Ultrasonidos

              

El ultrasonido es una vibración mecánica que, como onda acústica, se propaga a través del aire o de cualquier otro medio material, con una frecuencia superior a 20.000 ciclos por segundo, que es aproximadamente el límite auditivo del oído humano. Aunque la existencia de estos “sonidos” fue descubierta por el naturalista L. Spallanzani (1729-1799) en el siglo XVIII por ser utilizados por los murciélagos para su navegación en la oscuridad, su conocimiento y estudio científico-técnico no se produjo hasta bien avanzado el siglo XIX, y su historia cuenta con nombres tan prestigiosos como los hermanos J. y P. Curie, descubridores del efecto piezoeléctrico de amplio uso en la generación y recepción de ultrasonidos. Desde entonces sus aplicaciones se han multiplicado en los campos de la ingeniería, la química, la industria, la biología y la medicina. En las aplicaciones hay que distinguir los ultrasonidos de baja y alta intensidad. El ultrasonido de baja intensidad se utiliza para determinar las características y estructura del medio en el que se propaga sin alterarlo. Este es el campo de los ultrasonidos de señal. La utilización de la energía ultrasónica de alta intensidad para producir cambios permanentes en el medio en el que actúan constituye el campo de los ultrasonidos de potencia. Veamos algunas de las aplicacionesen ambos campos.

         La más conocida de estas aplicaciones es la ecografía médica (ultrasonidos de señal). Esta consiste en la visualización de órganos internos del cuerpo humano mediante ondas ultrasónicas generadas y recibidas externamente por dispositivos que generalmente son piezoeléctricos. El funcionamiento de estos dispositivos se basa en el llamado efecto piezoeléctrico, que es una propiedad que tienen algunos cristales naturales como el cuarzo, en virtud de la cual cuando se les aplica una señal eléctrica producen una vibración de la misma frecuencia que hace vibrar el medio donde se encuentren emitiendo así una onda acústica. Como esta propiedad es reversible, si la onda acústica choca en algún sitio y se refleja hacia atrás, es recogida por otro receptor piezoeléctrico que envía la señal eléctrica que éste genera a un ordenador para su tratamiento. Tanto el emisor como el receptor de los ultrasonidos, se encuentran en el cabezal que el médico apoya sobre el cuerpo del paciente. La ecografía se aplica para obtener imágenes de los ojos, páncreas, riñones, hígado o mama y, en general, de cualquier órgano blando. Su aplicación más popular es para la obtención de imágenes fetales por su inocuidad (radiación no-ionizante). Este procedimiento para obtención de imágenes es sencillo, económico, no invasivo e inocuo.

        Además de estas aplicaciones para obtención de imágenes con ultrasonidos de señal, que son básicamente para diagnóstico existen también muchas aplicaciones de los ultrasonidos de potencia para usos terapéuticos. Algunas de ellas son de interacción térmica y se basan en el hecho de que cuando una onda se propaga a través de un tejido, la energía vibratoria que la onda pierde al ir amortiguándose pasa al tejido en forma de energía calorífica, lo que resulta de gran utilidad para ciertos tratamientos médicos relacionados con la hipertermia. Otras se basan en el esfuerzo mecánico que produce la onda vibratoria. Una aplicación de este efecto es la litotricia, que es una técnica que consiste en romper las piedras o cálculos del riñón, de la vejiga o vesiculares. Para ello se genera de forma extracorporea una onda de alta energía que se focaliza sobre los cálculos incrementando progresivamente su intensidad hasta lograr su rotura. Los fragmentos se eliminan por el uréter o la vía biliar. La localización precisa de los cálculos se puede realizar por ecografía. 

