Resonancia magnética nuclear
La resonancia magnética nuclear (RMN, del inglés: Nuclear Magnetic Resonance) es un fenómeno físico basado en las propiedades magnéticas que poseen los núcleos atómicos. La RMN permite alinear los campos magnéticos de diferentes átomos en la dirección de un campo magnético externo. La respuesta a este campo externo depende del tipo de núcleos atómicos por lo que esta técnica puede utilizarse para obtener información sobre una muestra.
La resonancia magnética nuclear hace uso de las propiedades de resonancia aplicando radiofrecuencias a los átomos o dipolos entre los campos alineados de la muestra y permite estudiar la información estructural o química de una muestra. La RMN se utiliza también en el campo de la investigación de ordenadores cuánticos. Sus aplicaciones más frecuentes se encuentran ligadas al campo de la medicina.
Radiología
La radiología es la especialidad médica que se ocupa de generar imágenes del interior del cuerpo mediante diferentes agentes físicos (rayos X, ultrasonidos, campos magnéticos, etc.) y de utilizar estas imágenes para el diagnóstico y, en menor medida, para el pronóstico y el tratamiento de las enfermedades. También se le denomina genéricamente radiodiagnóstico o diagnóstico por imagen.
La radiología debe distinguirse de la radioterapia, que no utiliza imágenes, sino que emplea directamente la radiación ionizante (Rayos X de mayor energía que los usados para diagnóstico, y también radiaciones de otro tipo), para el tratamiento de las enfermedades (por ejemplo, para detener o frenar el crecimiento de aquellos tumores que son sensibles a la radiación).
La radiología puede dividirse de varias maneras distintas:
- Por un lado, puede ser dividida según el órgano, el sistema, o la
parte del cuerpo que se estudia. Así, puede hablarse de muchas
subespecialidades, por ejemplo:
- Radiología Neurológica o Neurorradiología.
- Radiología de Cabeza y Cuello
- Radiología Torácica
- Radiología Cardíaca
- Radiología Abdominal
- Radiología Gastrointestinal
- Radiología Genitourinaria
- Radiología de la Mama
- Radiología Ginecológica
- Radiología Vascular
- Radiología Pediátrica
- Por otro lado, la Radiología puede dividirse en tres grandes grupos, según su actividad principal:
- Medicina nuclear: genera imágenes mediante el uso de trazadores radioactivos que se fijan con diferente afinidad a los distintos tipos de tejidos. Es una rama exclusivamente diagnóstica y en algunos países se constituye en especialidad médica aparte.
- Radiología Diagnóstica o Radiodiagnóstico: se centra principalmente en diagnosticar las enfermedades mediante la imagen.
- Radiología Intervencionista: se centra principalmente en el tratamiento de las enfermedades, mediante el empleo de procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos guiados mediante técnicas de imagen.
La frontera entre radiología diagnóstica e intervencionista no está perfectamente definida: los especialistas en diagnóstico también suelen realizar procedimientos intervencionistas en su área respectiva, y los especialistas en tratamiento (los Radiólogos Intervencionistas) suelen encargarse del diagnóstico de las enfermedades del sistema circulatorio periférico. En la actualidad, en muchos países, la subespecialidad de Radiología Vascular e Intervencionista está integrada con el resto de la Radiología en una única especialidad, aunque hay controversia sobre si deberían separarse como especialidades oficiales.
Clásicamente se emplearon los rayos X. Los rayos X (o rayos Röntgen) fueron descubiertos hace más de cien años por Wilhelm Conrad Röntgen, Científico alemán que estudió los efectos de los tubos de Crookes sobre ciertas placas fotográficas cuando los sometía al paso de una corriente eléctrica.
Aplicaciones médicas
En medicina, la Resonancia Magnética es una técnica de obtención de imágenes del organismo basada en el fenómeno físico de la resonancia. Estas imágenes se utilizan como fuente de información en numerosos diagnósticos.
