Ciencias: Para verte mejor.. el cuerpo por dentro.. Gertrudis Uruchurtu

Imagen: Chiquita Banina

Para verte mejor: el cuerpo por dentro

Gertrudis Uruchurtu

Las técnicas para obtener imágenes del interior del cuerpo humano vivo, que en conjunto se denominan imagenología médica, han permitido mejorar en forma notable el diagnóstico de muchas enfermedades. También han contribuido al conocimiento del cuerpo y en especial de nuestro cerebro. Aquí se explican las bases de su funcionamiento.

Un día de 1885 Anna Bertha Ludwig recibió un mensaje de su esposo, Wilhelm Röntgen. Éste le informaba que pensaba comer y dormir en el laboratorio toda la semana, pues tenía que resolver un extraño problema que había surgido en sus investigaciones. Röntgen, físico de la Universidad de Würtzburg, seguía las principales tendencias de investigación que predominaban en Europa en esa época: la búsqueda de los componentes del átomo, el estudio de la electricidad y de la luz.
El 8 de noviembre de 1885 Anna Bertha, preocupada, fue a visitarlo al laboratorio. Röntgen le mostró la causa de su ausencia. Estaba investigando las propiedades de la radiación que se generaba en un tubo de vidrio al vacío con electrodos en los extremos. Los electrodos estaban conectados a una batería de alto voltaje. Cuando se conectaba la corriente, se observaba un rayo luminoso que surgía del cátodo (electrodo negativo) y chocaba con el ánodo. La radiación había recibido el nombre de "rayos catódicos", pero nadie sabía qué era (12 años después, en 1897, el físico británico J. J. Thomson descubriría que se debe a que del cátodo sale un chorro de partículas negativas, a las que Thomson llamaría electrones). Röntgen cubrió el tubo con un grueso cartón negro, oscureció el cuarto y cuando empezó la descarga, vio iluminarse una pantalla fluorescente que se encontraba a unos metros del tubo de rayos catódicos. Tras repetir el experimento varias veces, se convenció de que del tubo salía algo que no era luz visible y que estaba haciendo brillar la pantalla. Interpuso cuerpos de diversos materiales entre el tubo y la pantalla fluorescente y ésta seguía iluminándose cada vez que se producían rayos catódicos. Röntgen llamó a la misteriosa radiación "rayos X".
Cuando su esposa lo encontró en el laboratorio a oscuras, Röntgen le pidió que interpusiera su mano entre el tubo de rayos catódicos y una placa fotográfica. Al revelar la placa apareció la imagen de los huesos de la mano de Anna Bertha, con todo y un grueso anillo que llevaba puesto. "¡Estoy viendo mi propia muerte!", exclamó ella. Los extraños rayos X atravesaban sin dificultad los tejidos blandos de la mano, pero eran absorbidos por los huesos.
El misterio de los rayos X, que hasta hoy han conservado ese nombre, se aclaró unos años después: en el tubo de rayos catódicos el violento movimiento de los electrones genera ondas electromagnéticas semejantes a la luz visible, pero de una frecuencia mucho mayor.
Con el tiempo, los rayos X se utilizaron también para visualizar órganos como el aparato digestivo. Para eso, el paciente ingiere una sustancia llamada medio de contraste que contiene compuestos de bario que los rayos X no traspasan. Asimismo, se pueden obtener imágenes del sistema cardiovascular mediante una inyección endovenosa de compuestos de yodo como medio de contraste. A casi 130 años de su descubrimiento, los rayos X siguen siendo una importante herramienta para ver el interior del cuerpo de una forma no invasiva.
Pero los rayos X presentan un inconveniente: dan siluetas planas que distan mucho de ser imágenes perfectas, pues pueden ocultar detalles del objeto o del órgano tridimensional.

