Resonancia Nuclear Magnética. (4/5)

Walter Bussenius Cortada

Profesor de Estado en Física y Ciencias Naturales - U. de Chile

Ms. en Física U. Austral de Chile - Ms. Ciencias U. de Chile

Este artículo es parte de una serie relacionada con el área de procedimientos diagnósticos asociados a la aplicación física. Es de interés porque es una aplicación moderna que permite diagnósticos casi sin contraindicaciones.

Algo de historia

La historia de este procedimiento de obtención de imágenes resulta algo complicada. Por un lado está asociada a procedimientos relacionados con cálculos matemáticos, y por otro a varios descubrimientos asociados al núcleo atómico y sus características y finalmente a la fabricación propiamente tal de una máquina que permita la obtención de imágenes. Creo conveniente separar un poco estos tres aspectos por lo que comenzaré por el último.

Para comprender algo más del lenguaje técnico necesario, de momento comentaremos que la resonancia nuclear magnética (R N M ) corresponde a núcleos, básicamente de hidrógeno, los que poseen un campo magnético intrínseco (spin) y al ser sometidos a un intenso campo magnético externo, permiten ser alineados. Si luego se aplica un campo magnético variable y la frecuencia de aquel campo coincide con la propia de los núcleos de hidrógeno, se logra el fenómeno de resonancia y los núcleos cambian su orientación; al cesar el campo de frecuencia variable, recuperan su orientación inicial (del intenso campo externo). Lo interesante es que el tiempo de recuperación varía según el tipo de tejido y su contenido de agua. lo que permite diferenciar diversos tejidos, en particular células neoplásicas de células normales o sanas.

El aparato

En 1971, el doctor Raymond Damadian demostró que la resonancia magnética en núcleos podía ser usada para detectar enfermedades, y en 1972 creó el primer equipo de R N M. Pocos meses más tarde aplicó una patente para su invento con el título “Aparato y método para detectar tejidos cancerígenos”. La patente fue otorgada el año 1974 en Estados Unidos, y fue la primera que se otorgó en el campo de la resonancia nuclear magnética.

Reconociendo la importancia del descubrimiento de Damadian, el investigador Paul Lauterbur desarrolló la técnica para generar las primeras imágenes en R N M en 2 y 3 dimensiones utilizando gradientes magnéticos, publicado en 1973.

Peter Mansfield, físico de la Universidad de Nottingham (Inglaterra), extendió el uso de los gradientes mediante un modelo matemático que permitía acelerar muchísimo el tiempo de captura de imágenes, de horas a tan solo segundos, y producirlas con mejor definición.

Mansfield y Lauterbur recibieron el Premio Nobel de Medicina en 2003 por sus descubrimientos en el campo de las imágenes por resonancia magnética. Damadian, fue ignorado por la academia sueca (ver ref 1, 2 y 3)

Nota del autor

En la entrega de premios Nobel, siempre hay personas que han sido dejadas de lado, entre ellos, tal vez la más emblemática es la cristalógrafa Rosalind Franklin, esencial en el gran descubrimiento del siglo XX, la doble hélice del ADN. También podemos citar a Lise Meitner, física austríaca que, en conjunto con sus colegas alemanes Fritz Strassmann y Otto Hanhn, hicieron aportes cruciales en relación a la fisión nuclear, sin embargo sólo se reconoció a este último (Premio Nobel 1938), ignorando a sus pares. Sin ir más lejos, los astrónomos chilenos José Maza y Mario Hamuy, habiendo ideado la técnica para medir distancias a galaxias muy distantes (alrededor de 1996), no recibieron el galardón de Suecia, cuando otros científicos empleando su instrumento obtuvieron un resultado controversial en relación a la expansión acelerada del universo y por ello fueron condecorados en el año 2011 (ver ref. 3, 4, 5 y 6)

Descubriendo el núcleo

En otra parte de la historia, cuando en 1911 Ernest Rutherford descubrió la existencia de un diminuto – pero de gran masa– núcleo atómico, posiblemente nunca imaginó que se componía de partículas de carga positiva y otras neutras. Sin embargo dichas partículas presentaban un momento magnético, es decir, es como si tuvieran carga eléctrica y giraran sobre sí mismas. En el caso del protón era y es evidente, no obstante en el caso del neutrón serían cargas de ambos signos girando, de tal forma que la carga neta es nula, pero el momento magnético neto (spin) no lo es.