La RM utiliza fuertes campos magnéticos que actúan sobres los átomos que componen diferentes sustancias en el cuerpo como el hidrógeno. Los diferentes tejidos emiten diferentes ondas en función de su densidad y de su contenido en agua. Una computadora traduce los patrones de estas ondas en imágenes muy detalladas de las partes del cuerpo en las cuales se pueden identificar anomalías que pueden ser utilizadas para un diagnóstico médico. La RM produce cortes axiales (trasversales) del cuerpo parecidos a los de la tomografía axial computarizada, pero también puede presentar proyecciones en diferentes planos: coronales y sagitales. Como en la TAC, se puede usar contraste intravenoso (gadolinio).
Es una de las técnicas más novedosas de la Radiología. La técnica usa equipos con potentes campos magnéticos que oscilan desde 0,2 hasta 2 ó más Teslas (1 Tesla = 10.000 Gauss). Los campos así generados son capaces de alinear ordenamente el momento magnético de los átomos con un número impar de nucleones del organismo que se estudia. Que se somete a señales de radio frecuencia, que le otorgan energía a los diferentes átomos, cuando la señal cesa, los átomos se realinean con el campo magnético, esto produce liberación de energía en forma de señales electromagnéticas que son recogidas por bobinas (antenas)y procesadas por ordenador, que se emplean para formar imágenes del cuerpo. El átomo más abundante y utilizado usualmente en este estudio es el de Hidrógeno.
Esta prueba de imagen se realiza en el servicio de Imagen, evita que se empleen rayos X, ni se esté expuesto a radiaciones ionizantes. El inconveniente de esta prueba es el tiempo que se emplea en su realización, el ruido molesto que produce (que es reducido en algunos equipo por medio de la utilización de música) y que no se debe realizar en las personas que porten algunos dispositivos metálicos como prótesis, marcapasos, etc. Además, el paciente debe colocarse en el interior de un dispositivo y durante un periodo prolongado de tiempo debe intentar permanecer quieto, a veces hasta una hora, lo que puede molestar a las personas que padecen de claustrofobia, por ese motivo existen equipos abiertos para este tipo de pacientes, el de mayor prestaciones ofrece es el equipo de 1T abierto de Philips.
Es un equipo que nos permite el estudio del cuerpo completo, a nivel vascular, muscular, oseo , molecular ,etc...
Una modalidad de resonancia magnética es la resonancia magnética endorrectal, que se utiliza sobre todo para el estadiaje del cáncer de próstata.
Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
La espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunque también se puede emplear con fines cuantitativos.
Algunos núcleos atómicos sometidos a un campo magnético externo absorben radiación electromagnética en la región de las frecuencias de radio o radiofrecuencias. Como la frecuencia exacta de esta absorción depende del entorno de estos núcleos, se puede emplear para determinar la estructura de la molécula en donde se encuentran éstos.
Para que se pueda emplear la técnica los núcleos deben tener un momento magnético distinto de cero. Esta condición no la cumplen los núcleos con número másico y número atómico par. Los núcleos más importantes en química orgánica son: ¹H, 13C, 31P, 19F y 15N. Otros núcleos importantes: 29Si, 77Se, 117Sn, 195Pt, 199Hg, 203Tl, 205Tl, 207Pb
Se prefieren los núcleos de número cuántico de espín nuclear igual a 1/2, pues si no dan señales muy anchas. También es mejor que el isótopo sea abundante en la naturaleza, pues si no dan señales débiles. Por eso, uno de los más útiles en la elucidación de estructuras es el ¹H, dando lugar a la espectroscopía de resonancia magnética nuclear de protón. También es importante en química orgánica el 13C, pero se trata de un isótopo poco abundante y presenta dificultades.
La técnica se ha empleado en química orgánica, química inorgánica y bioquímica. La misma tecnología también ha terminado por extenderse a otros campos, por ejemplo en medicina, en donde se obtienen imágenes por resonancia magnética.
