Los ultrasonidos son una serie de ondas mecánicas, generalmente longitudinales, cuya frecuencia está por encima de la capacidad de audición del oído humano. El ultrasonido no tiene propiedades diferentes de las ondas audibles, excepto que los humanos no pueden oírlas. El límite varía dependiendo de la persona y es de unos 20 kHz en jóvenes de menos de 18 años aproximadamente. Los equipos de ultrasonido operan con frecuencias más elevadas de 20 kHz aunque la mayoría de los transductores actuales operan a frecuencias mucho más altas (MHz).
miniaturadeimagen|Rango de frecuencias y sus aplicaciones|385x385px Este tipo de ondas se usa en diferentes campos, siendo el más común la medicina en su rama diagnóstica y terapéutica, así como en la industria. Los equipos de ultrasonido se utilizan para detectar objetos o medir distancias.
Cabe destacar que la técnica más corriente en medicina que emplea los ultrasonidos es la ecografía. Son ensayos no destructivos de productos y estructuras para encontrar fallas invisibles. En la industria se usa para limpiar, soldar plásticos y metales, cortar, conformar, comprobar materiales, mezclar, desgasificar, pulverizar, localizar, medir y acelerar procesos químicos. Por otro lado, animales como los murciélagos y los cetáceos lo utilizan para encontrar a sus presas y detectar obstáculos.
Historia Partimos del principio de que el ultrasonido (US) no es un invento, sino un evento físico natural que puede ser provocado por el hombre. Las aplicaciones que hoy tiene no son más que la suma de varios experimentos llevados a cabo a lo largo de la historia.
En el , el biólogo italiano Lazzaro Spallanzani descubrió en el año 1700 la existencia de estas ondas sonoras, observando cómo los murciélagos atrapaban sus presas. miniaturadeimagen|Silbato de Galton, primer aparato emisor de ultrasonidos En la primera mitad del (1803-1899), el físico y matemático austriaco Christian Andreas Doppler dio a conocer su trabajo sobre el "Efecto Doppler", el cual consistía en observar ciertas propiedades de la luz en movimiento, que eran aplicables a las ondas del ultrasonido. miniaturadeimagen|Zumbador piezoeléctrico El supone el inicio del conocimiento del ultrasonido a partir del silbato de Galton y del diapasón, que eran capaces de producirlo; aunque sólo se producían a muy bajas frecuencias, eran suficientes para comprobar las distintas barreras existentes en el oído entre el hombre y los animales. A finales de siglo, se detecta en Francia este tipo de ondas y se empiezan a hacer numerosas investigaciones sobre sus usos. Como consecuencia, a principios del el físico francés Paul Langevin y el Dr. C. Chilowsky lograron desarrollar el primer generador ultrasónico por medio de un piezoeléctrico.
A comienzos del , se realiza una de las primeras aplicaciones en el área de la marina, después de que el físico francés Paul Langevin inventara el Sonar, en el cual se basó el posterior desarrollo de los equipos usados en la aviación y luego en medicina terapéutica y diagnóstica.
En 1924 el científico ruso S. Y. Sokolov propuso el uso del ultrasonido como mecanismo válido para la inspección industrial, particularmente para la búsqueda de defectos.
Al término de la Segunda Guerra Mundial, investigadores japoneses, americanos y europeos empezaron a desarrollar los primeros prototipos de diagnóstico por ultrasonido en medicina, primero en modo Analogue y posteriormente en modo Bright con imagen analógica.
Es al principio de la década de los años 70 cuando se introduce el “scan converter“ con el que se logran las primeras imágenes de la anatomía en escala de grises. Años más tarde, se agregan los microprocesadores controlados, lo que permite obtener imágenes en tiempo real de alta resolución; esto supuso la aceleración de pruebas diagnósticas y una fantástica aceptación clínica.
