Ultrasonido para niños
Los ultrasonidos son un tipo de onda sonora que tiene una frecuencia tan alta que el oído humano no puede escucharla. Son como el sonido, pero con una vibración mucho más rápida. El límite de lo que podemos oír es de unos 20.000 vibraciones por segundo (20 kHz) en personas jóvenes. Los equipos de ultrasonido usan frecuencias aún más altas, a menudo millones de vibraciones por segundo (MHz).
Estas ondas se usan en muchos campos. El más conocido es la medicina, donde ayudan a diagnosticar y tratar enfermedades. También son muy útiles en la industria. Los aparatos de ultrasonido pueden detectar objetos o medir distancias.
Una técnica médica muy común que usa ultrasonidos es la ecografía. También se usan para revisar productos y estructuras sin dañarlos, buscando fallas invisibles. En la industria, sirven para limpiar, soldar plásticos y metales, cortar, mezclar y acelerar procesos químicos. Además, animales como los murciélagos y los delfínes usan los ultrasonidos para encontrar comida y evitar obstáculos.
Contenido
¿Cómo se descubrieron los ultrasonidos?
Los ultrasonidos no son un invento, sino un fenómeno natural que el ser humano ha aprendido a usar. Sus aplicaciones actuales son el resultado de muchos experimentos a lo largo de la historia.
Primeras observaciones y descubrimientos
En el siglo XVIII, el biólogo italiano Lazzaro Spallanzani descubrió estas ondas sonoras. Observó cómo los murciélagos cazaban a sus presas en la oscuridad, lo que le hizo pensar que usaban un tipo de sonido que nosotros no podíamos oír.
A principios del siglo XIX, el físico y matemático austriaco Christian Andreas Doppler explicó el "Efecto Doppler". Este efecto describe cómo la frecuencia de una onda cambia si la fuente o el receptor se mueven. Aunque lo aplicó a la luz, sus ideas también eran válidas para las ondas de ultrasonido.
Avances tecnológicos y aplicaciones iniciales
El siglo XIX marcó el inicio del estudio de los ultrasonidos con inventos como el silbato de Galton y el diapasón. Estos aparatos podían producir ultrasonidos, aunque de baja frecuencia. Sirvieron para entender las diferencias en la audición entre humanos y animales.
A principios del siglo XX, el físico francés P. Langevin y el Dr. C. Chilowsky crearon el primer generador ultrasónico usando un material llamado piezoeléctrico. Este material produce electricidad cuando se le aplica presión y viceversa.
Una de las primeras aplicaciones importantes fue en la marina. Después de que el físico francés Paul Langevin inventara el Sonar, se pudo usar para detectar objetos bajo el agua. Esta tecnología luego se adaptó para la aviación y, más tarde, para la medicina.
En 1924, el científico ruso S. Y. Sokolov sugirió usar los ultrasonidos para revisar materiales en la industria y encontrar defectos.
Después de la Segunda Guerra Mundial, investigadores de Japón, Estados Unidos y Europa comenzaron a desarrollar los primeros equipos de diagnóstico médico por ultrasonido. Al principio, las imágenes eran simples, pero en los años 70, con la llegada de los microprocesadores, se lograron imágenes en tiempo real de alta calidad. Esto hizo que el ultrasonido fuera una herramienta médica muy aceptada.
¿Cómo percibimos los ultrasonidos?
La audición humana y los ultrasonidos
Los humanos no podemos oír los ultrasonidos porque nuestro oído medio tiene limitaciones. Sin embargo, si un ultrasonido muy fuerte llega directamente al cráneo, puede vibrar el hueso y hacer que la cóclea (una parte del oído interno) lo perciba.
Los niños suelen escuchar sonidos más agudos que los adultos, ya que la capacidad de oír frecuencias altas disminuye con la edad. Por ejemplo, algunos tonos de llamada de teléfonos móviles se diseñaron para que solo los jóvenes pudieran oírlos, aunque no siempre funcionó perfectamente.
