Biofísica:

EFECTO DOPPLER

Introducción:

Cuando una fuente de sonido y un oyente están en movimiento relativo, la frecuencia del sonido oída por el oyente no es la misma que la frecuencia de la fuente f0. Este fenómeno, descrito por primera vez por el científico austriaco Christian Doppler, se llama efecto Doppler

Este fenómeno fue estudiado por primera vez por el científico suizo Cristian Doppler en el siglo XX.

Concepto:

El efecto Doppler, llamado así por Christian Doppler, consiste en la variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento.

Su hipótesis fue investigada en 1845 para el caso de ondas sonoras por el científico holandés Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot, confirmando que el tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja.

Hippolyte Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en 1848. En Francia este efecto se conoce como "Efecto Doppler-Fizeau".

concepto

El efecto doppler aparece cuando un foco productor y un receptor se mueven uno respecto de otro. La frecuencia observada es diferente que la del foco cuando está en reposo: .

Todos los tipos de ondas ya sean electromagnéticas, sonoras, luminosas; experimentan el efecto doppler.

Ejemplo:

Hay ejemplos cotidianos de efecto Doppler en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación de esas ondas. La velocidad de una ambulancia (50 km/h) no es insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), por eso se aprecia claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del observador.

Ejemplo *el pitido de un tren

Cuando se ACERCA el pitido es AGUDO (f grande)

Ejemplo: *el pitido de un tren

Cuando se ACERCA el pitido es AGUDO (f grande).

Cuando se ALEJA el pitido es GRAVE ( f pequeña)

Caso: foco FIJO- observador MÓVIL

F fijo: los frentes de ondas forman círculos concéntricos

O móvil: se mueve con velocidad vO

La velocidad detectada por O:

v '= v− vO La frecuencia aparente

el observador se aleja del foco (vO positiva): f ' < f

el observador se acerca del foco (vO negativa): f ' > f

Caso: foco MÓVIL- observador FIJO

F móvil: los frentes de ondas forman círculos excéntricos

O fijo: detecta una λ diferente

La λ detectada por O:

La frecuencia aparente

el foco se aleja del observador (vF positiva): f' '< f

el foco se acerca del observador (vF positiva): f'' > f

Otros casos:

Foco FIJO- observador MÓVIL: Frecuencia aparente

O se aleja (vO positiva): f '< f

O se acerca (vO negativa): f ' > f

Foco MÓVIL- observador FIJO: Frecuencia aparente

F se aleja (vF positiva): f ''< f

F se acerca (vF negativa): f '' > f

APLICACIONES DEL EFECTO DOPPLER

Entre muchas aplicaciones, caben destacar las siguientes:

El radar

Una de sus aplicaciones más importantes es la del radar (sistema electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de la vista y determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos ondas de radio.) El radar Doppler, que se utiliza a menudo para medir la velocidad de objetos como un coche o una pelota, transmite con una frecuencia constante. Las señales reflejadas por objetos en movimiento respecto a la antena presentarán distintas frecuencias a causa del efecto Doppler.

La ecocardiografía

El efecto Doppler ha adquirido en los últimos años una extraordinaria importancia en el estudio morfológico y funcional cardíaco tanto en sujetos sanos como en aquellos con enfermedades cardíacas.

Esto se debe a que esta técnica, que está basada en la emisión y recepción de ultrasonidos, presenta considerables ventajas respecto a otros procedimientos diagnósticos.

Los ultrasonidos son ondas sonoras de muy alta frecuencia que avanzan según los principios de las ondas mecánicas, es decir, sufren fenómenos de atenuación, dispersión y reflexión ("rebote") dependiendo de las propiedades físicas de las estructuras que encuentran a su paso. Un aspecto esencial de esta técnica es que es inocua.

Hasta la fecha no se conocen efectos nocivos sobre el organismo de la aplicación de ultrasonidos dentro del rango de frecuencias utilizado para el diagnóstico ecográfico. 

 

Astrofísica

El efecto Doppler, ha permitido numerosos avances en astrofísica, por ejemplo para determinar la estructura de las galaxias y la presencia de materia oscura, el estudio de estrellas dobles o para medir los movimientos de las estrellas y de las galaxias.

Esto último, por decirlo de alguna forma, se consigue observando el color de las galaxias y cuerpos estelares, pues la luz, al igual que el sonido, es una onda cuya frecuencia a la que la percibimos puede variar en función del movimiento:

ECOGRAFIA DOPPLER

La ecografía doppler o simplemente eco-Doppler, es una variedad de la ecografíatradicional, basada por tanto en el empleo de

ultrasonidos, en la que aprovechando elefecto Doppler, es posible visualizar las ondas

de velocidad del flujo que atraviesa ciertasestructuras del cuerpo, por lo general vasos sanguíneos, y que son inaccesibles a la visión

directa.

