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Ultrasonido – Electromedicina




Enviado por Miguel Bonilla



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Propiedades de las ondas
    ultrasónicas
  4. Generación de
    ultrasonidos
  5. Absorción, reflexión y
    refracción de los ultrasonidos
  6. Aplicación de los ultrasonidos en
    medicina
  7. Conclusiones
  8. Referencias

Resumen

El Ultrasonido, visto de forma sencilla se entiende como
una señal de audio que no puede ser captada por
el oído humano, sirviendo como ensayo no destructivo de
los materiales, se aplica para conocer el interior de un material
y sus componentes al procesar la trayectoria de la
propagación de las ondas en el interior un objeto
dependiendo de las discontinuidades del material examinado, lo
que permite evaluar aquella discontinuidad acerca de su forma,
tamaño, orientación, ya que estos oponen
resistencia conocida como impedancia acústica. Al conocer
la propagación de las ondas sonoras, se determina su
velocidad con ello las propiedades de los
objetos. 

Palabras Claves— Electromedicina,
ultrasonido, propagación, onda, velocidad,
audio.

Abstract

Ultrasound, seen easily understood as
an audio signal cannot be grasped by the human
ear, serving as non-destructive testing of
materials, is applied to see the inside of a
material and its components to process
the path wave propagation inside an
object depending on
the examined material discontinuities,
which allows to evaluate this
discontinuity on the shape, size,
orientation, since they resist known
as acoustic impedance. Knowing
the propagation of sound waves, their
speed is determined by the properties
of this object.

Introducción

El ultrasonido es una onda acústica que se
transmite a través de un medio físico cuya
frecuencia está por encima del límite perceptible
por el oído humano (aproximadamente 20KHz). Las
frecuencias utilizadas en la práctica pueden llegar,
incluso, a los gigahertzios.

En cuanto a las longitudes de onda, éstas son del
orden de centímetros para frecuencias bajas y del orden de
micras para altas frecuencias. Estas ondas sonoras son
vibraciones mecánicas de la materia que se transmiten en
forma de ondas de presión. Los ultrasonidos se propagan en
forma de ondas longitudinales cuya dirección de
propagación coincide con la de
vibración.

Este tipo de ondas sonoras son inaudibles por los seres
humanos pero no por otras especies animales. De hecho, especies
como los murciélagos pueden emitir ultrasonidos que usan a
modo de radar para orientarse exactamente lo mismo ocurre con los
delfines y otros cetáceos.

El uso de los ultrasonidos es enorme y su campo de
utilización muy amplio, tanto en el ámbito
industrial (medición de distancias, caracterización
interna de materiales, guiado, sondeo, tratamiento de productos
alimenticios, esterilización de instrumentos…),
como en medicina (diagnóstico y tratamiento).

historia

En la Edad Media aparecen aplicaciones de los
ultrasonidos cuando se utilizaba el campo de resonancia de un
cristal, puesto en vibración, para el tratamiento de
algunas afecciones neurológicas.

Hacia finales del siglo XVIII, los biólogos
pudieron comprobar con estupor que el murciélago era capaz
de orientarse y volar en una habitación oscura y con los
ojos tapados. Más tarde advirtieron que era posible
gracias a unos gritos ultrasónicos que emiten, recibiendo
los ecos por su aparato auditivo. Se ha comprobado que algunos
cetáceos utilizan el mismo sistema para orientarse y
localizar sus presas.

En 1847: efecto de
magneto-constricción-JOULE.

En 1880: los Pierre y Jacques Curie, descubrieron que al
someter un cristal de cuarzo a compresiones o tracciones
mecánicas, se producía un campo eléctrico en
su superficie, y que este efecto era reversible. Naturalmente, si
se administraban cargas eléctricas alternas al cristal,
éste vibra transformando una alta frecuencia
eléctrica en una vibración mecánica de la
misma frecuencia.

El hundimiento del Titanic en 1912 y la Primera Guerra
Mundial aceleraron el nacimiento del sonar.

Éste es el origen de la utilización
diagnóstica de los ultrasonidos o
ecografía.

En 1927: Wood y Lois inician una serie de
investigaciones sobre los efectos biológicos y la
utilización terapéutica de los
ultrasonidos.

En 1939: a partir de los trabajos de Pohlman, comienza a
generalizarse su utilización con fines esencialmente
antiinflamatorios y analgésicos.

En 1949: se realiza el primer Congreso Internacional de
Ultrasonidos. Erlangen-Alemania.

