Resonancias magnéticas portátiles (o cómo hacer realidad el tricoder de Star Trek)

Seguro que los aficionados de Star Trek se acuerdan del llamado tricoder, un sofisticado dispositivo portátil de escaneo utilizado en la famosa serie de ciencia-ficción. En su primera versión, el tricorde tenía el tamaño de un radiocasete de los antiguos, iba equipado con una correa para colgarlo del hombro y hacía un ruido considerable. Y bastaba pasarlo por el cuerpo de una persona para que la tripulación médica del Enterprise fuese capaz de diagnosticar cualquier enfermedad.

Estos aparatos del futuro son muy distintos de nuestros actuales equipos de resonancia magnética, que pesan varias toneladas, ocupan media habitación y requieren una instalación eléctrica apropiada. (Sólo se parecen, eso sí, en el ruido que hacen.) Sin embargo, es posible que dentro de poco los avances en la tecnología consigan reducir su tamaño al de un simple teléfono móvil. 

La imagen por resonancia magnética (IRM) es una técnica muy utilizada en medicina para obtener imágenes del interior del cuerpo humano. Consiste en aplicar un potente campo magnético de entre 0,5 y 1,5T –miles de veces más intenso que el campo magnético de la Tierra- al cuerpo humano. Su principio de funcionamiento es análogo a la aguja imantada de una brújula. Los núcleos atómicos tienen también su propia aguja interna que es sensible a los campos magnéticos; esta propiedad es lo que llamamos espín. Igual que el polo norte de la aguja se alinea con el campo magnético terrestre, el espín de los núcleos atómicos de nuestro cuerpo se alinea con el campo magnético que aplica el aparato de IRM. Entonces se envía al interior del cuerpo un pulso electromagnético que cambia la orientación del espín de los núcleos atómicos; para entendernos, los que apuntan hacia arriba, se pondrán hacia abajo. Cuando cesa la perturbación, los núcleos vuelven a su posición original, devolviendo esa energía como si fuese un eco de la inicial. Ese eco es detectado y analizado por los ordenadores de IRM, que lo transforman en imágenes del interior del cuerpo humano.

A pesar de estar inmerso en un campo magnético tan potente, conviene aclarar que el proceso es totalmente inofensivo para el paciente. La radiación que se envía al interior del cuerpo humano es no ionizante, es decir, carece de la energía suficiente para dañar las células de tu cuerpo. El mayor peligro de la radiación ionizante es que estropee la parte del ADN de las células que regula la división celular. Cuando somos adultos, una serie de genes específicos de nuestro ADN ordena a las células que dejen de dividirse. La división sólo se reinicia en casos puntuales, por ejemplo, en la piel alrededor de una herida para que ésta cicatrice. Una persona expuesta a radiación ionizante corre el riesgo de que sus genes reguladores resulten dañados. En tal caso, las células de su organismo podrían volver a dividirse y crecer sin control, provocando cáncer.

 

IRM portátiles

Fuente: The NMR-Mouse Home

Por muy sorprendente que parezca, estos gigantescos y pesados equipos de IRM de los hospitales serán cosa del pasado dentro de poco. En su lugar, se utilizarán unos equipos tan pequeños como un teléfono móvil o incluso del tamaño de una tacita de café. El primero de esta familia de aparatos revolucionarios existe ya desde hace varios años, y se llaman IRM-MOUSE®, de Mobile Universal Surface Explorer. Apenas mide veinte centímetros de altura y fue ideado por Bernhard Blümich en 1993, cuando trabajaba en el Instituto Max Plank de Investigación sobre Polímeros de Maguncia, Alemania.

La principal causa del enorme tamaño de los equipos de IRM convencionales es que necesitan que el campo magnético aplicado sea extremadamente uniforme. Cuanto más uniforme es el campo, más alta es la resolución de la imagen que se obtiene (en la actualidad se puede llegar hasta una décima de milímetro). Para conseguir estos campos magnéticos uniformes, los físicos utilizan dos grandes bobinas de cable, de casi medio metro de diámetro, colocadas una a continuación de la otra. Esta disposición se conoce como bobina de Helmholtz, y produce un campo magnético uniforme en el espacio situado entre las dos bobinas. Justo ahí es donde se coloca al paciente para la exploración.

La idea de Blümich para sus IRM portátiles se basa en aplicar campos magnéticos no uniformes. Esto provocaría que la imagen resultante se distorsionara en los aparatos actuales. Pero Blümich encontró una manera de compensar esta distorsión; en vez de un único pulso, el equipo envía múltiples pulsos de radiofrecuencia a la muestra, para luego detectar los correspondientes ecos. Los ordenadores se encargan de analizar dichos ecos y compensar la distorsión de manera que la imagen resultante sea nítida. 

Aplicando este concepto de campos magnéticos no uniformes, el IRM-MOUSE® sólo necesita un pequeño imán en forma de U, muy parecido al clásico imán de herradura. El aparato se coloca sobre el paciente y, al moverse por su cuerpo, la exploración puede penetrar varios centímetros en la piel.

 

Futuras aplicaciones

Los mini-equipos de IRM revolucionarán la medicina, ya que podremos realizar exploraciones mediante estos aparatos en nuestros propios hogares, sin tener que desplazarnos hasta el hospital. Un ordenador analizará la imagen y diagnosticará sobre la marcha cualquier problema existente. Llegará el día en que explorarnos a diario con un equipo de éstos resultará tan cotidiano como  lavarnos  los dientes.   

La medicina no será la única beneficiada por estos novedosos equipos. Blümich ya probó su flamante invento en neumáticos. Fabricados con goma, su blandura es similar a la de los tejidos humanos, en los cuales la IRM funciona tan bien. Blümich consiguió determinar el estado de los neumáticos y descartar cualquier defecto sin necesidad de tener que destrozarlos o ponerlos a prueba en carretera. Seguro que a los grandes museos también les encantaría tener uno de estos equipos y poder verificar de primera mano el estado de conservación de un cuadro o diferenciar entre uno auténtico y una falsificación analizando sus capas de pintura. 

Uno de los inconvenientes de los equipos de IRM actuales es que no pueden utilizarse con objetos que contienen metal, ya que los potentes campos magnéticos los atraen con una fuerza descomunal. Todos los años se producen accidentes cuando, al encender la máquina, los instrumentos metálicos que se encuentran a su alcance vuelan atraídos por el campo magnético, chocando con todo lo que se interpone en su camino (y esto incluye a pacientes y personal médico). Por eso está prohibido entrar con objetos metálicos en la habitación donde se realizan las resonancias magnéticas. Los IRM portátiles, en cambio, no tienen esa limitación, porque sus campos magnéticos son mucho más débiles.

Otra de las ventajas de los equipos de IRM portátiles es que puede analizar objetos que son demasiado grandes para caber dentro de un equipo de IRM convencional, o que resulta delicado mover de su sitio. Éste es el caso de Ötzi, el hombre de hielo, un cuerpo de más de 5.000 años encontrada por unos escaladores en los Alpes en 1991. En 2006, los técnicos consiguieron analizar la piel, el tejido subcutáneo y la calavera de Ótzi, sin moverlo del Museo Arqueológico de Bolonia.

Y lo mejor de todo es que no habrá que esperar al siglo XXIII como en Star Trek para tener uno de estos aparatos.

Daniel Martín Reina

NOTA: Esta entrada participa en la XXVII Edición del Carnaval de la Física que organiza Vicente Torres en su blog El tao de la física. También participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología que alberga José Manuel López Nicolás en su blog Scientia

REFERENCIAS:

La física del futuro, Michio Kaku. Editorial Debate, 2011.

IMÁGENES:

Todas las imágenes son de dominio público, salvo donde se indique lo contrario.

 

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9 Comentarios en “Resonancias magnéticas portátiles (o cómo hacer realidad el tricoder de Star Trek)”

  1. telodije 15 marzo, 2012 en 0:07 #

    En dos palabras:
    im-presion…
    errr… quería decir
    fri-ki

  2. Emilio Castro Otero 26 enero, 2012 en 22:30 #

    Hola Daniel,

    Me ha gustado tu post. No conocía el trabajo del Profesor Blümich del Instituto de Química Macromolecular y Técnica de Aachen. Y me ha encantado el libro de referencia. ¡El Profesor Micio Kaku es el Feyman de nuestros días! ¡Que grande el tío!

