Fronteras de la Física. Técnicas diagnósticas en Medicina: Una Perspectiva desde la Física


En una nueva conferencia del ciclo de Fronteras de la Física y siguiendo el enfoque multidisciplinar de las aplicaciones de la física, hoy le ha tocado a la medicina. En concreto se ha tratado del uso de fenómenos físicos (radiaciones ionizantes, campos eléctricos, campos magnéticos, ultrasonidos, nanopartículas) al diagnóstico médico con alguna incursión breve en la terapéutica. La conferencia ha sido impartida por la profesora María Teresa Barriuso Pérez del Departamento de Física Moderna de la Universidad de Cantabria.

Introducción

La profesora Barriuso indicó que la primera aplicación realmente científica de un fenómeno físico a la medicina se puede considerar que se realizó pocos años después del descubrimiento por parte de Roetgen de los Rayos X y sus increíbles propiedades. Además se da la curiosa circunstancia de que ha sido el fenómeno que más rápido se ha aplicado a la medicina.

El método de diagnóstico médico moderno se basa en técnicas de procesado de la imagen obtenida de señales (procesado digital de señales en computadores) procedentes de radiación electromagnética originada a partir de patrones de absorción por parte de tejidos biológicos de dicha radiación dirigida contra el paciente (la profesora nos mostró una gráfica con las curvas de absorción en profundidad de las diversas radiaciones) o las radiaciones emitidas por sustancias químicas introducidas en el cuerpo del paciente a las que se ha añadido una pequeña cantidad de un isótopo radiactivo, que emite esas radiaciones, llamadas trazadores (convirtiendo al paciente en el emisor)

Las primeras radiaciones que se han utilizado para la obtención de imágenes son radiaciones llamadas ionizantes, de alta energía, como los Rayos-X. La profesora Barriuso explicó muy didácticamente cómo se originan dichas radiaciones desde el punto de vista de la física nuclear. Las radiaciones más energéticas (alfa, beta, gamma) proceden de los núcleos de los átomos. Los átomos pueden ser estables o inestables. Estos últimos emiten partículas (p.e alfa, grupos de partículas formados por 2 protones y 2 neutrones; …) y energía en forma de radiación electromagnética. Las profesora mostró el espectro electromagnético en donde se podían ver las diferentes radiaciones de menor a mayor frecuencia (de mayor a menor longitud de onda, de menor a mayor energía, de menor a mayor temperatura)

Las radiaciones de alta energía (p.e gamma) se llaman radiaciones ionizantes porque son capaces de arrancar electrones de átomos. Son radiaciones peligrosas porque la vida precisamente se basa en moléculas formadas por enlaces entre átomos formados por electrones. La rotura de esos enlaces para las moléculas biológicas suele ser fatal. ¿Por qué se utilizan entonces? Pues porque se usan pequeñas cantidades de radiación, con isótopos de corta duración (minutos, horas) que son eliminados por el paciente. Además se utilizan en tratamientos terapéuticos para bombardear y eliminar tejidos cancerígenos.

No obstante cada vez se utilizan más radiaciones no ionizantes como los ultrasonidos y los campos magnéticos, que veremos más adelante, que no son invasivas y gracias a la potencia de computación de la que disponemos actualmente nos pueden proporcionar grandes resoluciones temporales y espaciales.

La conferencia dio un repaso a cada una de las radiaciones y partículas utilizadas en el diagnóstico con detalles sobre su generación, uso en el paciente y detección, junto con ejemplos de aplicaciones concretas .

Rayos X

La profesora explicó cómo se producen los rayos X por medio de un bombardeo de electrones desde un electrodo a un ánodo de cobre. En su trayectoria los electrones pueden pasar cerca de un núcleo de cobre y ver desviada su trayectoria con la consiguiente pérdida de energía cinética y la consiguiente también emisión de radiación. Los electrones también pueden arrancar electrones en diversas órbitas electrónicas del cobre (que sabemos que son discretas) lo que provoca que otros electrones de niveles superiores bajen para rellenar el hueco y en su bajada al nivel inferior emiten la energía que pierden. Se forma así un espectro de radiación X formado por los dos tipos de efectos. La recepción de los rayos X, tras atravesar o ser absorbida por la materia biológica del paciente, se ha hecho tradicionalmente en placas fotográficas sobre los que impactaban los rayos, pero actualmente se utilizan diversos detectores de estado sólido que producen placas digitales.

