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APUNTE 01A

EL ULTRASONIDO EN CIENCIAS DE LA SALUD I. DEFINICIN Y CARACTERSTICAS

Casi todos nosotros tenemos una idea de lo que es el sonido debido a nuestra capacidad de or. Sin embargo, una definicin familiar como es la sensacin percibida por el sentido del odo es muy limitada a la hora de describir el ultrasonido. Esto se debe a que se utilizan frecuencias muy superiores a las que el odo puede percibir.

Una definicin ms general como es la energa mecnica trasmitida por ondas de presin en un medio material abarca todos los tipos de sonido: ondas ssmicas de baja frecuencia, sonido audible y ultrasonido.

Analizando esta frase con ms detalle podemos ver que el sonido es una forma de energa, energa es la capacidad de realizar trabajo, ya sea moviendo un objeto, calentando una habitacin o iluminndola elctricamente. Cuando el sonido viaja de una regin a la otra transporta energa esto es, puede dar lugar a un desplazamiento hacia delante y hacia atrs de las molculas que encuentra en su camino (es una onda longitudinal).

Se dice que la energa sonora es mecnica en el sentido de que existe en forma de movimientos fsicos de las molculas y partculas del medio. Esto distingue al sonido de otras clases de energa como la electromagntica que no necesita de un medio material para propagarse. Las ondas de sonido no pueden viajar a travs del vaco como en el espacio exterior o en cualquier cmara de vaco pues no existe partculas ni molculas para poder propagarse.

El sonido es una onda, y como tal se puede caracterizar por: su frecuencia (o la inversa que es la longitud de onda y su velocidad de propagacin v.

La frecuencia del ultrasonido

Los ultrasonidos son sonidos de frecuencia superior a la del sonido audible. Los sonidos audibles se extienden de los 20 a los 20.000Hz. Esta alta frecuencia es la que da al ultrasonido la capacidad de ser utilizado en diagnstico (ecografas), en teraputica y en odontologa.

En ecografa diagnstica, al aumentar la frecuencia aumenta la resolucin axial (capacidad de distinguir dos puntos consecutivos en la direccin de propagacin de la onda). Sin embargo, cuando el ultrasonido penetra en tejidos blandos se atena (la onda se amortigua al llegar a los tejidos ms profundos), cuanto ms alta es la frecuencia empleada mayor es la atenuacin. Es por eso que la frecuencia de trabajo empleada en ecografa diagnstica oscila entre los 3 y los 10MHz. La velocidad de propagacin

Una caracterstica importante de las ondas es que se propagan por diferentes medios: gases, lquidos o slidos. Al cambiar de medio la onda cambia su velocidad de propagacin y su longitud de onda de acuerdo a la ecuacin = v / de forma tal que la frecuencia se mantenga siempre constante.

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La velocidad de propagacin de una onda depende de la compresibilidad del medio y de la densidad del mismo, dicha relacin se expresa de la forma

De modo que cuanto ms denso es el medio, menor es la velocidad de propagacin de la onda y cuanto menos compresible es, mayor es la velocidad de propagacin. Por ejemplo, es claro que el agua es ms densa que el aire, sin embargo el aire es mucho ms compresible que el agua, eso determina que la velocidad de propagacin del sonido en el agua sea mucho mayor que en el aire. II. ECOGRAFA DIAGNSTICA La impedancia acstica

Cuando el sonido penetra en un medio, el mismo ejerce una resistencia a la propagacin de la onda. Esta propiedad se denomina impedancia acstica Z y es la base de la utilizacin del ultrasonido en ecografa diagnstica.

La impedancia Z depende de densidad del medio y de la velocidad de la onda que lo atraviesa de la forma

Valores de inters para la Z son Zcuarzo =1.500.000g/cm2.s Zhueso del crneo =780.000g/cm2.s Zagua =150.000g/cm2.s Zaire =43g/cm2.s

As como los sonidos audibles pueden rodear un obstculo por difraccin, los ultrasonidos,

por su elevada frecuencia, poseen un alto grado de directividad, tanto mas elevado cuanto mayor es su frecuencia. La direccionalidad del ultrasonido hace que se den los fenmenos de reflexin y trasmisin, en especial a nivel de las interfases, donde desempea un papel importante el valor de las impedancias acsticas de cada uno de los dos medios.

