Aunque no es realmente un libro sino una monografía bastante corta, Tomografías recopila cuatro artículos sobre técnicas médicas de diagnóstico relacionadas con la física: la tomografía por emisión de positrones, la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética nuclear y la ecografía.

Para cada una de las cuatro se describen los procesos físicos empleados, el modo en el que se obtienen las imágenes de diagnóstico, los peligros relacionados con ellas, etc. Como siempre, se intenta hacer esto sin complicar demasiado las cosas —y desde luego no pretende sustituir la información que puede proporcionar un médico, sino simplemente satisfacer la curiosidad—.

Pedro Gómez-Esteban González

Tomografías - TEP, TAC, RMN y ecografía

ePub r1.0

wasona 12.11.15

Título original: Tomografías - TEP, TAC, RMN y ecografía

Pedro Gómez-Esteban González, 2008

Editor digital: wasona

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© 2008 Pedro Gómez-Esteban González.

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Introducción y agradecimientos

Este pequeño libro electrónico es la compilación de cuatro artículos aparecidos en El Tamiz entre Diciembre de 2007 y Marzo de 2008. En él trato de describir los cuatro tipos de tomografías más comunes: la Tomografía por Emisión de Positrones (TEP), la Tomografía Axial Computarizada (TAC), la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y la tomografía por ultrasonidos o ecografía.

El objetivo del librito es satisfacer la curiosidad de los que han oído los términos muchas veces, o incluso se han sometido a alguna de las cuatro tomografías, y quieren saber los fundamentos físicos en los que se basan. No es mi propósito calmar los miedos (o alimentarlos) de aquellas personas que van a someterse a una prueba de este tipo y sienten recelo. Como repetiré varias veces a lo largo de estas páginas, mi consejo es muy claro: pregunta a tu médico. Él sabe mucho más que tú y que yo sobre los riesgos y las ventajas de cada una de estas técnicas médicas.

Antes de entrar en detalle sobre estas tomografías, una brevísima explicación sobre la palabra, pues se aplica a las cuatro técnicas de diagnóstico que vamos a tratar en este librito. El término proviene de dos palabras griegas: tomos, que significa sección (y utilizamos al habla, por ejemplo, de los tomos de una enciclopedia), y graphia, que significa escritura. Dicho burdamente, una tomografía es la «escritura de una sección» o, dicho más clara pero igual de burdamente, la «imagen de una rodaja».

Cada una de estas técnicas hace básicamente eso: obtiene una imagen bidimensional de una «rodaja» del cuerpo humano, utilizando métodos diversos —hablaremos de cada uno en el capítulo correspondiente—. Unos utilizan fenómenos físicos cotidianos, como el sonido, mientras que otros emplean cosas tan exóticas como la desintegración beta positiva. Pero, al final, el resultado es una imagen de una sección del cuerpo.

Desde luego, es posible combinar esas secciones para obtener imágenes en tres dimensiones o incluso animaciones del funcionamiento del organismo, pero todas esas visualizaciones más avanzadas tienen su origen último en una «imagen de una rodaja», por lo que son todas tomografías.

Finalmente, gracias a todos los usuarios de la página web que habéis comentado cada artículo: vuestras correcciones de erratas, peticiones de aclaración, sugerencias, etc. han hecho que las versiones finales de los artículos sean bastante mejores de lo que eran originalmente.

1. Tomografía por Emisión de Positrones (TEP)

Para entender el fundamento básico de la TEP hace falta saber algunas cosas sobre física de partículas (pero no te preocupes, que no es nada del otro mundo), de modo que tengo que pedirte en primer lugar un poco de paciencia.

Como probablemente sabes, los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones, y son —salvo en algunos casos concretos— estables. Sin embargo, los neutrones libres (no en el núcleo de ningún átomo) son inestables: al cabo de un tiempo medio de unos 15 minutos se desintegran en un protón, un electrón y una partícula subatómica algo más rara llamada antineutrino. Esta desintegración del neutrón es un fenómeno bien conocido en física, y se denomina desintegración beta, puesto que durante muchos años se denominó a los electrones partículas beta.

Sin embargo, existe otra forma de desintegración beta análoga (aunque menos conocida) en la que no se emite un electrón sino un positrón, que es la antipartícula del electrón. Es, dicho mal y pronto, un electrón con carga positiva y algunas otras propiedades opuestas a las del electrón. Por tanto, podríamos decir que, en vez de ser una desintegración beta «negativa», es la desintegración beta «positiva». De hecho, a veces se la representa como desintegración β+.

En la desintegración beta positiva no se parte de un neutrón, sino de un protón, y se obtienen un neutrón, un positrón (en vez del electrón) y un neutrino. Es algo así como el «negativo fotográfico» de una desintegración beta «normal». Aunque no es tan frecuente como la desintegración beta del neutrón, se produce constantemente en átomos inestables, por ejemplo en isótopos radiactivos de varios elementos:

Probablemente conoces el caso de muchos isótopos que tienen «demasiados neutrones». Por ejemplo, el carbono-14 tiene dos neutrones de más (la forma estable es el carbono-12), de modo que mediante la desintegración beta emite electrones y antineutrinos para convertir los neutrones «extra» en dos protones aumentando su número atómico, convirtiéndose así en nitrógeno-14, que es estable.

Pero también existen isótopos que «no tienen suficientes neutrones» y tampoco son estables. Por ejemplo, el carbono-11. El problema del carbono-11 es que si convierte neutrones en protones tampoco es estable: ¡tiene un defecto de neutrones! La solución energética es entonces la desintegración beta positiva: convertir protones en neutrones para disminuir su número atómico. Entonces se convierte en boro-11, que sí es estable.

Posiblemente has oído hablar del primer proceso, porque el carbono-14 tiene una vida media muy larga (de casi 6000 años) y se usa mucho para datar muestras antiguas. Sin embargo, el segundo proceso no es tan conocido porque el carbono-11 tiene una vida media bastante corta: ¡solo 20 minutos! Eso quiere decir que, en la naturaleza, el carbono-11 no existe en casi ningún sitio, pues una vez que se forma desaparece en menos de media hora. También significa que, en principio, no tiene mucho sentido crear artificialmente carbono-11, pues va a desaparecer muy rápido… salvo que se desee precisamente eso: que se desintegre y emita positrones.

La clave de la cuestión es que las antipartículas, al encontrarse con sus partículas correspondientes (un antiprotón con un protón, un electrón con un positrón, etc.) se desintegran emitiendo radiación muy energética. Un positrón rodeado de átomos «normales» (con protones y electrones) no dura mucho tiempo, puesto que en cuanto se encuentra con un electrón —y en la materia normal está completamente rodeado de ellos, pues forman las capas exteriores de los átomos— se desintegra con él creando dos fotones muy energéticos. Dicho de otro modo, el electrón y el positrón se desintegran y convierten toda su masa en energía, que se emite como radiación (los dos fotones).

Pero lo interesante es que si el electrón y el positrón, cuando se desintegran mutuamente, no estaban moviéndose en ninguna dirección determinada, los dos fotones deben salir despedidos en sentidos opuestos. Si no, no se conservaría la cantidad de movimiento. Es como si tú y un amigo estáis en una pista de hielo parados, y uno de vosotros empuja al otro: saldréis los dos, necesariamente, en sentidos contrarios (no vais a formar, por ejemplo, un ángulo recto). Recuerda esto para el final del capítulo, porque es importante.

¿Tienes claro el proceso teórico? Vayamos pues al modo en el que toda esta teoría se lleva a la práctica. En primer lugar, se utiliza un pequeño acelerador de partículas (un ciclotrón) para producir isótopos inestables de diversos elementos, que tengan un defecto de neutrones. He hablado antes del carbono-11, pero también se utilizan otros de tiempos de vida similares: el nitrógeno-13 (unos 10 minutos), el oxígeno-15 (unos dos minutos) o el flúor-18 (unas dos horas).

