Tomado de Juventud Técnica Digital, junio 2017

Ondas de choque en la medicina

Como el chasquido de un latigazo

Hoy día la principal aplicación médica de las ondas de choque es la litotricia extracorpórea, usada para desintegrar cálculos renales y biliares, aunque también se emplean con otros fines.

Arnaldo González Arias

Lo que conocemos por ‘sonido’ no es más que el efecto causado en el cerebro por el impacto de ondas longitudinales de presión en la membrana timpánica (figura 1).

Figura 1.  Detección del sonido en el oído; puede detectar frecuencias desde 20 hasta 20 000 oscilaciones por segundo.

Las ondas de presión surgen cuando cualquier objeto o procedimiento mueve o agita el aire que lo rodea (membranas y cuerdas vibrantes, golpes de todo tipo, silbidos, descargas eléctricas, roces, vertimientos). El número de veces por segundo que ocurre el cambio de presión – la frecuencia o tono del sonido-  determina que éste sea grave como, por ejemplo, un trueno a baja frecuencia, o agudo como un silbato o un gorjeo a frecuencia alta.

La intensidad tiene que ver con la mayor o menor presión que la onda ejerce sobre el tímpano.  Usualmente las fuentes sonoras no emiten una sola frecuencia, sino una combinación característica con componentes de diferente intensidad - el timbre -, que nos permite distinguir entre los sonidos de un auto, un piano o la voz humana.

Las ondas de cualquier frecuencia e intensidad se propagan en el aire con la misma velocidad aproximada de 340 m/s, siempre y cuando la fuente del sonido esté en reposo o no sobrepase esa velocidad.   Si la velocidad de la fuente se hace igual o mayor que ese valor, la situación cambia drásticamente.  La fuente se adelanta al sonido y arrastra detrás un cono delimitado por una región donde existe un cambio brusco de presión.  La superficie de ese cono es la onda de choque (figura 2).

Figura 2.  Formación de una onda de choque (d).  En b el tono detectado varía según la fuente se acerca o aleja del sujeto (efecto Doppler). Ver animación.

El ejemplo más conocido y estudiado de la formación de ondas de choque es cuando los aviones sobrepasan los 340 m/s (≈ 1224 km/h).  Se dice entonces que el avión ‘rompe’ la barrera del sonido o que alcanza el Mach 1.  Si el vuelo se realiza a una altura relativamente baja, el paso de la onda de choque se percibe en tierra como una explosión más o menos intensa. En la figura 3 las nubes blancas que se observan son causadas por la condensación del vapor de agua en la región del cambio brusco de presión, que también va acompañado de un cambio de temperatura.  

Figura 3.  Condensación de vapor de agua en la región del cono de la onda de choque (singularidad de Prandtl-Glauert).

No sólo en los vuelos supersónicos se generan ondas de choque.  También aparecen en explosiones, disparos, en un latigazo, en los rayos o en los meteoritos al entrar en la atmósfera a gran velocidad; también se pueden generar al mover un pistón a una velocidad superior a la del sonido.  El paso de la onda de choque se suele escuchar como un chasquido intenso; es el sonido típico del latigazo, que se puede lograr fácilmente agitando una toalla de manera adecuada.  Cuando un rayo cae muy cerca, antes que se perciba el sonido del trueno, o casi al unísono, se escuchan uno o más ¡cracks! característicos, como si algo se estuviera quebrando o fracturando, causados por la onda de choque.

Aplicaciones médicas

Hoy día la principal aplicación de las ondas de choque en la medicina es la litotricia extracorpórea, usada ampliamente para desintegrar cálculos renales y biliares (figura 4), aunque también estos choques se emplean con otros fines.

La técnica se desarrolló en Alemania a principios de los años 80 del siglo pasado y se extendió rápidamente por todo el planeta.  El generador de pulsos sónicos tiene forma parecida a la de una antena parabólica, que permite concentrar la energía de la onda en un punto focal.  Un operador emplea un sistema de rayos X o de ultrasonido para posicionar el punto focal justamente donde se encuentra el cálculo a desintegrar.  La onda de choque atraviesa fácilmente los tejidos blandos elásticos sin dañarlos y desmenuza el cálculo rígido.  Los residuos son expulsados posteriormente por la vía normal.

La cantidad de choques necesarios en una intervención dependen del tamaño y posición del cálculo tratado; pueden llegar a ser de varias decenas.  El tiempo necesario para el procedimiento total es de alrededor de una hora.[1]

Aunque los medios de focalización pueden ser diferentes, existen sólo tres tipos fundamentales de generadores de ondas de choque con fines médicos: electrohidráulicos, electromagnéticos y piezoeléctricos. Todos funcionan a baja frecuencia.  El primero emplea descargas eléctricas con voltajes de 16 a 30 kilovolts en un electrodo sumergido en un fluido.  La descarga vaporiza el líquido y se crean ondas de choque de gran intensidad.  La duración del pulso es de un milisegundo (figura 4a). El electromagnético emplea campos magnéticos para mover bruscamente una membrana, mientras que el piezoeléctrico aprovecha la variación de volumen de una cerámica sensible a los cambios bruscos de voltaje (figuras 4b y 4c). 

Figura 5.  Esquema de diferentes tipos de generadores de ondas de choque: a)electrohidráulico, b) electromagnético, c) piezoeléctrico.

Los primeros modelos usaban como acoplamiento una bañera donde se sumergía al paciente; en la actualidad el acoplamiento se logra mediante un cojín de líquido que establece el contacto con la piel mediante un gel.  Algunos consideran que los litotriptores electromagnéticos son los que parecen tener más futuro, ya que pueden trabajar en un intervalo mayor de energías, mantienen la constancia de la onda en cada impulso y la longevidad de sus elementos es mayor. [2]

La figura 5 muestra un equipo de litotricia convencional en un quirófano.  Los más recientes emplean un sistema de enfoque basado en lentes acústicos, que permiten trabajar con mayor eficiencia.  En algunos hospitales se permite a los pacientes observar el monitor de ultrasonido o rayos X durante el tratamiento, y ver convertirse sus cálculos de un punto brillante o una mancha oscura, en una nube borrosa a medida que se van desintegrando.[3]  

Figura 5.  Litotriptor en un quirófano con fluoroscopía digital para focalizar el cálculo.