El valor del coeficiente de reflexin R se ha definido como

y relaciona las intensidades de los haces incidente y reflejado. Observe que su valor depende de la diferencia de impedancia acstica entre dos medios, cuanto mayor es el coeficiente de reflexin mayor ser la proporcin de energa en la onda reflejada.

1 v

vZ

2

1 2

1 2

R Z ZZ Z

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Los cabezales de los aparatos utilizados en ecografa diagnstica estn constituidos por cuarzo o cermicas con propiedades especiales (esto se ver ms adelante). Si se calcula R segn los valores de impedancia acstica antes indicados, se puede ver que si el ultrasonido producido por el cuarzo se hace pasar directamente al aire (interfase cuarzo-aire), la reflexin en la superficie limitante R es prcticamente 1, tal que casi la totalidad del ultrasonido se refleja al interior del cabezal, pasando solo una porcin nfima al aire. En cambio, en el paso cuarzo-agua (o partes blandas) ya se trasmite un 33% de la energa producida (R

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recogida por el cabezal ultrasnico ser t = 2L/v, por lo tanto midiendo el valor de t ser posible reconocer L. La velocidad de propagacin de la onda v en tejidos blandos se promedia en 1540m/s.

Como el efecto piezoelctrico es reversible1, el mismo transductor que acta como emisor de ultrasonidos sirve como receptor de la onda reflejada, dando lugar en l a una corriente elctrica que luego es decodificada por una computadora. Por ese motivo, el ultrasonido se aplica en trenes de pulsos de ondas de duracin 0 separados entre si un tiempo T (figura 2). El tiempo T que separa la produccin de dos pulsos en el transductor piezoelctrico debe ser mayor que t para evitar interferencias entre las ondas incidentes y las reflejadas, y, adems, para asegurar que, cuando la onda reflejada llegue al transductor, ste se encuentre en situacin de escucha o sea en situacin apropiada para recoger eco.

Si en la expresin que vincula el tiempo de recorrido con la distancia a la interfase, se reemplaza L por el valor mximo que puede ocupar en el cuerpo humano (unos 40cm) y v por el valor promedio de la velocidad del ultrasonido en tejidos orgnicos, se obtendr un valor del orden de 0,5ms. De acuerdo con ello, los generadores utilizados en ecografa suelen emitir pulsos de una duracin aproximada de o=1s separados por pausas de T=1ms. Es decir que en un estudio ecogrfico de 20 minutos de duracin (1200seg), el organismo recibe ultrasonido solamente durante 1,2seg. Esto justificara que la ecografa diagnstica sea considerada una tcnica inocua en el diagnstico prenatal. La Ecografa Bidimensional

Primeramente expondremos los fundamentos de la ecografa unidimensional (o de amplitud) que aunque no se utilice en la actualidad, es la base para entender la tcnica de la ecografa bidimensional.

En la ecografa de amplitud el emisor ultrasnico permanece fijo, tal como lo indica la figura 3. El pulso emitido por el transductor se refleja parcialmente en distintas interfases A, B, C y D. Como el haz ultrasnico que incide en esas interfases posee cada vez menor intensidad (por incidir a mayor profundidad), los pulsos reflejados tienen tambin, a igualdad de otros factores, intensidades sucesivamente menores. Para eliminar este artefacto las unidades de ultrasonido disponen de dispositivos de correccin automtica (compensadores en ganancia).

Los pulsos reflejados procedentes de la incidencia del haz en B (ubicado en xB) y en C (ubicado en xC) se reciben en el transductor con retrasos respecto a la emisin dados por

tB=2xB/v y tC=2xC/v

Cada pulso reflejado recibido por el transductor da lugar a un pulso de tensin elctrica de amplitud proporcional a la intensidad del pulso sonoro recibido. La altura de dichos pulsos es proporcional a la intensidad de los pulsos recibidos, y las distancias entre los mismos es proporcional a las distancias entre las superficies reflectantes.

