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Los principios físicos de la ecografía hablan sobre como funciona este método novedoso y de gran ayuda dentro de los campos de la salud. El compositor y organista austriaco Josef Anton Bruckner (1824-1896) dejó a la posteridad una brillante reflexión:
“Aquel que quiera construir torres altas, deberá permanecer largo tiempo en los fundamentos”.
Saber qué tipo de energía es el sonido, saber qué son los ultrasonidos, saber cómo se generan y reciben los ultrasonidos, y asociar la información anatómica y hemodinámica que proporciona la ecografía con los principios físicos en los que se basan. Estos son los fundamentos del conocimiento necesario en ecografía clínica.
Sonidos y ultrasonidos
Cuando un objeto elástico se comprime, su posterior descompresión será transmitida a cualquier medio con el que esté en contacto. Sean estos: aire, agua o cualquier otro material que contenga partículas compresibles. Este medio se comprimirá a su vez y luego también se descomprimirá en sentido contrario al de la compresión inicial. La presión provocada se irá transmitiendo así hacia los demás medios próximos, hasta que su propio agotamiento la haga desaparecer.
Finalizada la secuencia de compresión/descompresión o “vibración”, tanto el primer objeto como los medios que lo rodean volverán a su estado original. Siendo únicamente la energía mecánica (de movimiento) la que será finalmente transmitida.
La transmisión de energía mecánica vibratoria en dirección longitudinal (p. ej. un campo de espigas mecido por el viento) se diferencia de otras formas de transmisión elástica no longitudinal (p. ej. la conocida “ola” de los espectadores de un estadio). La transmisión mecánica vibratoria longitudinal es también denominada como “acústica” o “del sonido”. Los fluidos son capaces de propagar energía mecánica vibratoria de forma longitudinal siendo excelentes transmisores del sonido.
Sonido
El sonido es un movimiento periódico de vaivén (vibración) originado en las partículas de una materia compresible; (p.j. un diapasón, un tambor, la cuerda de una guitarra o las cuerdas vocales de un animal). En su propagación longitudinal por un medio elástico entra finalmente en contacto con un objeto al que hace vibrar. En el caso de los animales, este objeto es el órgano del oído.
Hay una forma de energía no mecánica, la electromagnética, que no precisa de materia para su transmisión, siendo la luz el ejemplo más destacado. Sin embargo, para la propagación del sonido es imprescindible la presencia en el medio de cualquier tipo de materia con masa y volumen. Sean estos entendidos como una concentración mayor o menor de partículas. De aquí la famosa frase de la película “Alien: el octavo pasajero”(20th Century-Fox, 1979). Creada por el director norteamericano Ridley Scott: “En el Espacio, nadie puede oír tus gritos”.
Parámetros esenciales
El sonido se propaga en forma de onda, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. Como en toda propagación ondular, la transmisión de cualquier sonido puede ser representada en un gráfico. En el eje vertical registra los cambios de presión. Esto con respecto al cero (presión atmosférica); medidos en cualquier punto que sea atravesado por la propagación de energía mecánica. Mientras que el eje horizontal registra el tiempo transcurrido. En este gráfico pueden identificarse unos elementos comunes: amplitud, ciclo, periodo y frecuencia.
La amplitud de una onda de sonido es el máximo valor de presión que alcanza durante la fase de compresión y el mínimo valor que alcanza durante la fase de descompresión. El Pascal (Pa) es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades. Se define como la presión que ejerce una fuerza de 1 Newton sobre una superficie de 1 metro cuadrado perpendicular a la misma.
La unidad fue nombrada en homenaje a Blaise Pascal (1623-1662). Este fue un eminente matemático, físico y filósofo francés que aclaró los conceptos de presión y de vacío. Es una unidad muy pequeña que equivale a 0,0000099 atmósferas y en el estudio de las ondas de sonido. Las presiones se expresan habitualmente en Kilo-Pascales (KPa) o Mega-Pascales (Mpa).
Un ciclo es la repetición de cualquier fenómeno de forma que se vuelve a la configuración de partida transcurrido un cierto tiempo. Un periodo es el tiempo que tarda un sonido en completar un ciclo completo de vibración. Es equivalente a la longitud de onda o λ. La frecuencia es el número de vibraciones que se producen en una unidad de tiempo; matemáticamente, la frecuencia es la inversa del periodo (F=1/T). Esto significa que en una unidad de tiempo determinada habrá más vibraciones cuanto mayor sea la frecuencia del sonido.
Audición
La audición es la percepción de las ondas sonoras que se propagan por el espacio. En el caso de los animales y de los seres humanos, el receptor es un aparato auditivo. Para el proceso de audición, un pabellón auditivo externo u “oreja” dirige la onda sonora hacia un conducto auditivo externo de forma tubular. En el fondo de este conducto se encuentra anclada la membrana del tímpano, cuál si se tratara de una tripa de tambor.
La llegada de una onda sonora produce una vibración en esta membrana timpánica y es transmitida como energía mecánica longitudinal. Esto conectado a la cadena de huesecillos (martillo, yunque y estribo) del oído medio. Conducen la vibración hasta la ventana oval del caracol, en el interior del oído interno.
Al hacer vibrar la perilinfa del caracol, las ondas mueven los cilios de las células nerviosas del órgano de Corti y se estimulan las terminaciones nerviosas del nervio acústico (VIII par craneal), transformándose así vibraciones mecánicas en impulsos nerviosos eléctricos. Esta electricidad es conducida por el nervio acústico hacia la corteza cerebral del lóbulo temporal. Es allí donde se interpretan como sensaciones auditivas.
Sonidos audibles
Sonidos audibles son sonidos con frecuencias vibratorias. Las mismas estan comprendidas entre 20 y 20.000 ciclos por segundo (20 Hz – 20 KHz). Diversos estudios han demostrado que este rango de frecuencias puede ser audible para el promedio de jóvenes sanos de 18 años; los demás seres humanos tendrán un rango de audición generalmente dentro del aceptado como audible y algunos lo tendrán incluso mayor.
El sonar (acrónimo inglés de Sound Navigation and Ranging o “navegación por sonido”) es una técnica que usa la propagación del sonido audible para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos bajo el agua. Sonido directo es que el que se transmite directamente desde una fuente sonora hasta un receptor. Sonido reflejado es el que es recibido por el receptor después de que haya rebotado en las superficies. Las mismas que delimitan un medio acústico o en los objetos que se encuentren en su trayectoria.
Los sonidos audibles de menor frecuencia, como los denominados “graves” musicales, serán capaces de recorrer mayores distancias y de atravesar superficies de más grosor; los sonidos de mayor frecuencia, como los “agudos” musicales, serán capaces de recorrer distancias más limitadas y de atravesar solo superficies más finas. Esta es la causa del predominio aparente de sonidos graves en la música que llega a un ser humano desde una habitación contigua o desde el exterior.
Por otro lado, cuanto mayor sea la frecuencia de los sonidos audibles mejor será la capacidad del oído humano para diferenciarlos, siendo el rango de mayor sensibilidad entre 2 y 4 KHz, la denominada 8ª octava de las 11 que en que se divide el espectro audible y componente fundamental de las partituras musicales. Sin embargo, las octavas 9ª a 11ª (4 a 20 KHz) solo provocan chirridos desagradables en el oído humano.
El profesional como actor principal en la ecografía
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