I. BASES FÍSICAS DE LOS ULTRASONIDOS

I.1. Características de las ondas ultrasónicas.

• a) Velocidad.
• b) Frecuencia.
• c) Longitud de onda.
• d) Amplitud.
• e) Período.
• f) Intensidad.

II. INTERACCIÓN ONDA-TEJIDO

• II.1. Atenuación.
• II.2. Impedancia acústica.
• II.3. Reflexión y refracción.
• II.4. Reflectividad tisular.

III. RESOLUCIÓN DE LOS ULTRASONIDOS

IV. PRODUCCIÓN DE ULTRASONIDOS

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La biomicroscopia ultrasónica es una técnica ecográfica, por lo tanto se basa en la emisión de ultrasonidos que al atravesar los diferentes tejidos y ser reflejados hacia nuestro receptor van a transmitirnos información acerca de los tejidos atravesados.

Aunque las primeras aplicaciones de los ultrasonidos fueron dentro del campo militar (Langevin y Chilowsky, 1916)1 o industrial (Firestone, 1942)2 pronto se encontraron aplicaciones dentro del campo de la medicina. En 1942, Dussik3 los empleó para el estudio de los ventrículos cerebrales, Ludwig y Struthers (1947)4 para detectar cuerpos extraños y Wild y Reid (1952)5,6 para el estudio de patología tumoral mamaria y digestiva. La aplicación en Oftalmología se retrasó hasta 1956 cuando Mundt y Hughes 7 la emplearon para evaluar sus posibilidades dentro de la patología tumoral intraocular en ojos de cerdo enucleados y de pacientes (melanomas y retinoblastomas). Oksala y Lehtiner en 19578 informan de las características ecográficas de diversas patologías oculares. Uno de los hechos más importantes es la introducción de la ecografía bidimensional con transductores de 15 MHz por Baum y Greenwodd (1958)9,10 con lo que se comenzó a tener una visión real de las estructuras oculares. Finalmente la introducción de la ecografía de contacto por Bronson en 197211 contribuyó, por la mayor facilidad de exploración, a la difusión de la ecografía. Desde entonces, dejando a un lado las mejoras técnicas, debieron pasa casi 20 años para que un nuevo acontecimiento revolucionara la ecografía ocular: el nacimiento de la biomicroscopia ultrasónica. Su desarrollo por Foster y Sherar durante la década de los 8012,13,14,15,16 y su introducción en la práctica clínica por Pavlin, Harasiewicz, Foster y Sherar en 199017,18 abrió una nueva dimensión a la exploración del globo ocular. La biomicroscopia ultrasónica permite el estudio del polo anterior y la retina periférica con una resolución casi microscópica. De este modo, podemos estudiar con detalle áreas, como la cámara posterior, la esclera, la estructura angular, etc previamente reservadas al estudio de piezas histológicas o de acceso difícil o imposible en ciertas circunstancias con los instrumentos convencionales. Curiosamente el nombre con el que Pavlin denominó a la nueva técnica: "biomicroscopia ultrasónica", retoma el concepto de Baum y Greenwood de 195810 cuando se refieren a la ecografía en modo B como "la lampara de hendidura por ultrasonidos", ya que en un proceso análogo a los cortes ópticos que realizamos con la lámpara de hendidura, lo que estamos obteniendo con la ecografía son cortes sonoros de las estructuras oculares que cada vez más nos permiten ver/oír lo oculto a nuestros ojos.

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I. BASES FÍSICAS DE LOS ULTRASONIDOS

Los ultrasonidos son sonidos cuya frecuencia es superior a 20 KHz (20.000 Hz). Al igual que sucede en el espectro luminoso, también encontramos un amplio rango de frecuencias en las vibraciones acústicas (ondas sonoras), este espectro "sonoro" se extiende desde la región audible (10-20000Hz) hasta frecuencias de >1012 Hz. Por lo tanto, los ultrasonidos tienen una frecuencia superior a la audible (> 20 KHz). La producción y recepción de ultrasonidos se realiza por medio de transductores. Los transductores son materiales piezoeléctricos, que por sus propiedades pueden relacionar energía eléctrica y mecánica. 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.

