Imágenes del interior del cuerpo humano

Un nuevo reconocimiento a la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) por parte del Instituto Karolinska de Suecia se produjo el pasado 6 de octubre al otorgar el premio Nobel de Medicina a los investigadores Paul Lauterbur (Universidad de Illinois, EE UU) y Peter Mansfield (Universidad de Nottingham, Reino Unido). En este caso, el premio se les concede por sus descubrimientos en relación con la obtención de imágenes por RMN. Esta es sin duda la aplicación de la RMN con un mayor impacto y con beneficios más tangibles y extendidos para la sociedad. Viene a cerrar por el momento la serie de siete premios Nobel iniciada por Isaac Rabi (Física, 1944).

Una primera reflexión que es obligado hacer es la de considerar los imprevisibles caminos que tiene la ciencia básica de encontrar su proyección en beneficio de la sociedad. Pocos podrían pensar en los inicios del descubrimiento de la técnica, en los que el interés estaba centrado en algo tan exótico como el momento angular (espín) de los núcleos atómicos, que, con el tiempo, la RMN iba a constituirse en una de las principales técnicas de diagnóstico clínico y que contribuiría en último grado a salvar muchas vidas. Es un ejemplo bien expresivo a tener en cuenta por quienes financian la investigación. Lo importante es adentrarse hasta el último extremo en el conocimiento de la naturaleza física del mundo que nos rodea. Las aplicaciones se sucederán después y no siempre del modo previsto.

Quizá una fascinante aplicación elucidará los mecanismos cerebrales del lenguaje o el amor

Es un ejemplo bien expresivo a tener en cuenta por quienes financian la investigación

El sujeto de estudio de la RMN son los núcleos atómicos con espín (momento angular) distinto de cero, como por ejemplo los núcleos de hidrógeno. Cuando estos núcleos se sitúan en el seno de un campo magnético pueden adoptar dos orientaciones distintas, que corresponden a dos niveles de energía, entre los que pueden inducirse oscilaciones si se irradia la muestra con una radiación electromagnética de frecuencia apropiada, generalmente en el rango de las radiofrecuencias. Esas oscilaciones pueden detectarse como una señal, conocida como señal de resonancia, cuya frecuencia depende exclusivamente del campo magnético externo y del tipo de núcleo que observamos. La molécula de agua, que contiene dos núcleos de hidrógeno equivalentes, dará lugar a una sola señal de resonancia.

La obtención de Imágenes por Resonancia Magnética o IRM (el término Nuclear pronto se omitió frente a los usuarios por razones obvias) hubo de esperar a dos importantes desarrollos: la excitación por pulsos de radiofrecuencia y el advenimiento de ordenadores de gran velocidad capaces de manejar la enorme cantidad y complejidad de datos involucrados en la formación de imágenes.

Paul Lauterbur, uno de los galardonados, fue el primero en publicar en 1973 una imagen bien simple: las secciones circulares de dos capilares de H2O inmersos en un tubo conteniendo agua pesada (D2O). Para ello, Lauterbur superpuso al campo magnético externo un segundo campo más débil que variaba linealmente, creando lo que se denomina un gradiente de campo magnético. De este modo, en un extremo del tubo el campo sería más intenso y en el otro extremo más débil, de forma conocida. Dado que la frecuencia de resonancia de los núcleos es proporcional al campo externo, es posible entonces establecer una relación entre la frecuencia de resonancia y la posición dentro de la muestra. Asimismo, la intensidad de la señal de resonancia a cada frecuencia ha de ser proporcional al número de núcleos de hidrógeno, o moléculas de agua, contenidas en un determinado volumen elemental de la muestra.. Para la formación de la imagen (véase figura), Lauterbur utilizó los datos provenientes de cuatro orientaciones diferentes del gradiente de campo junto con técnicas de reconstrucción de imágenes provenientes de la tomografía axial computadorizada con excitación por rayos X (TAC).

El camino a la obtención de imágenes y, en particular, a obtener imágenes de secciones del cuerpo humano por RMN estaba abierto. Restaba la difícil tarea de implementar todos los elementos necesarios: campo magnético, que habría de albergar a la muestra (un ser humano), transmisor de radiofrecuencia, receptor, sistema de excitación y recogida de datos y ordenador para su procesado y obtención de imagen. La contribución del segundo de los galardonados, sir Peter Mansfield, radica precisamente en el diseño de un rápido sistema de barrido de una sección del cuerpo humano que podría hacerse en un tiempo del orden de minutos, haciendo posible de esta manera la utilización de la IRM con fines diagnósticos (1976). En general, los pulsos de radiofrecuencia excitan un rango de frecuencias en relación inversa a su anchura. Sin embargo, estos pulsos pueden hacerse selectivos, cambiando su forma y anchura, de manera que pueda excitarse a voluntad el rango de frecuencias que se desee. En la utilización de estos pulsos para seleccionar, primero, un corte de espesor determinado, y después una sección del mismo, y en la utilización de métodos ya conocidos de espectroscopía de RMN bidimensional está basada la fundamental contribución de Peter Mansfield a la IRM.

Estos descubrimientos despertaron el interés de las grandes firmas comerciales, con el resultado de que los primeros equipos estaban ya en el mercado a principio de la década de los ochenta. Posteriores avances en la velocidad de cálculo y almacenamiento de datos por ordenador, así como en la utilización de imanes superconductores, permitieron la construcción de equipos con sensibilidad y resolución enormemente mejoradas. Actualmente, la IRM ha venido a complementar la información proporcionada por la TAC, pues la información principal proviene no de los partes más densas (huesos) sino de los núcleos de hidrógeno del agua que contienen los tejidos. Mediante la IRM se obtienen imágenes con un mayor contraste, lo que permite distinguir tejidos con un gran detalle, así como detectar los cambios patológicos que puedan producirse en los mismos, cuando éstos van acompañados de cambio en el contenido de agua, lo que es frecuente. Es especialmente importante la información que la IRM proporciona en la detección de tumores, en cardiología y en neurología. La IRM es ciertamente versátil y puede proporcionar distintos tipos de imágenes dependiendo del parámetro magnético que se examine. Además de observar la intensidad de la señal, es posible obtener imágenes potenciadas por los tiempos de relajación T1 y T2. El primero es el tiempo que emplean los núcleos en volver a su alineamiento inicial, una vez que han sido excitados, y el segundo es el tiempo que persiste la señal de resonancia creada. Los tiempos de relajación dependen de la movilidad de las moléculas de agua, que en muchas ocasiones varía entre tejidos, o en casos patológicos, mucho más que el contenido de agua de los mismos. Las imágenes tomadas en base a los tiempos de relajación proporcionan un mayor contraste que los espectros de contenido de agua, pudiendo el mismo mejorarse mediante la administración de un agente de contraste apropiado.

La historia de la IRM no está aun acabada. Un área de gran actividad en la actualidad es la IRM funcional (fIRM), basada en la observación de que la susceptibilidad magnética (magnitud del campo inducido por un campo externo) de la sangre arterial, completamente oxigenada, difiere en un 20% de la sangre venosa, totalmente desoxigenada. Esta diferencia puede aprovecharse para registrar cambios en el nivel de oxígeno en la sangre, lo que a su vez nos conduce a detectar, por ejemplo, los sitios cerebrales con actividad fisiológica como respuesta a estímulos sensoriales. Esta fascinante aplicación de la fIRM puede llevarnos en un futuro a conseguir elucidar los mecanismos de la actividad cerebral en relación con el lenguaje, la música o el amor.

Manuel Rico Sarompas es profesor de investigación del CSIC.