La utilización quirúrgica de los ultrasonidos de potencia es un campo en amplia expansión. En la operación de cataratas, se aplican los ultrasonidos para fragmentar la catarata o cristalino opacificado antes de su extracción y para mantener irrigada la zona vaciada que va quedando cuando la catarata se va extrayendo. Asimismo, como medio quirúrgico capaz de producir cortes de gran precisión de tejidos mineralizados, los ultrasonidos de potencia se emplean en cirugías tales como las odontológicas, maxilofaciales, craneofaciales, reconstructivas, de columna y ortopédicas. Además, gracias a la posibilidad de focalizar la energía ultrasónica desde el exterior del cuerpo humano hasta los tejidos más profundos, con mínimo efecto sobre los tejidos intermedios, se ha desarrollado una técnica no-invasiva conocida como HIFU (high-intensity focused ultrasound) capaz de producir la destrucción del tejido interno afectado con gran rapidez y precisión. Este nuevo campo de la cirugía ultrasónica no-invasiva está dando muy buenos resultados en la ablación de tumores, en la hemostasia de hemorragias internas y en la apoptosis o destrucción selectiva de células para fines terapeúticos o incluso estéticos, como eliminación de la grasa no deseada.

Otro campo importante es el de las aplicaciones industriales. En los ultrasonidos de señal la aplicación industrial equivalente a la ecografía médica es el de la evaluación no-destructiva de materiales para determinar fallas o defectos internos, estructura, características elásticas, etc. También se utilizan los ultrasonidos en control en procesos como sensores para medir distancias, niveles, flujos, temperaturas, presiones, concentraciones de componentes en mezclas de gases o líquidos, etc.

Las aplicaciones de los ultrasonidos de potencia se basan en los procesos físicos y químicos que esta energía es capaz de producir dependiendo del medio sobre el que actúan. Los procesos físicos son debidos a los efectos mecánicos de las vibraciones elásticas mientras que los procesos químicos son inducidos por el fenómeno de la cavitación ultrasónica en líquidos. Este fenómeno produce asimismo potentes efectos mecánicos y térmicos muy localizados. La cavitación ultrasónica consiste en la formación, pulsación y colapso de microcavidades de gas o vapor en un líquido bajo la acción de las altas tensiones vibratorias de la onda ultrasónica. El gas disuelto en un líquido o incluso el vapor del mismo forma microcavidades o microburbujas por acción de la alta intensidad de la onda ultrasónica durante el semi-ciclo negativo de la presión, estas microcavidades se expanden durante unos pocos ciclos de aplicación de la onda hasta un cierto tamaño crítico en el que en el semi-ciclo de compresión se colapsan  implotando y dando lugar a ondas de choque que producen muy altas presiones (miles de atmósferas) y temperaturas (miles de grados) muy localizadas. Las altas presiones dan lugar a erosión, dispersión y ruptura mecánica mientras que las altas temperaturas pueden inducir efectos de sonoluminiscencia y sonoquímicos. Esta es la que se denomina cavitación transitoria o inercial. Existe otra cavitación que se produce a más baja intensidad ultrasónica en la que la burbuja se mantiene oscilando alrededor de su tamaño de equilibrio y puede crecer atrapando gas disuelto. Esta es la cavitación estable que generalmente se utiliza en procesos de desgasificación de líquidos.

Los mecanismos activados por la energía ultrasónica, tales como calor, agitación, difusión, fricción, ruptura mecánica, efectos químicos, etc, se emplean para producir o mejorar una gran variedad de procesos industriales tales como:

– En sólidos: Soldadura de plásticos y metales, mecanizado y formación de metales.

– En fluidos y medios multifásicos: Limpieza, atomización (figura de cabecera), desespumación, secado y deshidratación, extracción, aglomeración y precipitación de micropartículas, desgasificación, emulsificación y homegeinización, reacciones sonoquímicas, etc.

Esta gran variedad de procesos se utiliza actualmente en sectores industriales muy diversos, entre los que cabe destacar los de las Tecnologías Alimentarias y Medio Ambiente, en los cuales la aplicación de la energía ultrasónica como radiación “verde” no-ionizante es muy apreciada.

Para la redacción de este post he contado con la colaboración del doctor Gallego Juárez, profesor de investigación del CSIC, que en 2017 recibió la medalla Rayleigh del Instituto de Acústica del Reino Unido por sus contribuciones excepcionales en el campo de los ultrasonidos.