La explicación de las zonas de absorción o no de los rayos X (zonas oscuras o claras en la radiografía) se explican por su interacción con la materia en la que tienen su papel tres efectos: el efecto fotoeléctrico, el efecto thomson y la generación de pares ion-electrón, siendo el primero el predominante para los tejidos vivos. Más en detalle, la absorción es proporcional a la quinta potencia del número atómico, Z. El calcio, que tiene un número atómico muy alto, es el componente principal de los huesos, que son precisamente los que destacan en las radiografías.

Otra aplicación más sofisticada de los Rayos X es la Tomografía Axial Computerizada (TAC), vulgarmente conocido como escáner. Consiste en obtener una imagen 2D de una rodaja o corte del cuerpo mediante haces muy finos de gran intensidad de Rayos X (equivalente a la dosis de 50 radiografías) mandados de forma consecutiva desde diversos ángulos que luego permiten reconstruir la imagen. Las imágenes obtenidas con el TAC permiten detectar los límites precisos de un cáncer, por ejemplo, lo que permite utilizar posteriormente la radioterapia de forma más precisa. El inconveniente que tiene son la dosis que se reciben, lo cual aconseja utilizar este método de forma excepcional.

Rayos Gamma

Son los rayos más energéticos (50 KeV a 3 MeV) La emisión de rayos gamma en muchos núcleos adecuadamente excitados (proceso que se llama transición isomérica) es muy efímera, del orden de picosegundos. Sin embargo existen determinados núcleos que tienen estados llamados metaestables que permiten mantener la radiación durante minutos a horas, como es el caso del bario 137 que dura 2,55 minutos. Esta vida corta es positiva, puesto que lo que se hace con estos núcleos (isótopos radiactivos) es unirlos a determinadas moléculas e introducirlos en el paciente (radiotrazadores) para que se dirijan a la zona que interesa y emitan la radiación que será detectada.

Aquí ahora la fuente de radiación es el paciente y con esa radiación se construye la gammagrafía, una imagen 3D con una técnica llamada Single photon emission computed tomography (SPECT) Como las radiaciones gamma son muy peligrosas se utiliza muy poca cantidad de material radiactivo y la señal detectada es muy débil por lo que la resolución para la información anatómica es baja pero se obtiene buenas imágenes funcionales, de órganos en funcionamiento (se mostró un ejemplo de un corazón)

Partículas nucleares

Las partículas nucleares: neutrones, protones y también electrones y positrones, junto con las radiaciones alfa y beta se utilizan como cañones para bombardear células cancerosas, técnica que se denomina radioterapia (irradiación externa) Una variante de esta técnica se consigue depositando las partículas radiactivas dentro del cuerpo del paciente, en la zona del tumor (irradiación interna) Un isótopo radiactivo que se usa por ejemplo es el I 131 (yodo radiactivo) para el cáncer de tiriodes (se dieron más ejemplos de los que no tome nota)

En la presentación se mencionó por encima una técnica avanzada llamada TAT (?) que consiste en implantar una fuente de partículas alfa en la zona que se quiere irradiar.

En cuanto a los positrones que son las antipartículas del electrón, se usan en el aparato llamado PET (Positron emission tomography) Las antipartículas se producen con elementos como carbono 11 acetato o Fluor 18 pegado a una molécula especial (FDG) como radiotrazadores. Los positrones al destruirse con los electrones producen dos rayos gamma de 0,5 MeV en direcciones opuestas que son recogidos por los detectores del aparato. La tendencia hoy en día es la combinación de TAC + PET (PETCT)

Campos Magnéticos

La aplicación de los campos magnéticos es la primera técnica no invasiva, es decir, que no requiere la introducción de elementos radiactivos o la exposición del paciente a radiaciones ionizantes externas o internas, que se comentó en la conferencia. La técnica que utiliza los campos magnéticos se llama resonancia magnética nuclear (RMN), que en EEUU se llama Imagen Magnética Resonante (Magnetic Resonance Imaging o MRI)