Ver en rebanadas

El ingeniero inglés Godfrey Hounsfield se propuso un día encontrar una manera de ver objetos tridimensionales ocultos en una caja sin sacarlos. La primera idea que le vino a la mente fue emplear un aparato de rayos X, pero no bastaba. Se le ocurrió entonces que si hacía girar el aparato de rayos X alrededor de la caja al tiempo que tomaba radiografías, obtendría un conjunto de rebanadas del objeto que, juntas, darían una imagen tridimensional del objeto y de su interior. Pero juntar las rebanadas para obtener la imagen tridimensional era un procedimiento muy laborioso. Hounsfield, que trabajaba en la empresa de equipo electrónico EMI Group Limited, tenía también un enorme interés en la computadora que en ese tiempo empezaba a usarse para simplificar cálculos matemáticos. En una revista científica encontró un artículo de un matemático sudafricano llamado Allan McLeod Cormak que había encontrado un método computacional para integrar las imágenes individuales y obtener la imagen tridimensional de un cuerpo en la pantalla de la computadora. Entre ambos construyeron el primer aparato de tomografía axial computarizada (TAC) en 1971.
Para obtener la TAC de una zona específica del cuerpo humano (tórax, intestino, cerebro, pulmones…), el paciente se acuesta en una camilla que se va introduciendo despacio en un aparato que tiene forma de dona. Un aparato de rayos X gira lentamente alrededor del cuerpo mientras la camilla va entrando. Unos detectores situados al fondo del aparato registran las imágenes. En la radiografía de cada rebanada se observan diferentes tonos de grises, pues los rayos X atraviesan con más facilidad unos tejidos que otros. Los rayos X apenas penetran los huesos, por lo que éstos aparecen casi blancos en la imagen final, mientras que otros tejidos, como la sangre, son atravesados con facilidad y aparecen muy oscuros.
La computadora construye la imagen tridimensional superponiendo las rebanadas mediante el algoritmo de Cormak. A partir de esos datos quien interpreta la imagen puede saber si se trata de un órgano normal o si en su interior hay un tumor, parásito o cuerpo extraño, o bien si hay lesiones como tendones rotos, músculos rasgados o malformaciones congénitas.

Imanes y ondas de radio

La primera patente de otro aparato para ver el interior del cuerpo humano se obtuvo en 1974, pero empezó a utilizarse ampliamente a mediados de los años 80: el aparato de resonancia magnética, que como la TAC también escanea en rebanadas pero tiene la ventaja de que estas rebanadas pueden orientarse en muchas más direcciones y la definición de la imagen es superior.
Desde mediados del siglo XX se había observado que ciertos átomos pueden absorber y emitir ondas de radio cuando están inmersos en un campo magnético muy intenso. Este fenómeno se conoce como resonancia magnética nuclear (RM) y en 1969 el médico armenio-estadounidense Raymond Damadian pensó que podía aprovecharse para revelar imágenes del interior del cuerpo humano. Posteriormente, Paul Lauterbur, de la Universidad de Stony Brook, Nueva York, y el británico Peter Mansfield, de la Universidad de Nottingham, diseñaron los primeros aparatos para ver el interior del cuerpo humano sin necesidad de rayos X aprovechando la resonancia magnética nuclear de los átomos de hidrógeno presentes en el agua del organismo.
El 70% del cuerpo humano es agua. La cantidad de agua es diferente en los diversos tejidos (cerebro, hígado, riñones, ojos, pulmones, tumores). Cuando una persona está inmersa en un campo magnético muy intenso, los ejes de rotación de los protones del agua tienden a alinearse con el campo. Por medio de otro campo magnético oscilante se puede alterar la orientación de estas brújulas diminutas, que luego tratarán de volverse a orientar en la dirección del campo. Al hacerlo, emiten radiación electromagnética en forma de ondas de radiofrecuencia que se pueden detectar y usar para construir un mapa de las regiones del cuerpo de donde provienen las ondas de radio. La intensidad de las ondas depende de la cantidad de agua presente, y por lo tanto, del tejido que las emite. El aparato para obtener imágenes por RM consta de tres partes principales: un imán muy potente, un emisor de ondas de radiofrecuencia y una computadora con un programa que decodifica y transforma en imágenes las ondas generadas por la radiofrecuencia. El imán se encuentra dentro de las paredes de un tubo semejante a la dona del aparato de tomografía. El espacio interior del tubo debe tener las dimensiones para que quepa en su interior una persona acostada. En las paredes del tubo hay también un emisor de ondas de radiofrecuencia y un receptor que se conecta a la computadora donde se despliega la imagen. La intensidad del imán es enorme, por lo que no conviene aproximarse con objetos metálicos como relojes, llaves y plumas, que se pueden convertir en proyectiles de alta velocidad.
Lauterbur y Mansfield obtuvieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2003 por su contribución al desarrollo de la obtención de imágenes con RM.