La ecografa de amplitud slo proporciona informacin unidimensional (sobre una lnea) de las estructuras encontradas por el haz. Dicha informacin consiste en:

a) la profundidad (distancia a la piel) de las estructuras a que devuelven los ecos b) las distancias entre las distintas superficies internas que devuelven ecos c) la intensidad de la reflexin del haz ultrasonoro, manifestada por la amplitud de la seal, que

en combinacin con otros parmetros puede dar informacin sobre la naturaleza de dichas estructuras.

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En la ecografa bidimensional o de scan la imagen se obtiene segn el siguiente proceso: a) Cada imagen est formada por una gran cantidad de lneas contiguas de ecografa

unidimensional (figura 4), que el cabezal va explorando sucesivamente realizado un barrido progresivo de la zona dando lugar a la imagen caracterstica de las ecografas (en forma de tringulo).

b) En cada una de esas lneas elementales, la intensidad del eco recibido procedente de puntos situados a distintas profundidades se representa con una intensidad de brillo correspondiente a la intensidad del eco recibido. Los puntos estn situados a la distancia del transductor correspondiente a su situacin anatmica.

c) De este modo, la representacin en contigidad del conjunto de lneas que se generaron durante el barrido (cada una de ellas con puntos de mayor o menor intensidad de brillo) proporciona una imagen de la seccin orgnica estudiada que representa el comportamiento de las diversas estructuras respecto del haz ultrasnico.

Ecografa Doppler

Si el haz de ultrasonido se refleja en una superficie inmvil, la frecuencia del haz reflejado es igual a la del incidente. Pero si la superficie se mueve, la frecuencia del ultrasonido reflejado sufre una variacin: aumenta cuando el objeto se acerca y diminuye cuando se aleja. La frecuencia Doppler es la diferencia de frecuencia entre el haz incidente y el reflejado en forma de ecos. Esta diferencia slo se detecta si la direccin del haz de ultrasonido no es perpendicular a la direccin de movimiento del cuerpo reflector.

El efecto Doppler se utiliza para medir la velocidad de la sangre en los vasos sanguneos mediante la emisin de un haz ultrasnico que se refleja en los glbulos rojos de la sangre. El ultrasonido que se refleja en los glbulos rojos que se acercan al detector experimenta un corrimiento en frecuencia > 0, y si se alejan, un corrimiento 0.

La representacin grfica del flujo sanguneo se realiza mediante la superposicin de una imagen codificada de velocidades en colores y una imagen ecogrfica en blanco y negro (figura 5). El flujo que se dirige hacia el transductor se representa en rojo (> 0) y el que se aleja en color azul (< 0), el grado de turbulencia del flujo se codifica en distintos tonos que van del amarillo al verde o naranja. III. ACCIN DEL ULTRASONIDO SOBRE TEJIDOS ORGNICOS

En la absorcin de los ultrasonidos por el organismo, se producen efectos mecnicos, trmicos y qumicos, en relacin a la intensidad absorbida. De ah su distinta importancia en el diagnstico (donde habr que minimizarlos) y en teraputica (donde habr que emplearlos muchas veces con potencias muy elevadas).

El efecto ms importante en la absorcin ultrasnica es el mecnico. Las partculas de un medio sometido a un haz ultrasnico describen vibraciones de pequea amplitud y alta frecuencia, que en los tejidos orgnicos actan como un micromasaje. Asimismo, cuando el ultrasonido acta sobre un lquido se produce el fenmeno mecnico de cavitacin.2

La energa mecnica adquirida por las partculas vibrantes acaba degradndose como consecuencia del rozamiento y la viscosidad del medio, transformndose en calor. Por tanto, con el ultrasonido aparecen efectos trmicos, de gran inters en las aplicaciones teraputicas.

Los ultrasonidos poseen un efecto qumico que deriva de la accin conjunta del efecto mecnico y el trmico. Se puede producir rotura de macromolculas y emulsin se sustancias inmiscibles (como el agua y el aceite) por su accin de agitacin microscpica de gran potencia.

