Así se controla el haz de ultrasonido.
Cuando observamos una imagen ecográfica de alta calidad, solemos pensar en la frecuencia de la sonda, la resolución o la potencia del ecógrafo. Sin embargo, existe una tecnología que trabaja de forma invisible en cada exploración y que resulta imprescindible para que la ecografía moderna sea posible: el Beamforming.
Aunque el nombre pueda parecer complejo, su función es relativamente sencilla de entender. El Beamforming es el «cerebro» encargado de organizar cómo se genera y se controla el haz de ultrasonidos.
¿Qué es el Beamforming?
El Beamforming (del inglés beam = haz y forming = formación) es el proceso electrónico mediante el cual el ecógrafo forma electrónicamente el haz ultrasónico, controlando con enorme precisión la emisión y la recepción de los ultrasonidos por parte de los múltiples elementos piezoeléctricos que constituyen un transductor tipo array.
Además de formar el haz, el Beamforming permite controlar su dirección, su focalización y su perfil, convirtiéndose en la base tecnológica de prácticamente toda la ecografía diagnóstica actual.
En otras palabras, el Beamforming no genera el ultrasonido —esa función corresponde al efecto piezoeléctrico—, sino que organiza la emisión de todos los elementos del transductor para construir un haz ultrasónico útil para obtener imágenes.
El secreto está en el transductor
Los ecógrafos modernos ya no utilizan un único cristal piezoeléctrico. En su lugar emplean un transductor tipo array, formado por decenas o cientos de pequeños elementos piezoeléctricos independientes colocados uno junto a otro.
Cada uno de estos elementos es capaz de emitir y recibir ultrasonidos de forma independiente.
Podríamos imaginar que cada elemento produce una pequeña onda ultrasónica. Sin embargo, ninguna de esas ondas, por sí sola, sería capaz de generar un haz de calidad suficiente para obtener una imagen diagnóstica.
La clave consiste en conseguir que todas trabajen perfectamente coordinadas.
Y precisamente esa es la función del Beamforming.
¿Cómo consigue formar un único haz?
El Beamforming controla el instante exacto en que cada elemento del array debe emitir su pulso ultrasónico.
Para ello utiliza retardos temporales (time delays), que son diferencias de tiempo extremadamente pequeñas, del orden de los nanosegundos.
Aunque estas diferencias son imperceptibles para nosotros, resultan suficientes para modificar la forma en que las ondas emitidas por cada elemento se combinan en el espacio.
Cuando estos retardos se calculan correctamente, las ondas emitidas por todos los elementos llegan sincronizadas a la dirección deseada y se suman entre sí.
Este fenómeno se conoce como interferencia constructiva y permite concentrar la mayor parte de la energía acústica en un único haz principal.
Al mismo tiempo, fuera de esa dirección principal, las ondas tienden a cancelarse parcialmente mediante interferencia destructiva, reduciendo la energía que se propaga hacia otras direcciones y mejorando la calidad del haz.
En definitiva, el Beamforming utiliza la propia física de las ondas para conseguir que cientos de pequeñas emisiones se comporten como un único haz ultrasónico perfectamente organizado.
Beamforming durante la transmisión
El Beamforming comienza incluso antes de que el ultrasonido entre en el paciente.
Durante la transmisión, el ecógrafo decide:
- Qué elementos del array participan en la emisión.
- Cuándo debe activarse cada uno de ellos.
- Qué retraso temporal debe aplicarse a cada elemento.
Gracias a este control electrónico es posible generar un haz con unas características muy concretas.
Posteriormente veremos que estos mismos retardos permiten realizar funciones tan importantes como la focalización electrónica (Beam Focusing) o la inclinación electrónica del haz (Beam Steering).
Beamforming durante la recepción
El Beamforming no termina cuando el ecógrafo emite el pulso.
Tras reflejarse en los tejidos, los ecos regresan al transductor.
Como los elementos del array ocupan posiciones diferentes, los ecos procedentes de un mismo reflector no llegan exactamente al mismo tiempo a todos ellos.
Si el ecógrafo sumara directamente esas señales, la imagen perdería definición.
Por ello, el Beamformer vuelve a aplicar retardos temporales, esta vez durante la recepción, alineando temporalmente las señales antes de sumarlas de forma coherente.
Este proceso permite mejorar la calidad de la señal recibida, optimizar la relación señal-ruido y contribuir a una mejor resolución lateral.
Beamforming y el principio de Huygens
El funcionamiento del Beamforming puede entenderse fácilmente si recordamos el principio de Huygens.
Cada elemento del array actúa como una pequeña fuente emisora de ultrasonidos.
El Beamforming controla el momento en que cada una de esas fuentes emite su onda, consiguiendo que todas ellas formen un nuevo frente de onda con la forma adecuada para generar el haz ultrasónico deseado.
Es decir, el Beamforming aplica de forma práctica los principios físicos que gobiernan la propagación de las ondas.
¿Qué permite hacer el Beamforming?
El Beamforming constituye la base de prácticamente todas las tecnologías de formación del haz presentes en los ecógrafos modernos.
Gracias a él es posible:
- Formar el haz ultrasónico.
- Controlar su dirección (Beam Steering).
- Focalizar electrónicamente el haz (Beam Focusing).
- Optimizar la recepción de los ecos.
- Mejorar la calidad de la imagen ecográfica.
Sin Beamforming, sería imposible obtener las imágenes de alta resolución que hoy utilizamos diariamente en la práctica clínica.
Ideas clave
- El Beamforming es el sistema electrónico que forma el haz ultrasónico en los ecógrafos modernos.
- Utiliza retardos temporales extremadamente precisos para coordinar la emisión y la recepción de todos los elementos de un transductor tipo array.
- Se basa en la interferencia constructiva y destructiva de las ondas ultrasónicas para concentrar la energía en el haz principal.
- Hace posible tecnologías como el Beam Steering y el Beam Focusing.
- Es uno de los pilares fundamentales sobre los que se basa la ecografía diagnóstica moderna.
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