A continuación se obtienen químicamente compuestos que utilizan estos elementos: agua, glucosa, amoníaco, etc. Claro, no son agua, glucosa o amoníaco normales: en vez de tener átomos estables tienen isótopos inestables. Al cabo de cierto tiempo se desintegrarán, y eso es precisamente lo que se pretende —que se conviertan en emisores de positrones mientras van convirtiéndose en átomos estables.

Se introduce en el torrente sanguíneo del paciente el compuesto inestable (hay que hacerlo relativamente rápido o se habrá desintegrado antes de que llegue a su destino), y se espera a que la sangre lo transporte a la zona del cuerpo que se quiere examinar. Aquí está uno de los trucos de la TEP: dependiendo de lo que se quiera ver, se utiliza un compuesto u otro. Por ejemplo, las células cancerosas de la mayor parte de los tumores consumen glucosa a un ritmo mayor del normal, por lo que para ver tumores o posibles metástasis se fabrica flúor-18 y se crea a partir de él fluorodesoxiglucosa (C₆H₁₁FO₅). Las células la absorben como si fuera glucosa normal —cuanto más consumo de glucosa, más tendrán en su interior.

Fig. 1 - Escáner TEP.

Llegamos por fin al núcleo de la cuestión: se introduce a la persona en el detector, que tiene uno o más anillos capaces de detectar el impacto de fotones muy energéticos. Cuando los átomos inestables empiezan a desintegrarse, emiten positrones dentro de las células… pero las células están hechas de materia normal, con multitud de electrones rodeando todos los átomos. El positrón creado, en un abrir y cerrar de ojos, choca con un electrón y ambas partículas se desintegran, produciendo dos fotones con muchísima energía (radiación gamma).

Pero recuerda lo que dije antes sobre los dos fotones: deben salir en sentidos opuestos; sus trayectorias forman más o menos 180°. Por cierto, esto significa que si has sido objeto de una tomografía de este tipo has tenido antimateria en el interior de tu cuerpo, en forma de positrones, aunque sea durante unos milisegundos. Curioso, ¿verdad?

De modo que el anillo que rodea al paciente detecta dos fotones prácticamente a la vez (la luz recorre esa distancia en tiempos pequeñísimos), y uniendo ambos impactos con una línea imaginaria tenemos las posibles localizaciones del positrón responsable. Como los átomos están desintegrándose todo el tiempo, los anillos recogen pares de fotones continuamente, y cruzando las líneas imaginarias que unen cada par de fotones pueden calcular no ya una línea, sino un punto: cada par de líneas que se cruce (o casi se cruce) identifica células emisoras de positrones, es decir, células «marcadas» con la sustancia inestable. Aquí tienes un diagrama que debería aclarar lo que intento decir (muestra la detección de un par de fotones):

Fig. 2 - Esquema del funcionamiento de una TEP.

Así, procesando toda la información que reciben los anillos que rodean a la persona mediante un ordenador, pueden localizarse muchos de los átomos inestables originales según se van desintegrando. Cuantos más positrones hayan sido emitidos en un lugar determinado (es decir, cuantos más pares de fotones hayan definido líneas rectas que se corten en ese lugar) más cantidad de sustancia marcadora ha sido absorbida por esas células. Al final se representa la intensidad de emisión de positrones en cada punto con una gradación de colores, como en este ejemplo de una TEP del cerebro:

Fig. 3 - TEP de un cerebro humano.

La emisión de positrones es mínima en el color azul y máxima en el color rojo. Puedes ver que el objeto de una TEP no es tanto «ver» el interior del cuerpo —para eso suele usarse alguna de las otras tomografías—, sino para detectar qué zonas del cuerpo absorben determinados compuestos.

Por ejemplo, he mencionado antes que las células cancerosas consumen glucosa, normalmente, a mayor velocidad que las normales, de modo que se utilizan estas tomografías para pacientes con la enfermedad de Hodgkin, otros linfomas, cánceres de pulmón, etc. De hecho, el 90% de las TEP tienen que ver con la oncología. Pero no es el único asunto en el que son útiles: puesto que las células activas consumen más glucosa que las que no lo están tanto (o están muertas), se utiliza también para ayudar en el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer: el consumo de glucosa permite realizar un mapa del consumo de sangre en el cerebro.

Incluso se utiliza en farmacología: se «marca» un nuevo medicamento con algún átomo inestable, y se inyecta en animales. Al cabo del tiempo es posible realizar una TEP del animal y saber qué órganos y tejidos han absorbido el medicamento y cuáles no, y con qué velocidad se elimina de los tejidos. Sí, no es demasiado saludable para el animal (especialmente por razones que veremos en un momento), pero el sistema «tradicional» era inyectar el medicamento, esperar, y luego diseccionar al animal para ver directamente lo que había pasado.

Actualmente suele utilizarse este tipo de tomografías combinándolas con TAC, para obtener tanto una imagen de la zona del cuerpo en cuestión como un «mapa» de consumo de glucosa u otra sustancia «marcada» mediante la TEP. La TEP no tiene tanta resolución como la TAC, pero tiene la ventaja de detectar tejidos y órganos con un comportamiento concreto.

Todo esto es muy útil, pero tiene varios problemas —unos más serios que otros—. En primer lugar, fabricar isótopos radiactivos es caro, y como has visto la vida media de estos en particular es muy pequeña: ¡hay que usarlos antes de un par de horas como mucho, y algunos antes de minutos! Por eso hace falta que el ciclotrón que los produce esté, o bien en el propio hospital, o relativamente cerca. El precio no es desdeñable: ronda los 2500$, de modo que en algunos lugares la sanidad pública no los financia.

El segundo problema es algo en lo que seguro que has pensado ya: esto de tener antimateria en el cuerpo que emite fotones de radiación gamma dentro de ti no es demasiado saludable si sucede a menudo. Una TEP supone una dosis de radiación ionizante de unos 7 milisieverts (mSv). Para que te hagas una idea, una persona normal recibe una dosis anual de entre 2 y 3 mSv por la radiación de fondo en el entorno. Esa es la razón (además del precio, para qué vamos a engañarnos) por la que solo deben realizarse cuando son estrictamente necesarias —no hay por qué preocuparse por recibir 7 mSv, la cuestión es que si te hicieran TEPs todos los días, al final tendrías muchas papeletas para desarrollar algún tipo de cáncer.

2. Tomografía Axial Computarizada (TAC)

Dicho mal y pronto, una TAC es la imagen de un corte de un objeto (como por ejemplo tu cuerpo), es decir, una tomografía, construida por un ordenador (computarizada, aunque la palabra te suene rara) a partir de una serie de imágenes de rayos X de esa sección del objeto tomadas por un emisor y un detector de rayos X que giran alrededor del objeto sobre un eje (axial). El resultado lo puedes ver en la Figura 4 (¡no te pierdas las orejas!).

Fig. 4 - TAC de una cabeza humana.

Un aparato de TAC (que seguro que has visto alguna vez en un hospital, en la realidad o en la TV o el cine) consta básicamente de un anillo (como un dónut) en el que se introduce al paciente, un emisor y un receptor de rayos X tras las paredes del anillo que pueden girar alrededor de él, y un ordenador que analiza los datos obtenidos por el detector. No hay que confundirlo con los escáneres por Resonancia Magnética, que son los que tienen forma de largo tubo y a veces causan problemas a los claustrofóbicos. Eso no es un problema en una TAC (suele decirse un TAC en vez de una, pero bueno):

Fig. 5 - Escáner TAC de 64 capas «Brilliance», de Philips.