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IV. ULTRASONIDO EN TERAPUTICA La intensidad del haz de ultrasonido aplicado a un medio decrece en profundidad debido a

dos factores: la reflexin y la absorcin. El fenmeno de reflexin se utiliza con fines diagnsticos (ecografas) y la absorcin con fines teraputicos. Como se expuso en la seccin anterior, el ultrasonido tiene bsicamente efectos trmicos y mecnicos (micromasaje) sobre los tejidos biolgicos. El uso teraputico de los ultrasonidos comenz aproximadamente en el ao 1940 con fines analgsicos y antiinflamatorios, actualmente sigue teniendo gran vigencia tambin como vasodilatador y agente capaz de aumentar el metabolismo local.

La prdida de energa en profundidad del haz de ultrasonidos depende de su frecuencia, de la naturaleza de los tejidos irradiados y de la intensidad aplicada. Se define como capa hemirreductora la profundidad a la que la intensidad inicial aplicada se reduce a la mitad. En teraputica se utiliza un abanico de frecuencias segn la profundidad de la regin que se desee tratar. Para el tejido graso, esta capa hemirreductora es con frecuencias de 1MHz de 50 mm y para una frecuencia de 3MHz de 16mm. La consecuencia prctica, tanto en aplicaciones diagnsticas como teraputicas, es que para aplicaciones superficiales se emplean ultrasonidos de frecuencias elevadas (ej.: 3MHz) y para aplicaciones profundas, ultrasonidos de baja frecuencia (1MHz).

Tambin es posible aplicar ultrasonidos en forma continua o pulsada. Su eleccin depende de la respuesta que desee obtenerse de los tejidos.

La forma continua consiste en la produccin constante de ultrasonidos por parte del transductor. El operador mueve lenta y suavemente el transductor sobre la superficie de la piel y va cambiando su direccin para hacer llegar la energa de la manera ms homognea posible a la zona que hay que tratar. Este sistema es el ms efectivo para elevar la temperatura y aprovechar as los efectos trmicos.

En la forma pulsada el ultrasonido sale intermitentemente permitiendo la disipacin del calor durante el tiempo que transcurre entre pulso y pulso. Esta modalidad minimiza los efectos trmicos y es habitualmente empleada para tratar procesos agudos.

V. ULTRASONIDO EN ODONTOLOGA

Desde la dcada de los aos 50, se han diseado diferentes dispositivos snicos y ultrasnicos para distintas aplicaciones odontolgicas. En la actualidad el uso del ultrasonido tiene especial importancia en periodoncia y endodoncia.

En periodoncia, los elementos ultrasnicos son usados para la eliminacin de la placa, los

depsitos mayores de sarro y las pigmentaciones. Las unidades que se utilizan estn compuestas de un generador que entrega energa en forma de vibraciones de alta frecuencia (25.000 a 42.000 Hz) a una pieza de mano, en la que pueden insertarse una diversidad de puntas especialmente diseadas. Para disipar el calor que generan las vibraciones ultrasnicas, cuentan con un sistema de enfriamiento incorporado: se hace circular agua o solucin fisiolgica a travs de la pieza de mano, que sale como un roco muy fino en el extremo de la punta. La eliminacin de la placa y del sarro mediante la instrumentacin ultrasnica se logra por:

La vibracin del instrumento: Cuando la punta se pone en contacto con el sarro, la energa vibrante es transmitida al depsito, haciendo que este se fracture y sea desalojado de la superficie dentaria.

El rociado y el efecto de cavitacin2 del lquido refrigerante.

En endodoncia, la instrumentacin ultrasnica del sistema de conductos radiculares favorece su limpieza. La energa acstica generada (vibraciones de 20.000 a 50.000 Hz) es transmitida a una lima que se aplica dentro del canal radicular junto con un agente irrigante como el hipoclorito de

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sodio (NaClO), produciendo los efectos de cavitacin2 y microcorriente acstica3. Ambos fenmenos, van a producir la remocin de los detritos y de la capa de desecho dentinario de la superficie del conducto, as como la potenciacin de la accin antimicrobiana del agente irrigante utilizado. Otras aplicaciones del ultrasonido en endodoncia son: retiro de restauraciones definitivas, retiro de instrumentos fracturados y eliminacin de calcificaciones radiculares.