Propiedades de las
ondas ultrasónicas

Frecuencia

Es el número de oscilaciones (vibración o
ciclo) de una partícula por unidad de tiempo (segundo). La
frecuencia se mide en Hertzios (Hz). Un hertzio es una
oscilación (ciclo) por segundo. Como los ultrasonidos son
ondas de alta frecuencia, se utiliza como medida básica el
Megahertzio (MHz).

Longitud de onda

Es la distancia que existe entre dos puntos que se
encuentran en el mismo estado de vibración. Se expresa en
mm.

Amplitud

Es el máximo cambio producido en la
presión de la onda, es decir la distancia máxima
que alcanza la partícula vibratoria desde su
posición inicial de reposo. La amplitud se relaciona con
la intensidad. Su unidad de medida son los decibeles
(dB)

Durante la transmisión de las ondas, por efecto
de su interacción con el medio, disminuye la intensidad de
la onda en función de la distancia recorrida y como
consecuencia se produce una disminución de su
amplitud.

Periodo

Es el tiempo de una oscilación completa, es decir
lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de
onda.

Periodo

Es el tiempo de una oscilación completa, es decir
lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de onda. Se mide
en segundos.

Intensidad

Es la energía que pasa por segundo a
través de una superficie de área unidad colocada
perpendicularmente a la dirección de propagación
del movimiento. La intensidad disminuye con la
distancia.

  • A. Velocidad de
    transmisión

Velocidad de transmisión: depende de la densidad
y de la elasticidad de medio por el que se transmite el
ultrasonido. Esta velocidad es fundamental, pues no sólo
es uno de los factores que intervienen en la producción
del eco, sino que además es la base para calcular la
impedancia acústica, que a su vez, es la clave para la
absorción.

Algunos ejemplos:

Aire 331m-seg.

Grasa 1450 m-seg.

Agua m-seg.

Tej. Blandos 1540 m-seg.

Músculos 1585 m-seg.

Hueso 4080 m-seg.

Impedancia acústica
(Z)

Es una característica del medio que atraviesa el
ultrasonido. Relaciona la velocidad que la partícula
adquiere en el momento de su vibración y la presión
a la que está sometida. Da idea de la facilidad que un
determinado medio ofrece al paso de ultrasonidos a su
través.

  • B. Efecto
    piezoeléctrico

La generación de ondas ultrasónicas se
basa fundamentalmente en este efecto que poseen ciertos cristales
tales como el cuarzo, la turmalina y el topacio. Dicho
fenómeno consiste en la aparición de cargas
eléctricas en las caras de determinados cristales cuando
se ejerce sobre ellos una presión o tracción
mecánica. Estos cristales se caracterizan por tener
ciertos ejes fundamentales: óptico, eléctrico y
mecánico, careciendo todos ellos de centro de
simetría.

Existe una relación directa entre el esfuerzo
mecánico ejercido y la carga aparecida, apareciendo un
valor máximo cuando el cristal es cortado
perpendicularmente al eje polar. Los esfuerzos mecánicos
que se aplican sobre el cristal pueden ser de tracción o
de compresión; la diferencia entre los efectos de ambos
está en el signo de la carga aparecida
únicamente.

También se da el fenómeno inverso, es
decir, si sometemos a estos materiales a una cierta ensión
eléctrica se inducirá una tensión
mecánica o vibración, es esta vibración la
que produce las ondas ultrasónicas.

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Generación de
ultrasonidos

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La idea básica para generar ultrasonidos es
bastante simple. Los generadores o transductores son unos
aparatos que constan de un elemento primario o transformador
(material piezoeléctrico en general), que está en
contacto con el medio y que transforma una señal
eléctrica, magnética o mecánica en una onda
ultrasónica. La señal "fácil" de generar
(eléctrica, magnética, mecánica), es
proporcionada por el elemento secundario.

Las ondas producidas, como hemos dicho, hacen vibrar el
medio. Los generadores se diseñarán con el objetivo
de radiar la mayor cantidad de potencia acústica posible
por tanto se usará la frecuencia de resonancia del
material.

La producción de las ondas ultrasónicas se
realiza por los ciclos sucesivos de contracción
–expansión que sufren estos materiales cuando se les
aplica un campo eléctrico. Del mismo modo, cuando se
comprimen y expanden se generan cargas eléctricas que
permiten la detección de las ondas
ultrasónicas.