El largo camino desde la introducción de la ecografía en la oftalmología hasta llegar a la BMU que nos permite estudiar el globo ocular "in vivo" con un detalle hasta el momento reservado a los estudios histológicos ha sido paralelo al desarrollo de transductores de alta frecuencia y resolución. Pero, ¿por qué ha sido necesario esperar tanto tiempo para la introducción de estos transductores en la clínica? Debido a las propiedades de las ondas sonoras, teóricamente basta con aumentar la frecuencia de nuestra sonda ecográfica para obtener una mayor resolución, sin embargo debemos pagar un costo por este incremento de la resolución ya que las ondas de mayor frecuencia se atenúan con mayor facilidad y por ello su penetración es menor. Este equilibrio entre resolución - penetración ha sido el que ha frenado la introducción en la medicina de la ecografía de alta frecuencia. Con el desarrollo de polímeros más eficaces se logró la construcción de transductores con sensibilidad suficiente para que su campo de exploración sea útil en la clínica. Las características de los tejidos oculares, que favorecen la transmisión de los ultrasonidos, han facilitado que sea la oftalmología uno de los campos pioneros de la medicina en el uso de los transductores de alta frecuencia.

En este capítulo vamos a recordar algunos aspectos de la física de los ultrasonidos. Una explicación exhaustiva de la técnicos y la física de la biomicroscopia ultrasónica se encuentra en los trabajos de Foster, Sherar y Pavlin12,13,14.

 

I.1. Características de las ondas ultrasónicas

Definición de ultrasonidos

Son vibraciones mecánicas de la materia que se transmiten en forma de ondas de presión. Los ultrasonidos se propagan en forma de ondas longitudinales, en este tipo de ondas la dirección de propagación coincide con la de vibración (FIG 1.1). La onda se transmite en forma de ciclos sucesivos de condensación y enrarecimiento de la materia.

Para que se propaguen por un medio, este debe tener dos propiedades: la inercia y la elasticidad. A diferencia de las ondas audibles, los ultrasonidos no pueden transmitirse por el aire, ya que cuanto mayor es la frecuencia, la onda necesita una mayor densidad/soporte del medio para su transmisión.

Por su naturaleza ondulatoria, los ultrasonidos van a presentar los fenómenos de reflexión, refracción, difracción, interferencia. De todos ellos el fenómeno más importante para nosotros es la reflexión. Debido a ella, un haz ultrasónico que atraviese diferentes medios se refleja parcialmente generando una onda que "transporta" información de las características de los medios atravesados. Esta onda o ECO, podrá ser detectada e interpretada obteniendo en este caso una imagen en dos dimensiones que nos va a permitir deducir las características de los medios atravesados (ecografía en modo B).

FIGURA 1.1: Los ultrasonidos se propagan en forma de ondas logitudinales. Las moléculas del tejido atravesado sufren ciclos de expansión y compresión (barras verticales). La distancia entre dos puntos consecutivas que se encuentran en el mismo estado es la longitud de onda (l: longitud de onda).

Las ondas ultrasónicas pueden desplazarse por el medio en forma de ondas longitudinales (las partículas vibran en la dirección de propagación de la onda), transversales (las partículas vibran perpendicularmente) o de superficie (los movimientos de las partículas forman elipses en un plano paralelo a la dirección de propagación y perpendicular a la superficie), sin embargo, en el ojo sólo se van a observar ondas longitudinales.

Los ultrasonidos van a tener una característica muy importante que los diferencia de los sonidos de menor frecuencia, la direccionalidad, es decir, la onda ultrasónica no se propaga en todas direcciones sino que forma un haz de pequeño tamaño que puede ser "enfocado". Además, de un modo análogo a lo que sucede con una onda luminosa, se pueden aplicar lentes acústicas que pueden modular el haz ultrasónico. Esto permite focalizar nuestro haz sobre la zona a explorar, quedando fuera de foco las que están situadas por delante o detrás de ese punto, es decir, lo mismo que en las ondas luminosas, existe el concepto de "profundidad de foco", que se aplicaría a todas las estructuras que quedan enfocadas utilizando un haz de unas características determinadas.

 

Propiedades de la onda ultrasónica

— Velocidad.

La velocidad de propagación es la distancia recorrida por la onda dividido por el tiempo empleado para recorrer esa distancia. La velocidad de los ultrasonidos en un tejido determinado depende de la densidad y elasticidad del medio que a su vez varían con la temperatura. La relación es directa, es decir, a mayor densidad del medio, mayor será la velocidad de transmisión de los ultrasonidos. Aunque la velocidad depende de la temperatura, ésta en el ojo se puede considerar que es constante por lo que las variaciones en la transmisión de los ultrasonidos por el interior del ojo va a relacionarse, desde el punto de vista práctico, únicamente con la diferente estructura de los tejidos que atraviesa.