Para emitir los rayos X se utiliza un pequeño acelerador de partículas: se aceleran electrones y se hacen impactar contra un objetivo de metal. Cuando los electrones chocan contra el metal y frenan bruscamente, la energía cinética que tenían se emite en forma de radiación electromagnética (fotones).

Puesto que los electrones se movían muy rápido, esos fotones tienen una energía, y por lo tanto una frecuencia, muy grandes, y una longitud de onda muy corta (de unos 10⁻¹⁰ metros): son rayos X. Dependiendo de la velocidad que tuvieran los electrones y el metal utilizado (unos, como el tungsteno, los frenan más rápido que otros como el molibdeno) se puede regular la frecuencia de la radiación.

A la salida del cañón de rayos X, que emite un cono de radiación, se coloca una pantalla de plomo (el plomo es un excelente apantallador de rayos X) con una rendija muy fina. Lo que la atraviesa es, por tanto, una especie de «rodaja» del cono, con forma de abanico fino. Evidentemente, cuanto más fina sea la rendija, mayor será la precisión del proceso.

Esa «rodaja» de rayos X atraviesa el objeto en cuestión, por ejemplo tu cuerpo. Dependiendo de dónde esté el cañón de rayos X, lo hará en una dirección u otra. Supongamos que el cañón está justo sobre el anillo del TAC y apuntando hacia abajo (por supuesto, si tú estás dentro no lo ves, porque tú estás dentro del anillo y el cañón justo al otro lado de la pared del anillo). Entonces, los rayos X viajan de arriba hacia abajo, atravesando tu cabeza y saliendo por debajo, pasando por una sección fina de tu cráneo.

Naturalmente, no todos los fotones atraviesan tu cuerpo y llegan al otro lado del anillo: algunos son absorbidos. Los que atraviesan material más denso son absorbidos más frecuentemente, mientras que los que pasan por zonas blandas son candidatos más probables a llegar al otro extremo. Evidentemente, esto significa que estás absorbiendo radiación ionizante, lo cual tiene sus problemas, pero de esto hablaremos luego.

Al otro lado del cañón (en el ejemplo, justo debajo de tu cabeza) se encuentra un detector de rayos X: hay muchas sustancias que pueden servir para este propósito, puesto que la radiación ionizante es bastante fácil de detectar. A lo largo de la historia se han utilizado placas fotográficas, fósforos fotoestimulables, pantallas de tierras raras… Cualquiera que sea el sistema concreto empleado, el detector registra una línea de fotones de rayos X, justo la proyección del corte de tu cuerpo sobre él. Unos puntos de la línea serán más brillantes que otros, dependiendo de dónde había hueso, cartílago, aire, agua… cuando el haz atravesó tu cuerpo.

Fig. 6 - Entrañas del anillo de un TAC. T: tubo de rayos X. D: detector. X: haz de rayos X. R: sentido de rotación. Crédito: Wikipedia/GPL.

A continuación, el cañón y el detector, que están montados sobre un soporte giratorio, rotan un pequeño ángulo. Supongamos que en el ejemplo giran 1°, de modo que los rayos X no llegan a tu cabeza justo desde arriba, pero casi. El detector registra los fotones de rayos X que le llegan, y el anillo que contiene el cañón y el detector gira de nuevo. Cuando han completado 360°, se habrán obtenido las proyecciones del corte en todas las posibles direcciones de esa sección.

Todos estos datos son pasados a un ordenador, que no hace más que revertir el proceso físico (la proyección del corte sobre distintas direcciones del espacio) para reconstruir la sección completa. El resultado es una imagen bidimensional de esa sección del objeto. A continuación puede moverse el anillo una pequeña distancia a lo largo del eje del anillo (por ejemplo, 1 cm hacia tus pies) y volver a realizar toda la vuelta de imágenes para obtener otro corte de tu cuerpo un poco más abajo.

Esta imagen probablemente te ayude a entenderlo mucho mejor que mi descripción:

Fig. 7 - Diagrama del proceso de obtención de imágenes en un TAC.

El primer aparato de TAC listo para ser usado de forma comercial fue desarrollado por Sir Godfrey Newbold Hounsfield (que por entonces no era Sir) e independientemente por Allan McLeod Cormack. Ambos compartieron el Premio Nobel de Medicina en 1979. Eso sí, aquellos TACs no eran como los de ahora: el prototipo original de Hounsfield de 1971 tomaba 180 imágenes (separadas 1°) para cada sección, y luego repetía el proceso para realizar otro corte, otro, etc., así hasta 160 veces. El proceso duraba unos cinco minutos.

A continuación se procesaban las imágenes en un ordenador «pata negra» que tardaba dos horas y media en obtener las secciones correspondientes. Por si te interesa lo retro, el primer escáner TAC comercial de EMI utilizaba una Data General Nova 4.

Por supuesto, hoy en día las cosas son distintas, tanto en el aspecto físico como en el de proceso de la información. Por ejemplo, para que el proceso sea más rápido, muchos escáneres de TAC actuales no tienen un anillo emisor-detector, sino varios. En los años 90 empezaron a construirse con dos anillos, luego cuatro, ocho… hasta los de 64 anillos de ahora mismo (el TAC de Philips de la foto de más arriba, por ejemplo). En 2007, Philips y Toshiba anunciaron versiones de 256 y más de 300 anillos, aunque no sé si ya están comercializados o no. Además, la rotación de cada anillo ha ido aumentando de velocidad. Hoy en día un anillo da la vuelta completa en unos 3 segundos.

Naturalmente, la velocidad de proceso de los ordenadores se ha disparado desde 1971. Hoy en día se procesan los datos en unos minutos, a pesar de que la cantidad de información es ingente comparada con la de aquellos años. De hecho, la capacidad de proceso de hoy en día permite hacer cosas que por aquel entonces eran absolutamente imposibles.

Por ejemplo, pueden tomarse las imágenes de muchas capas separadas una distancia muy pequeña y combinarlas para crear una imagen tridimensional del objeto:

Fig. 8 - TAC en 3D. Crédito: Wikipedia/GPL.

Muchas veces quiere observarse algo muy concreto dentro del cuerpo (como los vasos sanguíneos de una zona determinada). Entonces se suele administrar, vía intravenosa, un agente de contraste, es decir, una sustancia que absorbe muy bien los rayos X, de modo que es muy opaca a esta radiación.

Los usos de una TAC son, como puedes imaginar, muy variados: permite ver con una precisión bastante buena el interior del cuerpo en dos y tres dimensiones, de modo que se usa en el diagnóstico de muchas dolencias, entre ellas (aunque hay muchas más):

Las TAC de la cabeza se utilizan, por ejemplo, para identificar hemorragias cerebrales y tumores (aunque para esto se utiliza más, como veremos al finalizar la «trilogía», la RM).

En los pulmones, se emplean para identificar enfisemas, fibrosis y tumores.

En el abdomen, sirve para identificar cálculos renales, apendicitis, pancreatitis, etc.

En los miembros se utiliza para obtener imágenes detalladas de fracturas complejas, sobre todo en articulaciones.

Sin embargo, a pesar de todo esto no se suelen realizar TACs alegremente, debido a una razón en la que probablemente has pensado ya mientras leías: los rayos X son, como hemos dicho, radiación ionizante, lo cual hace más probable el desarrollo de tumores.

Cuando hablamos sobre la TEP dijimos que una típica te somete a unos 7 milisieverts (mSv), el equivalente a dos o tres años de radiación natural de fondo, y algo parecido pasa en este caso. Una TAC es el equivalente de hacerte muchas radiografías, de modo que la dosis recibida puede llegar a ser bastante alta: desde unos 1,5 mSv para un TAC craneal hasta 13 mSv para un TAC del corazón con gran resolución.

Esto no quiere decir que si te haces una TAC vayas a desarrollar un cáncer, pero sí que es conveniente hacerse los menos posibles a lo largo de la vida, sobre todo de niño (los TACs pediátricos son los menos frecuentes). Y ahí está la clave de la cuestión: todo esto son probabilidades. Cuanta menos radiación, mejor, pero hay veces en las que el riesgo de no hacerse una TAC es mayor que el riesgo de hacérsela, porque ayuda a diagnosticar algo muy grave. En general, si tu médico te manda a hacerte una, es porque es realmente necesario. Pregunta a tu médico si estás preocupado.

3. Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Es posible que hayas oído hablar simplemente de Resonancia Magnética, sin el «Nuclear» al final. La razón es, como tantas otras veces, de imagen. Al parecer, al principio (esta técnica se desarrolló en los 70) los médicos la llamaban por su nombre completo, pero mucha gente se ponía nerviosa al oír eso de «nuclear», asociándolo con radiaciones peligrosas. No hizo falta más que retirar esa palabra del nombre y los pacientes la aceptaban mucho más tranquilos. Algo irónico, dado que, como veremos, apenas existen peligros en la Resonancia Magnética Nuclear, por mal que suene, mientras que, como vimos en el capítulo anterior, una TAC te somete a una dosis de radiación ionizante que no es desdeñable, pero tiene un nombre mucho menos amenazador.

En cualquier caso, la RMN aprovecha las propiedades de los núcleos atómicos al someterlos a un intenso campo magnético y luego bañarlos en ondas de radio. Para hacer esto, un aparato de RMN utiliza tres dispositivos diferentes: un imán potente y fijo, imanes secundarios variables y bobinas emisoras/receptoras de ondas de radio.

El primer elemento es el imán fijo (de ahí el nombre de Magnética, por supuesto). Se han utilizado distintos tipos de imanes para este propósito. Algunos de ellos son simplemente bloques de material ferromagnético fuertemente imantados (fundamentalmente de acero), aunque con estos no se logran campos magnéticos demasiado intensos y son muy pesados. Otros son (o mejor dicho, eran, porque que yo sepa ya no se utilizan) solenoides de cobre, es decir, electroimanes convencionales: como en el caso de los materiales ferromagnéticos, es difícil lograr campos muy intensos, pues el consumo eléctrico se dispara y el calentamiento por efecto Joule es tremendo, además de tener poca estabilidad.

La mayor parte de los imanes de los aparatos de IRMN actuales están hechos de una aleación superconductora de niobio-titanio, que se enfría hasta tan solo 4 K (-269 °C) con helio líquido, ¡tan solo cuatro grados sobre el cero absoluto! De este modo es posible lograr campos magnéticos intensísimos con una gran estabilidad: hasta 3 Teslas (unas 100 000 veces más intenso que el campo magnético de la Tierra).

Fig. 9 - Esquema de un escáner de RMN. Crédito: Wikipedia/GPL.

Este imán es la razón de varias de las precauciones necesarias para lidiar con estos aparatos. Por un lado, salvo en el caso de los solenoides de cobre (que, como digo, ya no se usan), no se puede simplemente apagar y encender alegremente el imán: los ferromagnéticos son permanentes, y los superconductores requieren calentarse por encima de una temperatura crítica para perder la imantación, lo cual cuesta tiempo y dinero (pero mucho, mucho dinero). De modo que, de una forma u otra, cuando estás cerca de una de estas máquinas estás en el seno del campo magnético más intenso que hayas experimentado jamás.

Las buenas noticias son que un campo magnético estático de esa intensidad no tiene efectos apreciables sobre nuestro organismo. Las malas noticias son que cualquier material ferromagnético sí se ve afectado, ¡y cómo! Cualquier cosa de cierto peso, como un extintor o una silla, puede representar un verdadero peligro físico si está cerca de un aparato de RMN.

Esto hace que se extremen las medidas de seguridad antes de acercarse a una de ellas: cualquier objeto metálico podría salir disparado hacia el centro del imán como el extintor y herir a la persona que estuviera dentro. Esto no quiere decir que siempre se sigan las normas de seguridad, lo cual produce a veces contratiempos incómodos o incluso accidentes graves.

Aunque los hospitales tienen el helio líquido «fresquito» y bien contenido en el criostato, no han faltado los accidentes al transportar alguno de estos aparatos. Claro, si el helio empieza a calentarse y se evapora, aumenta de volumen muy rápido y muy violentamente, de modo que tampoco puede tirarse el aparato en el vertedero sin más. Hace falta vaciarlo de helio líquido en condiciones controladas antes.

El segundo peligro de estar cerca de un imán tan potente está relacionado con los diferentes implantes y dispositivos con piezas metálicas que pueden encontrarse en el interior del cuerpo. Las personas con implantes cocleares, neuroestimuladores, bombas de insulina, etc., no pueden someterse a esta técnica. La mayor parte de los implantes tienen información sobre su comportamiento ante una RMN, para saber si se puede someter a su portador a una o no. Los marcapasos también suponen que no se pueda acceder a esta técnica, aunque no tanto por el campo fijo sino por otra razón de la que hablaremos un poco más abajo.

En cualquier caso, si tienes algún tipo de implante no te agobies: tu médico se asegurará muy mucho de que es compatible con este tipo de examen antes de meterte «en el tubo». Como he dicho más de una vez en este libro leer sobre estas cosas por sana curiosidad es fantástico. Tratar de suplantar a tu médico como fuente de información si te vas a someter a una RMN no lo es: pregunta a tu doctor, que para eso está. No te quedes solo en este librito.

Fig. 10 - RMN de un cerebro humano. Crédito: Wikipedia/GPL.

Finalmente, las personas con cuerpos extraños de materiales ferromagnéticos en el cuerpo también pueden tener problemas, especialmente si se trata del ojo o el cerebro (y sí, hay personas que han sufrido algún tipo de accidente que las ha dejado en esa situación). De modo que, salvo que te encuentres en alguno de estos bretes (objetos de metal cerca de la máquina, implantes que se vean afectados o cuerpos metálicos extraños) el tremendo campo magnético no supone ningún problema.

Pero ¿para qué producir este intenso campo magnético? La razón se encuentra en el núcleo de los átomos de tu cuerpo (de ahí el nombre de Nuclear): como probablemente sabes, el núcleo de los átomos de hidrógeno está formado únicamente por un protón —salvo que se trate de algún isótopo con neutrones, naturalmente—. Este protón tiene un momento magnético, pues es una carga que gira sobre sí misma (es decir, tiene espín).

Dicho mal y pronto, el protón es como una peonza cargada girando sobre sí misma a gran velocidad, que se comporta como un minúsculo imán. Algunos otros núcleos atómicos, como el del carbono (que tiene seis protones) no tienen momento magnético, porque al tener un número par de protones, la mitad están «girando en un sentido» y la otra mitad en el contrario. Lo peculiar del hidrógeno además de tener un número impar de protones es que, al no tener neutrones, la relación entre su momento magnético y su masa es grande.

Bien, cuando las cosas están en calma, los protones de los átomos de hidrógeno de tu cuerpo están girando cada uno en una dirección, sin orden ni concierto. Incluso cuando acercas un imán corriente a tu cuerpo, los átomos de hidrógeno prácticamente ni lo notan. Sin embargo, cuando el campo magnético es extraordinariamente intenso —como en el caso del «súper-imán» de un aparato de RMN— un número razonable de los «mini-imanes» de los núcleos de hidrógeno se orientan según el campo. Incluso para valores tan grandes del campo magnético como 2 y 3 Teslas, la mayor parte de los protones siguen girando en direcciones aleatorias: alrededor de uno de cada millón de protones se orienta en la dirección del campo.

Podrías pensar que uno de cada millón de átomos no es suficiente para que se note, pero realicemos una aproximación burda: si estuvieras hecho íntegramente de agua y pesaras 80 kilos, en tu cuerpo habría unos 5·10²⁷ (5 000 000 000 000 000 000 000 000 000, que causa más impresión) átomos de hidrógeno. Uno de cada millón significaría aún 5 000 000 000 000 000 000 000 átomos orientados correctamente. Tela marinera.

Aunque hasta ahora las cosas estén claras, un ejemplo puede ayudarte a entender lo que viene ahora, que es algo más complicado. Si los protones son algo así como peonzas en ausencia de gravedad, que pueden girar en cualquier dirección, el campo magnético es como la atracción terrestre: cuando haces girar una peonza en el suelo con gravedad, gira de modo que su eje de giro es más o menos vertical. Es decir, el intenso campo magnético establece una dirección especial (como la vertical en el caso de la gravedad).

Pero, al igual que una peonza de este tipo, los momentos magnéticos no están perfectamente alineados con el campo: giran alrededor de él una y otra vez, igual que el eje de una peonza se bandea alrededor de la vertical cuando la haces girar. Este movimiento (que también realiza la Tierra, por cierto) se denomina precesión. La velocidad de la precesión depende de varias cosas, entre ellas, como es lógico, de la intensidad del campo magnético. Esto es esencial para entender el resto de la explicación, por cierto: cuanto mayor es el campo magnético, más rápida es la precesión de los momentos magnéticos alrededor de él.

Por si esto también te ayuda a entender el resto, querido y paciente lector, otro ejemplo que continuaremos después: el campo magnético principal es como la tensión en la cuerda de una guitarra. La cuerda de la guitarra puede oscilar alrededor de su posición de equilibrio, y cuanto más tensa está, más rápido oscila cuando la tocas.

De manera que cuando estás dentro del largo y agobiante tubo de un aparato de RMN, lo primero que debe suceder es exactamente eso (aunque tú casi no notas nada): algunos protones de los núcleos atómicos de tu organismo se orientan hacia el campo (más de ellos cuanto más intenso), y sus momentos magnéticos empiezan a precesionar alrededor del campo (más deprisa cuanto más intenso es). Cada elemento químico lo hará de una manera: los que tengan un número par de protones ni se enteran, el hidrógeno es el que más lo nota y más deprisa precesiona, y otros (como, por ejemplo, el fósforo) lo hacen con menos entusiasmo que él. La frecuencia de giro de esta precesión se denomina frecuencia de Larmor.

Fig. 11 - Aparato de IRMN de 3 Teslas. Crédito: Wikipedia/GPL.

El siguiente paso involucra los imanes variables, que se denominan bobinas gradientes. Estas son tres, y consisten en bobinas de cobre (electroimanes) que crean un campo magnético secundario en cada una de las tres direcciones del espacio. Aparte de ser mucho más pequeños que el campo magnético constante principal, estos campos tienen dos propiedades esenciales: en primer lugar, como su nombre indica, son gradientes, es decir, van de un valor mínimo (por ejemplo, abajo) hasta otro máximo (por ejemplo, arriba). Esto hace que, por ejemplo, el campo secundario aumente desde tu espalda hasta tu pecho. En segundo lugar, al ser electroimanes normales, puede modificar su intensidad (y encenderse o apagarse) muy deprisa.

Piensa en lo que esto significa: al sumar el campo principal al secundario, el campo magnético en cada punto de tu cuerpo ya no es idéntico. Es posible que en tu espalda, por ejemplo, sea de 1,45 Teslas, y que vaya aumentando mT a mT hasta que, en tu pecho, sea de 1,55 Teslas. Naturalmente, esto podría hacerse en otras direcciones, como de izquierda a derecha, de la cabeza hacia los pies… Y, naturalmente, cuanto mayor es el campo magnético más rápido precesionan los protones.

Esto significa que, en el ejemplo anterior, la frecuencia de Larmor de los protones de tu espalda es menor que la de los del pecho, y que en definitiva tu cuerpo estaría «cortado en rodajas» de un grosor muy pequeño, de protones girando con una frecuencia, justo encima otra «rodaja» de protones girando un poquito más rápido, etc. Pero ¿cómo distinguir unas «rodajas» de otras?

Aquí entra en acción la parte final del aparato: las bobinas de radiofrecuencia. Imagina que queremos obtener la imagen de una capa de tu cuerpo que está en un plano determinado del túnel del aparato. Basta con calcular la frecuencia de Larmor de los protones en esa capa, y emitir una onda de radio justo con esa frecuencia: automáticamente, los átomos de esa capa empiezan a absorber energía de la onda electromagnética muy eficazmente, mientras que los de capas adyacentes ni se enteran.

La razón de esto es el fenómeno denominado resonancia, que da la primera parte del nombre de esta técnica médica. Cuando se proporciona energía a un sistema físico con su frecuencia de resonancia, el sistema absorbe energía muy rápidamente, mientras que con otras frecuencias lo hace muy despacio o ni siquiera lo hace. Por ejemplo, cuando empujas un columpio debes hacerlo con un ritmo fijo (que depende de la longitud del brazo del columpio) o no podrás lograr que llegue muy lejos.

Por cierto, estas ondas de radio son de una intensidad bastante grande: de hecho, si fueran mayores aún podrían llegar a producir quemaduras. Incluso con la intensidad que tienen, son capaces de interferir con el funcionamiento de los marcapasos —esa es la razón principal de que sea muy peligroso estar cerca de un aparato de RMN funcionando si utilizas uno.

De modo que al bañar tu cuerpo con ondas de radio de la frecuencia deseada, solo una de las «rodajas» es capaz de absorber la energía. Los protones de esa capa van cambiando la dirección de su precesión, poco a poco dirigiéndose a la perpendicular del campo magnético principal (como una peonza que se va inclinando más y más mientras gira igual o más rápido que cuando estaba vertical). Ya tenemos, por lo tanto, «seleccionada» una de las capas de tu cuerpo, en cualquier plano que se desee, pues los tres sistemas de bobinas gradientes permiten elegir libremente.

Fig. 12 - RMN de una cabeza (plano sagital). Crédito: NASA.

Si se apaga el emisor de radioondas, las minúsculas «peonzas» emiten la energía recibida de nuevo (con la misma frecuencia, por supuesto) y vuelven a su posición inicial, alineadas precesionando alrededor del campo principal. Una segunda bobina (o la primera, dependiendo del aparato) es capaz de detectar esta emisión de ondas de radio y así aislar la «rodaja» en cuestión. Para evitar que la máquina detecte ondas de radio del exterior, debe estar instalada en el interior de una jaula de Faraday.

Aunque el proceso es bastante complicado y requiere el análisis de Fourier de las ondas recibidas, creo que puede entenderse el mecanismo básico por el que se forma la imagen de la rodaja: los dos planos perpendiculares a la rodaja son controlados por los campos gradientes, que son capaces de «cortar» seleccionando frecuencias de Larmor e ir seleccionando cada fila y columna, de modo que las bobinas receptoras son capaces de identificar de dónde proviene cada pulso de energía radiante.

Soy consciente de que es una explicación pobre de algo complejo, pero aquí tienes una versión más simple, aunque sea menos detallada: se dispone de un campo principal que alinea protones, y de tres secundarios que varían linealmente con la distancia (uno para cada dirección del espacio). Modificando los campos secundarios puede identificarse una porción muy pequeña del cuerpo con una frecuencia determinada, que es emitida por una bobina como ondas de radio, absorbidas y luego desprendidas de nuevo por los protones de ese lugar con la misma frecuencia.

Dicho en términos de peonzas, es como si tu cuerpo estuviera repleto de minúsculas peonzas. El campo principal alinea muchas de ellas en su dirección, y el secundario hace que unas precesionen más deprisa que otras. La velocidad exacta de precesión depende de cada punto del cuerpo; finalmente, el pulso de radioondas es como un empujón que das a las peonzas: solo las de la frecuencia adecuada lo reciben y se tumban durante un tiempo muy corto antes de volver a su posición inicial.

Dicho en términos de cuerdas, cada punto de tu cuerpo tiene una cuerda. El campo principal tensa todas ellas, el secundario tensa un poquito más unas que otras, de modo que puedes saber exactamente con qué nota va a sonar la cuerda que quieres examinar. Cuando emites sonido sobre ellas justo con la frecuencia de la nota deseada, solo la cuerda que te interesa se pone a vibrar. Cuando dejas de emitir el sonido sobre ella, durante un instante sigue sonando la cuerda con esa nota musical y, finalmente, se apaga ese sonido.

Ah, pero no todas las peonzas de tu cuerpo tardan lo mismo en volver a su posición inicial; no todas las mini-cuerdas de guitarra dejan de sonar igual de rápido. La razón es que el número de protones en los diferentes tejidos de tu cuerpo no es el mismo: unas partes son más densas que otras, y unas moléculas (como el agua) tienen un número de protones diferentes del de otras (como una proteína). Estos tiempos son similares (del orden de magnitud de un segundo), pero no idénticos. Si «coloreas» de un color determinado los puntos en los que un porcentaje fijo de núcleos atómicos vuelven a su posición inicial en menos de cierto tiempo, de un color diferente los que tardan un poco más, etc. (por ejemplo, de negro a blanco según aumenta el tiempo), tienes un mapa de tejidos del cuerpo en la «rodaja» que has elegido.

Fig. 13 - Resonancias de una rodilla humana, en varios planos.

A veces, para aumentar la precisión, se inocula un agente de contraste en la zona a examinar que tenga un tiempo de relajación claramente diferente de los tejidos del cuerpo, por ejemplo un compuesto que contenga gadolinio —que, lo creas o no, es un elemento químico—. De ese modo es aún más exagerada la diferencia con los tejidos circundantes.

Cuando se realiza una RMN, los electroimanes secundarios se encienden y se apagan muchas veces. Naturalmente, al ser imanes dentro de un campo magnético muy intenso, sufren fuerzas magnéticas variables durante el examen, lo cual hace que se «bamboleen» dentro de la máquina una y otra y otra vez. Esto produce un ruido que puede llegar a tener 130 dB (lo cual es realmente tremendo) y puede ser muy molesto; de hecho, requiere algún tipo de protección para los oídos, porque una RMN puede llegar a durar una hora y media. Pero normalmente el ruido no llega a esos extremos, y no supone una molestia muy grande.

En la duración del proceso, además del reducido tamaño del túnel en el que te introducen, está otro problema de esta técnica: tienes que estar tumbado en un sitio agobiante, muy quieto (¡porque si no los protones se salen del sitio que les corresponde según su frecuencia de Larmor!), con un ruido infernal… mucha gente no lo puede soportar, sobre todo si sufre de claustrofobia, son ancianos o niños, etc. En algunos casos puede sedarse al paciente para que se tranquilice, o incluso anestesiarlo.

Los cambios rápidos en el campo magnético secundario pueden producir además modificaciones en el campo eléctrico de los nervios, sobre todo en las extremidades, lo cual genera un pequeño estímulo nervioso «artificial». Si la variación es rápida, el paciente puede sentir pequeños movimientos involuntarios mientras se somete a la exploración. Como digo, nunca he pasado por esto, pero me imagino que debe de ser una sensación realmente extraña.

Sin embargo, como puedes comprender, los peligros para la salud de una RMN son mínimos comparados con los otros dos tipos de tomografía de los que hemos hablado: tanto la TEP como la TAC suponen estar sometido a radiaciones ionizantes, pero ¿qué recibes en una RMN? Un campo magnético y ondas de radio. Salvo que tengas algún objeto ferromagnético o implantes, no hay comparación en cuanto a los riesgos. Por otro lado, cada una tiene una utilidad diferente: la RMN es especialmente eficaz para diferenciar tejidos blandos no calcificados.

Una ventaja de la RMN es que modificando continuamente los imanes secundarios pueden obtenerse imágenes consecutivas (naturalmente, no con una enorme resolución) de una «rodaja» determinada, de modo que lo que se tiene entonces es una especie de película en la que los tejidos blandos y los fluidos corporales se distinguen con gran claridad.

Un aparato moderno de RMN es muy caro: cuestan del orden de un par o tres de millones de euros, lo cual no es desdeñable. Sin embargo, es un sistema realmente ingenioso —sus inventores, Paul Laterbur y Sir Peter Mansfield recibieron el Premio Nobel de Medicina en 2003 por su desarrollo—. ¿Quién hubiera pensado que dar golpecitos a peonzas nos llevase tan lejos?

4. Tomografía por ultrasonidos (ecografía)

Creo que, de las cuatro, esta tomografía es la más conocida y es relativamente fácil de entender sin necesidad de recurrir a conceptos muy complejos (el único algo escabroso es el efecto Doppler), de modo que vamos con ello sin más dilación. ¿En qué consiste una ecografía?

Dicho mal y pronto, una ecografía no es más que la emisión de ultrasonidos que penetran en el cuerpo, rebotan y vuelven a salir: midiendo el tiempo que tardan en hacerlo es posible saber dónde han rebotado y utilizar esa información para formar una imagen del interior del cuerpo. De ahí el nombre, pues es una imagen formada a partir del eco. Un equipo de ecografía médica emite ultrasonidos, los recoge y los interpreta mediante un ordenador.

Fig. 14 - Equipo de ecografía médica. Crédito: Wikipedia/GPL.

Por lo tanto, el primer paso en la realización de una ecografía es la producción de ultrasonidos. El oído humano es capaz de percibir frecuencias sonoras de entre 20 y 20 000 Hz (aunque la mayor parte de nosotros, especialmente según nos hacemos mayores, no llegamos a percibir sonidos tan agudos). Sin embargo, los sonidos que podemos percibir no sirven para el propósito de una ecografía: la razón está en el tamaño de las ondas.

Las ondas sonoras que podemos percibir tienen una longitud de onda de entre 17 metros (para los sonidos más graves) y 2 cm (para los más agudos), de modo que no es posible tener una resolución mayor de unos 2 cm utilizando sonidos audibles. Los murciélagos, por ejemplo, emiten ultrasonidos de mucha mayor frecuencia para alcanzar una resolución mayor: algunos llegan hasta los 100 000 Hz, lo cual se traduce en una longitud de onda de unos 3 milímetros. Pero ni siquiera esta precisión es suficiente para una ecografía de una resolución razonable.

En primer lugar, 3 mm sigue siendo una distancia demasiado grande para obtener imágenes decentes, pero además hay que tener en cuenta que las longitudes de onda que he mencionado están calculadas en el aire, donde la velocidad del sonido es de unos 340 m/s. En el interior de nuestro cuerpo, el sonido se mueve a unos 1500 m/s, con lo que la longitud de onda es unas 4 veces mayor que en el aire, y los 3 mm de 100 000 Hz se convierten en 12 mm.