    Como bien apunta Guillermo el inconveniente de la resonancia magnética nuclear (RMN) con campos magnéticos muy bajos (<104 Teslas) parece que sería la pérdida de información química en términos de desplazamientos químicos y acoplamientos homo y heteronucleares. A mi también me ha intrigado el tema pues trabajo en MNR de polímeros. Pero el Profesor Blümich ya tiene respuesta. Hay dos artículos suyos al respecto. En uno (S. Appelt, F. W. Häsing, H. Kühn, U. Sieling, B. Blümich, Analysis of molecular structures by homoand hetero-nuclear J-coupled NMR in ultra-low field, Chem. Phys. Lett. 440 (2007) 308-312) muestra que un compuesto químico se pueden identificar por su estructura multiplete en el espectro de RMN con campos magnéticos ultra bajos si se cumple la condición de acoplamiento fuerte. Además, el RMN con campos magnéticos ultra bajos es capaz de dar buena resolución en espectros de 1H-RMN de líquidos, revelando todos los acoplamientos homo y heteronucleares al desdoblar las señales en multipletes.

    El modelo vectorial para describir la relación entre la estructura molecular y el número de líneas observada en un multiplete lo publicó ese mismo año (S. Appelt, F. W. Häsing, H. Kühn, U. Sieling, B. Blümich, Phenomena in J-coupled nuclear magnetic resonance spectroscopy in low magnetic fields, Phys. Rev. A 76 (2007) 023420-1 – 11). Un compuesto químico de la forma YXN (Y = espin para arriba 1/2, X = espín para abajo -1/2, N = número de espínes X) se pueden identificar por el número de líneas en el espectro, si se cumple la condición de acoplamiento fuerte. Si en una molécula tenemos dos compuestos químicos, por ejemplo YXN y AXM-N (A = grupo sin espin nuclear, M = número total de espines X acoplados) unidos entre sí, todas las constantes de acoplamiento J, tanto homo como heteronucleares, aparecen en el espectro RMN del núcleo X como una serie de multipletes. Sus estudios concluyen que el ancho de las distintas líneas espectrales en el espectro de RMN dentro de un multiplete depende del estado de espín total de la molécula. Así que para observar líneas muy estrechas es necesario que M sea un número impar y M-1 espínes X de la molécula estén acoplados en (M-1)/2 estados singletes, pues entonces las relajaciones, tanto dipolo-dipolo intramolecules como debidas a los acoplamientos, desaparecen.

    ¡Es fascinante el topic! Y muy interesante el MNR-Mouse este. Sin ser un treckii, me lo pido para analizar mis superficies en el próximo proyecto.

  3. Daniel Martín Reina 25 enero, 2012 en 23:52 #

    Hola Guillermo, gracias por tu comentario. Lo primero que hay que tener en cuenta es que ahora mismo estos dispositivos portátiles apenas penetran varios centímetros en la piel, así que es normal que utilicen campos magnéticos más débiles.
    En cuanto a tu otra duda, sin ser un experto te puedo decir que uno de los parámetros que registra el ordenador es el tiempo que tardan los espines de los núcleos en salir de su sincronismo. Hasta ahora, para calcularlo era necesario que el campo magnético fuera uniforme. Pero Blümich & co han encontrado una manera de calcularlo mediante campos magnéticos no uniformes y múltiples pulsos. Por lo que yo he entendido, para conseguir un campo magnético uniforme necesitas que la intensidad sea elevada, mientras que si puedes trabajar con campos magnéticos no uniformes, la intensidad puede ser mucho más baja.
    De todas maneras, puedes encontrar bastante información técnica en la página web de NMR-Mouse, en el menú de la izquierda.
    ¡Saludos!

  4. guillermomarina 25 enero, 2012 en 19:59 #

    Buenas Daniel, Me encanta tu entrada pero tengo algunas dudas. De mis estudios y experiencia en determinación estructural por RMN al aumentar el campo del equipo a parte de un campo magnetico más uniforme, como comentas, se produce una mayor diferenciación energetica de poblaciones de los atomos entre sus diferentes estados de spin dando al sistema una mejor resolución debido a que existen más atomos en un estado de espin que luego al relajar el equipo obtiene más respuesta de átomos en relajación. En los sistemas portatiles que comentas como solucionan esta falta de sensibilidad debido a que usan un campo de menor intensidad? O ya lo compensan via ordenador como comentas?

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