Espectroscopía de RMN con Onda Contínua
Desde sus comienzos hasta finales de los 60, la espectroscopía de RMN utilizó una técnica conocida como espectroscopía de onda contínua (CW). La manera de registrar un espectro de RMN en el modo de CW era, bien mantener constante el campo magnético e ir haciendo un barrido de frecuencias con un campo oscilante, o bien, lo que era usado más a menudo, se mantenía constante la frecuencia del campo oscilante, y se iban variando la intensidad del campo magnético para encontrar las transiciones (picos del espectro). En la RMN de CW las señales del espectro se registran como señales en-resonancia.
La espectroscopía CW esta limitada por su baja sensibilidad ya que cada señal se registra una sola vez por cada barrido y la técnica de resonancia magnética nuclear ya es de por sí no demasiado sensible; esto quiere decir que la técnica sufre de una baja relación señal-ruido. Afortunadamente en RMN es posible mejorar la relación señal-ruido mediante el promediado de señal. El promediado de señal consiste en repetir la adquisición del experimento e ir sumando los espectros que se obtienen. De esta manera las zonas del espectro en que existen señales se suman de manera constructiva, mientras que por su parte, las zonas en que hay ruido, por su caracter aleatorio, se acumula más lentamente que la señal. Mediante el promediado de señal se incrementa la relación señal-ruido en un valor que es la raíz-cuadrada del número de espectros que se han acumulado. Esta relación se cumple con espectros de RMN en el que intervienen un sólo tipo de núcleos, por. ej. sólo 1H, 13C, .... también llamados espectros homonucleares.
Espectroscopía de RMN de pulsos y Transformada de Fourier
La técnica de RMN con transformada de Fourier (FT-NMR) es la que se utiliza en los espectrómetros actuales. Uno de los pioneros en este campo es Richard R. Ernst, que la desarrolló a partir del año 1966 y por la que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1991.
FT-NMR permite disminuir drásticamente el tiempo que requiere adquirir una acumulación (scan) del espectro completo de RMN. En vez de realizar un barrido lento de la frecuencia, una en cada instante, esta técnica explora simultánea e instantáneamente todo un rango de frecuencias. Dos desarrollos técnicos fueron fundamentales para poder hacer realidad la técnica FT-NMR: ordenadores capaces de llevar a cabo las operaciones matemáticas necesarias para pasar desde el dominio de tiempo al de la frecuencia, es decir, para obtener el espectro; y el conocimiento sobre como poder excitar simultáneamente todo un rango de frecuencias.
La FT-NMR funciona con la muestra (espines nucleares) sometida a un campo magnético externo constante. Se irradia la muestra con un pulso electromagnético de muy corta duración en la región de las radiofrecuencias. La forma que suele usarse para este pulso es rectangular, es decir, la intensidad de la radiofrecuencia oscila entre un máximo y un mínimo que es constante mientras dura el pulso. Un pulso de corta duración tiene una cierta incertidumbre en la frecuencia (principio de indeterminación de Heisenberg. La descomposición de fourier de una onda rectangular contiene contribuciones de una de todas las frecuencias. El pulso que se genera es por tanto policromático y cuanto más corto sea, es capaz de excitar un mayor rango de frecuencias.
La aplicación de un pulso policromático en una región estrecha de la
banda de radiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que
resuenen en esa región. Un pulso policromático con una anchura en
frecuencia de unos pocos kHz puede llegar a excitar simúltaneamente
sólo a los espines nucleares de un mismo tipo de núcleo atómico dentro
de una molécula, por ej. todos los núcleos de hidrógeno (1H). Antes del
pulso el vector de polarización
neta de cada unos de los espines nucleares se encuentra en situación de
equilibrio alineado en la dirección del campo magnético. Durante el
tiempo que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo
magnético en una dirección perpendicular al campo principal del imán y
el vector polarización realiza un determinado movimiento de precesión.
