros).
Velocidad de las Ondas Ultrasónicas
La velocidad de la onda de ultrasonido depende de las propiedades acústicas del medio a través del cual se propaga. Específicamente, depende de la densidad y de la rigidez del medio. La rigidez está directamente relacionada con la velocidad de propagación de la onda: a medida que la rigidez del medio aumenta (como en el caso de un hueso), la velocidad del ultrasonido también aumenta. En cambio, la densidad está inversamente relacionada con la velocidad de la onda: a mayor densidad, menor será la velocidad de propagación.
En tejidos biológicos, la velocidad del sonido se mantiene relativamente constante en 1 540 m/s (1,54 mm/μs) en los tejidos blandos, como los músculos o los vasos sanguíneos. Esta velocidad de propagación es bastante estable en el cuerpo humano, ya que la temperatura del cuerpo se mantiene dentro de un rango limitado, lo que significa que la variación por temperatura tiene poca influencia en la velocidad de propagación de los ultrasonidos.
Cálculo de la Longitud de Onda
Para determinar la longitud de onda en un medio dado, podemos usar la ecuación: .
Supongamos que estamos utilizando un transductor de ultrasonido con una frecuencia de 3,0 MHz (3 000 000 ciclos/segundo). Usando la velocidad estándar en los tejidos blandos de 1 540 m/s, podemos calcular la longitud de onda de la siguiente manera:
Por lo tanto, la longitud de onda de un ultrasonido con frecuencia de 3,0 MHz es de 0,51 mm.
Efecto de la Rigidez y la Densidad en la Velocidad de Propagación
Cuando una onda de ultrasonido pasa de un medio a otro con diferentes características, como de un tejido blando a un hueso, la velocidad de propagación cambiará. Si la onda encuentra una zona de mayor rigidez, como en el caso del hueso, la velocidad de propagación aumentará. Sin embargo, la frecuencia de la onda se mantiene constante, lo que implica que la longitud de onda también aumentará. Este cambio en la longitud de onda influye en la resolución de la imagen ecocardiográfica.
La longitud de onda tiene un efecto directo sobre la capacidad del sistema de ultrasonido para distinguir estructuras pequeñas. Cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la resolución del sistema, ya que las ondas de longitud más corta pueden reflejar objetos más pequeños con mayor precisión. Esto es esencial para obtener imágenes de alta resolución del corazón y los vasos sanguíneos en la ecocardiografía, donde la precisión y el detalle son cruciales.
La amplitud de una onda de sonido es una medida importante de su potencia. Se refiere a la diferencia entre la presión máxima dentro del medio y el valor medio de la onda, es decir, la distancia entre la línea base y los picos de la onda sinusoidal. En términos simples, la amplitud indica cuán «alta» o «baja» es la onda en relación con su valor promedio.
Amplitud y Decibelios
La amplitud de la onda se mide en decibelios (dB), que es una unidad logarítmica que se utiliza para expresar la presión acústica en comparación con un valor de referencia. La elección de la escala logarítmica es fundamental, ya que permite abarcar una amplia gama de valores de presión, desde las señales muy débiles hasta las muy fuertes, de una manera más manejable.
Por ejemplo, en esta escala logarítmica:
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Un aumento de 6 dB corresponde a un aumento del doble de la amplitud de la onda.
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Un incremento de 60 dB representa un cambio de 1 000 veces en la amplitud o la intensidad de la onda.
La escala logarítmica es ventajosa porque permite representar un rango extremadamente amplio de intensidades sonoras de forma compacta y manejable.
Potencia de la Onda
La potencia de la onda de sonido es un parámetro que está estrechamente relacionado con su amplitud. Se define como la velocidad de transferencia de energía a través del medio, es decir, la cantidad de energía que la onda transporta por unidad de tiempo. La potencia se mide en vatios (W).
En el contexto de la ecografía y la ecocardiografía, la potencia también se describe en términos de intensidad, que es la potencia distribuida sobre un área específica. Por ejemplo, la intensidad se mide en unidades de vatios por centímetro cuadrado (W/cm²), y está asociada a la superficie del haz ultrasónico. La intensidad es importante porque está relacionada con la cantidad de energía que el transductor de ultrasonido transmite al cuerpo para generar las imágenes.
Disminución de la Intensidad con la Distancia
Es crucial destacar que la intensidad disminuye a medida que la onda de ultrasonido se propaga a través del medio. Este fenómeno, conocido como atenuación, tiene importantes implicaciones en la eficacia diagnóstica de la ecocardiografía, ya que la señal ultrasónica se debilita a medida que se aleja del transductor. También tiene repercusiones en los efectos biológicos de la ecografía, que se explorarán más adelante, dado que la intensidad de la onda puede influir en la cantidad de energía depositada en los tejidos, lo que podría tener efectos térmicos o mecánicos.
Fuente y lecturas recomendadas:
- Feigenbaum, H. (2011). Feigenbaum’s echocardiography (7.ª ed.). Wolters Kluwer Health España.
- Spratt, J. D., Miner, J., & Weir, J. (2021). Weir y Abrahams. Atlas de anatomía humana por técnicas de imagen (11.ª ed.). Elsevier.
- Bowra, J. (Ed.). (2020). Ecografía fácil para medicina de urgencias (3.ª ed.). Elsevier.
