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La piezoelectricidad es el fenómeno que presentan determinados cristales por la que, al ser sometidos a un campo eléctrico, se deforman, recuperando su forma tras cesar la corriente eléctrica (y a la inversa, su deformación produce una corriente eléctrica). La aplicación de una corriente eléctrica alterna sobre un cristal piezoeléctrico produce la expansión de este. Cuando la polaridad de la corriente se invierte, el cristal se contrae. La expansión y la contracción alternativas producen una compresión (o aumento de densidad) de las moléculas en contacto con el transductor, seguida alternativamente de una rarefacción o disminución de densidad. Esta serie de contracciones y rarefacciones se propagan como una onda, correspondiendo las crestas de la onda a las compresiones y los valles a las rarefacciones (fig. 1.2).

Fig. 1.2 La aplicación de una corriente eléctrica alterna sobre un cristal piezoeléctrico produce una alternancia de contracciones y expansiones que se transmiten al medio que está en contacto con el cristal (aire, líquido, tejido, etc.).

Los parámetros de una onda son:

– Amplitud o altura de la onda. Se mide en decibelios.

– Longitud de onda (λ). Es la duración de un ciclo completo.

– Frecuencia. Es el número de ciclos por segundo. A mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa. Se mide en hercios (Hz). Un hercio es un ciclo por segundo y un millón de hercios se denomina megahercio (MHz). Los ultrasonidos son aquellos que tienen una frecuencia superior a 20.000 Hz (el oído humano es capaz de distinguir desde 20 Hz hasta 20.000 Hz, por lo tanto los ultrasonidos no son audibles para el oído humano). La ecocardiografía utiliza una frecuencia entre 2 y 10 MHz. Los transductores comúnmente utilizados en los laboratorios de ecocardiografía utilizan 2,5-3,5 MHz para adultos y 5-7 MHz para niños.

– Velocidad de propagación. Se calcula como el cociente entre la longitud de onda (λ) y el tiempo empleado en recorrerla, es decir, el periodo (T). La velocidad de propagación del sonido en un medio depende de la densidad y la elasticidad del medio. El aumento de densidad produce un aumento de la velocidad de propagación. La velocidad de propagación de los ultrasonidos en el cuerpo depende de las propiedades físicas del tejido. A través de los tejidos blandos es de 1.540 cm/s. El aire tiene una velocidad de propagación de 330 m/s, mientras que el hueso tiene la velocidad más rápida: 4.080 m/s. Como la frecuencia es la inversa del periodo (1 / T), la velocidad es el producto de la frecuencia por la longitud de onda (V = F × λ) (fig. 1.3).

Fig. 1.3 Representación gráfica de una onda.

Los ultrasonidos presentan distintos fenómenos al propagarse que, a su vez, determinan las características de la imagen ecocardiográfica:

– Transmisión: la propagación de los ultrasonidos a través de un medio produce una pérdida progresiva de energía de la onda que lo atraviesa, disminuyendo su amplitud (atenuación). Se relaciona directamente con la potencia y la longitud de onda, e inversamente con la frecuencia.

– Reflexión: la diferencia de impedancia entre dos medios produce que una parte de los ultrasonidos sean reflejados. Estos ecos reflejados son recogidos por el transductor y son los que utiliza para formar la imagen. Los ecos reflejados distorsionan mecánicamente el cristal piezoeléctrico, lo cual genera una corriente eléctrica. A mayor diferencia de impedancias, mayor reflexión. Este fenómeno produce que estructuras como el hueso (la interfase tejido-hueso tiene una gran impedancia) reflejen gran parte de los ultrasonidos. El registro por el transductor de los ultrasonidos reflejados depende del ángulo de incidencia: si el objeto está perpendicular a la dirección de los ultrasonidos, la dirección de la onda reflejada será la misma que la de incidencia. Los ultrasonidos reflejados con un ángulo de incidencia mayor de 3º respecto al de incidencia no serán recogidos por el transductor.

– Refracción: es la variación en la dirección del haz al atravesar un medio de distinta impedancia.

– Dispersión (backscattering): al atravesar un medio las ondas interaccionan con pequeñas partículas. Según el principio de Huygens, cada partícula se convierte en un nuevo emisor de onda, dispersando la onda inicial. Los nuevos frentes de onda pueden superponerse o cancelarse (interferencia constructiva o destructiva). En la imagen ecocardiográfica, la interferencia destructiva da lugar al «ruido» que dificulta la correcta visualización de las estructuras cardiacas. La dispersión es directamente proporcional a la frecuencia: a mayor frecuencia, mayor interacción con las partículas, lo que genera un mayor número de ondas secundarias y, por lo tanto, aumenta la dispersión (fig. 1.4).

Fig. 1.4 Representación gráfica de la reflexión y la refracción.

Cuando se genera el haz de ultrasonidos por el transductor se pueden diferenciar dos zonas: la proximal (campo de Fresner), de forma cilíndrica, con una anchura similar al transductor, y otra distal (zona de Fraunhofer), en la que diverge y adquiere morfología cónica. La imagen es óptima en la zona de Fresner (longitud de campo cercana a l), por lo que es conveniente la mayor zona de Fresner posible. El tamaño del transductor y la frecuencia determinan la longitud del campo cercano (l = r2 / λ). A mayor tamaño del transductor y mayor frecuencia, mayor longitud del campo cercano. Sin embargo, el tamaño del transductor utilizado en cardiología está limitado por el espacio intercostal a través del cual penetran los ultrasonidos. Por tanto, a igual tamaño del transductor solo podremos aumentar la frecuencia para conseguir mayor longitud del campo cercano. A su vez, una mayor frecuencia determina una mayor atenuación. Mediante el uso de lentes en la superficie del transductor podremos conseguir un mejor enfoque del haz de ultrasonidos, disminuyendo la atenuación (fig. 1.5).

Fig. 1.5 La longitud de campo cercano (zona de Fresner, imagen óptima) es directamente proporcional al tamaño del transductor y a la frecuencia.

Resumiendo, existe una serie de condicionamientos físicos para la formación de la imagen:

– A mayor longitud de onda, menor frecuencia y mayor penetración en el tejido.

– A mayor longitud de onda, menor resolución.

– A mayor frecuencia, mayor longitud de campo cercano, pero también mayor atenuación.

– Con la sonda de adultos (3,5 MHz) obtenemos mayor penetración (las cavidades de los adultos son más grandes) pero menor resolución y menor atenuación.

– Con las sondas utilizadas para la población pediátrica (7 MHz) obtenemos mayor resolución a expensas de menor penetración en el tejido (las cavidades de los niños son menores y por tanto no necesitamos mayor penetración) y con mayor atenuación.