Percepción miniaturadeimagen|Resultado de prueba de ultrasonidos de origen médico, en papel
Humanos El límite superior de frecuencia en humanos (aproximadamente 20 kHz) se debe a limitaciones del oído medio. La sensación auditiva puede ocurrir si la ecografía de alta intensidad alimenta directamente al cráneo humano y llega a la cóclea a través de la conducción ósea, sin pasar por el oído medio.
Los niños pueden escuchar algunos sonidos agudos que los adultos no pueden percibir, ya que en los humanos el tono límite superior de la audición tiende a disminuir con la edad. Una compañía estadounidense de teléfonos móviles utilizó este principio para crear señales de llamada telefónica que supuestamente sólo eran audibles para personas más jóvenes, pero muchas personas mayores podían percibirlas, lo que se debía a la considerable variación del deterioro relacionado con la edad en la audición superior límite. El Mosquito es un dispositivo electrónico que utiliza una frecuencia de tono elevado para disuadir a los jóvenes de merodear.
miniaturadeimagen|Animales ecolocantes
Animales Algunas especies como ciertos insectos y mamíferos (los delfines y los murciélagos) lo utilizan de forma parecida a un radar para su orientación; a este fenómeno se lo conoce como ecolocalización. Se sabe que las ondas emitidas por estos animales son tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, permitiéndoles crear una “imagen” de lo que está a su alrededor para poder orientarse fácilmente.
De igual manera, los aparatos emisores de ultrasonidos son empleados con frecuencia como métodos anti-plagas con el fin de espantar roedores e insectos.
Principio
Física El ultrasonido se define como una serie de ondas mecánicas, generalmente longitudinales originadas por la vibración de un cuerpo elástico (cristal piezoeléctrico) y propagadas por un medio material (tejidos y órganos corporales) con una frecuencia que supera la del sonido audible por el humano, superior a 20kHz. La frecuencia de este consiste en el número de ciclos o cambios de presión que ocurren por segundo la cual se cuantifica en ciclos por segundo o hercio.
Las características del ultrasonido son: Frecuencia: determinada por la fuente emisora del sonido y por el medio atravesado. En medicina, con fines de diagnóstico, se emplean frecuencias entre 2 y 30MHz. Velocidad de propagación: varía en función de la densidad y la compresibilidad del material. Es decir, las moléculas en los tejidos más comprensibles estarán muy separadas por lo que su transmisión es más lenta. Interacción con la materia, mediante estimulación de moléculas que transmiten energía entre ellas al interactuar. Longitud de onda. Al atravesar un tejido sucede la reflexión de haces ultrasónicos hacia un transductor, llamado "eco". Impedancia acústica. Provee evidencia de la identidad de diferentes materias o tejidos que se atraviesan de un medio a otro. esto da lugar a una interfase entre estos materiales. Ángulo de incidencia. La intensidad con la que el haz de US se refleja dependerá del ángulo. Esta técnica requiere de un ángulo exacto para una correcta detección por la fuente receptora. Atenuación Frecuencia de repetición de pulsos
Al exponer tejidos vivos a ultrasonidos, éstos van a experimentar los siguientes procesos:
Atenuación: Las ondas sonoras dentro de un material sufren atenuación y por ello nos es imporsible percibirlas con la misma intensidad. Refracción: Dependiendo de la interfaz atravesada, la dirección de la onda sonora refractada dependerá de la orientación de la interfaz respecto a la incidente (ley de Snell) Dispersión o Scattering: Parte de las ondas sonoras al encontrarse con una interfaz se reflejan en todas direcciones. Proporciona ruido y artefactos en las imágenes (efectos indeseados) Reflexión: Parte de las ondas sonoras al encontrarse con una interfaz se reflejan con un ángulo similar al incidente. Fenómeno proporcionado por el eco.
Desde aquí, para imagen diagnóstica, el efecto más importante es la reflexión.
