Precisan de un medio material para su propagación, no se transmiten en el vacío. Las ondas sonoras son ondas mecánicas, longitudinales, que causan la sensación de audición en nuestros oídos. Para excitar el mecanismo de la audición, la intensidad de la onda sonora debe ser superior a un determinado umbral y su frecuencia debe estar comprendida entre ciertos límites.
El campo de audibilidad en los humanos está entre una zona de frecuencia desde los 20 hasta los 20.000 Hz o cps (ciclos por segundo). Las ondas mecánicas de frecuencia inferior a 20 Hz se denominan infrasonidos. Las ondas superiores a 20 kHz se denominan ultrasonidos.
4.1.- MECANISMO DE PRODUCCIÓN: El sonido se produce por vibraciones de la materia. El sonido es el resultado de un proceso oscilatorio que se produce en un medio gaseoso, líquido o sólido. La mayoría de los sonidos que escuchamos se transmiten a través del aire, aunque las ondas de sonido también pueden propagarse en líquidos y sólidos. En un fluido, como el aire o el agua, la velocidad de propagación dependerá de la densidad del medio ρ y de su coeficiente de compresibilidad K. La velocidad de propagación de las ondas sonoras es de aproximadamente 340 m / s en el aire, 1.500 m / s en el agua y de 5.120 m / s en el hierro.
4.2.- PRESIÓN ACÚSTICA E IMPEDANCIA ACÚSTICA, La presión acústica es la diferencia entre la presión que existe como consecuencia de la onda sonora y la presión atmosférica en ausencia de dicha onda, matemáticamente sería:
p = v ρ c
v = velocidad de la partícula afectada por la presión acústica
ρ= densidad del medio
c = velocidad de propagación de la onda
El producto de ρ c sería la impedancia acústica (z) del medio, resultando que:
v = p / z
La impedancia acústica se mide en Ohmios acústicos.
4.3.- INTENSIDAD DEL SONIDO: La intensidad del medio puede considerarse desde dos puntos de vista: el fisiológico o subjetivo, y el físico u objetivo. La intensidad fisiológica de un sonido corresponde a la sensación que produce y, por consiguiente, depende del observador.
La intensidad física de una onda sonora en un punto depende de la energía transportada de la misma: es la energía que atraviesa por segundo la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación.
El mínimo de intensidad audible para el oído humano correspondería a una frecuencia de 1 kHz (10-12 W/m2) es lo que llamaríamos umbral de audición. Hasta 1 W/m2 que produciría una sensación dolorosa en la mayoría de las personas.
El nivel de intensidad (N) se mide en decibelios. Donde:
N = 10 log ( I / I0 )
I = intensidad de la onda sonora considerada
I0 = intensidad de referencia (umbral de audición)
Los niveles de intensidad de sonido para el ser humano están comprendidos entre 0 dB (umbral de audición) y 120 dB (umbral de dolor).
4.4.- INFRASONIDOS: Son las ondas acústicas osonoras de muy baja frecuencia, inferior a los 20 Hz, que al quedar por debajo del umbral de sensibilidad del oído humano, no somos capaces de escucharlos. Los infrasonidos son utilizados por animales grandes como el elefante (pueden percibir sonidos de 15 Hz a 2 Km. de distancia) y la ballena, para comunicarse en amplias distancias.
La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos a grandes distancias, como montañas o el fondo marino. Esto es debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, por lo que pueden llegar más lejos que las demás ondas.Por ejemplo una onda plana de 10 Hz se absorbe cuatro veces menos que una onda de 1.000 Hz en el agua. El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Por ejemplo un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m. en el aire, luego los objetos que puede detectar deben tener un tamaño mínimo de 20 m. en el aire y 100 m. en el agua.
En la actualidad el estudio de los infrasonidos se centra en la atenuación y/o eliminación de frecuencias perjudiciales para la salud de las personas, porque se considera que aunque los mismos no son conscientemente perceptibles por los humanos pueden provocar múltiples síntomas en el organismo.
Los síntomas están en función de múltiples factores, como la intensidad y la frecuencia del infrasonido, el tiempo de exposición al mismo, los componentes del estímulo, la reacción del organismo, etc.Por ejemplo, existen infrasonidos de elevado volumen comprendidos entre frecuencias de 0,5 y 10 Hz que hacen vibrar el vestíbulo del laberinto auricular del oído interno. Pero estos síntomas no se producen solo en el oído (vértigos, pérdida de equilibrio,…), como cabría esperar, sino que afectan también a otros órganos como el aparato respiratorio (dificultad en el habla, dificultad respiratoria, fatiga, desgarros en los alvéolos pulmonares,…), ocular (perdidas o alteraciones de la visión) o el sistema nervioso (náuseas, cefaleas, temblores, fatiga, ansiedad, disminución del rendimiento,…), incluso con infrasonidos de intensidades superiores a 180 dB se puede provocar la muerte de la persona (se denomina ruido negro).
Como curiosidades destacar un par de frecuencias “críticas” que son la de 7 Hz que parece que impide todo trabajo intelectual y la de 12 Hz que no precisa de un excesivo nivel de intensidad ni un largo tiempo de exposición para que provoque malestar generalizado a las personas.
4.4.1.-Futuras aplicaciones de los infrasonidos: Dado que los desastres naturales producen infrasonidos de una intensidad comparable con el sonido que hace una bomba atómica durante su explosión, con la diferencia de que al estar por debajo de los 20 Hz son inaudibles al oído humano; una de las futuras aplicaciones de los infrasonidos es la prevención de estos fenómenos naturales por medio de detectores (sismógrafos, sensores de explosiones,…) que realizan investigaciones vulcanológicas y meteorológicas para evitar futuros desastres.