El efecto de resonancia tiene una explicación física preciosa. Los núcleos de los átomos que tienen un número atómico Z y número de masa A impar tienen lo que se denomina un momento magnético intrínseco, es decir, son pequeños imanes orientados de forma aleatoria en direcciones arbitrarias. En presencia de un campo magnético esos pequeños imanes se orientan en la dirección marcada por las líneas de campo magnético. Esa orientación puede ser en el mismo sentido que la del campo (que se representa como un vector con una flecha en el sentido de las líneas de fuerza), lo cual es lo más probable, o en sentido contrario. Además los dos grupos de núcleos estarán separados en dos niveles de energía, con los que tienen el mismo sentido que el campo en la parte inferior (que estará más “poblada”) y los que lo tienen en sentido opuesto en la parte superior. El valor de la diferencia de energía será:

dE= h * lambda * B

con h, la constante de Planck; lambda, longitud de onda (?) y B, valor de campo magnético en Teslas.

Cuando se ilumina al material en el cual los núcleos ya están orientados (unos de una manera y otros de otra, como hemos explicado) y distribuidos en los niveles se le “ilumina” con una onda de una determinada frecuencia, cuya frecuencia es proporcional a la diferencia de energía que existe entre los dos niveles:

f = dE/h

los núcleos que están en el nivel inferior saltan al superior. Se produce entonces la resonancia. Cuando se quita la radiación, los núcleos que subieron vuelven a bajar, emitiendo una radiación con la misma frecuencia que la que se iluminó.

Esta propiedad de la resonancia magnética tiene otras aplicaciones interesantes, entre las que se encuentran la computación cuántica. En cuanto a las aplicaciones médicas las imágenes obtenidas son de gran precisión, sobre todo en tejidos que tienen una presencia importante de agua (y por lo tanto de hidrógeno) como los músculos o el cerebro. Otras zonas menos ricas en agua deben ser infiltradas por agua o alguna otra substancia con nanopartículas de hierro como marcadores.

La reconstrucción de las imágenes a partir de las señales detectadas requiere de un esfuerzo computacional importante que hasta hace poco era difícil de conseguir.

Otra técnica que hace uso de los campos magnéticos es la magnetoencefalografía (MEG) que consiste en obtener imágenes en tiempo real de la actividad de las neuronas del cerebro (neuroimágenes)

Las neuronas utilizan pequeñas corrientes eléctricas para comunicarse entre sí. Estas pequeñas corrientes eléctricas (que pueden de ser detectadas con la electroencefalografía o EEG) que no son más que electrones en movimiento que provocan pequeños campos magnéticos, del orden de fentoteslas. Estos microcampos hasta hace bien poco, no podían ser detectados por los magnetómtetros. Pero gracias a la aparición de los SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Devices) gracias a la tecnología desarrollada en los colisionadores de partículas (creo que ya hemos mencionado este hecho en una conferencia anterior de este mismo ciclo) hemos podido medir esos campos y construir imágenes a partir de esas señales tan débiles. Se obtiene una buena resolución temporal pero poca espacial (el origen de los campos es difícil de determinar dada la concentración de neuronas que existe en el cerebro)

No obstante este proceso de señales no está exento de dificultades. Al ser tan débiles las señales están enmascaradas en ruido. Las características de este ruido (ruido aditivo gausiano blanco) hacen que se tenga que realizar varias medidas para obtener una señal limpia.

Una ventaja indudable de esta técnica es que los sensores no tienen porqué tocar el cuero cabelludo del paciente y la señal (campo magnético) a pesar de atravesar un montón de tejido no se ve distorsionada (como ocurre con las señales eléctricas de la EEG) No obstante la interpretación de estas señales y su correlación con las actividades cognitivas todavía está en pañales.

Nanopartículas

Ya casi sin tiempo y un poco por encima se trató el uso de la nanotecnología en la medicina, que se denomina nanomedicina. La aplicación concreta que se mencionó es la difusión de medicamentos para el tratamiento de zonas concretas del cuerpo. Se trataría de mandar nanoestructuras de un material por determinar biocompatible dentro del cual se encierra un principio activo que se pretende usar como medicamento. Esta nanoestructura se introduciría en el cuerpo y se dirigiría a la zona donde debe liberar el medicamento, que sería inducido mediante una señal externa. Gracias a estas técnicas se podrían reducir los efectos secundarios y producir el efecto terapéutico máximo.

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