Formación de imagen miniaturadeimagen|282x282px|Detección de evento en materia por emisión de US La microscopía acústica es la técnica de usar ondas de sonido para visualizar estructuras demasiado pequeñas para ser resueltas por el ojo humano. Se utilizan frecuencias de hasta varios gigahercios en microscopios acústicos. La reflexión y la difracción de las ondas sonoras de las estructuras microscópicas pueden proporcionar información no disponible con luz.
Los pasos siguientes son los esenciales para obtener una imagen de estos pulsos de ondas ultrasónicas:
Paso 1: Emisión de un pulso de onda miniaturadeimagen|218x218px|Inspección ultrasónica a 45° Paso 2: Medición del tiempo y de la intensidad del eco
El eco acústico se produce entre dos materias con diferentes propiedades acústicas. Se producirá menos eco para materias de menor coeficiente de reflexión (es decir, agua, grasa, tejidos blandos...)
Paso 3: Reconstrucción mediante empleo de velocidad propagación de onda conocida
Las imágenes obtenidas serán diferentes en función del coeficiente de atenuación de la materia atravesada.
Resolución de los ultrasonidos Los materiales más densos tienen mayores enlaces atómicos, lo que ralentiza la velocidad de propagación del sonido.
La longitud de onda determina la resolución mínima del instrumento, que determina el detalle más fino que se puede detectar:
La resolución permite así entender el tamaño de un tejido de distinta densidad en función de la sensibilidad del instrumento de detección. Esta incrementa en función de la frecuencia y su poder de penetración decrece con la frecuencia.
+Balance de elección del métodoProsContrasRápidoBaja resoluciónBaratoImagen ruidosa y de difícil interpretaciónSeguroBajo poder de penetraciónVídeo en tiempo real en hasta 4D (más fácil interpretación que imágenes)A mucha densidad de un material absorbe demasiados US. En consecuencia, imágenes poco fiables miniaturadeimagen|301x301px|Dispositivo de ultrasonido
El dispositivo de ultrasonidos El dispositivo de ultrasonido básico consta de las siguientes partes:
Sonda del transductor Sonda que envía y recibe ondas de sonido utilizando el efecto piezoeléctrico (recibe los ecos) En la sonda hay uno o más cristales de cuarzo llamados cristales piezoeléctricos. Cuando se aplica una corriente eléctrica a estos cristales, cambian de forma rápidamente. Los rápidos cambios de forma, o vibraciones, de los cristales producen ondas de sonido. Cuando las ondas de sonido golpean los cristales, estos emiten corriente eléctrica a su vez. De este modo, se pueden usar para emitir y recibir ondas de sonido.
Es importante destacar que estas ondas de US se producen en pulsos debido a que los cristales se usan de forma dual. En el tiempo entre la emisión y la recepción de estos pulsos, las ondas atraviesan el tejido o materia, para después los ecos producidos deformen los cristales y producir la señal eléctrica a interpretar como imagen en el monitor.
Importante: La sonda tiene una sustancia absorbente de sonido para eliminar reflejos de la sonda y una lente acústica para ayudar a enfocar las ondas de sonido emitidas.
Además, existen distintos tipos de sondas: lineales o por sectores.Esta clasificación se debe a la disposición de los cristales (matriz) y la forma del campo de imagen producido en el monitor.
La cantidad de elementos de cristal y la forma de la sonda determina su campo de visión y la frecuencia de las ondas emitidas: determina capacidad de penetración y resolución de imagen. Como ejemplo, las sondas de elementos múltiples, cada cristal tiene su propio circuito lo que permite dar dirección al haz de luz y cambiar su sincronización. Por otro lado, hay sondas adaptables a zonas específicas del cuerpo de manera a obtener mayor proximidad al órgano en cuestión. miniaturadeimagen|223x223px|Sonda lineal de ultrasonido Los transductores de sector son los más útiles para obtener imágenes de estructuras más profundas. Se consideran multipropósito comunes.