QNR Team
- 6 mar 2023
- 14 Min. de lectura

El diagnóstico por imagen: La historia del Ultrasonido.

Actualizado: 26 ago 2023

¿Qué tienen en común un científico del siglo XVIII que analizaba el vuelo de los murciélagos, los cristales de cuarzo piezoeléctricos que generan sonidos de alta frecuencia, y la ecolocalización de buques de guerra, icebergs y submarinos?

En este artículo, continuamos indagando sobre la evolución de los productos médicos, centrándonos en la tecnología de diagnóstico por imagen y el ultrasonido. Exploraremos la historia y los avances de este sector de la tecnología médica, su situación actual, sus implicaciones en nuestra sociedad global y sus perspectivas de futuro. Acompáñanos a dar una mirada al pasado, conoceremos un poco más de cerca a cuatro grandes científicos, las miles de horas de sus vidas dedicadas a la investigación, sus descubrimientos y sus aportes para llegar al diagnóstico mediante ultrasonido que conocemos hoy. Conozcamos juntos la evolución de la ultrasonografía.

"No se pueden conectar los puntos mirando hacia el futuro; solamente se pueden conectar mirando hacia el pasado” Steve Jobs.

Hoy, muchas veces damos por sentado cuando el médico nos indica realizarnos un ultrasonido, porque simplemente será obtener una cita con el médico especialista en imágenes ecográficas, algo de ayuno o beber agua en algunos casos, y acudir el día del turno. Para que nuestro médico de cabecera obtenga el informe en tan solo un par de días, o incluso en el mismo momento para obtener un diagnóstico y un tratamiento a nuestro padecimiento. Pero en la historia no fue tan sencillo llegar a este estudio, y tomó poco menos de 300 años.

Pero, ¿qué es una ecografía? Es la obtención de imágenes diagnósticas a partir de los ecos obtenidos por la emisión de ondas de ultrasonido. Para esto se utiliza un transductor que puede tomarse fácilmente con la mano, este dispositivo emite ondas de ultrasonido que se transmiten hacia esa área del cuerpo en estudio. A su vez recoge el eco de las ondas y una computadora la transforma en una imagen que aparece en la pantalla.

Explicaremos algunos conceptos teórico-científicos más adelante. Sin embargo, primero, recordando la frase de Steve Jobs, y mirando los puntos hacia atrás uniremos algunos de los más importantes:

El Derribador de mitos. Punto 1

Valentía para contradecir

Viajaremos a Scandiano, Italia en el año 1729, nace el polémico y controversial científico Lazzaro Spallanzini, destinado por “herencia paterna” a estudiar leyes, y religión, pero quien pudo finalmente realizar estudios en biología, especializándose en Botánica y Zoología. Se propuso derribar falsos conceptos y mitos, muy arraigados por cientos de años hasta ese entonces, demostrando empíricamente el funcionamiento de algunos órganos. Interesado por la reproducción, fue uno de los más grandes opositores y detractores de la teoría de la generación espontánea. Refutando uno de los temas más controversiales del siglo XVIII (ya refutada anteriormente por Francesco Redi, conocido como el fundador de la biología experimental), ahora es tomado como un hecho trascendental ya que fue el punto de partida del concepto de que todo ser vivo proviene de otro ser vivo, inclusive los microscópicos. Principio que Pasteur aplicaría luego con éxito en los microrganismos. Fué pionero en realizar inseminaciones artificiales con éxito. Derribó el mito del aura seminalis, demostrando la necesidad de contacto entre el líquido seminal y el ovocito para la fecundación y no una especie de “vapor” emanado por el mismo.

Spallanzini también realizó pruebas que comprobaron la acción de los jugos digestivos, así como también del intercambio gaseoso en los pulmones, de la acción del corazón en los vasos sanguíneos y en el movimiento de la sangre, y en su velocidad cambiante según los distintos calibres de vasos sanguíneos.

La eco-locación

Spallanzini se dio cuenta que, a diferencia de la mayoría de los seres vivos, aún de aquellos animales que cazan de noche como los búhos, los murciélagos tenían una altísima precisión para moverse con sus ojos tapados, orientarse perfectamente y encontrar refugios de hasta unos 5 cm de diámetro. Que eran capaces de volar incluso por túneles subterráneos. También observó que su orientación no era por sentido auditivo, pero si pudo percatarse que provenía de su oído.

Por estas razones Spallanzini concluyó que los murciélagos podían navegar en total oscuridad siendo ciegos, y utilizando sonidos inaudibles. En una época donde los únicos sonidos que se conocían eran los audibles, y sabiendo que el vuelo del murciélago era silencioso, fue muy polémico y cuestionado.

El conocimiento del ultrasonido y poder identificarlo como un sonido no audible por el humano, recién se sabrá en 1938 por los biólogos Donald Griffin y Robert Galambos, ¡casi 200 años después!

Desde una familia de científicos. Punto 2

130 años después en 1859 nace en Francia Pierre Curie. Cuyo padre decidió que tendría una educación poco común: sería con tutores privados, en vez de ir a una institución, dado su “temperamento” y su agudo intelecto. Mostró desde temprana edad talento en matemáticas, y a los 16 entró a la Sorbona, y a los 18 obtuvo un equivalente a un master. A los 20 junto a su hermano Jacques, comenzaron a experimentar con cristales y su efecto piroeléctrico (un cambio en la temperatura de los cristales genera un potencial eléctrico). Munidos de los materiales más rudimentarios: papel de aluminio, alambre, pegamento, imanes y una sierra de joyero. Experimentaron con varios cristales tales como cuarzo, topacio, cane sugar, Rochelle salt. Los hermanos pudieron percatarse que cuando algunos materiales eran sometidos a compresión, esta tensión mecánica resultaba en un potencial eléctrico.

Inmediatamente, usaron su descubrimiento para inventar el electrómetro de cuarzo piezoeléctrico.

Hubo un inesperado giro al año siguiente, cuando el matemático Gabriel Lippman elaboró la teoría de que habría también un efecto inverso, y que, al aplicar un campo eléctrico a un cristal, este se deformaría en respuesta.

Los hermanos Curie, demostraron que esta teoría también era cierta y que la piezoelectricidad funcionaba en ambas direcciones produciendo sonidos de alta frecuencia.

La piezoelectricidad cayó en el olvido por casi 40 años, hasta que en 1917 por Paul Langevin fue desarrollado el primer transductor con cristales de cuarzo, para usar en un submarino, similares a los que hoy se usan en los automóviles para medir y alertar la proximidad con obstáculos.

Entre 1912 y 1938 hay varios eventos en donde Maxium y Richarson comienzan a utilizar el ultrasonido para detectar icebergs, luego del hundimiento del Titanic. Langevin inventa el generador de ultrasonidos para detectar submarinos. Como ya mencionamos en 1938 Griffin y Galambos demostraron la emisión de ultrasonidos del murciélago, y se termina de comprender el concepto de la existencia de sonidos que no escuchamos.

¿De quién parte la idea?: El padre de la ecografía. Nuestro punto número 3

Para unir el tercer punto más importante en esta historia, viajaremos a Viena, Austria, en 1908, donde nace Karl Theodore Dussik, hijo de un dentista inmigrante de Checoslovaquia. Estudió medicina, y luego se especializó en psiquiatría y neurología. En 1937 comenzó a investigar acerca de como utilizar el ultrasonido para diagnóstico médico y hallar tumores cerebrales, sabiendo que había sido utilizado para encontrar bancos de peces en el mar.

Su idea fue visualizar las estructuras intracraneales, y tomar medidas con las ondas de ultrasonido. Basado en una representación bidimensional de la intensidad de la atenuación que las ondas de ultrasonido tienen cuando pasan a través de los líquidos y tejidos del cuerpo humano. Convirtiéndose así en el primer medico en aplicar el ultrasonido como método diagnóstico en humanos. Procedimiento al que se referiría como Hyperphonography.

En 1941 presentó un escrito explicando toda su teoría, así mismo explicando y describiendo como era el generador de ultrasonido de cuarzo, con transmisor y receptor. Luego de que la II guerra mundial terminara en 1945, comenzó a desarrollar el prototipo y en 1947 se publicó la primera imagen de ultrasonido de la historia y que el produjo. En 1948 presentó su trabajo en el Primer congreso del mundo de “Ultrasonido en Medicina” en Erlangen, Alemania. Solo había dos trabajos presentados que hablaban de la utilización de tal metodología en diagnóstico, ya que el resto lo utilizaba como tratamiento.

Luego de que Dussik se mudara a US con su familia, presentó su trabajo en el MIT, donde se hicieron investigaciones, pero cerraron el proyecto en el 54 concluyendo que: “son imágenes muy ruidosas y que se descalifica el valor clínico de ellas”.

Durante muchos años se continuó trabajando con el ultrasonido solamente como método de tratamiento de artritis, esclerosis múltiple y otras afecciones, y no como método diagnóstico.