Existiendo ya tres números cuánticos, Wolfganf Pauli, para explicar la estructura hiperfina del espectro de los átomos, propuso la existencia de un cuarto número cuántico: el de spin, que está asociado a su respectivo momento magnético.

En 1936, el físico alemán Cornelius Jacobo Gorter intentó observar la resonancia de núcleos, sin embargo no fue posible. En cambio, en 1938, el físico I Rabi en EE. UU. logró generar resonancia de núcleos atómicos. En 1940, Luis W. Álvarez y Félix Bloch proponen un método cuantitativo para medir el momento magnético de un neutrón; experimento que solo se logró al finalizar la Segunda Guerra Mundial (diciembre, 1945).

El siguiente avance lo debemos a E. L. Hahn en 1949, quien tomó la idea de Bloch, de producir una corta excitación mediante un pulso de radiofrecuencia, induciendo una señal hoy conocida como FID (Free Induction Decay), base de las secuencias usadas actualmente. En enero de 1950, se da a conocer el acoplamiento spin-spin. Luego en 1965 se publica el trabajo de E. O. Stejskal y J. E. Tanner "Medidas de difusión de espín: ecos de espín en presencia de un gradiente de campo dependiente del tiempo". Al poco tiempo, en 1966, Richard R Ernst y Wess W. Anderson publican el controvertido artículo: “Aplicación de la espectroscopia a la resonancia magnética por transformada de Fourier”, pues había sido rechazado en dos oportunidades previas por la Journal of Chemical Physics por ser “muy técnico y poco original”. Es importante recordar que se trata de una época en que el desarrollo computacional era muy precario; en ese entonces se debían perforar tarjetas, y luego introducir la información a una cinta magnética. En 1991, Richard Ernst recibe el Premio Nobel de Química por sus grandes contribuciones a la espectroscopia por R. N M , a la cual dedicó toda su vida. Es importante señalar que, en física y química, la resonancia nuclear magnética se utiliza para el estudio de los núcleos atómicos.

Desarrollo en los cálculos matemáticos

Entre los años 1807 y 1811, el matemático francés Jean Baptiste Joseph Fourier publicó un artículo señalando que cualquier función continua se puede reemplazar por la suma infinita de funciones trigonométricas; posteriormente muchos otros matemáticos trabajaron sobre dicho tema para desarrollar una teoría más completa, tales como Dirichlet, Riemann, Frobenius y Radon, entre otros. El procedimiento matemático que permite aquello se conoce por “la transformada de Fourier”, y hace posible transformar información entre dos dominios diferentes. Por ejemplo, si tenemos una función que representa un espacio físico, al aplicar la transformada de Fourier tendremos información en el dominio de la forma de moverse del cuerpo o momentum.

Finalmente resta decir que la modernidad en las computadoras ha permitido, por un lado la rápida recopilación de información (a través de sensores) y por otro un rápido procesamiento de dicha información, logrando realizar en tiempo muy breve los cálculos necesarios para pasar de un espacio de frecuencias a uno de posición, en el cual se representa un corte o sección del objeto que se desea analizar; particularmente del cuerpo humano, a objeto de lograr imágenes de aquellos sin intervenir externamente con radiaciones ionizantes.

¿Qué es la R N M?

Dado que la mayor parte de los núcleos poseen un momento magnético propio o spin, al aplicarles un intenso campo magnético, se logra que se orienten en el sentido de dicho campo Si luego se aplica un campo oscilante con una frecuencia específica, se logra que dichos núcleos oscilen absorbiendo parte de dicha energía. Al hacerlo también irradian energía, pero luego al dejar de aplicar dicho campo variable, estos núcleos retoman su posición original emitiendo dicha energía en forma de ondas, con igual frecuencia que las que absorbieron. Acá es cuando las intensidades de las ondas que emiten energía son proporcionales a la cantidad de átomos de hidrógeno presentes, y esto permite identificar diversos tipos de tejidos. Particularmente los tejidos neoplásicos presentan marcadas diferencias con tejidos normales y se pueden detectar con facilidad y bastante resolución. En este procedimiento no se irradia al paciente, solo se le somete a un campo magnético intenso y fijo y a otro bastante más débil y variable, entonces los núcleos de hidrógeno emiten radiaciones que permiten reconstruir la información requerida. Desde ese punto de vista es inocuo.

¿Cómo se genera la imagen con R N M ?