Cartografía cerebral

Un uso muy importante de la RM en la actualidad es la llamada resonancia magnética funcional (RMF) en investigaciones de neurobiología y neuropsicología. Los estudios de RMF se realizan en el mismo aparato, pero no se obtienen a partir de las ondas enviadas por los átomos de hidrógeno en resonancia. El principal objetivo de la RMF es mostrar qué zonas del cerebro están activas. Cuando cierta región del cerebro está trabajando, las neuronas requieren más energía y por tanto un mayor flujo de sangre arterial con hemoglobina oxigenada. La hemoglobina es una molécula que se encuentra en los glóbulos rojos y es la que transporta oxígeno a los tejidos.
Desde 1936 Linus Pauling, de la Universidad de California en Berkeley, descubrió que la hemoglobina con poco oxígeno es 20% más sensible a campos magnéticos que la hemoglobina con mucho oxígeno, de manera que el comportamiento de estos dos tipos de moléculas en el campo magnético del aparato de resonancia será diferente. Cuando una zona del cerebro se activa, un flujo de sangre oxigenada desalojará a la que contiene hemoglobina con menos oxígeno, lo que se puede visualizar en la pantalla del aparato.
En 1990 Seiji Ogawa descubrió en los laboratorios AT&T, en Estados Unidos, que el aparato de RM podría servir para identificar las zonas donde aumenta el flujo sanguíneo mediante una radiofrecuencia específica que haga resonar la hemoglobina no oxigenada. Esto ha permitido realizar investigaciones, ya sea con animales de laboratorio o con voluntarios humanos, en las que se pueden detectar las zonas responsables de las diferentes funciones cerebrales. Por ejemplo, al voluntario de un estudio se le provocan sensaciones visuales o auditivas, emociones como miedo, angustia o placer; o se le pide que memorice algo o que resuelva un problema. Mientras el voluntario realiza estas actividades, los neurobiólogos han podido observar en la pantalla de la computadora las zonas del cerebro que se activan; es decir, en las que aumenta el flujo de sangre oxigenada. De esta manera se ha ido obteniendo un mapa sobre las funcionas asociadas a distintas zonas del cerebro.

Radiactividad artificial

La tomografía por emisión de positrones, mejor conocida como PET (por sus siglas en inglés), es un método para ver el interior del cuerpo propuesto originalmente por David E. Kuhl, médico especialista en medicina nuclear de la Universidad de Michigan. Entre 1939 y 1949, los fisiólogos y bioquímicos trataban de encontrar una manera de seguirle la pista a una molécula introducida en el cuerpo humano. Por ejemplo, una vez que se ingería una molécula de glucosa resultaba imposible saber su destino, pues todas las células del cuerpo contienen esta sustancia que, por si fuera poco, está formada por los mismos elementos que toda la materia viva: carbono, hidrógeno y oxígeno. El problema se podía resolver si se lograba marcar de alguna manera un átomo de esa molécula para distinguirlo de los demás, de manera que se pudiera seguir su trayectoria y conocer su destino. Kuhl tuvo la idea de sintetizar en el laboratorio moléculas de glucosa en las que un átomo —por ejemplo, el carbono o el oxígeno de la glucosa sintética— fuera radiactivo y pudiera ser rastreado por medio de la radiación que va emitiendo por el camino.
La radiactividad es la desintegración espontánea de átomos pesados como el uranio y el radio. El núcleo de estos átomos contiene una gran cantidad de protones, que se repelen por tener la misma carga eléctrica. La fuerza nuclear fuerte, que en átomos más ligeros contrarresta esta repulsión, es incapaz de contener tanta actividad y los núcleos de estos átomos se desintegran lanzando distintos tipos de partículas. Un caso de especial interés son los núcleos que se desintegran emitiendo un positrón, que es como un electrón con carga eléctrica positiva en vez de negativa. Se dice que el positrón es la antipartícula del electrón. Cuando se encuentran una partícula y su antipartícula, se aniquilan emitiendo ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y de muy alta energía llamadas radiación gama. Un positrón emitido en el interior del cuerpo humano no tarda en encontrarse con algún electrón. La radiación gama que producen atraviesa los tejidos y sale del cuerpo sin ninguna dificultad.