Los animales y la ecolocalización
Algunos animales, como los delfínes y los murciélagos, usan los ultrasonidos de forma similar a un radar. A esto se le llama ecolocalización. Emiten ondas de ultrasonido que rebotan en los objetos a su alrededor. Al escuchar los ecos, pueden crear una "imagen" mental de su entorno y orientarse fácilmente.
Los aparatos que emiten ultrasonidos también se usan a veces para ahuyentar roedores e insectos.
¿Cómo funcionan los ultrasonidos?
La física detrás de las ondas ultrasónicas
Los ultrasonidos son ondas mecánicas, es decir, necesitan un medio (como el aire, el agua o los tejidos del cuerpo) para viajar. Se producen por la vibración de un material elástico, como un cristal piezoeléctrico. Su frecuencia es superior a 20.000 vibraciones por segundo (20 kHz). La frecuencia se mide en hercios (Hz).
Las características importantes de los ultrasonidos son:
- Frecuencia: En medicina, para el diagnóstico, se usan frecuencias entre 2 y 30 millones de vibraciones por segundo (MHz).
- Velocidad de propagación: La velocidad a la que viajan las ondas depende de la densidad y la compresibilidad del material. En materiales más densos, las ondas viajan más rápido.
- Interacción con la materia: Las ondas hacen vibrar las moléculas del material, transmitiendo energía.
- Longitud de onda: Es la distancia entre dos picos de la onda. Cuando las ondas atraviesan un tejido, parte de ellas se reflejan de vuelta al aparato, creando un "eco".
- Impedancia acústica: Ayuda a identificar diferentes materiales o tejidos. Cuando una onda pasa de un material a otro con diferente impedancia, se produce una interfaz.
- Ángulo de incidencia: La fuerza con la que el haz de ultrasonido se refleja depende del ángulo en que choca con una superficie.
Cuando los ultrasonidos atraviesan tejidos vivos, ocurren varios procesos:
- Atenuación: Las ondas pierden intensidad a medida que viajan por el material.
- Refracción: La dirección de la onda puede cambiar al pasar de un material a otro, como cuando la luz pasa por el agua.
- Dispersión o Scattering: Parte de las ondas se reflejan en todas direcciones, lo que puede generar "ruido" en las imágenes.
- Reflexión: Parte de las ondas se reflejan con un ángulo similar al que llegaron. Este es el fenómeno que produce el eco y es el más importante para crear imágenes de diagnóstico.
¿Cómo se forman las imágenes con ultrasonidos?
La microscopía acústica usa ondas de sonido para ver estructuras muy pequeñas que el ojo humano no puede distinguir. Se usan frecuencias muy altas para esto. La forma en que las ondas sonoras se reflejan y se doblan en las estructuras microscópicas puede dar información que la luz no puede.
Para obtener una imagen con ultrasonidos, se siguen estos pasos:
Paso 1: Emisión de un pulso de onda
Paso 2: Medición del tiempo y la intensidad del eco El eco se produce cuando la onda choca con dos materiales con propiedades acústicas diferentes. Cuanto mayor sea la diferencia, más fuerte será el eco.
Paso 3: Reconstrucción de la imagen Conociendo la velocidad de la onda, el aparato calcula la distancia a la que se encuentra cada punto que produce un eco y crea una imagen. Las imágenes varían según cómo el material atenúa las ondas.
La resolución de las imágenes de ultrasonido
Los materiales más densos tienen enlaces atómicos más fuertes, lo que puede hacer que la velocidad del sonido sea más lenta.
La longitud de onda de los ultrasonidos determina el nivel de detalle que se puede ver en la imagen. Cuanto más corta es la longitud de onda (es decir, mayor la frecuencia), mayor es la resolución, lo que permite ver detalles más finos. Sin embargo, las frecuencias más altas tienen menos poder de penetración.
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
| Rápido | Baja resolución en algunos casos |
| Económico | La imagen puede tener "ruido" y ser difícil de interpretar |
| Seguro (no usa radiación) | Bajo poder de penetración en algunos materiales |
| Vídeo en tiempo real (hasta 4D) | Materiales muy densos absorben demasiados ultrasonidos, haciendo las imágenes poco fiables |
¿Cómo es un aparato de ultrasonidos?