La técnica permite determinar si el flujo se dirige hacia la sonda o si se aleja de ella, así como la velocidad de dicho flujo. Mediante el cálculo de la variación en la frecuencia del volumen de una muestra en particular, por ejemplo, el de un flujo de sangre en una válvula del corazón, se puede determinar y visualizar su velocidad y dirección.

La impresión de una ecografía tradicional combinada con una ecografía Doppler se conoce como ecografía dúplex.

La sonografía Dúplex es un examen para ver la forma como se desplaza la sangre a través de las arterias y las venas.

La frecuencia Doppler cae en el rango audible y puede escucharse utilizando altavoces estéreo, produciendo un sonido pulsátil distintivo. 

Utilizando el efecto Doppler, la ecografía Doppler estudia el cambio en la frecuencia recibida desde un receptor fijo, en relación a una fuente emisora en movimiento acoplado a ultrasonido (vibraciones en el rango >20 KHz) con una frecuencia determinada (Fe), desde un transductor hacia una columna de partículas sanguíneas en movimiento, permite conocer ondas de velocidad de flujo de un vaso determinado.

La diferencia entre la frecuencia emitida y la reflejada se llama frecuencia Doppler (Fd), proporcional a la velocidad de flujo sanguíneo (Vsang) y expresada en la fórmula:

 

Donde el cos α representa el ángulo de insonación y la frecuencia Doppler es equivalente a la velocidad de ultrasonido (Vultra):

 

V x Cos a = Vsang

Fd = 2Fe x V x Cos a = V ultra

El Doppler color Es esencialmente, el sistema computacional incorporado a la máquina de ultrasonido. Este asigna unidades de color, dependiendo de la velocidad y dirección del flujo sanguíneo. Por convención, se ha asignado el color rojo para el flujo hacia el transductor y el azul para aquel que se aleja.

Doppler pulsadoLa mayoría de los dispositivos modernos usan la ecografía Doppler pulsátil, produciendo un Doppler con flujo en color, para medir flujos en el centro o en la periferia de un vaso sanguíneo. Los dispositivos de ondas pulsadas transmiten y reciben una serie de impulsos, por lo general recibiendo la información antes de enviar el siguiente impulso. El cambio de frecuencia de cada pulso se ignora, sin embargo los cambios de fase relativa de los pulsos se utilizan para obtener el cambio de frecuencia, puesto que la frecuencia es la tasa de cambio de dicha fase.

VENTAJAS DEL DOPPLER PULSÁTIL :Es que se obtiene información de la distancia (el tiempo entre la transmisión y recepción de los impulsos puede ser convertida en una distancia sabiendo la velocidad del sonido).

DESVENTAJAS DEL DOPPLER PULSÁTIL :

Es que las mediciones pueden sufrir de aliasing (es el efecto que causa que señales continuas distintas se tornen indistinguibles cuando se muestrean digitalmente.)

Doppler continuoLos dispositivos de ondas continuas transmiten un haz de ultrasonido continuo, de manera que la trasmisión del sonido y recepción de la información ocurren simultáneamente en el transductor. Aunque la ecografía de onda continua permite determinar la dirección del flujo estudiado, tiene la limitación de no poder determinar la profundidad a la que ocurre el movimiento.

Figura. 2.20 El tansductor tiene dos cristales funcionando simultáneamente, uno como receptor y otro como emisor.

Tipos de ecografía

Ecografía bidimensional o 2DEs la modalidad que se utiliza habitualmente. Los ecos rebotados por las estructuras que atraviesa el haz de ultrasonidos son visualizados como múltiples imágenes secuenciales en escala de grises.

Ecografía Doppler pulsado También sirve para estudiar vasos sanguíneos y el corazón. Se recoge en forma de gráfica el patrón de flujo que existe en un vaso sanguíneo o en una cavidad cardiaca y se compara con patrones de normalidad.

Ecografía tridimensional o 3DSe basa en la adquisición muy rápida y secuencial de múltiples planos de ecografía 2D. Con todos estos planos se forma un bloque (volumen) que se almacena. El especialista puede trabajar posteriormente con el material, ya sin la paciente delante. Así, se puede volver a descomponer dicho bloque en los tres planos del espacio, permitiéndonos "navegar" a su través para estudiar las diferentes estructuras.

APLICACIONES El eco-Doppler tiene particular utilidad en los estudios cardiovasculares (ecografía del sistema vascular y del corazón) y es esencial en muchas áreas, tales como la determinación del flujo invertido de sangre en los vasos del hígado en casos de hipertensión portal.

El eco-Doppler también se usa para la determinación del riesgo de preeclampsia en mujeres embarazadas y es la mejor prueba para el diagnóstico no invasivo de anemia fetal.

La ecografía Doppler de un brazo o de una pierna estudia el flujo sanguíneo en las arterias y venas grandes en brazos y piernas.

¿Cómo se hace la ecografía-doppler?