Los átomos ligeros (carbono, nitrógeno, azufre, flúor…) tienen núcleos estables que no se desintegran, pero los físicos nucleares encontraron la forma de hacerlos radiactivos para que emitan radiación gama. Estos átomos pueden ser introducidos por medio de una síntesis química en moléculas como la glucosa, que no es extraña al organismo. Si esta molécula se introduce en el cuerpo humano por vía intravenosa, es posible seguir su trayectoAparato de PET. ria y destino por medio de un detector de radiación gama. A este tipo de sustancias se les conoce como trazadores. No son tóxicas y su vida radiactiva es breve, por lo que la radiación gama no llega a dañar al organismo. Los trazadores han sido de gran utilidad para estudiar el comportamiento de muchas sustancias dentro de un organismo.
Existen diversos procedimientos para obtener elementos radiactivos en forma artificial y todos tienen en común desestabilizar un núcleo para que lance alguna partícula subatómica acompañada de radiación gama.
En la tomografía por emisión de positrones se emplea un trazador que se introduce en el cuerpo humano por vía endovenosa. Hay diferentes tipos de trazadores, pero el más empleado consiste en moléculas de glucosa que se han sintetizado en un laboratorio. Sólo difieren de la glucosa natural en que un grupo oxhidrilo (-OH) de la molécula de glucosa ha sido sustituido por un átomo de flúor radiactivo.
Siguiendo la trayectoria de la radiación gama emitida por la aniquilación de positrones y electrones se podrán observar los sitios de mayor o menor metabolismo de la glucosa. Un ejemplo es la localización de las células cancerosas de ciertos tipos de tumores por su actividad metabólica excesiva y anormal.
El método PET también se puede usar para rastrear medicamentos en el organismo. Para eso, se le añade a la molécula del fármaco un átomo radiactivo, como se hace con las moléculas que se usan como trazadores. Esto hace posible seguir su trayectoria dentro del organismo y monitorear el sitio exacto en donde actúa el medicamento
La operación del aparato empleado para obtener las imágenes de PET es muy parecida a la del tomógrafo convencional, pues también obtiene imágenes en rebanadas. El individuo en estudio se colocará en una camilla que se introduce lentamente en un dispositivo en forma de dona, en cuyo interior hay detectores de radiación gama. Estos están hechos de un material que transforma la energía de la radiación gama que emite el paciente en señales luminosas que otro aparato transformará en eléctricas. Por medio de un algoritmo matemático, éstas se traducen en la computadora en puntos de luminosidad variable que indican la intensidad de la actividad metabólica de la zona analizada.
Los átomos con radiactividad artificial, también llamados radioisótopos, tienden a regresar a un estado estable. En el caso del flúor, cuando éste pierde un protón que se convirtió en positrón y un electrón, se transforma en oxígeno. El tiempo que tarda el 50% de los átomos radiactivos en regresar a su forma estable se conoce como vida media; la del flúor radiactivo es de 20 minutos. Otros radioisótopos usados para obtener imágenes de PET también tienen una vida media muy corta. Esto complica en cierta forma el uso de esta técnica en medicina, pues un aparato de PET deberá instalarse muy cerca de un lugar donde haya la posibilidad de producir el radioisótopo en un acelerador de partículas para uso médico, de manera que su radiactividad no decaiga durante el trayecto del acelerador al aparato PET, y también muy cerca de un laboratorio muy especializado que sintetice la molécula trazadora con el radioisótopo. Todo esto incrementa el costo de las imágenes por PET.