Un transductor piezoeléctrico también
puede usarse como detector, ya que las vibraciones detectadas por
el cristal inducen caras alternativas sobre los electrodos, las
cuales dependerán de la frecuencia de las vibraciones.
Esto nos permite utilizar un mismo transductor como emisor y como
receptor.

Absorción,
reflexión y refracción de los
ultrasonidos

Al incidir la onda sobre la separación de dos
medios, la energía que porta se divide en dos.

Cuando el haz de ultrasonidos en su propagación
se encuentra con una interface (límite o zona de contacto
entre dos medios) cuya impedancia acústica es diferente
parte del haz atravesará la interface sufriendo una
refracción y parte se reflejará formando el ECO
(reflexión) es decir una parte se transmite al segundo
medio cambiando de dirección, y el resto se ve reflejado
sobre la superficie de separación. El mecanismo es similar
al que sufre una onda luminosa y es la base de la
aplicación de los ultrasonidos en el diagnóstico en
Medicina.

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La primera aplicación con fines prácticos
de este fenómeno con ultrasonidos fue el sonar que se
desarrolló enormemente en la segunda guerra mundial para
la detección de submarinos.

Por otro lado, parte de la energía en forma de
ondas ultrasónicas se transforma en calor
(fundamentalmente debido a las fuerzas de fricción). La
absorción es directamente proporcional a la frecuencia
utilizada.

La mayoría de la energía absorbida es
convertida en calor y este proceso es la base de la diatermia
ultrasónica, un uso terapéutico en los
ultrasonidos.

Aplicación de
los ultrasonidos en medicina

Si bien se conocía la existencia de este
fenómeno desde finales del siglo XIX, no fue hasta
aproximadamente unos 50 años cuando se empezó a
investigar y utilizar con fines biomédicos. El uso de los
ultrasonidos en medicina es muy amplio y satisfactorio y se
divide en dos áreas: la terapia y el diagnostico. La
técnica más conocida, sin ninguna duda, es la
ecografía, pero existen otras muchas como la litotricia,
desinfección de herramientas, técnicas
fisioterapéuticas etc.. Algunas de sus ventajas
son:

  • Mínimamente invasivo.

  • Fácil y rápida
    adquisición.

  • Repetitividad y Reproductibilidad.

  • No tiene efectos secundarios relevantes.

  • Bajo coste.

  • Alta innovación
    tecnológica.

  • Muy accesible.

  • Prototipos portátiles.

  • Imágenes estáticas, e imágenes
    dinámicas.

Contraindicaciones para el tratamiento con
ultrasonido:

  • Zonas isquémicas.

  • Trastornos de la sensibilidad.

  • Inflamaciones agudas.

  • Tumores.

  • Abdomen en embarazo.

  • Globos oculares, cerca de los oídos y
    cerebro

Conclusiones

El ultrasonido es una técnica que utiliza ondas
sonoras para tomar imágenes en diferentes medios. Por otra
parte debido a que utiliza ondas sonoras en lugar de radiaciones,
el ultrasonido es más seguro que los rayos X. Poco a poco,
el ultrasonido se ha convertido en una parte cada vez más
importante de la medicina y otras áreas, ya que
proporciona información que puede ayudar al médico
a planear el seguimiento de un paciente por ejemplo a una mujer
embarazada, mejorando así las probabilidades de
éxito del embarazo.

Referencias

  • [1] C. C. Vera, "El ultrasonido y su
    aplicación, Scielo Cuba, Artículos
    científicos, Junio 2005.

http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=81680105

  • [2] L. D. Carrillo, "Ultrasonido pulmonar en la
    unidad de terapia intensiva fundamentos y aplicaciones
    clínicas", Redalyc, Sistema de Información
    Científica,Red de Revistas Científicas de
    América Latina, el Caribe, España y
    Portugal.

http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=66211210012

  • [3] J. R. Cordova. Cirugía y Cirujanos,
    Vol. 77, Núm. 4, Mexico, julio-agosto, 2009, pp.
    323-32

  • [4] C. C. Vera, "Ultrasonido de alta
    resolución", Rev. chil.
    radiol. v.10 n.1 Santiago  2004.

www.scielo.cl/pdf/rchradiol/v10n1/art03.pdf

"Documento diseñado para
presentar el desarrollo del ultrasonido en la
electromedicina"

 

 

Autor:

Luis Miguel Bonilla
Marchan

UNIVERSIDAD POLITECNICA
SALESIANA

INGENIERIA ELECTRONICA

13 de Enero 2013

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