4.5.- ULTRASONIDOS (US): Los ultrasonidos son aquellas ondas sonoras cuya frecuencia es superior al margen de audición humano, 20.000 Hz aproximadamente(Galton 1883). 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.
Muchos animales como los delfines y los murciélagos utilizan la ecolocalización o sonar, un sistema de orientación similar al radar que emplea los ultrasonidos.Estas ondas sonoras emitidas por estos animales son tan altas que se reflejan fácilmente en todos los objetos a su alrededor, siendo recibidas por su sistema auditivo constituido por dos oídos colocados a cierta distancia una del otro. El eco llega con un retardo y con diferencias de intensidad y frecuencia a cada uno de los oídos, dependiendo de la posición espacial del objeto que lo ha generado, permitiendo así al animal determinar la distancia a la que se encuentra dicho objeto, como también el tamaño y otras características.
Los ultrasonidos tienen múltiples aplicaciones.Son utilizados tanto en aplicaciones industriales (medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros), como en acústica subacuática (sondeos, localización de iceberg,…), como en medicina (ecografía, ultrasonoterapia).
4.5.1.-Generación y propagación de ultrasonidos: Los generadores o transductores de ultrasonidosson aparatos muy simples que constan de un elemento primario o transformador, que está en contacto con el medio y que transforma una señal eléctrica, magnética o mecánica en una onda ultrasónica. La señal es proporcionada por el elemento secundario.
La posterior transmisión de estas ondas depende en gran medida del medio, pues cada uno tiene una impedancia distinta, lo cual hace variar la velocidad de propagación.Si tenemos medios con impedancias muy distintas se provocarán grandes reflexiones en los ultrasonidos. Por otro lado, es fundamental evitar el aire en la transmisión puesto que una capa podría anular la propagación de la onda ultrasónica, dada la alta atenuación que proporciona
4.5.2.- Sistemas de detección y medida de ultrasonidos: Estos sistemas son importantes puesto que, en ciertas ocasiones, necesitaremos medir un campo ultrasónico para conocer sus características; otras veces, la energía recibida habrá que convertirla en otro tipo de energía; y habrá otros casos en los que el objetivo último sea simplemente la detección cualitativa de los ultrasonidos.
Los importantes y ampliamente utilizados son los detectores o transductores electrónicos (micrófonos), pues son los más precisos a la hora de medir las características de un ultrasonido en un fluido. Se basan en el efecto piezoeléctrico directo, aunque presentan ciertos inconvenientes, como son un estrecho margen de frecuencias a procesar (bajo ancho de banda) y una gran sensibilidad al ruido electromagnético.
Existen otros tipos de detectores como los detectores eléctricos cuya propiedad general es que la resistencia de un hilo fino calentado eléctricamente es proporcional a la velocidad del aire que pasa alrededor de él. El funcionamiento de este tipo de detectores es inmediato: la onda ultrasónica proporcionará diferentes velocidades en el aire que se traducen en variaciones en la resistencia del hilo; los detectores calorimétricos que miden la onda sonora en función del aumento de temperatura que provoca en un material al ser absorbida por el mismo (el calor producido se relaciona directamente con la energía de la onda) y los detectores mecánicos en los cuales la onda ejerce una presión en un disco y provoca un movimiento de giro del mismo, midiéndose la energía incidente.
En la actualidad se están desarrollando detectores ópticos que resuelven los inconvenientes de los: son poco sensibles al ruido y presentan anchos de banda muy superiores. Su funcionamiento es complejo: cuando la onda ultrasónica incide sobre una superficie, se produce un leve desplazamiento de la misma. Estos detectores focalizan un rayo láser de referencia sobre la superficie del material de estudio y se analizan los cambios de fase y frecuencia de la luz reflejada que se producen cuando el ultrasonido hace cambiar el tamaño de un material.
4.5.3.- Efectos de los ultrasonidos
– Efectos físicos: El más importante es la cavitación. Cuando el ultrasonido tiene una amplitud elevada provoca variaciones de presión en el medio en el que transmite lo que puede provocar, si el material es líquido, que este pase a estado gaseoso. Se forman bolsas de vapor o burbujas (cavidades) en su interior, que tienden a colisionar entre sí y a liberar su energía.
Cuando esto ocurre, la presión aumenta muchísimo, llegando incluso a los 800 MPa y también la temperatura (de 5.000 ºC hasta 30.000 ºC). Esto es tremendamente peligroso puesto que puede destruir superficies de contención, tuberías, etc.
La cavitación depende de la frecuencia del ultrasonido(a mayor frecuencia, el tiempo dado a la burbuja para que crezca y afecte al sistema es pequeño, por lo que la cavitación es menor), de la viscosidad del medio (cuanto más viscoso sea el líquido, menor será la cavitación), de la temperatura (a mayor temperatura, la cavitación tiene lugar para intensidades acústicas menores), de la presión externa (el aumento de presión provoca una mayor violencia en la colisión de las burbujas) y de la intensidad del ultrasonido (a mayor intensidad, mayor es el efecto de cavitación).
Este efecto es de gran importancia en submarinos y en máquinas hidráulicas, donde puede ocasionar serios destrozos.
Se ha discutido la posibilidad de que en las cavidades que se producen en el efecto de cavitación se podría producir la fusión fría, que es la reacción nuclear de fusión producida a temperaturas muy inferiores a las necesarias para la producción de reacciones termonucleares (millones de grados Celsius), aunque este fenómeno no se ha podido de momento conseguir en la realidad.
