Comprobemos nuestra salud: ¡Alineemos nuestros protones!

publicado el 30 Ago, 2014 Física atómica y nuclear Física médica

  Existe un procedimiento mediante el cual, haciendo uso de un escáner, se obtienen las imágenes médicas. La imagen por resonancia magnética (MRI) utiliza fuertes campos magnéticos y radio ondas, para producir imágenes de cortes transversales de diferentes órganos y estructuras internas del cuerpo. La señal producida por una máquina de resonancia magnética, escáner,  varía en función del contenido de agua y de las propiedades magnéticas locales del área del cuerpo que esté siendo objeto de estudio, pudiendo distinguirse los diferentes tejidos y sustancias que lo componen. En la mayoría de dispositivos de resonancia magnética, una corriente eléctrica pasa a través de alambres enrollados, creando un campo magnético temporal alrededor del cuerpo del paciente. Luego, un transmisor se encarga de emitir radio ondas que son recibidas por un receptor situado en el interior de la propia máquina. Estas señales se utilizan para producir las imágenes digitales del área en cuestión.

El cuerpo humano es básicamente agua (H2O) y grasa, por lo que el 63% del cuerpo humano está formado por átomos de hidrógeno, siendo la señal de resonancia magnética nuclear (NMR) de dichos núcleos, reproducida mediante los mencionados procedimientos de imagen por resonancia magnética (MRI). El alto contenido en agua del cuerpo humano hace posible el uso de la MRI en medicina. Gracias a la diferencia en el contenido de agua de los diferentes órganos, estos se pueden distinguir: los huesos, con bajo contenido en átomos de hidrógeno, se muestran oscuros y los tejidos grasos, con alto contenido en átomos de hidrógeno, se muestran blancos. Pudiendo detectarse, de esta forma, enfermedades patológicas, así como diferentes problemas en los tejidos, ya que estos poseen diferente contenido de agua en comparación con los tejidos sanos. Como dato curioso, la detección de tumores fue uno de los primeros usos de la MRI.

La MRI es, en algunos aspectos, equivalente a cortar una rebanada (3D) de la anatomía. Esta se compone de varios elementos de volumen llamados voxels, que tienen un tamaño de unos 2 milímetros cúbicos, aproximadamente, dependiendo de la resolución. La imagen (2D) de esta rebanada MRI está compuesta por elementos de imagen denominados pixels. La intensidad de un pixel es proporcional a la intensidad de la señal NMR del contenido en el correspondiente voxel. En cada voxel, se representa uno o más tejidos. Haciendo zoom en un voxel, podemos observar células. Dentro de cada célula, hay moléculas  de agua que, a su vez, están compuestas por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno (imagen 1).

Dentro de cada átomo de hidrógeno, atravesando la nube electrónica,  vemos que el núcleo está compuesto por un único protón (imagen 2). Estas partículas poseen una propiedad fundamental de la materia, al igual que la carga o la masa, denominada “espin”. Cada tipo de partícula tiene un valor diferente de “espin”, por lo que esta propiedad define que tipo de partícula es. Al contrario que las rotaciones en las escalas macroscópicas, el “espin” cuántico puede solo ocurrir en valores discretos: enteros y múltiplos de ½ de la constante reducida de Planck,  h. El “espin” tiene dos polaridades, + ½ y -½, y las partículas cargadas como el protón, actúan de forma diferente en un campo magnético,  dependiendo de si tienen “espin” positivo o negativo. Ya que el movimiento de una partícula cargada crea un momento magnético pequeño, el cual será alineado en una dirección para valores positivos del “espín” y en la contraria para valores negativos. Los “espins” pueden ser alineados dentro de un objeto utilizando fuertes campos magnéticos, y cómo de rápido vuelven los “espins” a su orientación original, nos ofrece información sobre lo que hay dentro del objeto. Sin embargo, no todos los núcleos poseen “espín”. Se dice que un núcleo tiene “espín” cero, cuando el número de neutrones y el número de protones son ambos pares, debido al Principio de exclusión de Pauli.