Cada tejido del interior de nuestro cuerpo posee diferente concentración de diversos tipos de átomos. Tomemos como caso particular el hidrógeno (pueden utilizarse otros, solo habría que aplicar una radiofrecuencia mayor), por ser el más abundante en los organismos vivos (en cantidad de átomos, ver ref. 8). Al someter diversos tejidos a la acción de un campo magnético externo que sea de gran intensidad, se logrará alinear los spines de los núcleos y si luego se aplica un segundo campo magnético, pero variable con una frecuencia que coincida con la propia de dichos núcleos del hidrógeno para ese campo magnético, eso hará que aquéllos cambien su orientación absorbiendo energía. Si luego se les deja solo con el campo magnético inicial, dichos núcleos decaerán perdiendo parte de la energía ganada y volviendo a emitir radiación con la misma frecuencia que se les aplicó al absorberla (esta frecuencia está en la zona de las frecuencias de emisión de las radios F M , por ello se habla de radiofrecuencias). Captando esas energías emitidas resulta posible recrear una imagen porque la intensidad de dichas radiaciones son proporcionales a la cantidad de átomos de hidrógeno presentes en cada tipo de tejido. Nuevamente, mediante complejos y extensos cálculos resulta posible reconstruir una imagen de la zona en estudio y poder verla desde diferentes perspectivas.

La siguiente figura ilustra un resonador magnético (ver ref. 9).

¿Qué diferencias y/o ventajas tiene una R N M respecto a un scanner?

Una R N M implica el empleo de un intenso campo magnético, entre 1 y 3 tesla, que equivale a alrededor de unas 80.000 veces el campo magnético terrestre. Mantener un campo magnético constante y homogéneo de esa magnitud implica el empleo de una corriente eléctrica enorme, por ello estos aparatos requieren de una instalación eléctrica especial

Los más modernos emplean superconductores. Así la corriente se establece una vez y luego se mantiene, sin embargo ello involucra el empleo de líquidos refrigerantes a ultra baja temperatura, para mantener las propiedades superconductoras; por ello y por el costo del equipo per se, dicho procedimiento es oneroso. En el scanner a la persona se la irradia desde fuera y dicha radiación (altamente

A modo de conclusión: ionizante) atraviesa el organismo (ver artículo anterior – revista N° 8). En cambio, con la RN M, es la persona la que irradia y dicha radiación no es ionizante, de manera que no produce los mismos problemas. Existen indicaciones del número máximo de radiación que puede recibir una persona en un determinado lapso de tiempo (dosis de radiación), lo que implica una cantidad limitada de procedimientos de scanner a poder realizarse al año en un mismo individuo, en cambio no existe una limitación en el número de R N M a que una persona pueda someterse.

Cada nuevo procedimiento que he expuesto resulta más complicado de explicar, debido a que cada uno emplea tecnología más compleja, esto también involucra mayor número de nuevos conceptos.

Si bien la R N M es un muy buen examen de salud, también la han empleado los físicos y químicos para el estudio del espectro nuclear. Este tipo de estudios permite tener información del interior del núcleo atómico. Así como cuando se estudió los espectros de los diferentes elementos químicos, se logró conocer mucho sobre la disposición de los electrones y las distintas capas que forman el átomo; este procedimiento también permite conocer internamente el núcleo de diversos átomos.

Bibliografía: https://www grupogamma com/historiaresonancia/#:~:text=En%201971%2C%20hace%20justo%2040,de%20resonancia%20magn%C3%A9ti ca%20en%201972 https://www scielo cl/scielo php?script=sci arttext&pid=S0717-93082008000100009 https://imedi com co/historia-de-la-resonancia-magnetica-nuclear-rmn/ https://es.wikipedia.org/wiki/Lise Meitner https://es.wikipedia.org/wiki/Fritz Strassmann https://www.ciperchile.cl/2011/10/05/chileno-que-descubrio-la-expansion-del-universo%E2%80%9Cnos-tienen-convenientemente-bien-idiotizados%E2%80%9D/ https://es.wikipedia.org/wiki/Neutr%C3%B3n#:~:text=7%20Enlaces%20externos-,Historia,en%20el %20n%C3%BAcleo%20del%20%C3%A1tomo. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Nuclear/mri.html https://www.researchgate.net/figure/La-prueba-de-resonancia-magnetica-nuclear-RMN-consisteen-usar-un-poderoso-campo fig4 329020406