UNA VENTANA AL MUNDO DE LA PASIÓN CIENTÍFICA

Física Médica I: Resonancia magnética


Texto escrito por Víctor Buendía Ruiz-Azuaga

En esta pequeña mini-serie de entradas, el objetivo va a ser cubrir algunas de las técnicas de análisis que se emplean en Medicina y que tienen mucho que ver con la física. La idea es explicar los conceptos en los que basa la técnica, de forma sencilla, para luego entender bien cómo funciona esta.

En el caso de la resonancia magnética, tenemos que entender bien dos fenómenos. Uno es el de la resonancia, por qué se produce y por qué es tan importante en muchas áreas de la Física. Y otro es el de  el espín, que añade la parte de “magnética” al nombre de la técnica.

Resonancia

La resonancia probablemente es el más sencillo de entender. Supongamos que tenemos objeto enchado a un muelle sujeto a una pared, como muestra la figura, y que está sobre una superficie de hielo, de modo que puede deslizar sin detenerse. Entonces, nosotros podemos coger el objeto, estirar el muelle y soltar, y entonces el objeto comenzará a moverse. El tiempo que tarda el muelle en completar una oscilación completa es el período del muelle, y da igual cuánto lo estiremos: siempre tardará lo mismo. La frecuencia de oscilación no depende de cuánto hayamos estirado, sino que es característica del muelle y del objeto que hayamos puesto.

resonancia1

Ilustración 1: Un objeto atado a un muelle. Podemos coger el objeto, estirar y soltar para que empiece a oscilar de izquierda a derecha, en su frecuencia natural. También podemos hacerlo oscilar nosotros, cogiéndolo y moviéndolo de izquierda a derecha, sin soltarlo, con una frecuencia forzada.

Bien, pues el muelle se encuentra ahí, de un lado para otro, siempre con la misma frecuencia. A esta frecuencia que tiene el muelle cuando lo dejamos oscilar solito la vamos a llamar frecuencia natural.

Ahora, el siguiente paso es conectar un motor al objeto, que sea capaz de moverlo adelante y atrás, imitando el movimiento del muelle. Está claro que podemos decirle al motor que lo mueva despacio o muy rápido, y ajustar la frecuencia de las oscilaciones. Ahora bien, si ajustamos el motor para que mueva el muelle a justamente la frecuencia natural, aparece un hecho curioso: la energía que transmite el motor al objeto aumenta de forma brutal. ¿Esto qué significa? Significa que la amplitud del movimiento del muelle va a crecer mucho. Incluso con una fuerza pequeñita, si la aplicamos de modo que el muelle oscile con su frecuencia natural, va a conseguir que la amplitud del movimiento sea mucho mayor que con cualquier otra frecuencia.

Parece una curiosidad, pero es un asunto bastante serio: un edificio puede oscilar, y de hecho oscila. Lo que pasa es que un movimiento realmente imperceptible. Ahora bien, supongamos que hay un terremoto que no solo es de gran magnitud, sino que las ondas coinciden con la frecuencia de resonancia del edificio: entonces todo el edificio va a oscilar con la máxima amplitud posible, con desastrosas consecuencias, desde la aparición de grietas graves hasta el derrumbe total. Una de las primeras cosas que se hace para evitar esto es construir los edificios de forma que no oscilen al son de los terremotos.

Los antiguos ecualizadores empleaban también la resonancia, en este caso la eléctrica. Las bobinas y los condensadores de los circuitos eléctricos, cuando están puestos en paralelo, tienen la mala costumbre de “mandarse corriente” mutuamente. Si la frecuencia de la electricidad que empleamos es precisamente la frecuencia natural de mi circuito, el condensador y la bobina hacen de “circuito tapón” y se mandan toda la energía el uno al otro, sin dejar pasar nada. Cuando en un ecualizador analógico escogíamos tener más graves o más agudos, lo que hacemos es ajustar condensadores y bobinas para que hagan de “tapón” para las frecuencias que nos interesan y dejen pasar otras.

Y así con un montón de fenómenos. El estudio de las resonancias es realmente muy importante, especialmente en el caso de la ingeniería, donde interesa minimizar o maximizar la transmisión de energía de un sistema a otro.

Espín

El espín electrónico es el otro concepto base de la resonancia magnética. Las partículas subatómicas, tales como los electrones, poseen una propiedad llamada espín. Las partículas pueden tener espín entero o semientero, esto es 0, 1/2, 1, 3/2, etc. y es característico de cada tipo de partícula. Por ejemplo un electrón tiene espín 1/2.

“Qué es” el espín es complicado de explicar. Es una propiedad cuántica que no existe en el mundo en el que vivimos, el de las cosas grandes. Para ilustrarlo, pensemos en el siguiente experimento: voy a coger un imán enorme, y entre su polo positivo y su polo negativo voy a lanzar imanes pequeños. Cuando pasen entre el imán grande, se desviarán hacia arriba o hacia abajo, debido a la fuerza magnética que hace el imán grande.  Si lanzo un imán pequeño con el polo positivo y el negativo alineados con el grande,  se desviará hacia abajo. Y si lo hago con una disposición de polos contraria, será hacia arriba. Pero yo no tengo por qué alinear mis pequeños imanes, puedo lanzarnos algo inclinados, y entonces quedarán en una posición intermedia entre los dos anteriores, según la inclinación. Un imán completamente horizontal no se desviaría.