 

— Frecuencia.

Es el numero 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) que es igual a un millón de Hz.

 

— Longitud de onda.

Es la distancia que existe entre dos puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración (FIG 1.2). La longitud de onda, la velocidad y la frecuencia se relacionan con la fórmula siguiente:

l = V/ f

donde l es la longitud de onda, V la velocidad de propagación de la onda por el medio y f la frecuencia. Debido a que la velocidad es constante para cada medio y frecuencia de emisión (si la temperatura es constante) con la fórmula podemos calcular la longitud de onda del haz.

 

— 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 (altura de la curva sinusoidal. (FIG 1.2).

La amplitud se relaciona con la intensidad. De este modo si aumentamos la intensidad de una onda determinada aumentaremos su amplitud. Durante la transmisión de las ondas, por efecto de su interacción con el medio, diminuye la intensidad de la onda en función de la distancia recorrida y como consecuencia se produce una disminución de su amplitud.

La unidad física que se emplea para representar la amplitud de los ultrasonidos es el belio, sin embargo en la práctica se utiliza el decibelio (dB) que es la décima parte del belio.

 

— Período.

Es el tiempo de una oscilación completa, es decir lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de onda (FIG 1.2).

 

— 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.

 

II. INTERACCIÓN ONDA-TEJIDO

II.1. Atenuación

Es la pérdida de energía que sufren los ultrasonidos al atravesar los tejidos.

Las ondas ultrasónicas, a diferencia de las electromagnéticas, necesitan un soporte material para su propagación. Sin embargo, ésta se produce sin que se transporte materia sino energía. Como vimos, la amplitud y la intensidad de la onda emitida disminuyen con la distancia, por lo tanto disminuye la amplitud del eco recibido por nuestro instrumento. Esto se debe a la interacción de la onda con el tejido, ya que durante su propagación, la onda pierde energía limitándose su penetración en el tejido. Los dos mecanismos fundamentales de esta pérdida son:

 

1. Absorción. Por la que parte de la energía se transforma en calor (fundamentalmente debido a las fuerzas de fricción). La absorción es directamente proporcional a la frecuencia utilizada.

2. Reflexión y refracción. La reflexión va a ser fundamental para la formación de los ECOS que son la base de la técnica, pero por su efecto junto a la refracción, se produce la divergencia del haz (dispersión), con la consiguiente pérdida de energía lo que limita su capacidad de penetración.

 

Por lo tanto, la atenuación depende de la estructura interna de cada tejido, y para cada tejido existe un coeficiente de atenuación que se expresa en dB/mm. Para un mismo tejido, la atenuación es mayor cuanto mayor es la frecuencia del haz ultrasónico, por ello con ultrasonidos de alta frecuencia la penetración está muy limitada.

 

II.2. Impedancia acústica

Hemos visto que cuando un haz de ultrasonidos atraviesa un medio, su velocidad depende de la densidad y de la elasticidad de éste. La impedancia acústica es el producto de la densidad del tejido por la velocidad del haz ultrasónico al atraversarlo; refleja las propiedades elásticas de los tejidos y es la principal característica de éstos desde el punto de vista ultrasónico.

I = d · v

 

II.3. Reflexión y refracción

Cuando el haz de ultrasonidos en su propagación se encuentra con una interfase entre dos medios cuya impedancia acústica es diferente parte del haz atravesará la interfase sufriendo una refracción y parte se reflejará formando el ECO (reflexión). El mecanismo es similar al que sufre una onda luminosa. De este modo, si el haz ultrasónico incide en la interfase con un ángulo a1 con respecto a la normal parte del haz se refleja con un ángulo a2 (igual al ángulo de incidencia) y parte se refracta con un ángulo b (FIG 1.3). Cuanto menor sea el ángulo a menor será el ángulo b. Si el haz incide perpendicularmente, tanto la reflexión como la refracción siguen el mismo camino que el haz incidente. Además del ángulo de incidencia (a), el ángulo de refracción (b) depende de la velocidad de los ultrasonidos en los dos medios de acuerdo con la ley de Snell:

Sen a / sen b = V1/V2

FIGURA 1.3: Reflexión y refracción de la onda ultrasónica. De un modo análogo a la luz cuando el haz ultrasónico atraviesa una interfase entre dos medios de diferente impedancia acústica parte del haz se refleja y parte sigue propagándose sufriendo una refracción. Si el ángulo de incidencia es de 90º (perpendicular a la interfase), los ángulo de reflexión (que siguen los ultrasonidos reflejados de vuelta al transductor) y refracción (el que sigue la onda propagada ) son también perpendiculares a la interfase.
a1: Ángulo incidencia. a2: ángulo de reflexión. b ángulo de refracción.
V1: Velocidad del ultrasonido en el primer medio.
V2: Velocidad del ultrasonido en el segundo medio.