Tras cesar el pulso, el vector polarización de todos los espines
afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del campo magnético
principal. En este momento, los espines comportándose como pequeños
imanes polarizados comienzan a precesionar con su frecuencia
característica en torno al campo magnético externo, induciendo una
pequeña corriente oscilante de RF en una bobina receptora situada en
las inmediaciones de la muestra. A medida que los núcleos van
regresando poco a poco a la situación inicial de equilibrio alineados
con en el campo magnético principal, la señal detectada va disminuyendo
de intensidad hasta hacerse cero. Esta caída de la señal se conoce como
caída libre de la inducción (Free Induction Decay) (FID) que da lugar
al espectro de RMN.
La FID es una onda que contiene todas las señales del espectro en una
forma que es dependiente del tiempo. Esta onda puede convertirse en un
espectro de señales en función de su frecuencia, para ello se utiliza
una función matemática conocida como Transformada de Fourier, el resultado es lo que se conoce como un espectro de RMN (espectro de frecuencias)
Técnicas
Durante muchos años la única forma de energía o radiación empleada por la radiología fueron los rayos X. A principio de los años 60 comenzaron a emplearse los equipos de ecografía o ultrasonografía, aparatos que empleaban los ultrasonidos para obtener imágenes del interior del cuerpo. Los huesos y el gas son barreras que impiden el paso eficaz de los ultrasonidos y limitan su empleo. Una aplicación de los rayos X que fue revolucionaria es la Tomografía Computarizada, o TAC que permite realizar exploraciones tridimensionales de todos los órganos del cuerpo incorporando a un tubo de rayos X giratorio un potente ordenador que es capaz de reconstruir las imágenes.
Una de las técnicas más novedosas es la Imagen de Resonancia magnética, cuyos equipos contienen potentes imanes capaces de generar campos magnéticos de más de 2 Tesla (20.000 Gauss, en el campo diagnóstico y de más de 3 Tesla en el campo de la investigación. Los campos así generados son capaces de alinear ordenadamente el momento magnético nuclear de los átomos con un número impar de nucleones del organismo que se estudia. Cuando el campo magnético cesa bruscamente, los momentos de los átomos del organismo se desalinean, orientándose cada uno en una dirección distinta, al azar, al tiempo que emiten radiaciones electromagnéticas en una banda de radiofrecuencia. Estas radiaciones, recogidas y procesadas por ordenador, se emplean para reconstruir imágenes del interior del cuerpo en las cuales la intensidad mayor o menor de la señal corresponde a los átomos de hidrógeno de los tejidos y del agua corporal. Recientemente se está incorporando a las técnicas de la radiología la Tomografía por emisión de positrones(PET ó TEP). Se trata se una tecnología que utiliza isótopos radiactivos que se introducen en moléculas orgánicas o radiofármacos que son inyectadas al paciente y posteriormente se analiza la emisión radiactiva de los diferentes tejidos según la captación del radiofármaco que presenten. Generalmente se utiliza Glucosa marcada con Flúor-18, por lo que existe mayor afinidad por parte de las lesiones tumorales o inflamatorias. Se pueden realizar estudios combinando TAC y PET lo que permite mayor resolución espacial junto con imágenes funcionales.
Felix Bloch
Felix Bloch (Zúrich, Suiza, 23 de octubre de 1905 - 10 de septiembre de 1983) fue un físicosuizo que trabajó fundamentalmente en los Estados Unidos y que obtuvo el Premio Nobel de Física en 1952.
Nacido en Zúrich (Suiza), estudió allí, en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich. Aunque estudió primero ingeniería, pronto cambió a los estudios de física. Después de 1927, prosiguió sus estudios de física en la Universidad de Leipzig, obteniendo el grado de doctor en 1928. Permaneció en Alemania, en donde estudió con Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Niels Bohr y Enrico Fermi. En 1933, dejó Alemania, y marchó a la Universidad de Stanford en 1934. Adoptó la nacionalidad estadounidense en 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó en temas de energía nuclear en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, antes de dimitir para unirse al proyecto de radar en Harvard.
