V. SONIDO EN MEDICINA

V. SONIDO EN MEDICINA

SI CONSIDERAMOS un conjunto de part�culas, el movimiento de una est� influido por el movimiento de las dem�s. Un caso importante de este tipo de fen�menos es el movimiento ondulatorio que se da por ejemplo en el agua generando las olas, en el aire generando los sonidos que percibimos, en la luz, etc�tera.
En general, las ondas se clasifican en dos tipos: ondas mec�nicas que son movimientos oscilatorios de part�culas materiales como las ondas de agua, el sonido, etc., y ondas electromagn�ticas que son movimientos oscilatorios del campo electromagn�tico como las ondas de radio, de TV, de luz, calor, rayos X, etc�tera.
Una onda se caracteriza por su periodo y su longitud. El periodo t es el tiempo que tarda en realizar una oscilaci�n completa, mientras que la longitud de onda l es la distancia que recorre en un periodo, y tiene unidades de distancia; esto se ilustra en la figura 13.
La frecuencia n est� relacionada con el periodo por medio de la ecuaci�n:

la frecuencia es el n�mero de oscilaciones que ocurren en la unidad de tiempo. Como el periodo se mide en segundos, la frecuencia se mide en , esta unidad se llama Hertz (Hz).
La velocidad de una onda viajando est� dada por:

Las ondas se llaman transversales cuando el movimiento oscilatorio se lleva a cabo en el plano perpendicular a la direcci�n de propagaci�n de la onda, mientras que se llaman ondas longitudinales si la oscilaci�n se realiza en la direcci�n de propagaci�n. Un ejemplo de ondas transversales son las olas de agua, la oscilaci�n de un corcho en la superficie del agua es de arriba a abajo mientras la onda pasa de atr�s hacia adelante; un ejemplo de onda longitudinal son las ondas de compresi�n que pueden propagarse a lo largo de un resorte y las ondas sonoras que pueden propagarse a lo largo de un tubo de aire.

Figura 13. Una onda de sonido se produce en un medio donde se pueden crear zonas de comprensi�n y de rarefacci�n, en el vac�o no se propaga el sonido. Las ondas se caracterizan por su longitud de onda y su periodo.
Una onda sonora es una perturbaci�n que se lleva a cabo en un gas, l�quido o s�lido (en el vac�o no existe el sonido) y que viaja alej�ndose de la fuente que la genera con una velocidad definida que depende del medio en el que est� viajando. Las vibraciones provocan incrementos locales de presi�n respecto a la presi�n atm�sferica llamados compresiones, y decrementos locales llamados rarefacciones; los cambios de presi�n ocurren en la misma direcci�n en la que viaja la onda, pueden verse como cambios de densidad y como el desplazamiento de los �tomos y mol�culas de sus posiciones de equilibrio.
El rango de frecuencias del sonido audible es de 20 Hz a 25 000 Hz, cuando la frecuencia es mayor que los 25 000 Hz, se le define como ultrasonido.
La energ�a es transportada por la onda como energ�a potencial y cin�tica. La intensidad I de una onda sonora es la energ�a que pasa en un segundo en una �rea de 1 m�, en otras palabras, es la cantidad de watts que pasan por metro cuadrado.
El o�do humano tiene una tolerancia limitada para la intensidad del sonido, la cual depende de la frecuencia de la onda. La unidad de intensidad es el bel, pero �sta resulta ser muy grande, as�, com�nmente se usa el decibel (dB) que es la d�cima parte del bel. La m�xima intensidad que el o�do puede tolerar sin dolor es de aproximadamente 120 dB.
Cuando una onda sonora golpea el cuerpo, una parte de ella se refleja y otra se trasmite en el cuerpo. La raz�n de la presi�n reflejada R respecto a la incidente A₀ depende de las impedancias ac�sticas de los dos medios Z₁ y Z₂; la impedancia ac�stica podemos entenderla como la capacidad que tiene el cuerpo para impedir el paso de energ�a a trav�s de �l. La raz�n de R a A₀ es:

mientras que la raz�n de la amplitud de la presi�n trasmitida T a la incidente A₀ es:

Estas ecuaciones son v�lidas si la onda incide en forma normal a la superficie. Considerando que la onda pasa del aire al m�sculo:

y las razones de las intensidades reflejada y trasmitida son:

lo que nos indica que una parte muy peque�a del sonido es trasmitida al cuerpo.
No sucede as� cuando las impedancias de los dos medios son muy parecidas, por ejemplo si el medio 1 es agua y el 2 es un m�sculo