 

Donde:

Sen a : Seno del ángulo de incidencia.
Sen b : Seno del ángulo de refracción.
V1: Velocidad del ultrasonido en el primer medio.
V2: Velocidad del ultrasonido en el segundo medio.

De este modo, cuando el haz ultrasónico atraviesa una interfase hacia un medio en donde su velocidad de propagación (V2) es mayor a la previa (V1) el haz se desviará alejándose de la normal. En el caso contrario, es decir si V1 > V2, el haz se acercará a la normal.

La reflexión de la onda va a depender de los siguientes factores:

1. Coeficiente de reflexión que depende de la impedancia acústica de ambos medios.

2. Ángulo de incidencia. La incidencia óptima del haz es la perpendicular. De este modo, la nitidez y amplitud del haz reflejado (ECO) que alcanzará nuestro transductor dependerá sólo del coeficiente de reflexión de los medios y de la superficie de incidencia y de la longitud de onda. Cuanto más nos alejemos de esta perpendicular, menor será la amplitud del ECO.

3. Superficie de incidencia. En ella debemos considerar su posible curvatura y el tipo de superficie que posea.

Desde el punto de vista ecográfico, una superficie es lisa cuando sus rugosidades o irregularidades son menores a la longitud de onda del haz. Cuanto mas irregular sea una superficie en comparación con la longitud de onda empleada, mayor será la dispersión y menor será la amplitud y nitidez del ECO.

Si la superficie es curva, el ángulo de incidencia del haz aunque teóricamente sea perpendicular, no va a serlo en toda la superficie de incidencia y se producirán ECOs que tenderán a ser divergentes si la superficie es convexa, produciendo ECOs nítidos pero de menor amplitud, o a ser convergentes si es cóncavo produciendo ECOs nítidos y de mayor amplitud.

 

II.4. Reflectividad tisular

Las imágenes ecográficas se generan a partir de la información que alcanza al transductor procedente de la reflexión.

 

2.4.1. Reflexión especular

Cuando el haz ultrasónico se desplaza atraviesa las interfases que existen entre los medios de diferente impedancia acústica produciéndose una reflexión especular. Las reflexiones especulares se producen por ejemplo entre el medio de inmersión y el epitelio corneal o el humor acuoso y el cristalino, etc.

 

2.4.2. Reflexión no especular. Dispersión

Cuando el haz ultrasónico atraviesa un tejido determinado como la esclera que es aparentemente homogéneo, el ECO recibido y la consiguiente imagen decodificada que vemos en la pantalla del ecógrafo no es homogénea. Esto es debido a que en el interior del tejido también existen interfases, aunque sean de pequeño tamaño (entre las células, capilares, matriz extracelular). Como hemos visto, cuando las interfases son menores a la longitud de onda de haz de ultrasonidos el medio es "irregular" y se produce una reflexión no especular que se denomina dispersión. Sólo una parte de los ECOS producidos por la dispersión van a alcanzar el transductor ya que en su mayoría se van a absorber por los tejidos o bien toman una dirección que los aleja. Sin embargo, estos ECOS son básicos para la formación de la imagen ecográfica de un tejido ya que es la información que nos proporciona su textura.

Cada tejido va a tener una diferente capacidad de generar ECOS procedentes de la dispersión que alcancen el transductor y existe un coeficiente que expresa esa capacidad: el coeficiente de dispersión. Cuanto mayor sea este coeficiente mayor será la cantidad de ECOS dispersados que alcancen el transductor. Diremos entonces que el tejido tiene una reflectividad alta y en la pantalla aparecerá brillante. El ejemplo típico de tejido hiperreflectivo es la esclera, cuyo coeficiente de dispersión es el mayor de los tejidos oculares normales19.

 

III. RESOLUCIÓN DE LOS ULTRASONIDOS

La resolución es la distancia mínima entre dos puntos para que estos sean detectados como puntos independientes. Al utilizar un haz de ultrasonidos, nuestra unidad de medida es la longitud de onda del haz, por ello, no podremos diferenciar dos puntos cuya separación sea menor que la longitud de onda. De este modo, cuanto menor sea la longitud de onda mayor será la resolución del sistema.

Existen dos tipos de resolución, la axial y la lateral.

La resolución axial es la capacidad de diferenciar dos puntos situados en el eje del haz ultrasónico y la resolución lateral es la capacidad de diferenciar entre dos puntos localizados en un plano perpendicular al haz.

La biomicroscopia ultrasónica posee una penetración de unos 5 mm en el interior del globo ocular con una resolución axial y lateral aproximada de 37 y 50 micras respectivamente con el transductor de 50 MHz20.

 

IV. PRODUCCIÓN DE ULTRASONIDOS

La descripción del efecto piezoeléctrico se debe a Pierre y Jacques Curie21. En 1880 demostraron que un cristal de cuarzo emite un haz de ondas ultrasónicas cuando es deformado por una corriente eléctrica. En 1881 descubren el proceso inverso, es decir la producción de una corriente eléctrica al aplicar al cristal un ciclo de contracciones y expansiones.

Por lo tanto, el efecto piezoeléctrico relaciona fenómenos mecánicos y eléctricos. Así al aplicar una corriente alterna a un cristal piezoeléctrico se produce un ciclo de compresiones y dilataciones que puede transmitirse al medio circundante (producción de ultrasonidos). Por el fenómeno de resonancia, la amplitud de las vibraciones producidas es máxima cuando el período de la diferencia de potencial aplicada coincide con el período de las vibraciones longitudinales del cristal.

Del mismo modo si al cristal piezoeléctrico se le aplica una serie de compresiones y dilataciones (por ejemplo al recibir una onda ultrasónica) se produce una diferencia de voltaje en las caras perpendiculares a la dirección de la compresión cuya amplitud es proporcional a la de la onda incidente (recepción de ultrasonidos)

Además del cuarzo existen otros cristales naturales (blenda, turmalina, titanio de bario, etc.) que poseen propiedades piezoeléctricas.

Cualquier dispositivo capaz de producir ultrasonidos se denomina transductor y puede funcionar también como receptor de ultrasonidos.

El transductor construido por Langevin constaba de un cuerpo central de cuarzo recubierto por laminas de acero1. Al emplear un bloque mixto lograba aumentar mucho la amplitud de las ondas generadas.

Para conseguir transductores más sensibles se utilizan polímeros sintéticos pero del mismo modo que Langevin empleó acero para mejorar la eficacia de su transductor los actuales también necesitan de componentes que optimicen sus prestaciones

El desarrollo de los transductores empleados en la biomicroscopia ultrasónica se debe a Sherar y Foster quienes utilizaron como polímero piezoeléctrico el difluoruro de vinilideno (PVDF)15,16,22. En el biomicroscopio UBM 840 (Zeiss-Humphrey) el polímero se monta en forma de disco de 10 mm de grosor y 3 mm de diámetro.

Básicamente la biomicroscopia ultrasónica, al igual que la ecografía B convencional, se basa en la producción de ultrasonidos que van a atravesar los diferentes tejidos oculares sufriendo fenómenos de reflexión y dispersión que generan ondas (ECOS) que regresan al transductor. Los ecos transportan información sobre los medios atravesados que puede ser decodificada para formar una imagen bidimensional de los tejidos atravesados.

 

BIBLIOGRAFÍA

 1. Chilowsky C, Langevin MP. Procedes et apareils pour la production de signaus sous-marins dirigés, et pour la localization à distance d’obstacules sous-marins. Patente francesa Nº 502913, 1916.

 2. Firestone FA. Patente en Estados Unidos; Nº 2.280.226; 1942.

 3. Shampo M, Kyle RA. Kark Theodore Dussik Pioneer in ultrasound. May Clin Proc 1995; 70: 1136.

 4. Ludwig G, Struthers F. Considerations underlying the use of ultrasound to detect gallstones and foreing bodies in tissue. Report Nº 4. Proyect NM 004: 001. National Naval Medical Center, Bethesda. Naval research laboratory. 1949.

 5. Wild JJ, Reid JM. Application of echo-ranging techniques to the determination of the structure of biological tissues. Science 1952; 115: 226-230.

 6. Wild JJ, Reid JM. Further pilot echographic studies on the histologic structure of tumors of the living intact human breast. Am J Path 1952; 28: 839-847.

 7. Mundt GH, Hugues WF. Ultrasonics in ocular diagnosis. Am J Ophthalmol 1956; 41: 488-498.