Resonancia magnética nuclear

La resonancia magnética nuclear es una técnica que se utiliza en química para analizar la composición de las moléculas y en medicina para obtener imágenes del interior del cuerpo humano.

Las partículas que componen la materia tienen tres propiedades fundamentales: masa, o capacidad para mantener su estado de reposo o movimiento en un campo de fuerzas, gracias a la cual podemos caminar de pie sobre la Tierra; carga eléctrica, o capacidad para moverse en un campo eléctrico, gracias a la cual podemos tener lavadoras en nuestra casa; y spin, o capacidad para orientarse en un campo magnético, gracias a la cual podemos tener aparatos de resonancia magnética en los hospitales.

Debido a su spin el núcleo de un átomo de hidrógeno está girando alrededor de su eje, creando un campo magnético de forma similar a como hace la Tierra en su movimiento de rotación. Cuando un grupo de núcleos de hidrógeno se sumerge en el seno de un campo magnético B, los diferentes núcleos del grupo se orientan de forma que el eje de su propio campo se alinea con el eje del campo B, y lo hace de dos formas: núcleos α, que se orientan de manera que su campo vaya en la misma dirección que el campo B; y núcleos β, que se orientan en sentido contrario. Sin embargo, esta alineación no es perfecta, porque cada núcleo inicia un segundo movimiento similar al de un trompo cuando empieza a perder la verticalidad, llamado de precesión, que gira con una frecuencia f.  Siguiendo la distribución estadística de Maxwell-Boltzmann, los núcleos α son un poco más numerosos que los β, y su energía es menor. Como la diferencia en número entre unos y otros es muy pequeña, el campo inicial B no se altera sensiblemente.

Supongamos que todo esto lo llevamos a la práctica con un campo magnético vertical B, en cuyo seno hay un grupo de núcleos de hidrógeno α y un grupo de núcleos β orientados como se ha dicho. Bajo estas condiciones se envía desde el exterior un impulso de radiofrecuencia, cuya frecuencia F se puede regular a voluntad. Si la frecuencia F de este impulso se ajusta para para que entre en resonancia con la frecuencia f del movimiento de precesión, ocurren dos cosas: primera, los núcleos α cogen del campo de radiofrecuencia la energía suficiente para saltar al nivel β; y segunda, los movimientos de precesión entran en fase.

Como el campo debido al spin de los núcleos α que saltaron de nivel se suma a los campos de los núcleos β, oponiéndose al campo B, la resultante será un campo B de menor intensidad; al mismo tiempo, como los núcleos, lo mismo que el trompo que pierde su verticalidad, tienen sus ejes inclinados y además realizan en fase el movimiento de precesión, aparecen unas componentes horizontales de campo que antes no existían. En cuanto cesa el impulso todo vuelve a su posición inicial, en un movimiento llamado de relajación, que nos da las siguientes señales: una primera correspondiente a la energía que devuelven los núcleos α cuando recuperan su nivel energético; otra correspondiente a la recuperación del campo B, que retorna a su valor inicial; y una tercera que refleja el tiempo que tarda en desaparecer la componente horizontal de campo debida al movimiento de precesión.

Si aplicamos todo esto al cuerpo humano responderán de inmediato todos los núcleos de hidrógeno que llevamos dentro. Para poder seleccionar entre ellos los de la superficie cuya imagen vamos buscando, se disponen dos bobinas auxiliares que hacen pasar a través de ella dos campos perpendiculares entre sí y decrecientes, con lo que las respuestas de todos los puntos de esta superficie serán diferentes entre sí y diferentes a las respuestas del resto del cuerpo, haciendo así posible la obtención de su imagen.

Aquí termina la exposición física de un aparato para obtener imágenes por resonancia magnética nuclear. Para continuar hay que acudir a las matemáticas y a la medicina. A las matemáticas, porque toda la información genera una cantidad enorme de datos que primero se digitalizan y luego se tratan utilizando transformadas de Fourier. Y a la medicina porque los valores medidos varían según el medio donde se encuentren los átomos de hidrógeno: la densidad de núcleos afectados denota agua y grasa si es alta, músculos y sustancias gris y blanca si es media y ligamentos si es baja; un tiempo de recuperación del campo principal denota agua si es largo, músculo y sustancias gris y blanca si es medio y grasa si es pequeño; finalmente, el tiempo en que tardan en desaparecer las componentes horizontales del campo debidas a la precesión, denota agua si es corto, grasa y sustancia gris si es medio y ligamentos, músculo y sustancia blanca si es corto. De todo esto sale la imagen que buscamos.

Por sus trabajos directamente relacionados con la definición de imágenes por resonancia magnética nuclear, Bloch y Purcell recibieron el Premio Nobel de Física en 1952, Ernst recibió el premio Nobel de Química en 1991 y Lauterbur y Mansfield recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2003.   

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