Llamado padre del ultrasonido, según muchos de los pioneros que lo siguieron y que incluso escribieron libros mencionándolo de esa forma.

Más tarde en los últimos años de los 50 y la década del 60 el concepto del ultrasonido como método diagnóstico fue evolucionando. Se usaron técnicas de inmersión en agua con toda clase de recipientes: una tina de lavandería, un abrevadero para ganado y una torreta de ametralladora de un avión B-29. Fueron capaces de producir imágenes con menos “ruidos”, y detectaron exitosamente tumores digestivos y mamarios. Se empezó a utilizar en modo B (explicado más adelante).

En 1951 hizo su aparición el Ultrasonido Compuesto, en el cual un transductor móvil producía varios disparos de haces ultrasónicos desde diferentes posiciones, y hacia un área fija.

En los 70 se introdujo la escala de grises.

En 1972 Leopold y Mc Donald hicieron la primera imagen en modo B de una articulación. En 1981 se utilizó para realizar una aspiración articular.

Haremos un paréntesis en esta línea de tiempo para recordar el físico austríaco Christian Andreas Doppler, nacido en 1842. El estudió el cambio de las propiedades del ultrasonido cuando el objeto que lo emite está en movimiento. Doppler, estudió inicialmente el cambio de color de la luz de las estrellas, refiriendosé a la distancia como la principal causa de este fenómeno. Como no contaba con elementos para medir la velocidad de la luz, diseñó un experimento en el que pudo aplicar su teoría de las ondas sonoras. Colateralmente esto le permitió encontrar las expresiones matemáticas que describen, el fenómeno que se produce cuando un objeto se acerca hacia nosotros, el sonido que emite se vuelve más agudo, mientras que el mismo objeto al alejarse hace que el sonido se torne más grave.

Saliendo del paréntesis y continuando con la línea de tiempo, en 1982 Aloka desarrolló el Doppler color en imagen bidimensional y lo introdujo al mercado. Los ecos emitidos se registraban e integraban en una sola imagen.

En esta misma década nace la ecocardiografía transesofágica.

En la década de los 90 se introdujeron los transductores omniplanares y biplanares con capacidad Doppler y flujo a color.

También se introdujo el Ultrasonido Intravascular cardíaco IVUS.

Algunos conceptos científicos

Si resumiéramos esto analogicamente sería, como si los ultrasonidos y sus ecos, notados por Spallanzinni, y producidos por los murciélagos pudieran ser emitidos, captados y transformados por el efecto piezoeléctrico de los hermanos Curie. Y a su vez puestos en un solo dispositivo para estudiar el cuerpo humano por Dussik.

¿Qué es el sonido? Según la RAE: Es una sensación producida en el órgano del oído por el movimiento vibratorio de los cuerpos, transmitido por un medio elástico como por ejemplo: el aire. El oído humano puede escuchar hasta 20.000 ciclos/seg (20 KHz)

¿Qué es el ultrasonido? Sonido cuya frecuencia de vibraciones es superior al perceptible por el oído humano. Frecuencias mayores a 20.000 ciclos/seg se consideran ultrasonidos. Y en medicina se utilizan de 1 a 20.000.000 de ciclos/seg, es decir 1 a 20 MHz.

Tanto el sonido como el ultrasonido son eventos en la naturaleza, descubiertos en algún punto de la historia por los humanos. Algunos animales que también lo utilizan además del murciélago, son: los ratones y ballenas, saltamontes, polillas, delfines y algunos pájaros. Para ecolocación (o ecolocalización), apareamiento, comunicación entre pares, detectar presas o predadores, e incluso “sentir” el ultrasonido que otros animales emiten para saber cuándo escapar.

Por otro lado, luego de su descubrimiento, la humanidad lo ha utilizado no solamente para imágenes, si no también en una gran diversidad de campos, para ecolocación de todo tipo de embarcaciones: buques de guerra, submarinos, pesqueros; ubicación de bancos de peces y icebergs. En nuestros automóviles que nos indican cuando estamos acercándonos a un obstáculo, en fisioterapia, detección de grietas en equipos industriales, entre otros.

Ecografía o ultrasonido: como ya mencionamos es una imagen producida por el rebote, de los ecos de ultrasonido que emite un transductor, cuando pasa a través de los tejidos de un organismo. Y es cuando estos ecos vuelven al transductor que es posible reconstruir un mapa bidimensional o tridimensional, en escala de grises, a color, estático o en movimiento y en tiempo real, de los tejidos. En resumen, es energía acústica transformada en otro tipo de energía.