Un aparato básico de ultrasonido tiene varias partes:
La sonda del transductor
Es la parte que se coloca sobre el cuerpo. Envía y recibe las ondas de sonido usando el efecto piezoeléctrico. Dentro de la sonda hay cristales de cuarzo. Cuando se les aplica electricidad, cambian de forma rápidamente y producen ondas de sonido. Cuando las ondas de sonido (ecos) regresan y golpean los cristales, estos producen electricidad, que el aparato interpreta.
Las ondas se envían en pulsos. Entre la emisión y la recepción, las ondas viajan por el tejido. Los ecos deforman los cristales, generando una señal eléctrica que se convierte en imagen en el monitor.
La sonda tiene una sustancia que absorbe el sonido para evitar reflejos no deseados y una lente acústica para enfocar las ondas.
Existen diferentes tipos de sondas, como las lineales o las de sector, que se distinguen por cómo están dispuestos los cristales y la forma de la imagen que producen. La cantidad de cristales y la forma de la sonda determinan su campo de visión y la frecuencia de las ondas que emite, lo que afecta la capacidad de penetración y la resolución de la imagen. Algunas sondas se adaptan a zonas específicas del cuerpo para obtener imágenes más cercanas.
Las sondas de sector son útiles para ver estructuras más profundas y son de uso general.
| CARACTERÍSTICAS | Transductores lineales | Transductores de sector |
|---|---|---|
| Disposición de los cristales | En línea recta | En forma curva |
| Tipo de imagen generada | Imagen rectangular | Imagen en forma de abanico |
| Campo cercano de la imagen | Ancho | Estrecho |
| Campo lejano de la imagen | Ancho | Amplio |
La CPU (Unidad Central de Procesamiento)
Es la computadora que realiza todos los cálculos. Contiene el microprocesador, la memoria y las fuentes de alimentación. La CPU envía electricidad a la sonda para emitir ondas y recibe los pulsos eléctricos de los ecos. Procesa los datos y forma la imagen en la pantalla, además de poder guardarla.
Controles del pulso del transductor
Estos controles permiten al operador cambiar la fuerza, la frecuencia y la duración de los pulsos que emite la sonda. Los comandos del operador se convierten en cambios en la electricidad que llega a los cristales piezoeléctricos.
Las máquinas de ultrasonido tienen varios controles para ajustar la imagen:
- El control de potencia ajusta la intensidad del haz de ultrasonido. Es mejor mantener la potencia lo más baja posible y ajustar la amplificación de los ecos para evitar efectos no deseados.
- El control de compensación de ganancia-tiempo (TCG) permite ajustar la amplificación de los ecos según la profundidad.
- El control de ganancia cambia el brillo de todos los ecos en la pantalla de manera uniforme.
- El control de profundidad permite ajustar hasta dónde se muestra la imagen, para centrar la estructura de interés.
La pantalla
Muestra la imagen creada a partir de los datos de ultrasonido. El modo de visualización depende del tipo de aparato y de lo que se quiera observar.
- Modo amplitud: Los ecos se muestran como picos en una línea. La posición del pico indica la profundidad y la altura del pico indica la fuerza del eco. Se usa poco, excepto en oftalmología (estudio de los ojos).
- Modo brillo: Los ecos se representan como puntos brillantes en una línea. El brillo del punto indica la fuerza del eco. Al realizar varios barridos por segundo, se crea una imagen en movimiento y en "tiempo real".
Teclado / cursor
Sirve para introducir datos y tomar medidas de la imagen en la pantalla.
Impresora
Permite imprimir la imagen obtenida, ya sea a color o en blanco y negro.
Dispositivo de almacenamiento en disco
Guarda las imágenes obtenidas en un disco duro o CD.
Usos de los ultrasonidos en medicina
Medicina general
El ultrasonido médico es una técnica de imagen médica que usa ultrasonidos para ver músculos, tendones y muchos órganos internos. Permite ver su tamaño, estructura y cualquier problema en tiempo real. Es muy útil porque es una forma segura y sencilla de ver el interior del cuerpo. No usa radiación ionizante y los niveles de potencia son muy bajos, por lo que no se conocen riesgos para el paciente.
