Para finalizar la serie de artículos de Diagnóstico por imágenes, conoceremos más acerca del fascinante mundo de la resonancia magnética y cuál es el significado del baile de los protones. Repasaremos la historia detrás de la MRI, y la biografía de una de las mentes más brillantes de la ciencia. La evolución de menos de 100 años desde que se inventó, y la actualidad de una modalidad de estudio que ha ayudado a millones de seres humanos. |
“…Si quieres encontrar los secretos del universo, piensa en términos de energía, frecuencia y vibración…” Nikola Tesla |
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La resonancia es un estudio que se utiliza en la medicina diagnóstica, que proporciona imágenes de alta calidad, no es invasiva y no emite radiación. Combina la física clásica y la física cuántica. Se empezó a utilizar como nombre: Imágenes de Resonancia Magnética, en vez de Resonancia Magnética Nuclear, ya que la palabra nuclear cobró durante la historia una mala connotación. Utiliza la generación de campos magnéticos estáticos, y la detección de campos de radiofrecuencia que se reemiten desde los átomos de hidrógeno de las células del cuerpo que se está estudiando.
Las imágenes producidas por resonancia magnética son de una enorme utilidad como herramienta diagnóstica. Detecta y diagnostica una diversidad de afecciones que pueden poner en riesgo la salud y vida del paciente tales como tumores, enfermedades cerebrales, cardiacas, digestivas, articulares. En general se utiliza para el diagnostico en tejidos blandos, a diferencia de otras que utilizan radiación que son preferentemente utilizadas en tejidos de mayor densidad.
¿Está listo para ver algunos conceptos de física clásica y cuántica? ¿Que hay en lo profundo del “baile de los protones” de la resonancia?
Vamos a partir de la base de que el cuerpo humano está formado en un 60% por agua. Dentro de esta proporción general nuestro cerebro se compone en un 70% de agua, la sangre en un 80%, los pulmones en un 90%.
¿Por qué es importante esto en la resonancia?, las imágenes obtenidas son el resultado de la señal que reemiten los protones. Y en el cuerpo los protones más abundantes y que a su vez se presentan en un número impar mayormente son los protones de Hidrógeno. Estos pueden estar unidos a un átomo de Oxígeno formando agua, o a átomos de carbono formando grasa.
La carga eléctrica que cada protón tiene en sí mismo le confiere dos tipos de movimientos:
Momento magnético o Spin: que es el giro que el protón realiza sobre su propio eje
Momento de precesión: que es el giro que realiza el protón alrededor del eje del campo magnético externo donde lo hayamos situado.
Además tiene campo magnético propio, es decir que se comporta como un imán.
La energía que se libere entre su “baile de precesión” y su momento de relajación es lo que producirá las imágenes (en un concepto en extremo simplificado).
Cuando no hay un campo magnético externo, los protones se sitúan al azar. Con la imanación algunos protones adoptarán una alineación a favor del campo (siempre habrá un predominio de estos), y otros en contra de él.
Fenómeno de resonancia magnética: este se obtiene al aplicar una onda electromagnética cuya frecuencia coincida con la frecuencia del “baile de precesión” del átomo que queremos excitar. Es decir: si tuviéramos dos átomos de H (en el interior de un campo magnético), y con entornos moleculares distintos (uno en agua y otro en grasa). Estarán alineados a favor del campo, pero sus frecuencias de baile de precesión, serán distintas. Podríamos decir que girarán a velocidades distintas.
Teniendo en cuenta lo arriba mencionado: es decir los protones son expuestos a un campo magnético, y emitimos una onda de radio sea en la que baila (precesión) uno de estos dos átomos.
Sucederá que va a absorber esta energía, y, a la exposición al campo magnético:debido
Cambiará su orientación
Además, todos los protones que bailen en la misma frecuencia, dejarán su posición al azar y comenzarán a girar al unísono como si fueran “relojes sincronizados”. A esto se le llama Protones en fase.
Relajación:
Al finalizar la onda de radiofrecuencia, los protones en estado de excitación van a volver a su posición original liberando la energía absorbida también en forma de ondas de radio. Lo interesante es que esa onda liberada tendrá características distintas con respecto a la que se generó desde el resonador. Y lo revelador de las imágenes, es que esta onda dependerá del entorno de donde se encuentra ese átomo de Hidrógeno. Por ejemplo: imaginemos lo que ocurriría si emitiésemos un sonido en una cueva. Su eco será distinto a ese sonido, y volverá a nosotros según las características de la cueva: amplitud de la cueva, estructuras adyacentes, rugosidades, consistencia de las paredes, etc.