¿Qué pasa con las partículas cuánticas? En el caso de que tengan espín 1/2, al lanzarlas por dentro del imán sólo van hacia arriba o hacia abajo, nunca se quedan a la mitad. Una partícula de espín 1/2, decimos, puede estar solo en dos estados: espín hacia arriba o espín hacia abajo.

Podéis ver el experimento en acción en este video.

Entonces, podemos ver a los electrones como unas bolitas con una propiedad que es “apuntar hacia arriba” o “apuntar hacia abajo”. Hay que tener en cuenta, además, que es probable que hayas leído por ahí que el electrón rota hacia un sentido o hacia y otro y eso le da la orientación. Esto no es cierto, el espín nada tiene que ver con la rotación del electrón, y es una propiedad puramente magnética. El problema es que la forma de explicar matemáticamente el espín es totalmente idéntica a la de rotación en mecánica cuántica: para hacer cuentas, viene de perlas pensar en el espín como una rotación más, porque se hace todo igual. A la hora de explicarlo, hay que ser un poco más cuidadoso y tener en cuenta que el espín no tiene que ver con la rotación de la partícula y en realidad no sabemos muy bien qué es.

Además, el ejemplo lo hemos hecho para electrones, que tienen espín 1/2 y por tanto se clasifican en “arriba” y “abajo”. Tienen dos estados. Una partícula con espín tiene siempre 2 x espín + 1 estados. Así, una partícula de espín 0 solo tiene un estado y no se desvía al pasar por el imán. Una partícula de espín 2 no tendría “espín arriba” y “espín abajo”, sino 5 estados distintos, que podemos llamar como queramos. Una de 3/2 tendría 4 estados, de modo que lo de “arriba” y “abajo” no tiene que ver con orientaciones reales de la partícula, sino más bien con el efecto que observamos.

El espín es una propiedad muy importante en mecánica cuántica. Entre otras cosas, divide a las partículas en dos grupos: fermiones (espín 1/2, 3/2, 5/2…) y bosones (espín 0,1,2…) que aunque a primera vista pueden parecer parecidos, luego resulta que poseen unas propiedades muy diferentes.

Imagen por resonancia magnética

En esta, técnica empleamos que muchos de los átomos que componen nuestro cuerpo, como el hidrógeno, no tienen espín 0, y por tanto pueden reaccionar a campos magnéticos.

El proceso es el siguiente: empleamos un fuerte campo magnético sobre el cuerpo. Entonces, los espines, como en el experimento anterior, se ponen apuntando bien en el sentido en el que apunta el campo, o bien en contra, pero no entre medias. Para estar a favor del campo hace falta menos energía, de modo que hay más partículas en esta posición. No todos son capaces de situarse a favor, pero sí es cierto que la proporción está ligeramente descompensada. Entonces lo que hacemos es lanzar una onda de radio sobre las partículas que están a favor del campo. Si para estar a favor del campo hay que tener 2 unidades de energía y para estar en contra 5, lo que hace nuestra radiofrecuencia es darles las 3 unidades que les faltan, y así se colocan en posición contraria.  La frecuencia que se utiliza para “voltear” los átomos de espín arriba a espín abajo es una frecuencia concreta de resonancia de estos átomos. Para cualquier otra frecuencia, no obtendríamos un resultado tan bueno. Cuando dejamos de emitir la radiofrecuencia, estas partículas vuelven otra vez a ponerse a favor del campo, emitiendo la energía sobrante (las 3 unidades que le habíamos dado). El aparato va detectando estas ondas que emiten los átomos, y se las arregla para ir averiguando las posiciones de los emisores: con esto finalmente se forma la imagen.

Para obtener una imagen de la mayor calidad posible, lo que se hace es ir variando ligeramente los campos magnéticos para tener una diferente proporción de espín a favor – en contra y poder ir comparando y analizando parte por parte. También, dependiendo de cuál sea el átomo que nos interese detectar, tenemos que usar una radiofrecuencia u otra, dependiendo de cuál sea la frecuencia natural del átomo en cuestión. Esto depende, por supuesto de qué estés buscando (imagen cerebral, células tumorales, etc).

A veces, también es necesario tomar algún líquido antes de realizar la prueba. Este líquido no es en absoluto peligroso, y su único objetivo es reducir el tiempo que tardan los átomos en ponerse a favor o en contra del campo, para obtener una mejor resolución de la imagen. E igualmente, hay que destacar que la radiación que se usa, las microondas, no son ionizantes (estas radiaciones son muy perjudiciales y su uso está muy limitado cuando se emplean, como los rayos X), aunque su potencia se limita para evitar calentar el cuerpo en el interior.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *