Formation of ultrasound images. Generalities Formación de imágenes ecográficas. Generalidades
These images are obtained using an ultrasound machine and are based on the piezoelectric effect, which generates ultrasounds.
They are longitudinal mechanical waves with a frequency higher than 20 KHz, undetectable by our ear. They need a medium to propagate1.
Ultrasounds are generated by a device called transducer, which contains one or more crystals with piezoelectric properties. This means that, by compressing them, a difference of electric potential on their surface is generated. However, in the transducer crystals the inverse piezoelectric effect is produced, so, when we apply an alternating electrical voltage, they experience oscillations in mechanical strain and contract and expand rapidly, generating ultrasounds. In that way, the crystals transform the electrical energy that is supplied to them into ultrasounds2.
To make a diagnosis using this method, the ultrasound machine must be used. This machine is composed by: a transducer, a computer, a monitor, a storage unit, a keyboard and controls1. The transducer emits the ultrasounds and receives echoes from them. The computer processes and transforms the electrical signals that it receives from the transducer into images. Besides, the controls modify the characteristics of the emitted ultrasounds, for example: the frequency.
By applying the transducer over the patient’s surface, the ultrasounds travel through tissues, interacting with them. Depending on the differences of the physical properties (mainly the density) between the tissues the waves penetrate, they will be reflected in a different proportion, returning the echoes to the transducer. This fact is due to the difference in acoustic impedance (resistance to propagation of sound waves through tissues), which depends on the density of the tissues and the speed of propagation of the wave. In this way, the greater the difference is, the greater the reflection of the ultrasound will be. Because the difference in acoustic impedance between the air and the skin is very big, a high reflection will be experienced and waves won’t be able to penetrate into the body. Consequently, an ultrasound transmission gel is applied over the patient’s skin2.
Image taken from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Echographe_(Toshiba_Aplio).jpg
Nevertheless, when the sound wave passes through the tissue, it is attenuated (its energy decreases) because of the absorption, reflection and divergence. The absorption depends on the frequency, so that the higher the frequency is, the more ultrasounds will be absorbed by the tissues and the less they will penetrate. In addition, the increase in frequency allows us to obtain higher resolution ultrasound images, unlike the lower frequency ones2.
Finally, the transducer will transmit the sound energy of the echo as an electrical signal that is received by the computer, which “draws” the image attending the amplitude and position of the echoes.
The ultrasound machine has three different ways to represent the image:
- A-Mode: it uses a single ultrasound beam and it represents the information in a graphic based on the distance (time) and the amplitude of the echo.
- B-Mode: it uses multiple ultrasound beams to get 2D images. The echoes are represented in a grey scale.
- M-Mode: it uses a single ultrasound beam to get one-dimensional moving images.3
In conclusion, the fact that the ultrasounds are used to obtain ultrasound images makes that this non-invasive diagnostic method does not produce adverse biological effects.
References:
- Barceló e I. Iriarte. Ecografía musculoesquelética. Atlas ilustrado. 1ª edición. Madrid. Panamericana; 2015
- Nilam J. Soni, MD; Robert Arntfield, MD y Pierre Kory, MD. Ecografía a pie de cama. Fundamentos de la ecografía clínica. 1ª edición. Barcelona. Elsevier; 2015.
- Díez Bru. Principios básicos de la ecografía. Artículo de revisión. Madrid. 1992
https://ddd.uab.cat/pub/clivetpeqani/11307064v12n3/11307064v12n3p138.pdf
Authors:
Luisa María Benítez Cejas (2º Medicine)
Alejandro Antonio Jiménez Prados (2º Medicine)
Kamal Hammu Mohamed (2º Medicine)
Las imágenes ecográficas son obtenidas mediante un ecógrafo y se basan en el efecto piezoeléctrico, que genera ultrasonidos.
Estos son ondas mecánicas longitudinales con una frecuencia superior a 20 KHz, imperceptibles por nuestro oído. Precisan de un medio para su propagación1.
Los ultrasonidos son generados en un dispositivo llamado transductor, el cual contiene uno o más cristales con propiedades piezoeléctricas. Esto quiere decir que, al comprimirlos, generan una diferencia de potencial eléctrico en su superficie. Sin embargo, en los cristales del transductor se da el efecto piezoeléctrico inverso, por el que, al someterlos a una corriente alterna, experimentan oscilaciones en la tensión mecánica y se contraen y expanden con rapidez, generando ultrasonidos. Es decir, los cristales convierten la energía eléctrica que se les suministra en ondas sonoras2.
Para el diagnóstico con ultrasonidos se utiliza el ecógrafo, que está compuesto de: un transductor, un ordenador, un monitor, una unidad de almacenamiento, un teclado y controles1. El transductor los emite y recibe los ecos de los mismos. El ordenador procesa y transforma en imágenes las señales eléctricas que recibe del transductor. Por otro lado, los controles modifican las características de los ultrasonidos emitidos, por ejemplo: la frecuencia.
Al aplicar el transductor sobre la superficie del paciente, los ultrasonidos viajan a través de los tejidos, con los cuales interaccionan. En función de las diferencias entre las propiedades físicas de los tejidos (principalmente la densidad), estos se reflejarán en mayor o menor proporción, devolviendo los ecos hacia el transductor. Este hecho se debe a la diferencia de impedancia acústica (resistencia a la propagación de las ondas sonoras a través de los tejidos), que depende de la densidad de los tejidos y de la velocidad de propagación de las ondas. De esta manera, cuanto mayor sea esa diferencia, mayor será la reflexión de dichas ondas. Debido a que la diferencia de impedancia acústica entre el aire y la piel es muy grande, la reflexión sería tan elevada que ningún ultrasonido penetraría en el organismo. En consecuencia, se utiliza un gel acoplador entre el transductor y la piel del paciente2.
Imagen tomada de: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Echographe_(Toshiba_Aplio).jpg
No obstante, la onda sonora, una vez que atraviesa el tejido, se atenúa (disminuye su energía) porque se produce absorción, reflexión y divergencia de la misma. La absorción depende de la frecuencia, de manera que cuanto mayor sea dicha frecuencia, las ondas serán más absorbidas por los tejidos y penetrarán menos. Además, el aumento de frecuencia permite la obtención de imágenes ecográficas de mayor resolución, a diferencia de los ultrasonidos de menor frecuencia2.
Finalmente, el transductor va a transmitir en forma de señal eléctrica la energía sonora del eco que recibe al ordenador, el cual “dibuja” la imagen por amplitud y posición de los ecos.
Existen tres formas diferentes de representar la imagen recogida por el ecógrafo:
- Modo A: utiliza un solo haz de ultrasonidos y representa la información en gráficas en función de la distancia (tiempo) y la amplitud del eco.
- Modo B: utiliza múltiples haces consiguiendo imágenes en 2D. Los ecos se representan en una escala de grises.
- Modo M: utiliza un solo haz consiguiendo imágenes unidimensionales en movimiento3.
En conclusión, el hecho de que para la obtención de imágenes ecográficas se utilicen ultrasonidos, convierte a la ecografía en un método diagnóstico no invasivo, que no produce efectos biológicos adversos.
Bibliografía:
- Barceló e I. Iriarte. Ecografía musculoesquelética. Atlas ilustrado. 1ª edición. Madrid. Panamericana; 2015
- Nilam J. Soni, MD; Robert Arntfield, MD y Pierre Kory, MD. Ecografía a pie de cama. Fundamentos de la ecografía clínica. 1ª edición. Barcelona. Elsevier; 2015.
- Díez Bru. Principios básicos de la ecografía. Artículo de revisión. Madrid. 1992
https://ddd.uab.cat/pub/clivetpeqani/11307064v12n3/11307064v12n3p138.pdf
Autores:
Luisa María Benítez Cejas (2º Medicina)
Alejandro Antonio Jiménez Prados (2º Medicina)
Kamal Hammu Mohamed (2º Medicina)