Esta relajación ocurre a través de dos componentes: T1 depende de las interacciones de los átomos con el entorno, y T2 depende de la interacción de los átomos entre si (al dejar de girar al unísono y volver a girar independientemente como lo hacían antes de ser excitados). Además de otros factores, la intensidad de la señal va a depender de T1 y T2.
¿Y cómo se verán las imágenes según esta intensidad en las señales emitidas por los protones?
Mucha intensidad o hiperintensos: blanco
Intensidad intermedia: gris claro
Poca intensidad o hipointensos: Gris oscuro
Los que no emiten nada: negro
Por supuesto que la interpretación de estos colores, imágenes, tiempos de intercambio y reemisión de energía, entre otros parámetros, son bastante más complejos que la mera clasificación por colores.
Medio de contraste: Gadolinio
Esta sustancia se utiliza para producir pequeños campos magnéticos que aumentan la intensidad de la señal emitida por algunos tejidos tales como: hipófisis, vasos, tejidos anormales tales como tumores que dañan barrera hematoencefálica o hématotisular.
Resumiendo, de una manera muy sencilla: cuando nuestro cuerpo entra en un resonador, y es expuesto al campo magnético: los átomos de hidrógeno que tenemos en los distintos tejidos (conformando agua o grasa), bailan, es decir giran sobre si mismos y también alineados al unísono. Reciben la radiofrecuencia que es emitida también desde el resonador, y cuando dejan de bailar, al relajarse, reenvían esas ondas de radiofrecuencia, con características que son únicas para cada tejido, y que es lo que permite identificar las distintas estructuras y sus particularidades.
Conozcamos la historia de quienes están detrás del baile de los protones.
Nikola Tesla
En un pueblo del imperio Austro-Húngaro, nace Nikola Tesla un 10 de julio de 1856. Su madre tenía una magnífica habilidad para construir herramientas artesanales, y no sabía leer ni escribir; y su padre, sacerdote de la iglesia ortodoxa Serbia, siendo el cuarto de cinco hijos. A los 17 años estuvo 9 meses postrado por cólera y al borde de la muerte en varias oportunidades. Un año más tarde evitó su reclutamiento por el ejército austro-húngaro y se matriculó en una escuela politécnica en Austria. Cursando estudios superiores de ingeniería, dejándolo tres años después para empezar a trabajar como ayudante de ingeniería por un año. Luego, retomó sus estudios en Praga.
Al fallecer su padre vuelve a abandonar sus estudios, y comienza a trabajar como delineante en una central de telégrafos donde lo asignan como Electricista en Jefe después de algún tiempo. Aquí, entabla amistad con otro inventor: Nevojsa Petrovic. Juntos trabajaron en un proyecto para producir energía continua basado en el uso de turbinas gemelas. También desarrolló un repetidor telefónico o amplificador, aunque para algunos fue el primer altavoz.
Comenzó en un nuevo empleo en Paris, como ingeniero de dínamos en Continental Edison Company, (filial de Edison Electric Light Co). Luego de un año, Tesla diseña el motor de inducción.
Recibió una oferta para trabajar en US, New Jersey, donde introdujo grandes mejoras en la fabricación de dínamos para Edison, además de proporcionarle a la empresa numerosas y lucrativas patentes. Mientras tanto, se dedicó también a la mejora de los diseños de sus generadores de corriente continua casi durante un año. Edison se negó a pagarle los 50.000 dólares, que había prometido y no quiso aumentarle a 25 dólares/semana el sueldo, por lo que Tesla finalmente dimitió.
Además de transmitir energía electromagnética sin cable creando el radiotransmisor, diseñar la primer central hidroeléctrica del mundo en las cataratas del Niágara, obteniendo por esto la Orden de Danilo del rey Nikola de Montenegro, y siendo reconocido mundialmente como un héroe por la corriente alterna. Con la torre de Tesla o Wardencly probó que era posible enviar energía e información sin necesidad de un cable, estamos hablando de las décadas de 1880 y 1890.
Encendió decenas de bombillas que había enterrado, sin la utilización de cables, al producir diferencia de potencial entre el suelo y la ionización en el aire, que generaba la alta tensión de la torre.