De estable a radiactivo
Irène Curie, hija de Marie y Pierre Curie, y su esposo Frédéric Joliot fueron los primeros en transformar elementos de núcleo estable en radiactivos, en 1938. Hoy en día para hacer que núcleos estables se vuelvan radiactivos y emitan rayos gama se bombardea el núcleo con otras partículas (protones o neutrones) a gran velocidad. Para hacerlo se requieren aparatos bastante complejos llamados aceleradores de partículas, que lanzan estas partículas a gran velocidad para que penetren el núcleo de otro átomo. Por ejemplo, si en el núcleo de un átomo de carbono que contiene seis protones y seis neutrones se introduce un nuevo protón, el carbono se convertirá en nitrógeno con siete protones y seis neutrones (la identidad del átomo depende del número de protones). Que penetre en forma violenta una partícula extraña en el núcleo del nitrógeno lo desestabiliza. Para restablecer su equilibrio, un neutrón de su núcleo se descompone en un protón y un positrón, y este último es expulsado del átomo a gran velocidad, produciendo radiación gama. El átomo que no era radiactivo, ahora lo es. La radiación gama puede ser detectada y medida con un contador Geiger u otro método.

Imagen de un eco

Otra técnica para obtener imágenes del interior del cuerpo es el ultrasonido; entre sus usos más conocidos está el de confirmar un embarazo si se observa el embrión dentro del útero. El proceso se repite varias veces a lo largo del embarazo con el fin de vigilar si el desarrollo del feto es normal. No menos importantes son las imágenes del corazón del feto, hechas con el fin de detectar malformaciones, o de los músculos y tendones, lo que permite detectar lesiones y posibles malformaciones y trastornos congénitos. Las imágenes obtenidas por ultrasonido, también conocidas como ecografías, emplean vibraciones que se transmiten a través de la materia, a diferencia de las ondas electromagnéticas de los otros métodos que hemos presentado, las cuales se pueden propagar en el vacío. Las ondas sonoras son generadas por un cuerpo en vibración que producirá compresión y expansión de la materia que lo rodea (gas, líquido o sólido), dando lugar a un movimiento ondulatorio que se propaga y transmite energía. La velocidad del sonido en el aire, de aproximadamente 340 m/s, es mayor en los líquidos y aún mayor en los sólidos. La temperatura y la densidad de la materia que atraviesan las ondas son factores que afectan su velocidad.
El oído humano percibe ondas sonoras de una frecuencia de entre 20 y 20 000 hertz (Hz: un hertz equivale a una vibración por segundo). Los sonidos graves tienen una menor frecuencia que los agudos. Los humanos no suelen oír frecuencias superiores a los 20 000 Hz, pero algunos animales, como los perros, sí las perciben. A las ondas de frecuencia superior a 20 000 Hz se les llama ultrasónicas.
El primero en usar las ondas ultrasónicas en medicina con el fin de ver el interior del cuerpo humano fue el Dr. George Döring Ludwig en 1940, en el Instituto Naval de Investigaciones Médicas, en Bethesda, Estados Unidos. En 1958 el escocés Ian Donald publicó en la prestigiosa revista de investigación en medicina The Lancet las primeras imágenes obtenidas por ultrasonido practicadas en voluntarios con un aparato construido por él mismo.
l aparato de ultrasonido consta de un dispositivo llamado transductor que en su interior contiene cristales de cuarzo con propiedades piezoeléctricas; es decir, que al recibir una corriente eléctrica la transforman en ondas de ultrasonido y, recíprocamente, transforma en señales eléctricas las ondas de ultrasonido que inciden sobre el cristal. El transductor se coloca sobre la piel y se desplaza por la zona en estudio. Las ondas de ultrasonido atraviesan la piel hasta chocar con un cuerpo u órgano de diferente densidad, que hará que las ondas se reflejen como el eco en el caso del sonido, regresen al transductor e incidan sobre el cristal de cuarzo. Éste a su vez transformará las ondas reflejadas en señales eléctricas. La profundidad que alcance el ultrasonido depende de la frecuencia de las ondas. La persona que maneja el aparato puede hacer variar la frecuencia para encontrar y delinear el cuerpo u órgano en estudio, que puede ser desde un corazón hasta un feto que se mueve. Las señales eléctricas que salen del transductor pasan a una computadora que procesará mediante un algoritmo matemático sus intensidades para delinear y definir el órgano en estudio e integrar toda esta información en una imagen.

La imagenología

Hace 40 años era frecuente en un hospital ver un letrero que señalaba la zona de rayos X. Esa añeja técnica era la única manera de obtener imágenes del interior del cuerpo humano en una forma no invasiva. Hoy en día el letrero ha sido cambiado por el de imagenología. Una innovación de los rayos X dio lugar a la tomografía. El diseño del aparato para obtener imágenes de rebanadas sirvió a su vez para obtener imágenes con ondas de radio actuando sobre un campo magnético (RM) y por medio de los rayos gama provenientes de una sustancia que emite positrones. Las ondas de ultrasonido también se reclutaron para obtener imágenes del interior del cuerpo. A una gran cantidad de científicos, principalmente físicos, matemáticos e ingenieros, así como a algunos médicos, les debemos la creación de estos aparatos que transforman la energía transmitida por diferentes ondas en imágenes que facilitan y confirman un diagnóstico médico y que en cierta medida son responsables del aumento de la esperanza de vida de millones de seres humanos en el planeta.

Más información

• Montaño Zetina, Luis Manuel, "Imagenología y detectores en medicina".
• Rodríguez Villafuerte, Mercedes y Arnulfo Martínez Dávalos, "El uso de los rayos X en la medicina".
• Piña Barba, María Cristina, La física en la medicina, Fondo de Cultura Económica, México, 1987.

Gertrudis Uruchurtu, química farmacobióloga, fue una frecuente y muy querida colaboradora de ¿Cómo ves? hasta su lamentable fallecimiento el pasado mes de julio. Durante 30 años fue maestra de química de bachillerato y estudió el Diplomado de Divulgación de la Ciencia de la DGDC-UNAM. Este artículo fue el último que escribió para ¿Cómo ves? y decidimos guardarlo para que su publicación coincidiera con el aniversario 15 de la revista, ocasión en la que también se hará entrega del premio al concurso que convocamos en su memoria.

Vía:
http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/181/para-verte-mejor-el-cuerpo-por-dentro