En el proceso de colisión de las burbujas en la cavitación también se emite luz, es el fenómeno conocido como sonoluminiscencia. Otro efecto físico es el efecto calorimétrico. Se utiliza un ultrasonido a 4 MHz de frecuencia, en la cual la energía sonora se convierte en calor.
– Efectos químicos: Los efectos químicos que producen los ultrasonidos son derivados del fenómeno de cavitación. Se produce un fenómeno electrolítico pues en las cavidades aparecen cargas eléctricas iguales y opuestas en extremos contrarios. Además, la energía desprendida de las burbujas cuando chocan produce determinadas reacciones químicas.
– Efectos biológicos: Se ha comprobado que los ultrasonidos altamente energéticos afectan a la vida de pequeños animales, como los peces. Los efectos son variaciones del ritmo cardíaco, fiebre, destrucción de la capacidad reproductora, etc. Parece que la causa fundamental de esto radica en el fenómeno de la cavitación y en la formación de burbujas en el interior de los cuerpos.
– Efectos médicos: El diagnóstico médicobasado en los fenómenos de reflexión que permiten localizar variaciones en los tejidos, así como medir el flujo sanguíneo. Se utilizan frecuencias entre 1 MHz y 15 MHz. A mayor frecuencia, se ha comprobado que la resolución es mejor pero la absorción es mayor, por lo que la profundidad de penetración en el tejido es menor, por lo que actualmente se utilizan frecuencias en torno a los 2,5 MHz.
Cuando una onda ultrasónica incide sobre una superficie de separación entre dos medios, se produce una reflexión y una refracción. La forma en la que esto se produce y la cantidad de energía que se refleja y transmite depende de las impedancias acústicas de los medios. Se hace incidir una onda ultrasónica estrecha sobre un tejido perpendicularmente, de esta forma el eco también viajará en la misma dirección que la onda incidente.
Si se generó el ultrasonido mediante un cristal piezoeléctrico (de cuarzo, turmalina o sal de Rochelle) la onda reflejada actuará sobre el cristal, produciendo en el mismo nuevos potenciales. Estos potenciales pueden ser amplificados y representados en la pantalla de un osciloscopio, ya sea de forma monodimensional (sistemas tiempo-amplitud) o bidimensional (exploración de una porción del cuerpo, de derecha a izquierda o de arriba abajo). La principal técnica de terapia médica con ultrasonidos es la litotricia. Consiste en la aplicación de ondas ultrasónicas para la destrucción de cálculos.
4.5.4.- Aplicaciones de los ultrasonidos
– Guiado y sondeo: Este uso de los ultrasonidos a modo de radar es utilizado por animales cuyo sentido del oído está muy desarrollado (murciélagos y delfines), llegando incluso a escuchar frecuencias cercanas a los 100 KHz. Estos animales emiten pulsos ultrasónicos que rebotan en los objetos de alrededor, los ecos son procesados y los animales pueden llegar a tener una verdadera visión tridimensional del ambiente de su entorno.
Los sensores para guiado y sondeo son una de las principales aplicaciones de los ultrasonidos. En la acústica submarina se aplica en el sondeo del fondo del mar, navegación de submarinos, detección de bancos de pescado, etc. También se aplican en el guiado de robots con navegación autónoma.Su funcionamiento es sencillo, se emiten pulsos ultrasónicos, los cuales se reflejan en los objetos de alrededor y se generan ecos. Se procesa el tiempo que tardan en regresar y la amplitud de los mismos, lo cual nos proporciona la velocidad de propagación de los ultrasonidos y se puede estimar la distancia recorrida por la onda (ida y vuelta al obstáculo).
No podemos olvidarnos del sónar, el cual se basa en el principio del radar para poder estudiar el espacio marino y detectar obstáculos en la trayectoria de submarinos, bancos pesqueros, iceberg, etc. La utilización de ultrasonidos es fundamental puesto que las ondas electromagnéticas (características del radar convencional) no se propagan por el agua.
– Aplicaciones en biología: Los biólogos figuraron entre los primeros beneficiarios de los nuevos equipos para medir los ultrasonidos, pues así pudieron efectuar un cuidadoso análisis del efecto del sonido sobre los animales. Por ejemplo, se colocó un insecto en un recipiente y se le sometió a un haz de ultrasonidos cuya intensidad y frecuencia se modificaba gradualmente. Si el insecto percibía el sonido, reaccionaba frente a él. O bien se insertaban minúsculos electrodos en determinadas partes del insecto para medir las modificaciones eléctricas de su sistema nervioso por influencia de las distintas frecuencias ultrasónicas.
Con la invención de los grabadores de alambre y cinta se agregó una dimensión más a esta labor, se pasó a grabar los sonidos de los animales.Se leyó así el sonido inaudible de alta frecuencia grabado en la cinta. Este trabajo demostró que las distintas clases de murciélagos poseen distintos lenguajes ultrasónicos y que las siniestras caras de los murciélagos obedecen a una finalidad, pues sus rasgos faciales forman parte del sistema especial para enfocar los sonidos que estos animales requieren para generar las elevadísimas frecuencias de los ultrasonidos. Pero además estos estudios condujeron a resultados de extraordinario valor práctico al determinar con exactitud el modo en que los murciélagos guían su posición mediante el eco, los científicos obtuvieron indicaciones sobre la manera de desarrollar sistemas sonoros para conducir vehículos hechos por el hombre, como las naves espaciales o los submarinos.
Dado que los ultrasonidos no influyen sobre el oído humano, los nuevos métodos pueden emplearse sin causar molestias a la humanidad, un ejemplo de ello es la lucha contra los insectos. Se comprobó que ciertos mosquitos son sensibles a determinadas frecuencias ultrasónicas y se alejan de ellas. Esto ha llevado al desarrollo de dispositivos protectores; que eliminan la necesidad de las mosquiteras y de las sustancias químicas, a veces tóxicas, para ahuyentar insectos. En los climas tropicales esto tiene considerable importancia porque habrá de contribuir a eliminar el flagelo del paludismo, enfermedad trasmitida por los mosquitos. Los científicos también trabajan en la construcción de pequeños aparatos ultrasónicos portátiles que protegen de los insectos en lugares como el automóvil, una pequeña zona de playa,…
Los ratones y las ratas también son sensibles a los sonidos inaudibles y las viviendas pueden liberarse de los roedores empleando generadores ultrasónicos, De las investigaciones con ultrasonidos también pueden beneficiar a los agricultores. El desarrollo de grandes generadores ultrasónicos evita la destrucción de los cultivos por insectos nocivos y de este modo se reduce el consumo de rociadores químicos que pueden ser nocivos para el ser humano y para importantes especies de la fauna.
Los ultrasonidos tienen otras aplicaciones capaces de introducir cambios más revolucionarios todavía en la agricultura. Mediante experimentos se comprobó que las frecuencias ultrasónicas influyen sobre las bacterias, las levaduras, las semillas de los vegetales y las plantas en crecimiento. Estos efectos pueden ser útiles o nocivos, según la cantidad y frecuencia del ultrasonido que se aplique. Por ejemplo, la intensidad de la onda sonora tiene que estar
Dentro de una determinada gama de decibelios para que se obtenga un efecto dado. Una frecuencia ultrasónica de 100.000 Hz favorecería el crecimiento de determinada especie vegetal, pero conservando la misma frecuencia y duplicando la intensidad la planta se lesionaría. Del mismo modo, una onda ultrasónica de frecuencia inferior estimularía la germinación de las semillas, pero modificando la intensidad o el tiempo de exposición de los ultrasonidos, la misma frecuencia sonora serviría para mezclar bacterias en los líquidos con mayor rapidez. Es evidente que los ultrasonidos pueden ser de mucha utilidad para producir mayor cantidad o alimentos de mejor calidad por hectárea.
En la industria alimentaria, la aplicación de los ultrasonidos para mejorar el mezclado de bacterias y líquidos, acelera algunos procesos como la elaboración del vino o el vinagre; La industria naviera también ofrece otro ejemplo del control de plagas mediante los ultrasonidos. Uno de los principales problemas son los moluscos pues se adhieren al casco de los barcos y cuando se aglomeran en gran cantidad en la parte subacuática del casco, el agua no puede circular libremente alrededor de éste y la marcha de la nave se frena. En consecuencia, hay que llevar con frecuencia el barco a dique seco para eliminar los moluscos mediante rasqueteado y para volver a pintar el casco. Los estudios realizados en el departamento de zoología de la Universidad de Pennsylvania demostraron que aplicando ciertas frecuencias ultrasónicas, los moluscos cierran sus conchas. En la actualidad se trabaja con vibradores ultrasónicos especiales que se instalan en los barcos para emitir ondas sonoras que mantengan los cascos libres de moluscos en todo momento.
– Aplicaciones en medicina: Las aplicaciones terapéuticas de los ultrasonidos dependen de dos características de los mismos, la intensidad y el tiempo de emisión. Los ultrasonidos de baja intensidad producen un efecto térmico profundo, mientras que los de alta intensidad producen un efecto mecánico que destruye tejidos (efecto de corte). En cuanto al tiempo de emisión podemos aplicar los ultrasonidos de forma continua (emisión continua) lo cual genera calor en los tejidos o los podemos aplicar en forma de pulsos (emisión de impulsos) que favorece la disminución de los efectos de la inflamación en los tejidos, como son el dolor o el edema.
La principal técnica de terapia médica con ultrasonidos es la litotricia. Consiste en la aplicación de ondas ultrasónicas para la destrucción de cálculos que se forman en el riñón, la vejiga o la vesícula biliar, sin intervención quirúrgica. Se emiten ultrasonidos en varias direcciones y éstas convergerán en el cálculo a tratar. Para el diagnostico de dichos cálculos se pueden utilizar técnicas diversas como la radiología y la ecografía, según la composición y localización de los mismos.
Otras técnicas son usadas para tratar la tendinitis muscular cuando existen calcificaciones (para disolverlas). La técnica denominada sonoforesis consiste en colocar un principio activo (en una crema) entre la piel y el emisor de ultrasonidos y los ultrasonidos empujan al principio activo hacia el interior del organismo, mejorando la absorción del medicamentos por las células del organismo. Esta técnica se basa en que los ultrasonidos crean poros en las membranas celulares que regulan de algún modo la entrada de fármacos en la célula. Otras investigaciones con esta técnica se centran en el control del flujo sanguíneo cerebral, lo cual sería de gran ayuda para prevenir crisis en este órgano.
La diatermia ultrasónica es otra técnica terapéutica que consiste en aplicar ultrasonidos de baja intensidad que pasan al cuerpo desde un transductor aplicado a la piel. Las pequeñas dosis de esta energía reducen el dolor muscular, la bursitis, la fibrositis, la artritis y el malestar en muchas enfermedades y lesiones traumáticas.
La tartrectomía ultrasónica consiste en un aplicador fino de ultrasonidos que entra en contacto con las placas de sarro adheridas a los dientes, produciendo su fragmentación.
También se investiga el empleo de los ultrasonidos para introducir cambios en el interior del organismo sin alterar las porciones de tejidos blandos y hueso situados entre medio. Para que este tipo de tratamiento resulte inocuo se requerirá una considerable labor de investigación, pero ya se han realizado estudios para modificar tamaños, formas y hasta posiciones de algunas estructuras del cuerpo. A frecuencias muy elevadas (de 1 a 4 MHz) se pueden realizar operaciones en las profundidades del cuerpo, sin punzar siquiera la piel ni los tejidos sanos. Para ello es necesario enfocar con gran exactitud los haces ultrasónicos mediante un objetivo especial que cubre el cristal emisor del sonido.
En la actualidad se emplean equipos que concentran el haz sonoro en el interior del cuerpo, en una superficie igual a la de la mina de un lápiz. Este sistema sirve hasta para realizar delicadas intervenciones en el cerebro. Para ello hay que extirpar una parte del hueso del cráneo, porque el hueso absorbe los sonidos mucho más que los tejidos blandos. Además, en las intervenciones cerebrales la frecuencia máxima que puede emplearse sin peligro es de unos 2 MHz.
El empleo de los ultrasonidos en terapéutica cerebral promete el surgimiento de una amplia gama de adelantos médicos. Ante todo, se elimina el peligro de lesionar por accidente alguna estructura importante del cerebro. Anteriormente había que recurrir a instrumentos mecánicos como bisturís o aparatos de succión, a sustancias químicas que se introducían con tubos especiales, a estudios eléctricos en los que se implantaban minúsculos electrodos en los tejidos circundantes, o a radiaciones. Por más cuidado que se tuviera había que destruir un poco de tejido para introducir los instrumentos. Con los ultrasonidos, en cambio, todo lo que se requiere es enfocar bien los haces y los estudios o los tratamientos con ultrasonidos se pueden realizar todas las veces que se consideren necesarios.
En la actualidad es posible recurrir a los haces ultrasónicos para hacer estudios prolongados y cuidadosos sobre el funcionamiento de las distintas áreas del cerebro. Con el tiempo se podrán conocer y diferenciar los millones de minúsculos circuitos eléctricos del cerebro y su funcionamiento. Con estos datos los médicos estarán en mejores condiciones de reparar casi todos los tipos de enfermedades cerebrales (los mismos datos así obtenidos también podrán conducir a la invención de ordenadores mucho más sofisticados.) y, una vez analizado un problema, se aplicará la ultrasónica para obtener la curación.
Por ejemplo, la modificación de ciertos circuitos del cerebro corregiría los defectos del habla y hasta repararía lesiones que en la actualidad paralizan a los pacientes o les dificultan el uso correcto de los brazos y piernas.
Además de las posibilidades terapéuticas de los ultrasonidos, en nuestro campo la utilización más frecuente de los mismos es la del diagnóstico por imagen.
La técnica más conocida es la ecografía, también denominadaultrasonografía y ecosonografía. Esta tecnología se desarrolló a partir del sónar, ingenio de origen militar aplicado a la guerra submarina en la Segunda Guerra Mundial. A partir de la década del 50 se desarrolla la ecografía estática y a partir de la década del 70 la ecografía en tiempo real.
Para explorar el interior del organismo se inyectan ultrasonidos a través de la piel(baja intensidad, en torno a unos pocos milivatios y alta frecuencia, entre dos y diez megahercios), generados por un transductor. Estos se reflejan a medida que van pasando de unos medios a otros (medios con distintas impedancias acústicas) y los distintos ecos reflejados cada uno de manera diferente llegan al receptor donde se amplifican y se muestran en un osciloscopio o pantalla (técnicamente similar al sondeo).
Se aplica un gel a base de agua sobre la piel en el área del cuerpo que se va a evaluar antes de producir los ultrasonidos, este material sirve de acoplo de impedancias para evitar la reflexión excesiva del ultrasonido en la propia superficie de la piel yfacilita la transmisión de las ondas sonoras.
Dado que lo que se está emitiendo son pulsos ultrasónicos, en la práctica se habla de métodos diagnósticos del eco pulsado, los cuales pueden ser de cinco tipos:
– Scan A:Sistema de eco pulsado compuesto por un generador, que simultáneamente estimula el transmisor y el generador de barrido, y un receptor que recoge los ecos devueltos.
– Scan B:Se trata simplemente de una agrupación de líneas A y se utiliza para representar una sección anatómica del paciente.
– Modo M: Se utiliza para estudiar movimientos de órganos, especialmente del corazón (ecocardiogramas). Un registro de tiempo-posición representa cómo varía una línea de eco A en función del tiempo.
– Técnica real time: se trata de obtener imágenes en modo B a una tasa del orden de 40 por segundo. En ese caso, el ojo humano percibe una imagen en movimiento.
– Técnicas Doppler: Cuando el haz sonoro rebota en una superficie inmóvil, la frecuencia del haz reflejado es la misma que la del haz transmitido, pero si la superficie se mueve, el ultrasonido reflejado tendrá diferente frecuencia que el emitido (efecto Doppler). Esto se puede analizar para estudiar dicho movimiento. Estas técnicas permiten realizar la medida del flujo sanguíneo, tanto a nivel cardiaco como periférico. Hay equipos de ultrasonido para doppler fetal, los cuales utilizan ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia cardiaca fetal dentro del vientre materno.
Lo más novedoso en estas técnicas son las ecografías y técnicas doppler en color, así como las ecografías tridimensionales estáticas (3D) o en movimiento (ecografía en 4D). La imagen a diferencia de la ecografía bidimensional o en 2D (imagen tomográfica) es proyectiva, por lo cual se caracterizan por ser imágenes con una calidad realmente impresionante como si se tratase de una fotografía.Este tipo de ecografías ayudan a la detección precoz de malformaciones y defectos genéticos fetales.
Los exámenes por ultrasonido son especialmente efectivos a nivel diagnóstico cuando los utilizamos para ver estructuras anatómicas (exploración fetal, glándulas, vejiga y vías urinarias, vesícula biliar, corazón, vasos sanguíneos,…) o lesiones (quistes de contenido líquido) que contengan líquido en su interior, dado que los ultrasonidos se reflejan extraordinariamente en este medio.
Al igual que cualquier onda, el ultrasonido sufre el fenómeno de atenuación dentro de las diferentes estructuras del cuerpo, como regla general a mayor frecuencia se logra menor penetración y a la inversa, a menor frecuencia podemos lograr mayor penetración. Las frecuencias típicas utilizadas para aplicaciones en abdomen pueden ir desde 2 a 5 MHz mientras que para regiones como mama, músculo-esqueléticas, tiroides, etc., las frecuencias pueden oscilar entre 8 y 16 MHz.
Podemos también introducir sondas ultrasónicas en el interior del cuerpo humano a través de distintas cavidades(recto, vagina,…), lo cual es de gran utilidad para apreciar mejor los detalles de los órganos internos o de las diferentes patologías, al aproximarnos a ellos.
La imagen ecográfica obtenida en tiempo real puede también ser usada para guiar procedimientos terapéuticos como drenajes y biopsias. Aunque la ecografía puede proporcionar menos información anatómica que técnicas como el TAC y la RMN, tiene varias ventajas frente a las mismas, que la hacen ideal en numerosas situaciones, en particular cuando se estudia la función de estructuras en movimiento en tiempo real. También es una técnica muy segura, ya que el paciento no es expuesto a radiación y es un método relativamente barato y rápido de realizar. Existen en la actualidad scanner de ultrasonidos móviles que pueden ser llevados hasta los pacientes en estado crítico, evitando así el daño causado en el transporte de los mismos a salas de rayos X, especialmente equipadas.
Actualmente se pueden utilizar contrastes en ecografía. Consisten en microburbujas de gas estabilizadas que presentan un fenómeno de resonancia al ser insonadas, e incrementan la señal que recibe el transductor. Así, por ejemplo, es posible ver cuál es el patrón de vascularización de un tumor, el cual da pistas sobre su naturaleza.
En el futuro quizá sea posible administrar fármacoscomo los quimioterápicos, ligados a burbujas semejantes, para que éstas liberen el fármaco únicamente en el órgano que se está insonando, para así conseguir una dosis máxima en el lugar que interesa, disminuyendo la toxicidad general.
La ecografía fetales una de las técnicas ecográficas más utilizadas, ya que no tiene ningún efecto secundario para la madre ni el feto y es una prueba muy sencilla que sirve para observar el desarrollo del mismo.
Los datos que se intentan conocer son los siguientes: laconfirmación del embarazoy sus características (normal, ectópico, múltiple), el crecimiento y desarrollo fetal (con la medición del tamaño fetal y de los diámetros cefálicos y la longitud del fémur que verifican si el tamaño fetal es adecuado al tiempo de embarazo en relación con la fecha prevista del parto), posibles malformaciones fetales o alteraciones que nos hagan sospechar anomalías cromosómicas (malformaciones cardiacas o de otros órganos como riñones, intestino, hígado, etc.; alteraciones en el desarrollo de la columna vertebral como la espina bífida; alteraciones cerebrales como la hidrocefalia; anormalidades en extremidades como el pie equino zambo o polidactilias; alteraciones en la cara como el labio leporino y el paladar hendido), la salud de los distintos órganos y el sexo del feto (incluso en épocas muy tempranas del embarazo, mediante la visualización o no de las bolsas escrotales), la posición de la placenta y la cantidad de líquido amniótico(que nos permiten prevenir complicaciones del embarazo o del parto).
La ecografía bidimensional (2D) es la que mejor sigue el desarrollo de embarazo y durante una gestación normal y sin riesgosdeben hacerse un mínimo de tres ecografías en 2D. Con ellas se observa al feto en dos dimensiones -corte longitudinal y transversal- en una imagen plana tomográfica, sin volumen y en blanco y negro, pero es una imagen en tiempo real, lo cual nos permite ver el movimiento fetal y de sus órganos, incluso internos (como el latido cardiaco).
La ecografía 2D es la técnica más sencilla y también la más adecuada para realizar un diagnóstico fetal.Con ella se pueden detectar hasta el 90 por ciento de las malformaciones fetales, siempre que la exploración se realice con los equipos adecuados y por personal especializado.
En los últimos años han irrumpido con fuerza las ecografías tridimensionales (3D y 4D)quepermiten obtener imágenes muy precisas del feto, por su calidad y realidad. Son un complemento a la ecografía 2D, pero no la suplen.
La ecografía en tres dimensiones (3D)fue introducida en el campo de la ginecología en el año 1989 y permite observar al feto con una nitidez increíble, de tal manera queresulta asombroso el realismo con el que se consiguen imágenesde la cara y los órganos del feto.