La alimentación polifásica, entre mas de 700 patentes, sin contar las que le dejó a Edison y compañía. Fue galardonado y reconocido por las Universidades de Yale y Columbia, Instituto Franklin, Servicio Postal de EEUU, National Electric Light Association, y algunas ciudades. Así como también, e irónicamente, recibió la medalla Edison , otorgada por el Institute of Electrical Engineers, uno de los premios más importantes de la ingeniería eléctrica de US, y en cuyo acto de entrega, el vicepresidente de dicha entidad pronunció lo siguiente: "Si eliminásemos de nuestro mundo industrial los logros conseguidos por Nikola Tesla, las ruedas de la industria cesarían de girar, nuestros trenes eléctricos se detendrían, nuestras ciudades estarían a oscuras y nuestros molinos morirían".
El New York Times informó sobre el Nobel que habría ganado, pero que rechazó.
El historial de patentes y reconocimientos de Nikola Tesla es enorme, y haremos un capítulo especial sobre él, en los Héroes de la historia que contribuyeron a la medicina.
Volviendo a los primeros años de la década en 1880, Nikola Tesla ideo la teoría de la gravedad dinámica, que explica la relación de la gravedad y la fuerza electromagnética. Una teoría de campo unificado que combina todas las fuerzas fundamentales. Por lo que llevaba a cabo experimentos con alta frecuencia y alto potencial de las corrientes y el electromagnetismo, pudiendo así descubrir el campo gravitatorio rotacional.
Y es así, como en 1982 una de las mentes más extraordinarias de la humanidad, descubre el Campo Magnético Rotatorio, que es generado a partir de una corriente eléctrica alterna, uno de los descubrimientos más sobresalientes de la física.
Isidor Rabi
55 años después, el profesor de la Univ. de Columbia Isidor Rabi, fue quien primero desarrolló y demostró el fenómeno de resonancia magnética nuclear. Es decir que se dio cuenta que los protones y neutrones en el núcleo, actúan como pequeños magnetos que rotan. Y que, al pasar un haz de moléculas por un campo magnético y expuesto a ondas de radio, esa dirección de rotación podía ser cambiada. Además de que los átomos al volver a su posición original emitían radiación electromagnética de frecuencias característicamente únicas. Esto es solo algo de lo que menciona en su nombre el sitio oficial nobelprize.org, por su premio Nobel de física ganado en 1944. ¿Pero quién fue Isidor Rabi?
Nacido en 1988, en la entonces Austria, en el seno de una familia judía. Al año de edad su familia y él emigraron a US, donde vivieron con escasos recursos. Nunca practicó la religión de adulto ya que él pensaba que, haciendo una buena Física, estaba caminando el camino de Dios. Terminó en la universidad de Cornell su grado en Química y luego su doctorado en Física.
Viajó a Europa a trabajar con los grandes de la mecánica cuántica, de donde volvió fascinado por las ideas cuánticas con las que trabajó, sobre todo el experimento de Stern-Gerlach. En el que se observaba que al pasar un haz delgado de átomos de plata a través de un campo magnético, este haz se separaba en dos y era desviado levemente según la dirección de sus momentos magnéticos. Al regresar a U.S., comenzó como profesor en la universidad de Columbia, y luego de un par de años montó un laboratorio para determinar el giro nuclear (el baile de los protones) asociado al momento magnético, y junto con Gregory Breit ingeniaron modificaciones en el aparato de Stern Gerlach para encontrar el “baile” nuclear del sodio. Fue uno de los principales físicos en desarrollar la bomba atómica durante la segunda Guerra Mundial, así como también en el desarrollo del radar.
Y finalmente, fue capaz de detectar la transición de los protones de un estado de excitación a uno de relajación, método al que llamó: Resonancia Magnética del haz molecular. También se dio cuenta que la energía que devolvía la molécula era particular y única de esa molécula, por lo que se podrían identificar sustancias, así como recibir cierta información de ellas.
Este descubrimiento fue lo que le hizo el mérito para el premio Nobel en 1944.
Felix Bloch Y Edward Purcell
En 1946 Félix Bloch y Edward Purcell, comenzaron a estudiar el efecto de resonancia magnética en átomos y moléculas de sólidos y líquidos. Purcell, estudió ingeniería eléctrica en la Universidad de Purdue, y física en Harvard. También trabajó en el MIT para desarrollar el radar durante la segunda guerra mundial. Bloch, nació en Zúrich, se fue de Europa cuando los Nazis tomaron el poder en 1933, para trabajar en Standford. Trabajó durante dicho conflicto en energía atómica y en el radar.
El motivo del Premio Nobel que compartieron en 1952 fue, y cito: “Por el desarrollo de nuevos métodos de medición magnética nuclear de precisión y los descubrimientos relacionados con ellos”, “…haciendo posible estudiar la composición de diferentes materiales”.
Raymond Damadian
En 1970 el profesor de la universidad del New york Downstate Medical center, Raymond Damadian, fue la primera persona en realizar una resonancia magnética en un ser humano. Cuando escaneaba bacterias se dio cuenta que podría ser de utilidad para estudiar diferentes tejidos del cuerpo. Luego de un año concluyó que los tejidos cancerosos, al contener mayor cantidad de agua, podían ser detectados por scanners que cubrieran esa zona del cuerpo, y diferenciarlos así de los tejidos sanos. Solicitó la patente como: Aparato y método para detectar tejidos cancerígenos, fue otorgada en US, y la primera que se dio en resonancia magnética.
Damadian y su equipo con el prototipo en la imagen.
Paul Lauterbur
En 1973 el investigador inglés Paul Lauterbur, de la universidad de Nueva York, fue quien desarrollo la técnica de imágenes de resonancia en dos y tres dimensiones, publicando en este año la primera imagen con esas características.
Peter Mansfield
Peter Mansfield, físico inglés, desarrolló un modelo matemático que permitía capturar las imágenes con una mejor definición, y acelerar el tiempo de captura de horas a minutos. Y fue el primero en la historia en tomar una resonancia de tan solo una parte del cuerpo humano: el dedo de la mano de uno de sus alumnos. Por estos logros, Manfield y Lauterbur obtuvieron en 2003 el premio Nobel de medicina.
En la actualidad se hacen diversas clases de resonancias, por ejemplo:
Las resonancias “regulares” de distintas partes del organismo: articulaciones, cerebrales, abdominales, pélvicas, etc. pueden ser de 1,5 Tesla o 2,00 Tesla. Esto significa que se somete al paciente a un campo magnético con un imán de 1,5 T, por ejemplo, que equivale a 15.000 veces el campo magnético de la tierra. También la RM de 3T, que proporciona imágenes con un detalle anatómico preciso por lo que se utiliza de preferencia para diagnosticar y evaluar padecimientos del sistema nerviosos central: demencias, Parkinson, epilepsia refractaria, tumores cerebrales. Cuando se trata de demencias evidencia patrones clásicos de hipometaobolismo, permitiendo obtener diagnósticos tempranos de Alzheimer, y otros tipos de demencias como la frontotemporal, vascular, y la de cuerpos de Levy. Las imágenes de la RM 3T se utilizan para el desarrollo de la Medicina Personalizada de Precisión. En ciencias ómicas según un informe del Instituto Roche, en el observatorio de Tendencias en la medicina del futuro, y cito: “Los avances computacionales y el amplio desarrollo digital actual posibilitan la generación de información a través de la radiómica, contribuyendo así la imagen médica al desarrollo de la Medicina Personalizada de Precisión (MPP)”. Entre una gran variedad de tipo de Resonancias se encuentran:
RM Elastografía: se utiliza para detectar y diagnosticar hígado graso y fibrosis con una precisión bastante alta, y se hace la resonancia en conjunto con el ultrasonido.
Resonancia trifásica: para evaluar el hígado en tres fases: arterial, venosa y simple y tardía.
Espectroscopía de Resonancia magnética: Es una técnica no invasiva que permite un análisis del metabolismo en distintos tipos de tejidos.
Resonancias funcionales: esta RM es dependiente del nivel de oxígeno en el cerebro. Se utiliza para obtener imágenes de los cambios de flujo sanguíneo en el cerebro que acompañan a un aumento de la actividad neuronal. Esta RMI produce múltiples imágenes en algunos segundos.
Se están haciendo estudios en los que se ha cambiado la forma de escanear la actividad cerebral, para obtener imágenes a una escala de milisegundos, potencialmente a la velocidad del pensamiento. Después de un escaneo se obtienen múltiples imágenes de alta resolución, muy rápidamente, lo que permite ver a los investigadores la propagación de las señales en el cerebro de una manera no invasiva. Piensan que esta será una posibilidad de estudio que cambie absolutamente “el juego”, y que pueda llevar a una nueva forma de entendimiento de como este órgano funciona.
También se está investigando y desarrollando un resonador magnético portátil, si bien es muy difícil por el tamaño y la potencia del magneto y los equipos enfriadores que son imprescindibles en este dispositivo, se ha logrado hacer con solo un poco menos de resolución, y de muchísimo menos peso 600kg vs 14.000 kg o más de los convencionales. Por ahora estaría pensado para llevar a hospitales móviles, o estaciones militares que tengan determinada infraestructura para poder instalarlo.
Se está construyendo en el Centro NeuroSpin, en Saclay,Francia, un scanner de Resonancia magnética, para exploración del cerebro humano. Este scanner tomará imágenes con cortes cada 100 nanómetros, con una potencia y resolución de 11.7 T para desarrollar nuevos biomarcadores para enfermedades psiquiátricas y neurológicas, así como la química, el metabolismo y la energía del cerebro. Tendrá unos 5 metros de diámetro, 132 toneladas de peso, y una energía acumulada de 340 MJ. Mencionan que ha sido un desafío resolver temas como las decisiones técnicas, configuración, protección, escudo del magneto, criogenización y enfriamiento, entre otros. Y fue diseñado y construido por Tesla Engineering Limited, UK.
¿Quiénes regulan esta actividad y estos dispositivos?
Cada país tiene un ente regulador, por ejemplo en Estados Unidos es el Centro de dispositivos médicos y salud radiológica (CDRH), en Argentina el Sistema Nacional de Resonancia Magnética SNRM, y a nivel internacional es la Comisión Internacional de Protección contra la radiación no Ionizante ICNIRP.
Los efectos de la exposición a campos magnéticos y ondas de radiofrecuencia en el organismo humano se tratan en Environmental Health Criteria 232, en forma conjunta con International Labour Organization, International Comission on Non-Ionazing Radiation Protection, y la Organización Mundial de la Salud.
Conclusión.
Desde Nikola Tesla y su campo gravitatorio rotacional en las últimas décadas de 1800, las primeras resonancias en gases, luego líquidos, sólidos y bacterias, a las lentas resonancias que duraban horas durante la década de 1970, hasta el desarrollo de la resonancia cerebral a la velocidad del pensamiento. O teniendo en cuanta el peso actual de más de 13 toneladas, a los que están en investigación y desarrollo, que son resonadores portátiles de menos de 600 kg. Ha sido un viaje asombroso y enriquecedor para las ciencias física y médica. Y sin dudas estos 130 años han presentado una rápida evolución en especificidad, variedad, duración, y resolución, entre otras características al día de hoy. Ha impactado positiva y significativamente en la vida de millones de personas en solo algunas décadas alrededor del mundo. Pudiendo diagnosticar patologías severas y complejas que sería difícil o imposible detectar por otros medios, sin radiación o efectos indeseables. Y como hemos apreciado, la resonancia se basa en una gran cantidad de principios de física cuántica y física clásica, que solo he podido esbozar en este texto, y que fueron descubiertos y desarrollados por mentes extraordinariamente brillantes.
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 traductor/editor:
Brian Hoy tiene más de 20 años de experiencia en el sector de los dispositivos médicos 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.
Publication ID: PUB0009SP
Recursos
Foro Histórico de las telecomunicaciones. Nikola Tesla.
Biografías y vida. Nikola Tesla
Busca Biografías. Nikola Tesla
Nobel Prize. Felix Bloch. Isidor Isaac Rabi. Edward Purcell
FísicaNet. Rabi, Isador Isaac.
Scielo. Design of excitation-reception coils for the detection of 19F NMR signals from the polytetrafluoroethylene/graphene oxide composite
IMEDI. La fascinante historia de la Resonancia Magnética Nuclear
Advancing Physics. APS News. Julio de 1977. RMN. Se usa física fundamental para el diagnóstico clínico.
Cleveland Clinic. MRI Magnetic Resonance Imaging
Rincón educativo. Isidor Isaac Rabi, Premio Nobel que sentó las bases del láser, máser,reloj atómico y resonancia magnética.
Superconductor Science and Technology.
Recent advances in superconducting magnets for MRI and hadron radiotherapy: an introduction to 'Focus on superconducting magnets for hadron therapy and MRI'
Fundamentos físicos de las imágenes médicas, RMN. Facultad de física. Universidad de Sevilla.
Sociedad Española de Radiología Médica. Principios básicos de RM: Lo que todo radiólogo debe conocer para su práctica diaria.
Medical Xpress. New MRI technique could allow for noninvasively tracking propagation of brain signals on millisecond timescales.
Academia.Edu. La teoría dinámica de la gravedad de Nikola Tesla
FUESMEN
Grupo Gamma Red integrada de salud. Historia de la resonancia magnética.
Elastografía hepática y otras secuencias avanzadas de RM (RM Multiparamétrica)
Grupo CT Scanner. Resonancia Magnética 3T en neuroimagen.
ABC Ciencia. Miden el campo magnético más poderoso de todo el universo.
Instituto Roche. Ciencias Ómicas.
Sociedad española de Oncología Médica. V Jornada anticipando la medicina del futuro.
Radiómica. Observatorio de tendencias de medicna del futuro. Nucleoma 4D.
World Health Organization. Static Fields.
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