Es una herramienta de diagnóstico muy usada desde hace más de 50 años. Es relativamente barata y portátil, comparada con otras técnicas como la resonancia magnética (MRI) o la tomografía computarizada (CT).
También se usa cada vez más en casos de emergencia y primeros auxilios. Además, es útil en situaciones donde se necesita un diagnóstico a distancia, como en el espacio o para equipos deportivos.
El ultrasonido se usa para ver a los bebés antes de nacer, durante el embarazo. A esta aplicación se le llama ecografía obstétrica.
Aunque se siguen investigando los efectos a largo plazo de la exposición a ultrasonidos de diagnóstico, la mayoría de los médicos consideran que los beneficios son mayores que los posibles riesgos. Se recomienda usar la menor potencia y el menor tiempo posible para obtener una imagen diagnóstica clara.
La ecografía Doppler es una mejora de la ecografía tradicional. Se basa en el efecto Doppler: cuando un objeto que refleja las ondas se mueve, la frecuencia de los ecos cambia. Esto permite medir la velocidad del flujo sanguíneo en el corazón y las arterias principales.
Ultrasonido en obstetricia
Esta técnica se conoce como ecografía o sonografía.
La máquina de ultrasonido usa cristales piezoeléctricos que vibran al recibir electricidad, produciendo ondas sonoras de alta frecuencia. Estas ondas rebotan en las estructuras del cuerpo y regresan a los cristales, que a su vez producen pequeñas señales eléctricas. Una computadora procesa estas señales para crear las imágenes. A diferencia de los rayos X, no hay exposición a radiación. Hoy en día existen ecógrafos tan pequeños como un teléfono móvil.
Las frecuencias usadas varían: para el abdomen, suelen ser de 2 a 5 MHz, mientras que para zonas como la mama o la tiroides, pueden ser de 8 a 16 MHz. Las frecuencias más altas se usan para ver estructuras muy pequeñas y superficiales.
El Doppler, que muestra el flujo de líquidos en el cuerpo, se usa menos en obstetricia porque su potencia es más alta y podría tener efectos en el bebé.
Ultrasonido en cardiología
En cardiología, se usa la ecocardiografía para ver el corazón. Permite observar:
- El tamaño de las partes del corazón y cómo funcionan las válvulas.
- Ecocardiograma transtorácico: La sonda se coloca en el pecho del paciente.
- Ecocardiograma transesofágico: Una sonda con un transductor se introduce por el esófago para obtener una imagen más clara del corazón, especialmente cuando las imágenes transtorácicas no son buenas.
Ultrasonido en el sistema musculoesquelético
Permite ver tendónes, músculos, nervios, ligamentos, masas de tejidos blandos y superficies óseas. Es una alternativa a las radiografías para detectar fracturas en muñecas, codos y hombros en niños de hasta 12 años.
Ultrasonido en endocrinología y laringología
La mayoría de las estructuras del cuello, como las glándulas tiroides y paratiroides, los ganglios linfáticos y las glándulas salivales, se ven muy bien con ultrasonidos de alta frecuencia. Es especialmente útil para detectar problemas en la tiroides.
También ayuda a evaluar y tratar muchas otras condiciones en la cabeza y el cuello.
Ultrasonido en el sistema digestivo
En la ecografía abdominal, se obtienen imágenes de órganos como el páncreas, el hígado, la vesícula biliar, los riñones y el bazo. El gas en el intestino y la grasa pueden dificultar la visualización. A veces se puede ver el apéndice si está inflamado.
Ultrasonido en veterinaria
En animales, el ultrasonido se usa en caballos para evaluar lesiones de tejidos blandos y tendones. También es importante para la reproducción, como evaluar el sistema reproductivo de las yeguas y detectar embarazos. En toros, se usa para evaluar la condición testicular.
La industria ganadera usa el ultrasonido para mejorar la salud de los animales y la producción. Permite evaluar el grosor de la grasa, el área muscular y la grasa intramuscular en animales vivos, así como la salud de los terneros antes de nacer.
Esta tecnología ayuda a los ganaderos a obtener información para mejorar la cría de su ganado, aunque puede ser costosa y requiere capacitación.