Por su parte, la MRI está basada en la absorción y emisión de energía, en el rango de la radio frecuencia del espectro electromagnético (la parte de menor energía del sepectro, entre los 3 kHz y los 300 GHz) (imagen 3). Los núcleos cuyo “espin” está alineado con el campo magnético externo tienen menor energía que los núcleos cuyo “espín” se encuentra en la dirección opuesta a la del campo externo.

Una partícula puede experimentar una transición entre dos estados de energía:

  1. Absorbiendo un fotón: una partícula en un estado de energia más bajo, absorbe un fotón y termina en el siguiente nivel de mayor energía (cuando ese siguiente nivel, está en el infinito, el proceso se denomina “ionización”).
  2. Emitiendo un fotón: una partícula en un estado de energía más alto, emite un fotón, y baja nivel de enegía inmediatamente inferior.

La energía del nombrado fotón, E, debe coincidir exactamente con la diferencia de energía entre los dos estados y se relaciona con su frecuencia ν, por constante de Planck constante h:

E = h *  ν

h = 6.626 * 10-34 J *s.

En NMR y MRI, ν recibe el nombre de “frecuencia de resonancia” frecuencia de Larmor, respectivamente.

Sus valores típicos son:

  1. Fotón (experimento NMR): ν en el rango de la radio frecuencia.
  2. Núcleo de Hidrógeno (espectroscopia NMR): ν entre 60 y 800 MHz.
  3. Creación de imágenes mediante Hidrógeno (MRI clínica): ν entre los 15 y los 80 MHz.

La siguiente imagen muestra un ejemplo de un diagrama de energía (imagen 4):

Cuando una partícula (con “espín”) es colocada en un campo magnético de magnitud B, la partícula puede absorber un fotón de frecuencia ν:

ν=  γ * B

De las dos últimas ecuaciones escritas podemos deducir que la energía que necesita un fotón para causar una transicón entre dos estados de “espín” es:

E = h  * γ * B

Es decir, cuando la energía de un fotón es igual a la diferencia de energía entre dos estados de “espín”, tiene lugar la absorción de energía. Por tanto, la señal en la NMR resulta de la diferencia entre la energía absorbida por los “espines”, que causa una transición del estado de energía más bajo al siguiente nivel de energía más alto. La energía emitida por lo “espines” causa una transición desde un estado de energía, al siguiente, energéticamente más bajo. También existen otros factores que influyen en la señal de MRI, como son la abundancia natural del isótopo del elemento en cuestión (H) y la abundancia biológica. Podemos concluir diciendo que Una vez el paciente se encuentra tumbado, los átomos (dentro de las células del área de estudio del paciente) son expuestos a un fuerte campo magnético, que hace que sus “espines” se alineen de una manera uniforme. Posteriormente, estos átomos se exponen a pulsos de radio ondas, lo que provoca su movimiento o rotación. Al detener estas radio ondas, los átomos vuelven a su posición inicial, liberando así sus propias radio ondas. El escáner registra estas señales y recopila la información formando la imagen de la parte del cuerpo en cuestión. Como el escáner detecta los átomos de hidrógeno, muestra las diferencias en el contenido de agua de los diferentes órganos y tejidos. Lo que facilita la tarea de diferenciar los tejidos, u órganos, sanos de los enfermos.

Recursos electrónicos:
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/
http://spinwarp.ucsd.edu/neuroweb/Text/br-100.htm
http://www.medicinenet.com/mri_scan/article.htm
http://radiology.rsna.org/content/246/3/724.full
http://www.comptalks.com/how-mri-scanners-work/
http://radiographics.rsna.org/content/25/4/1087.full

1 comentario

  1. Jose Carlos dice:

    Un artículo muy interesante. No tenía ni idea de que funcionase así un escáner! Nunca te acostarás sin saber una cosa más…Enhorabuena por la página!