Cuando una onda sonora pasa a trav�s de la piel, hay p�rdida de energ�a debido a los efectos de fricci�n. La absorci�n de energ�a en la piel causa una reducci�n en la amplitud de la onda sonora. La amplitud A decrece con la profundidad por cm en el medio, respecto a la amplitud inicial A₀ (X = 0) y est� dada por:

A = A₀ e ^-ax
a es el coeficiente de absorci�n del medio, se mide en cm-' y es funci�n de la frecuencia de la orden para el caso de hueso, en particular del cr�neo. Se tiene:

Como la intensidad es proporcional a la amplitud elevada al cuadrado, se tiene:

I = I₀e^-2ax
Si reflexionamos un poco, podremos darnos cuenta de la importancia de lo anterior: muchos m�dicos pueden diagnosticar la enfermedad del paciente oyendo c�mo se propaga el sonido en diferentes partes del cuerpo, ya que �ste se comporta como un instrumento de percusi�n, como un tambor. El sonido cambia al cambiar las condiciones del cuerpo.
Los diferentes �rganos del cuerpo producen, al trabajar, sonidos caracter�sticos, de manera que si el trabajo se ve alterado por alguna causa, el sonido que produce obviamente es diferente al normal. El m�dico se ayuda con el estetoscopio para detectar estos sonidos, lo que se conoce como auscultaci�n.
El estetoscopio consta de una campana que est� abierta o cerrada por un diafragma delgado, un tubo y las salidas para los o�dos del m�dico. La campana abierta acumula los sonidos del �rea de contacto, la piel que abarca hace las veces del diafragma. La frecuencia de resonancia es aquella que permite la mejor trasmisi�n de los sonidos y depende, en este caso, del tipo de piel, del material de la campana y de la forma y medidas de ella. Una campana cerrada tiene una frecuencia de resonancia determinada, conocida, generalmente alta, que entona sonidos de baja frecuencia. La frecuencia de resonancia se controla presionando el estetoscopio sobre la piel.
Podr�a creerse que un estetoscopio es f�cil de hacer; sin embargo, uno de buena calidad tiene su secreto: la campana debe ser de un material tal que permita o�r n�tidamente los sonidos captados; la longitud de los tubos es importante ya que su actividad depender� de la frecuencia del sonido; el di�metro del tubo tambi�n es importante, en general se usan de 25 cm de longitud y 0.3 cm de di�metro; las piezas que se introducen en los o�dos deben sellar perfectamente ya que de otra forma penetra el aire en el o�do provocando mucho ruido del fondo, por �ltimo, la membrana es de un material especial que amplifica los sonidos provenientes del cuerpo.
Actualmente, el ultrasonido es una t�cnica que ha sido desarrollada para el diagn�stico. Esta t�cnica es muy simple: se produce un sonido con una frecuencia entre 1 y 5 MHz que se dirige al interior del cuerpo, esta onda, al encontrar un obst�culo, va a reflejarse en parte y la parte que penetra lo har� hasta el siguiente obst�culo. El tiempo que requieren los pulsos de sonido para ser reflejados nos da informaci�n sobre la distancia a la que se encuentran los obst�culos que producen la reflexi�n, que en este caso ser�n los �rganos u otro tipo de estructuras que se encuentren en el interior del cuerpo. Es claro que cada tipo de tejido tiene propiedades ac�sticas diferentes, por lo que la cantidad de reflexi�n depende de la diferencia entre las impedancias ac�sticas de los dos materiales y de la orientaci�n de la superficie con respecto al haz.
El ultrasonido puede generarse de diversas formas, sin embargo, la m�s usual es por medio de un cristal piezoel�ctrico, es decir, un cristal que tiene la propiedad de convertir un voltaje el�ctrico que se le aplica en un movimiento que produce zonas de compresi�n y de rarefacci�n, la frecuencia del sonido producido depender� de las dimensiones y la naturaleza del cristal (v�ase Figura 14).

Figura 14. Producci�n de ondas sonoras, (a) usando un cristal de cuarzo alimentado con corriente alterna; (b) el cristal montado en un sost�n produce un haz ultras�nico, se puede producir un haz enfocado usando lentes ac�sticas.

Figura 15. Uso del ultrasonido. Las ondas sonoras reflejadas por las diferentes partes del �tero de una mujer pre�ada son distintas dependiendo del tejido con el que se encuentran.
Un dispositivo que convierte energ�a el�ctrica en energ�a mec�nica o viceversa se llama transductor, de modo que un generador de ultrasonido es simplemente un transductor.
El mismo transductor que produce los pulsos sirve como detector. Ahora el cristal recibe un sonido y lo que hace es generar un voltaje (lo inverso de lo que ocurre en la produci�n de ultrasonido), las se�ales se amplifican y se muestran en un osciloscopio (instrumento que nos sirve para mostrarnos la variaci�n del voltaje en el tiempo).
El ultrasonido es una herramienta �til para diagnosticar diversas enfermedades de los ojos, para observar el estado de los fetos, en la detecci�n de tumores cerebrales (ecoencefalograf�a) y en otras partes del cuerpo, etc�tera (v�ase Figura 15).
Cuando pasan ondas ultras�nicas a trav�s del cuerpo se producen varios efectos tanto f�sicos como qu�micos que pueden tener consecuencias fisiol�gicas, la magnitud de estas consecuencias depende de la frecuencia y amplitud de la onda. A niveles de intensidad muy bajos usados para el diagn�stico (0.01 W/cm� potencia promedio y 20 W/cm� potencia pico), estas consecuencias no son observables. Cuando aumentamos la potencia, el ultrasonido se convierte en una herramienta �til en la terapia: se usa para calentamientos profundos con una potencia del orden de 1 W/cm� y como un agente destructor de la piel cuando la intensidad es del orden de 10� W/cm�.
El aumento en la temperatura es muy importante en terapia. Cuando se produce en los m�sculos profundos causando apenas un leve incremento a nivel superficial, esta t�cnica es conocida como diatermia y tambi�n se puede lograr usando microondas. Se usa principalmente en enfermedades �seas para remover dep�sitos de calcio o ayudar en dolores reum�ticos, o bien en la rigidez de coyunturas.
El estudio especializado de las ondas sonoras se llama ac�stica, abarca frecuencias que van desde pocos Hz hasta10�� (1 000 000 000 000) Hz; audiolog�a es el estudio del funcionamiento del o�do y todo lo referente al mecanismo de la audici�n.
El o�do es el �rgano que convierte a las ondas sonoras en pulsos nerviosos. Para su estudio se divide en tres partes: o�do externo, o�do medio y o�do interno, que se muestran en la figura 16.
El o�do externo est� constituido por el pabell�n y el canal auditivo. La forma del pabell�n sirve para recibir las ondas sonoras y ayuda en la localizaci�n de la fuente sonora. Desde el pabell�n, el sonido viaja por el canal auditivo, que es un pasaje cil�ndrico que act�a como resonador ac�stico con una frecuencia de resonancia entre los 3 200 y 4 000 Hz, este canal ayuda a conservar la temperatura y la humedad del t�mpano.
El o�do medio consta del t�mpano, que es una membrana con forma c�nica, y de una cadena de huesecillos, la cual consiste en tres huesos peque�itos: martillo, yunque y estribo, que conectan el t�mpano con el o�do interno. La trompa de Eustaquio conecta la cavidad del o�do medio a la atm�sfera por la parte alta de la garganta, esto iguala la presi�n del o�do medio con la presi�n externa. La funci�n primordial del o�do medio es acoplar eficientemente las ondas de presi�n en el aire con el l�quido que llena el o�do interno, llamado perilinfa. La onda de sonido llega al t�mpano y �ste comienza a vibrar, pasando la vibraci�n al martillo, de �ste al yunque y finalmente al estribo que la comunica a la perilinfa a trav�s de la ventana oval.
Los receptores biol�gicos de la audici�n y del equilibrio se encuentran en el o�do interno, en una cavidad llamada laberinto. El o�do interno se compone de tres canales semicirculares, el vest�bulo, la c�clea y aproximadamente 30 000 fibras nerviosas que conforman el nervio auditivo. Dentro de la c�clea se encuentra el �rgano de Corti. C�lulas en forma de fibras convierten las vibraciones de las ondas sonoras que golpean el t�mpano en pulsos nerviosos que viajan al cerebro llevando la informaci�n de estas ondas sonoras.

Figura 16. Diagrama que muestra los diferentes componentes del o�do humano.

El o�do no es sensible de igual manera a todos los sonidos, su mayor sensibilidad est� en la regi�n de 2 a 5 KHz, adem�s, la sensibilidad cambia con la edad: a medida que se envejece decrece la frecuencia m�s alta que puede o�rse y para escuchar un sonido la intensidad debe aumentar. Esta p�rdida de la audici�n en general no es impedimento para la mayor parte de las actividades que desempe�a un individuo, sin embargo, puede llegar a ser un problema muy fuerte si la p�rdida del o�do es grande. Afortunadamente en la actualidad existen innumerables aparatos electr�nicos que ayudan a recuperar, al menos en parte, la audici�n.