Fue premiado en 1952, junto con Edward Mills Purcell con el Premio Nobel de Física por "el desarrollo de nuevos métodos en la medición precisa de efectos nucleares magnéticos."
Ecuaciones de Bloch
Las ecuaciones de Bloch describen la interacción del vector de magnetización M de los materiales (un campo magnético oscilante) en presencia de un campo magnético externo constante.
La formación de Imágenes de Resonancia Magnética (MRI por sus siglas en inglés) está basada en estas ecuaciones, las que se deducen a partir de las propiedades de relajación al equilibrio que experimentan los núcleos del hidrógeno del agua sujetos a campos magnéticos. Dichos núcleos, compuestos en parte por protones, son considerados la fuente generadora de las imágenes. La abundancia relativa del hidrógeno en el cuerpo humano, aproximadamente el 90% del cuerpo humano promedio está compuesto de tejido acuoso, y el llamado exceso de espín, hace que estos núcleos móviles sean visibles por medio de la RM.
Se considera que un núcleo posee un momento magnético μ y un momento angular 
. Las dos cantidades son paralelas y entonces se puede escribir que
donde γ es una constante. Por convención I denota al momento angular medido en unidades de 
.
La razón de cambio del momento angular de un sistema es igual al
torque que actúa sobre el sistema. El torque de un momento magnético μ
inmerso en un campo magnético H es 
, de modo que tenemos la ecuación giroscópica
o
La magnetización nuclear M está definida como la suma Σμi sobre todos los núcleos en una unidad de volumen. Si un sólo isótopo está presente, se considera un simple valor para γ, así que
En un campo magnético estático pero intenso (producido por un gran imán), la mayoría de estos protones del hidrógen en reposo (equilibrio) precesarán ligeramente alrededor de la dirección del campo magnético.
De acuerdo con la mecánica clásica, la interacción de una partícula (protones), que posee un momento magnético μ, inmerso en un campo magnético B obedece a la ecuación
donde γ is la razón giromagnética definida a través de la ecuación
,
donde I es el momento angular total del núcleo en unidades de (la constante de Planck).
Una solución a esta ecuación dado un campo magnético constante B0 en la dirección 
, da como resultado la precesión del vector μ alrededor del vector B0 a un ángulo fijo y a una frecuencia determinada por
ω0 = γB0,
esta última conocida como frecuencia de Larmor. Para los protones, por ejemplo,
MHz/Tesla.
En el caso del campo magnético terrestres, por ejemplo,
T,
lo que corresponde a una frecuencia de precesión de ω0 / 2π = 2120 Hz.
En los experimentos de RM, además del campo magnético B0, se aplica un campo dependiente del tiempo y dirigido en ángulos perpendiculares al campo B0.
En el caso de la interacción entre espínes (spin), la ecuación de movimiento, arriba mencionada, son remplazadas por la Ecuación de Bloch o Ecuaciones de Bloch. El contenido principal de la fomulación de Bloch radica en que la interacción de los núcleos conduce a una relajación del vector de momento magnético, el cual se puede describir mediante dos constantes de decaimiento exponencial: los decaimientos longitudinal y transversal de la magnetización.
Espín
El espín (del inglésspin 'giro, girar') se refiere a una propiedad física de las partículas fundamentales, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín fue introducido en 1925 por Ralph Kronig e, independientemente, por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit.
Los dos físicos, Goudsmit y Uhlenbeck, descubrieron que, si bien la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectrosatómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el espín, se lograba dar una explicación más completa de los espectros atómicos. Pronto, el concepto de espín se amplió a todas las partículas subatómicas, incluidos los protones, los neutrones y las antipartículas.
El espín proporciona una medida del momento angular y de la acción, intrínseco de toda partícula. Todo esto en contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso. El espín es un fenómeno exclusivamente cuántico.
En las teorías cuánticas no relativistas el espín debe introducirse de manera artificial, mientras que en las relativistas aparece de manera natural.