Ultrasonido terapéutico
En fisioterapia, el ultrasonido se ha usado desde los años 40 para reducir el dolor y la inflamación en músculos profundos, ligamentos, tendones y tejido cicatricial. Se emplea para tratar esguinces, distensiones musculares, tendinitis, inflamación articular, entre otros.
Para terapia, se usan intensidades más potentes y frecuencias de 1 a 3 MHz. Aunque algunos médicos son cautelosos, se sigue investigando su eficacia.
Su uso busca aliviar el dolor, ayudar a la regeneración y reducir la inflamación. Es muy importante que estos equipos sean usados solo por profesionales capacitados para evitar complicaciones.
Otro uso médico es la Litotricia extracorpórea por ondas de choque, una técnica para tratar las piedras en los riñones.
Aplicaciones tecnológicas de los ultrasonidos
Sensores sin contacto
Los ultrasonidos se usan en sistemas de detección que no necesitan tocar el objeto. Esto es útil en industrias como la médica o farmacéutica, donde el contacto podría contaminar líquidos.
Se usan sistemas de onda continua o pulsada. En los pulsados, se envían ráfagas cortas de energía ultrasónica y se busca una señal de retorno en un tiempo específico.
Un ejemplo popular fue la cámara Polaroid SX-70, que usaba ultrasonidos para enfocar automáticamente.
Pruebas ultrasónicas en la industria
La prueba ultrasónica es un tipo de prueba que no daña el material. Se usa para encontrar defectos y medir el grosor de objetos. Las frecuencias comunes son entre 2 y 10 MHz. Es una parte esencial de la fabricación moderna. Se pueden inspeccionar metales, plásticos y compuestos aeroespaciales. Los ultrasonidos de baja frecuencia (50-500 kHz) también se usan para materiales menos densos como madera o cemento.
La inspección por ultrasonido de las soldaduras ha sido una alternativa a las radiografías desde los años 60. Es más segura y económica porque no usa radiación. Además, puede dar información sobre la profundidad de los defectos.
Estas pruebas han evolucionado de métodos manuales a sistemas computarizados. Pueden identificar fallas, medir su tamaño y ubicación. Algunos materiales son más difíciles de inspeccionar con ultrasonidos debido a su estructura.
También se usan en ingeniería civil para detectar problemas y para limpiar objetos, como carburadores.
El sonar se usa para la localización acústica, similar al radar, pero usando impulsos sonoros en lugar de ondas electromagnéticas. Se usó en el aire antes que el GPS. El SODAR (sonar vertical aéreo) se usa para investigar la atmósfera.
En la navegación marítima, el sonar detecta obstáculos y objetos bajo el agua. Se envía un pulso ultrasónico y si hay un objeto, parte del pulso se refleja como un eco. Midiendo el tiempo que tarda el eco en regresar, se puede calcular la distancia.
El tiempo de viaje de los pulsos en el agua depende de la temperatura y la salinidad. Los ultrasonidos también se usan para medir distancias cortas en el aire, por ejemplo, para medir habitaciones con herramientas de mano.
Identificación ultrasónica (USID)
La identificación por ultrasonido (USID) es un sistema que localiza objetos en tiempo real. Usa pequeños dispositivos que emiten una señal de ultrasonido para comunicar su ubicación a sensores de micrófono.
Sensores de movimiento y medición de flujo
Una aplicación común es en los abridores automáticos de puertas, donde un sensor ultrasónico detecta la cercanía de una persona y abre la puerta. Los sensores ultrasónicos también se usan para detectar presencia en una habitación, ya que pueden cubrir un área amplia desde un solo punto.
Además, el flujo de líquidos en tuberías o canales se puede medir con medidores de flujo ultrasónicos, que calculan la velocidad promedio del líquido.
En el estudio de los fluidos (reología), un reómetro acústico se basa en el ultrasonido.
Otros usos
Una aplicación muy popular, pero ineficaz, del ultrasonido es como repelente de insectos (especialmente mosquitos). Existen aparatos y programas que generan estas señales, pero muchos estudios demuestran que no funcionan.
Véase también
En inglés: Ultrasound Facts for Kids