Los dispositivos utilizados para la generacin de ultrasonido en el campo de la Odontologa funcionan por medio de osciladores magnetoestrictivos4 y piezoelctricos1. Algunas definiciones:

1Efecto piezoelctrico: Es un fenmeno fsico por el cual aparece una diferencia de potencial elctrico entre las caras de determinados cristales cuando son sometidos a una presin mecnica. Cuando se comprime uno de estos cristales, una de sus caras queda cargada positivamente y la otra negativamente. Al contrario, si el cristal se tracciona, tambin aparecen cargas elctricas superficiales en ambas caras, si bien de polaridad opuesta a la anterior. El efecto funciona tambin a la inversa, ya que, si se aplican cargas elctricas de distinto signo a ambas caras del cristal, se consigue su compresin o su dilatacin. Y si la aplicacin de estas cargas es alternativa, mediante una corriente alterna, se producen dilataciones y compresiones del cristal (es decir, vibraciones mecnicas) con la misma frecuencia que la corriente aplicada. Por lo tanto, estos cristales actan como transductores en dos sentidos: transformando las presiones recibidas en cargas elctricas y, a la inversa, las cargas elctricas aplicadas a su superficie en vibraciones Para la produccin de ultrasonido se utilizan generalmente cristales de cuarzo, sal de Rochelle y Turmalina.

2Cavitacin: Las partculas sometidas a la accin de los ultrasonidos estn sujetas a fuertes presiones y depresiones. Cuando el ultrasonido acta sobre un lquido, las oscilaciones son transmitidas a ste, lo que produce que haya un incremento local (compresin) y una reduccin (rarefaccin) en su presin. Durante la fase de rarefaccin, los valores de presin en ciertos puntos pueden ser tan bajos que llegan a provocar la evaporacin espontnea del lquido dando lugar a la formacin de burbujas. Durante la fase de compresin, estas burbujas colapsan generando ondas de choque. Este fenmeno de formacin y colapsamiento de burbujas en un lquido debido al ultrasonido se denomina cavitacin y se produce aunque el lquido est totalmente desgasificado, ya que el gas de las burbujas est compuesto por las propias molculas del lquido.

El efecto de pseudocavitacin tambin se caracteriza por la formacin de burbujas en el seno de un lquido sometido a la accin del ultrasonido. Sin embargo, a diferencia de la cavitacin verdadera que describimos anteriormente, estas burbujas provienen de gases disueltos en el lquido y no de las propias molculas del lquido. Las vibraciones ultrasnicas favorecen la puesta en contacto de las molculas de estos gases, facilitando su escape del lquido y provocando, por tanto, una desgasificacin.

3Microcorriente acstica: Cuando una lima endodntica activada por ultrasonido se sumerge en un lquido, se forman patrones de oscilacin en el fluido circundante provocando una circulacin del mismo alrededor de la lima que se conoce como microcorriente acstica. Dado que se trata de una corriente en remolino, donde se crea un gradiente de velocidad, se producen fuerzas que pueden ocasionar daos en materiales biolgicos que entren en el rea de la corriente.

4Efecto magnetoestrictivo: Fenmeno consistente en un aumento de volumen que experimentan ciertos cuerpos al hallarse sometidos a la accin de un campo magntico. La magnetoestriccin se debe a la aparicin de polos en la superficie de cuerpos imantados. Como los mismos se hallan sujetos a las atracciones o repulsiones magnticas su masa se contrae o se dilata. Inversamente, las contracciones o dilataciones mecnicas del cuerpo provocan variaciones en su imantacin. Estas propiedades se aprovechan para producir y detectar ondas sonoras: con una bobina alimentada en

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corriente de alta frecuencia, se imanta cclicamente una barrita de nquel. Sometido alternativamente a rapidsimas contracciones y dilataciones el nquel transmite al aire sus vibraciones elsticas que, debido a su elevada frecuencia, son inaudibles.

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