Se utilizan en tres modos:

Modo A: los ecos se reflejan en picos y se utiliza principalmente en medición de distintas estructuras, en encefalografía y en oftalmología por ejemplo.
Modo B: se aplica fundamentalmente para estudiar estructuras abdominales. Proporciona imágenes bidimensionales.
Modo M: muestra el movimiento en función del tiempo, es utilizado en ecocardiografía.

Un concepto importante es el de la velocidad de propagación de una onda: y se define como un valor dado por la distancia que recorre el sonido en una unidad de tiempo. No se ve afectada por la naturaleza del sonido o por el operador. Pero si varía de acuerdo al medio en el que se desplaza. Esto hace que en los órganos más densos viaje más rápido, por ejemplo, en el hueso 4080 m/s. Y por otro lado son los órganos que más resistencia generan al paso de las ondas del ultrasonido (por lo tanto, producen una gran cantidad de eco y no se puede utilizar la imagen que resulta). En el polo opuesto los tejidos que contienen muy poca densidad se hace muy lenta 330 m/s, y genera muy poca resistencia al ultrasonido como los pulmones, que contienen gran cantidad de aire en su intersticio y esto provoca que la onda pase directamente de largo y no reboten los ecos, por lo que el transductor no recibirá algo que provoque una imagen.

Y en el medio de estos extremos están la mayoría del resto de los tejidos blandos del cuerpo que tienen una resistencia media y en los que la velocidad del ultrasonido es de 1400 m/s a 1600 m/s, es donde los ecos que regresan al transductor generan la imagen ideal y que puede ser interpretada para un diagnóstico. Y es el motivo por el cual los tejidos blandos son los ideales para estudiar por este método.

Cuanto mayor sea la diferencia de impedancias (la resistencia del tejido al paso del haz de ultrasonido) de cada uno de los medios, mayor será la amplitud de ecos que se reflejen y menor será la capacidad del ultrasonido de atravesar los tejidos. Para evitar este efecto producido por la interfase (con gran diferencia de impedancias) producida por el aire entre el transductor y la piel es que se utiliza un gel.

¿Qué es el Doppler? Refleja el cambio de la frecuencia de sonido reflejado por la estructura móvil explorado, y se combina con el ultrasonido. Se utiliza para evaluar el flujo sanguíneo, y poder determinar, si hay alguna reducción u obstrucción en él, su velocidad, diámetro de los vasos, placas de ateroma, lesiones inflamatorias, estenosis, etc. También se utiliza en cardiología, obstetricia, flebología, entre otras especialidades.

IVUS, Ultrasonido Intravascular Cardiaco. Este ultrasonido es utilizado en cardiología para evaluar las arterias coronarias y el músculo cardíaco exclusivamente.

Mediante un proceso ambulatorio utilizando un diminuto transductor de ultrasonido fijado a un catéter, que se introduce en una arteria del área inguinal y se lleva hasta el corazón.

¿Qué opinan las Naciones Unidas, Organización Mundial de la Salud, y la ICRP en la Convención de Génova acerca del ultrasonido?

El ultrasonido es uno de los métodos con mayor inocuidad y con una de las más amplias utilidades de los métodos diagnósticos por imágenes conocidos hasta ahora, y que ha ido en constante evolución. Según un informe redactado en 1982 acerca del ultrasonido en todos sus aspectos (Environmental health criterio 22,), en la convención de Génova, y con el patrocinio del Programa para el medio ambiente de las Naciones Unidas, la Organización mundial de la salud, Asociación internacional de protección contra la radiación, se menciona que no existe evidencia de efectos adversos a la salud en los seres humanos expuestos al diagnostico por ultrasonido. Aunque, su incremento rápido en el uso como método preferencial durante el embarazo, sigue siendo una preocupación por la susceptibilidad del feto a otros elementos químicos y físicos, aunque hasta ahora es el método con mayor seguridad y de preferencia durante el embarazo.

En el informe mencionado se evalúa y se provee información para el uso del ultrasonido como método diagnóstico, dirigido a las autoridades de salud y agencias de regulatorias, acerca de los posibles efectos de su uso, y para dar una guía para el manejo de los riesgos en médicos, uso laboral, y en la población en general. Así como también características, técnicas, recursos y aplicaciones, niveles de exposición, entre otros datos.