Esta ecografía puede realizarse en cualquier momento del embarazo, aunque lo ideal es llevarla a cabo entre las semanas 24-25ª o 30-31ª.En el último trimestre es más probable que la escasez de líquido, las manos delante de la cara y/o el cordón umbilical no permitan ver bien el rostro del niño. Esta técnica muestra volúmenes del feto, es como una foto donde pueden apreciarse las formas (aveces se puede ver el pelo e incluso las uñas). Solo permite ver imágenes fijas (aún no en tiempo real), nítidas y en color, aunque este lo aplican los técnicos, ya que el sonido no tiene color. Se realiza mediante una reconstrucción de cientos de imágenes de ecografía bidimensional y permite definir la profundidad de la exploración para examinar, por ejemplo, los huesos del feto o solo la piel. Cada día se utiliza más para descartar patologías internas.
La ecografía en 4D es una ecografía 3D en movimiento. Se llama 4D no porque se refiera a la cuarta dimensión, sino simplemente para distinguirla de la 3D estática.
A partir de decenas de imágenes 3D por segundo, permite ver el movimiento del feto en tiempo real, además de realizar mediciones más precisas, aunque es una imagen de tipo proyectivo. Se tiene la sensación de estar viendo al feto en un vídeo; pueden apreciase todo tipo de movimientos fetales cómo el movimiento de extremidades, cabeza y diferentes gestos del feto intraútero (saca la lengua, parpadea, sonríe, se chupa un dedo, bosteza,…). Es una ecografía que ayuda a las mujeres a disminuir la ansiedad ante el parto.Aunque ofrezca movimiento es, al igual que la 3D, complementaria a la 2D.Se usa sobre todo para valorar patologías externas (estudio del paladar, labios, dedos, piel…). También da la posibilidad deestudiar el comportamiento del feto para detectar alguna patología a través del movimiento de las extremidades y de los gestos faciales. Se puede grabar en medios informáticos como CDS o DVDS y las mejores imágenes se consiguen entre las semanas 26ª a 30ª de gestación.
Las ecografías actuales tienen ventajas tan interesantes como que las imágenes pueden enviarse por correo electrónico para consultar a otros profesionales y obtener así otras opiniones antes de realizar un diagnóstico.
Lo más novedoso en diagnóstico y terapia médica ha sido una sonda de ultrasonido que permite ver imágenes muy detalladas en 3D. Ha sido diseñada y fabricada en la Universidad de Duke y permite ver en tiempo real imágenes de los tejidos blandos, sin los riesgos asociados a los rayos X en el uso de los catéteres convencionales.
Los procedimientos basados en catéter cuentan con instrumentos moldeables y adaptables para ser utilizado a través de los vasos sanguíneos para realizar diversas tareas, tales como limpieza de arterias o colocaciones de prótesis, por lo general con la orientación de imágenes obtenidas a través de rayos X. En una serie de pruebas al principio de la investigación, diseñaron un tanque de agua simulando el aparato cardiovascular, utilizaron la nueva sonda de ultrasonido para guiar a dos procedimientos; la colocación de un filtro en el interior de una vena cava (que evita que los coágulos desprendidos en patologías de miembros inferiores, como la trombosis venosa profunda, y que no puedan ser eliminados a través de medicamentos, se dirijan al corazón y los pulmones) y la colocación de un “parche” sintético enfocado a tratar un aneurisma en la aorta abdominal (a través injertos de prótesis, que son grandes “tubos” sintéticos que se utiliza para la revisión de zonas debilitadas que están en riesgo de ruptura). El alcance de esta técnica se presupone mayor, pues podría ser utilizada para válvulas cardíacas de sustitución y colocación de bobinas en el cerebro para prevenir accidentes cerebrovasculares.
Actualmente cuando se maniobra un catéter a través del aparato cardiovascular a menudo se inyecta contraste en el torrente sanguíneo para poner de relieve la zona concreta. Aunque las imágenes obtenidas de esta manera son buenas, algunos pacientes experimentan reacciones adversas al contraste y además las imágenes adquiridas pueden presentar algunas incongruencias. Sin embargo, el sistema 3-D de ultrasonido no utiliza la radiación provenientes de rayos X o agentes de contraste, las imágenes son en tiempo real y continuas. Otra ventaja de la misma es la portabilidad, la máquina 3-D de ultrasonido está colocada sobre ruedas y puede moverse fácilmente a la habitación del paciente.
El diseño de la sonda, también conocido como transductor, tiene un novedoso sistema de recubrimiento del borde delantero del catéter en una vaina con 108 transductores de tamaño reducido. Estos minúsculos transductores trabajan en conjunto para crear un gran transductor, enfocado de manera similar a los ojos compuestos de los insectos.
– Otras aplicaciones de los ultrasonidos
a) Tratamiento de productos alimenticios: Desde hace unos años, se han venido desarrollando numerosas técnicas para el tratamiento de los alimentos. Frente a los métodos tradicionales, como la refrigeración, el ahumado, la pasteurización, etc., se están imponiendo otros nuevos como las altas presiones o los ultrasonidos.
Aunque estas técnicas están en investigación, la tecnología de ultrasonidos cuenta hoy con variadas aplicaciones en el tratamiento de productos alimenticios. La combinación de ultrasonidos con calor o presión, inactiva y destruye microorganismos y enzimas especialmente resistentes al calor, gracias a la cavitación. La aplicación de ultrasonidos se llama de procesado mínimo puesto que la idea es destruir los microorganismos que dañan los alimentos pero sin cambiar la apariencia externa de los mismos. Lo que hacen las ondas ultrasónicas es destruir la membrana celular de estos organismos, provocándoles la muerte. De todas formas esta técnica no es válida para cualquier producto alimentario puesto que algunos conducen muy bien los ultrasonidos y otros no. Esta propiedad también puede destinarse a la esterilización de instrumental médico o de heridas en el ser humano.