De modo que los aparatos de ecografía utilizan frecuencias muchísimo mayores: de entre 2 y 15 MHz (¡2 y 15 millones de Hz!). Esto se traduce en ondas ultrasónicas de longitud de onda entre 0,1 y 0,8 mm, lo cual permite una resolución bastante buena. El problema es que cuanto mayor es la frecuencia (y por tanto la resolución) menos capacidad de penetración tienen las ondas en el cuerpo, de modo que cuanto más profundamente se quiera observar, menor debe ser la resolución.

Por eso se intenta que la sonda esté lo más cerca posible de la zona a estudiar: en la televisión suelen verse sondas que se deslizan sobre la piel, pero existen otras que se acercan mucho más al órgano que se quiere observar. Por ejemplo, una ecografía de próstata suele realizarse introduciendo la sonda en el ano (¿quién dijo que sería divertido hacerse viejo?), mientras que algunas ecografías abdominales en mujeres se hacen con una sonda en el interior de la vagina.

En el interior de cualquiera de estas sondas hay un transductor capaz de convertir la energía eléctrica en una onda de ultrasonido:

Fig. 15 - Transductor. Crédito: Daniel W. Rickey. Publicado bajo CC 2.5 Attribution-Sharealike License.

Afortunadamente, producir ultrasonidos de frecuencias muy altas es relativamente fácil. Al fin y al cabo, no hace falta más que hacer vibrar algo a gran velocidad. En este caso hace falta que vibre hasta quince millones de veces cada segundo, pero para lograrlo se utiliza una propiedad muy interesante de ciertos cristales y materiales cerámicos: la piezoelectricidad.

Aunque no voy a entrar aquí en detalle sobre este fenómeno, los materiales piezoeléctricos, al ser comprimidos (o estirados), modifican la posición de las cargas eléctricas en su interior, produciendo una diferencia de potencial entre sus extremos (es decir, un voltaje eléctrico). Pero, lo que es más importante en este caso, también son capaces de hacer lo contrario: cuando se aplica una diferencia de potencial eléctrico a los extremos de un material piezoeléctrico, este se comprime (o estira). De modo que el transductor de una ecografía contiene un material piezoeléctrico (normalmente cerámico) al que se aplica una diferencia de potencial alterna de muy alta frecuencia.

El material cerámico empieza a comprimirse y relajarse millones de veces por segundo como respuesta al voltaje alterno, es decir, se pone a vibrar millones de veces cada segundo: ya tenemos una onda ultrasónica de altísima frecuencia. Desde luego, absolutamente inaudible para cualquier ser vivo. Esta onda de ultrasonido es enfocada, o bien por la propia forma de la cabeza de la sonda, o bien por una «lente» sonora de material con el índice de refracción adecuado respecto al sonido, de modo que sale de la sonda como un haz más o menos plano.

Aquí se encuentra la razón de otra de las cosas que seguro has notado si has visto realizar una ecografía: no se aplica la sonda directamente contra la piel, sino que antes se aplica un gel sobre esta, y la sonda se desliza sobre el gel. El propósito del gel no es solo permitir que la sonda se deslice suavemente sobre la piel, sino evitar que una parte considerable de la onda se refleje en ella y no llegue siquiera a entrar en el cuerpo.

La cuestión está en que las ondas, cuando se encuentran con un cambio de medio (es decir, la velocidad con la que se mueven cambia bruscamente), pueden entrar en el segundo medio o bien reflejarse. Nunca hacen una cosa o la otra de manera absoluta: parte de la onda se refleja y parte de la onda penetra en el segundo medio (y suele cambiar de dirección, es decir, se refracta). Puesto que nuestro cuerpo es, en su mayor parte, agua, si la onda pasase del aire al interior del cuerpo una gran parte de ella se reflejaría. El gel tiene un índice de refracción respecto al sonido muy parecido al de nuestro cuerpo, con lo que la onda ultrasónica pasa del gel al cuerpo casi íntegramente.

Una vez en el interior del cuerpo, las ondas sonoras se encuentran cambios de densidad entre los huesos, órganos y tejidos, zonas con mayor o menor cantidad de agua, etc. Cada vez que sucede esto, la velocidad del sonido cambia, y una parte del sonido se refleja. Desde luego, parte de la onda sonora nunca vuelve a salir por donde entró (pues vuelve a reflejarse cuando está saliendo, por ejemplo), pero una parte considerable sale de nuevo después de reflejarse y vuelve al transductor.

De modo que el transductor emite una onda de muy corta duración (un pulso) de una frecuencia e intensidad determinadas, y luego espera a recibir el eco. Desde luego, no tiene que esperar mucho: las ondas se reflejan y vuelven a él en menos de una milésima de segundo. Aquí entra en acción de nuevo la piezoelectricidad: cuando las ondas vuelven al material cerámico, lo hacen vibrar… ¡pero cuando vibra, produce una diferencia de potencial entre sus extremos! Midiendo esta diferencia de potencial en la sonda, es posible detectar las ondas que vuelven.

El aparato recoge dos datos fundamentales para tener información suficiente para formar la imagen: el primero, evidentemente, es el tiempo que ha tardado en reflejarse la onda. Sabiendo la velocidad del sonido en el interior del cuerpo y este tiempo, es posible saber a qué profundidad se reflejó la onda. Por supuesto, el dato obtenido no es perfecto, porque el valor de la velocidad del sonido no es constante en nuestro interior, pero las diferencias son suficientemente pequeñas como para que sea una estimación muy buena.

Además, se mide la intensidad de la onda reflejada: cuanto mayor sea (es decir, mayor proporción de la onda original se ha reflejado), más grande es el contraste de densidad en ese punto. Esto se traduce en la imagen posterior en un mayor brillo en ese píxel, mientras que una intensidad muy baja se convierte en un punto menos brillante. A veces se mide además la frecuencia de la onda reflejada, que no tiene por qué ser igual que la que se emitió originalmente, pero de esto hablaremos dentro de un momento porque es algo más avanzado.

Aunque suene un poco simplón, espero que este ejemplo te ayude a comprender cómo se combina la información obtenida para formar una imagen a partir de cada pulso:

Imagina una cuadrícula (o una hoja de Excel): la fila de arriba del todo contiene las piezas de material cerámico, de izquierda a derecha. Todas ellas emiten un pulso de ultrasonido y a continuación esperan. El pulso se transmite «hacia abajo» a lo largo de cada columna, y en un momento dado se refleja. Es posible que en la primera columna haya recorrido cinco «celdas», en la segunda diez «celdas» y en la tercera siete «celdas». Además, el de la primera columna tiene un 20% de la intensidad original, el de la segunda un 50% y el de la tercera un 7%. Con esos datos, es posible conocer la densidad y profundidad de todos los puntos a lo largo de la fila (es decir, a lo largo de la anchura del haz de ultrasonidos).

Moviendo la sonda y girándola se va barriendo la zona a estudiar, y el ordenador conectado a ella va traduciendo los datos obtenidos a partir de las ondas reflejadas en píxeles, que forman una «rodaja» del cuerpo. Lo que se obtiene con una de estas ecografías normales y corrientes es una imagen bidimensional de esa «rodaja».

Fig. 16 - Ecografía de un feto en el útero materno. Crédito: Sam Pullara. Publicado bajo CC 2.0 Attribution License.

Sin embargo, aparte del método básico existen formas de obtener mayor información o resolución de determinadas zonas. Para empezar, según los años han ido pasando y la capacidad de proceso de los ordenadores aumentando, ha sido posible simplemente interpretar las imágenes básicas más elaboradamente para ofrecer la información de un modo más útil.

Por ejemplo, es posible combinar las «rodajas» para formar una imagen en tres dimensiones en vez de dos:

Fig. 17 - Ecografía 3D de un feto de 20 semanas.

Pero también es posible ir enlazando una ecografía 3D de este tipo con otra tomada un tiempo después, y así una y otra vez para obtener una «película de vídeo ecográfica», es decir, una ecografía 4D.