Últimos avances en Ultrasonido

Hueso y metal: En la última década se desarrolló una nueva técnica que permite utilizar el ultrasonido como método diagnóstico y en aplicaciones terapéuticas. Tal como hemos mencionado el metal o el hueso distorsionan las ondas de ultrasonido por la impedancia de cada material y la interfase que producen. Se han diseñado estructuras anisotrópicas con Metamateriales complementarios acústicos, (Acoustic Complementary Metamaterials CMM) compuestos de unidades celulares de membranas en distintas direcciones, con diferentes densidades y espesores. Se ha comprobado que el foco de las ondas de ultrasonido ha mejorado de un 28% a un 88%. Y las aplicaciones potenciales de esto son capas multi angulares antirreflejos (All angle anti reflection layers), que son utilizadas para ultrasonido, camuflaje, detección y otros.

También se ha desarrollado una nueva técnica para utilizar un taladro de ultrasonido en el que se hacen estallar nano gotas alrededor de coágulos sanguíneos. Al estallar se convierten en microburbujas que oscilan gracias al ultrasonido, horadando la estructura física del coagulo.

Otro método que combina SC-CO2 Super Critical CO2 y ultrasonido de alto poder HP-US, produce la inactivación de enzimas en microorganismos extremadamente peligrosos para la salud como E coli y S Cerevisiae, en medios líquidos y sólidos en solo unos minutos (de 1 a 5 aproximadamente). Esto reduciría los costos y los cambios en las propiedades organolépticas de los productos en industrias de productos alimenticios.

También se ha creado un hidrogel que puede ser modulado utilizando ultrasonido. Los cambios que produce el ultrasonido en forma no invasiva a las propiedades mecánicas y morfológicas del hidrogel, pueden ser utilizados para controlar el comportamiento celular. El ultrasonido les permite llegar al gel, que fue previamente implantado de una forma no invasiva muy profundamente en el cuerpo, y con una precisión menor a un milímetro. Este gel se usaría en un futuro cercano para curar heridas crónicas y modelar la fibrosis.

Conclusión

Dussik dijo: por complicados que sean los problemas, la importancia de estas posibilidades parece tan grande que justifica cualquier esfuerzo por superar las dificultades técnicas. A pesar de que encontró una gran cantidad de dificultades financieras, políticas, históricas, y de otras índoles, el creía firmemente que el ultrasonido para diagnóstico tendría un futuro prometedor, y que realmente valdría el esfuerzo lograr su objetivo. Y sin dudarlo, ha valido la pena el camino recorrido desde los murciélagos de Lazzaro, el carácter especial y la curiosidad de Jaques Curie y su hermano, y la incansable carrera de Dussik para concretar la idea de su Hyperphonography, hasta los eco Doppler intra-cardíacos cardíacos más sofisticados de la actualidad.

Frecuentemente leo las biografías de grandes descubridores o inventores, y cada uno en tan distintas disciplinas y campos. He podido darme cuenta que no es solo su inteligencia, su conocimiento y curiosidad, sino también la fortaleza de perseguir su corazonada o certeza a pesar de grandísima y distintas adversidades.

Como hemos podido ver en este viaje a través de la historia “uniendo puntos hacia atrás”, el ultrasonido ha ido evolucionando para encontrar mejoras en si mismo, y además para hacer extensivo su uso como método diagnóstico en una creciente amplitud de campos en la medicina.

¿Qué tan lejos llegaríamos en la ciencia, o en nuestra vida si todos pudiéramos levantarnos levantarnos cada vez que caemos, para perseguir nuestras ideales hasta concretarlos? Aún contra los “NO” rotundos o ensordecedores. ¿Y qué puntos se estarán formando ahora para las nuevas generaciones?

….."No se pueden conectar los puntos mirando hacia el futuro; solamente se pueden conectar mirando hacia el pasado. Por lo tanto, tienen que confiar en que los puntos de alguna manera se conectarán en su futuro. Tienen que confiar en algo – su instinto, su destino, su vida, su karma, lo que sea. Esta perspectiva nunca me ha decepcionado, y ha hecho la diferencia en mi vida".

-Steve Jobs 2005

Sobre la autora:

María Soledad Gómez tiene más de 10 años de experiencia en la industria trabajando en una variedad de funciones dentro de la industria regulada, la asistencia sanitaria y la medicina, incluyendo alimentos / bebidas, hospitales y medicina veterinaria. Maria Sole escribe artículos técnicos sobre una amplia variedad de temas del ámbito médico.

Sobre el editor:

Brian Hoy tiene más de 20 años de experiencia en el sector de los dispositivos medicos y la creación de empresas, apoyando el ciclo de vida completo con alcance mundial. Brian es consultor de la industria y ofrece asesoramiento general y apoyo fuera del horario laboral.