Las técnicas ultrasónicas también tienen su aplicación en el cálculo del porcentaje de grasa de un alimento.Esto se debe a que hueso, músculo y grasa poseen impedancias acústicas distintas, luego se puede medir el grosor del tejido graso y hacer una estimación del total de grasa contenido en el cuerpo
Últimamente se está investigando también en la aplicación de ultrasonidos a la purificación del agua, concretamente para la limpieza de filtros.La clave vuelve a ser el fenómeno de la cavitación. Si logramos que se produzcan burbujas y que estas colisionen limpiando la suciedad de los filtros tendremos un excelente método de depuración del agua.
b)Aplicaciones industriales: Las aplicaciones físicas de los ultrasonidos se centran, esencialmente en la medida de las propiedades elásticas y las condiciones de propagación en los sólidos. La idea es el estudio de la propagación de un ultrasonido en el material. Otras aplicaciones se centran en el estudio de explosiones, determinación de las propiedades físicas de líquidos y gases, localización de baches de aire (fundamental para la navegación aérea), etc.
Los ultrasonidos también tienen aplicaciones en el campo de la química. Su principal función es la de activar ciertos compuestos con el fin de acelerar las reacciones químicas en los procesos de fabricación de materiales organometálicos. En los últimos años, se ha creado una nueva rama de la química, la sonoquímica, con un futuro muy interesante. Las aplicaciones de los ultrasonidos en la industria son múltiples.Los ultrasonidos de alta intensidad se han venido utilizando para limpieza de equipos con piezas delicadas o de difícil acceso (como los limpiadores ultrasónicos utilizados para desinfección del instrumental en las consultas dentales), detectores de defectos en materiales sólidos, medición del espesor de las mismas, apertura automática de puertas,desgasificado de líquidos, homogeneización, inducción de reacciones de oxidación-reducción, extracción de enzimas y proteínas, inducción de la nucleación durante la cristalización, medidores de distancias, entre otras aplicaciones.
Una de las aplicaciones industriales más importantes es la soldadura de plásticos por ultrasonidos.Se utiliza un aparato llamado sonotrodo, aparato hecho de aluminio y titanio (materiales con buenas propiedades acústicas), que convierte los ultrasonidos en energía calorífica de manera muy rápida, la cual funde el plástico y lo une. Dicha energía es proporcional a la amplitud de la onda ultrasónica, como podemos imaginar. Las frecuencias de trabajo se sitúan entre los 20 y 40 KHz y la potencia es del orden de algunos miles de vatios. Tiene muchas ventajas en relación con otros tipos de soldaduras pues no es necesario un precalentamiento, es muy rápido, no genera contaminantes, la unión es en general mejor que con otros métodos, no requiere calor y por lo tanto el metal circundante no se debilita, etc.
Normalmente es necesaria una presión de lo materiales a unir pero, en las soldadoras más modernas, no es fundamental. La soldadura ultrasónica también tiene sus limitaciones, sólo se pueden unir de este modo finas láminas de metal de menos de 5 milímetros de espesor. En muchas piezas de aviones y de proyectiles, en que se emplean chapas finas, el método ultrasónico representa una gran ventaja. Este sistema de soldadura ultrasónica se emplea desde hace muchos años en las industrias de la aeronáutica y de los proyectiles dirigidospues en muchas piezas de aviones y de proyectiles se emplean chapas finas y el método ultrasónico representa una gran ventaja.
Junto con el soldado la aplicación más importante de los ultrasonidos en la industria actual son las operaciones de maquinado. Las elevadísimas vibraciones del ultrasonido pueden utilizarse para desgastar partículas hasta de los metales más resistentes. En este caso un transductor trasmite la frecuencia deseada a una herramienta, que puede ser un punzón o una piedra de amolar. La vibración de la herramienta, aunque enorme, es tan rápida que no se ve a simple vista. Sin embargo, se la puede controlar para obtener cortes, perforaciones y otros cambios exactos en todo tipo de material. El proceso es tan sensible que sirve para recortar partículas sumamente quebradizas como la cerámica o el vidrio.
Uno de los nuevos métodos de esmerilar que se estudian, es el de los barrenos ultrasónicos (turbinas ultrasónicas) para odontología, que algún día habrán de simplificar el tratamiento de las cavidades dentales
jambién se ha comprobado en trabajos recientes que la energía ultrasónica sirve para laminar metales. Los ingenieros rusos desarrollaron métodos que utilizan ultrasonidos para laminar las chapas metálicas y obtener así hojas de muy poco espesor. Y se trabaja en fraguado, en trefilado de alambre y en la producción de tubos sin costura, todo por métodos ultrasónicos. Lo más novedoso es el empleo de los ultrasonidos para dar formas a materiales normalmente difíciles de trabajar, como la cerámica.
c) Otra curiosa aplicación de los ultrasonidos: Una de las aplicaciones más peculiares de los ultrasonidos es como “espanta jóvenes”. El oído de las personas jóvenes (menores de 25 años) y de aquellos que no han experimentado ruidos de alta intensidad durante largos periodos de tiempo es capaz de percibir ondas sonoras de frecuencias más elevadas. Por ello, se ha diseñado un aparato que emite un sonido similar al zumbido de un insecto en estas frecuencias próximas al ultrasonido, siendo muy molesto para los oídos más sensibles.En el enlace siguiente podrás comprobar qué grado de sensibilidad auditiva dispones. Para ello sólo tienes que escuchar los tonos a diferentes frecuencias en orden ascendente de frecuencia.