Además puede aumentarse la nitidez de la imagen utilizando procesos ligeramente diferentes. Como he dicho antes al hablar del gel, el paso de un medio a otro con índices de refracción muy distintos (como el aire al agua o al revés) hace que una parte muy grande de la onda se refleje. Esto puede ser un problema pero también puede ser muy útil: al fin y al cabo, el contraste entre unas zonas y otras del cuerpo no es muy grande (pues somos básicamente agua), de modo que puede lograrse mayor nitidez introduciendo artificialmente variaciones de densidad en el cuerpo.

La manera en la que se logra esto es mediante una ecografía de contraste. Lo que se hace es inyectar en el torrente sanguíneo burbujas de gas minúsculas (denominadas microburbujas). Cuando la onda de ultrasonido llega a una de estas burbujas, la burbuja se comprime y expande en resonancia con la onda, y vuelve a emitirla en todas direcciones (incluyendo de vuelta), de modo que el transductor recibe la onda con gran intensidad desde todas y cada una de las microburbujas y puede localizarlas con enorme precisión en el interior del cuerpo.

Estas microburbujas suelen tener una «corteza» elástica, para que puedan oscilar al recibir la onda en vez de simplemente romperse. Esta corteza está compuesta por albúmina, galactosa o algún polímero que, con el tiempo, o bien se disuelve en la sangre o bien es eliminado por el sistema inmune. No suelen durar mucho tiempo, de modo que hace falta inyectarlas poco antes de realizar la ecografía. En el interior de la «cáscara» se encuentra el gas (que puede ser simplemente aire, nitrógeno, o bien otros más pesados, como perfluorocarbono u octafluoropropano).

Las ecografías de contraste son especialmente útiles, por lo tanto, al estudiar el sistema circulatorio, especialmente el corazón: se utilizan mucho en las ecocardiografías (es decir, las ecografías del corazón), con las que pueden detectarse defectos en la estructura de este órgano con gran precisión.

Finalmente, es posible obtener más información aún a partir de la onda reflejada si, además de medir el tiempo que tarda en volver y la intensidad, se registra la frecuencia con la que vuelve. La cuestión aquí está en el efecto Doppler. Una vez más, no puedo entrar a discutir este fenómeno en detalle en este librito, pero consiste en la variación de la frecuencia de una onda cuando quien la emite y tú os movéis uno hacia el otro, o al revés.

Es el efecto por el cual el sonido de la sirena de una ambulancia —por poner un ejemplo— es diferente cuando el vehículo se está acercando a ti y cuando se aleja. Cuanto más rápido os acercáis uno al otro, más agudo se vuelve el sonido (mayor es la frecuencia), porque las ondas se «aprietan» unas contra otras; por el contrario, al alejarse uno y otro las ondas se «alargan», con lo que la frecuencia disminuye y el sonido se hace más grave.

Bien, este fenómeno es de gran utilidad al utilizarlo en ecografía: así es posible saber si el objeto en el que ha rebotado la onda ultrasónica se mueve hacia el transductor, se aleja de él, o ninguna de las dos cosas, además de medir su velocidad con mucha exactitud. ¿Para qué diablos sirve esto dentro del cuerpo? Para observar la velocidad de la sangre, por ejemplo, con lo que la imagen del sistema cardiovascular no solo muestra su estructura, sino el flujo sanguíneo.

Fig. 18 - Ecografía Doppler de la arteria carótida. Crédito: Daniel W. Rickey. Publicado bajo CC 2.5 Attribution-Sharealike License.

No hace falta decir que las ecografías tienen multitud de aplicaciones en el diagnóstico de casi cualquier cosa. Sí quiero hacer énfasis en las ventajas e inconvenientes que tiene respecto a las otras tomografías de la serie, como el TAC o la TEP, pues son considerables.

En primer lugar, como has visto en varias de las imágenes, las ecografías se utilizan muchísimo en obstetricia. Como mencioné en los capítulos anteriores, se hace todo lo posible por no utilizar radiaciones «duras» cuando hay niños involucrados: lo mismo sucede, por supuesto, durante el embarazo. La ecografía es una técnica muchísimo más segura que cualquiera de las otras, pues no existe ningún tipo de prueba clínica que haya demostrado peligro para el ser humano, ni siquiera durante la gestación, al ser expuesto a los ultrasonidos de estas frecuencias.

En segundo lugar, el precio es muchísimo menor que en las otras tomografías: un equipo de ecografía es más barato y asequible, de modo que existen muchos más y no hay listas de espera ni costes —para el paciente, la empresa de seguros o el gobierno— de la magnitud de los de un TAC.

Además, la ecografía funciona muy bien para distinguir tejidos de distinta densidad, especialmente de distinto estado (sólido, líquido y gaseoso) cuando están adyacentes, por la gran proporción de la onda que se refleja y vuelve al transductor. Finalmente, es muy rápida —cada «rodaja» formada por el haz de ultrasonido es prácticamente instantánea, con lo que el paciente no tiene que esperar ni someterse a situaciones tan incómodas como el claustrofóbico «túnel» de la RMN.

Sin embargo, las ecografías no son perfectas (si lo fueran, los otros tipos de tomografías no existirían): existen tejidos en el cuerpo que los ultrasonidos tienen mucha dificultad en penetrar, como el hueso. Esto hace que una ecografía del cerebro de un humano adulto no sea fácil, pues las ondas deben penetrar el cráneo y una intensidad muy pequeña lo consigue. Las ecografías funcionan mejor cuando el órgano a estudiar está cerca de la piel o existen solo tejidos blandos entre el transductor y él. Incluso una capa de grasa bien gruesa puede apantallar las ondas lo suficiente como para que no lleguen muy profundamente en el interior del cuerpo, un verdadero problema si el paciente es muy obeso.

Pero es que si lo que hay entre la sonda y el órgano es demasiado poco denso, tampoco sirven: puesto que una gran cantidad de energía se refleja al pasar del agua al aire o al revés, si hay una zona con gas entre la piel y el órgano, muy poca intensidad lo alcanza. Esto hace, por ejemplo, que los gases intestinales puedan ocultar zonas a la ecografía (como el páncreas), o que a veces se pida a la paciente en pruebas de obstetricia que realice la prueba con la vejiga a rebosar, para que al estar llena de orina (básicamente agua) las ondas puedan atravesarla sin dificultades.

Además, la ecografía es una tomografía «artística». Con esto me refiero a que un TAC helicoidal, por ejemplo, sigue un proceso programado en un ordenador, que toma un número de imágenes y con una estructura prefijada y precisa. Sin embargo, la calidad de una ecografía depende mucho de la habilidad del operador de la sonda. Hace falta bastante talento y experiencia para ser capaz de obtener imágenes de gran calidad y ser capaz de identificar lo que en ellas aparece para realizar un diagnóstico acertado.

En cualquier caso, es una técnica no invasiva, que permite una buena resolución de forma barata y rápida, y con ella se ha avanzado muchísimo en el diagnóstico precoz de muchos problemas en el desarrollo embrionario, aparte ya de su utilidad en el caso de tumores de mama y muchas otras enfermedades; puede ser la tomografía con menos glamour de las cuatro que hemos estudiado, pues su fundamento físico no es muy «elevado», pero a veces lo simple es lo más eficaz.

PEDRO GÓMEZ-ESTEBAN GONZÁLEZ (Sevilla, España, 1975). Es profesor de secundaria en el instituto de secundaria Nuestra Señora Santa María de Madrid, donde ha pasado casi toda su vida. Estudió Física en la Complutense de Madrid (1992-1997) y escribe un blog junto a su esposa Geli Grick.