¿En qué consiste una Resonancia Magnética Nuclear (RMN)?

¿En qué consiste una Resonancia Magnética Nuclear (RMN)?

Este artículo es el tercero de la “mini-serie de las tomografías” dedicada a la Tomografía por Emisión de Positrones (TEP), [Tomografía Axial Computarizada (TAC)](https://eltamiz.com/2008/01/22/¿en-que-consiste-una-tomografia-axial-computarizada-tac/ “”), la Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Imagen por Resonancia Magnética Nuclear (IRMN) o Tomografía por Resonancia Magnética (TRM) y, en un mes o dos, la ecografía. Como hicimos en los otros dos casos, hablaremos sobre los fundamentos físicos en los que se basa, cómo funciona técnicamente, para qué sirve y qué peligros entraña. Ojito a la secuencia de “rodajas” de una cabeza humana, que es algo grimosa pero fascinante. Yo juraría que es de Homer Simpson:

Secuencia de RMN
Secuencia de RMN del cerebro humano. Crédito: Wikipedia/GPL

¿Sabes por qué la RMN hace ese ruido endiablado cuando funciona? ¿Y que, si te han hecho una, probablemente has estado rodeado por helio líquido a -269 ºC? ¿Quieres ver vídeos que muestran la potencia de los imanes superconductores empleados en esta técnica? Pues entonces sigue leyendo.

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 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.

Esquema de un escáner de RMN
Esquema de un escáner de RMN. Crédito: Wikipedia/GPL.

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 éstos 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 sólo 4 K (-269 ºC) con helio líquido, ¡tan sólo 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).

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 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! No te pierdas este vídeo en el que se muestra el comportamiento de un extintor metálico al acercarlo a una máquina 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, sobre todo porque, como he dicho, desconectar el imán muchas veces no es una opción:

 

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… mejor lo ves tú mismo:

 

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 hemos dicho en el anterior artículo de la serie – leer en la red 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 sólo en este artículo.

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.

 

Aparato de IRMN
Aparato de IRMN de 3 Teslas. Crédito: Wikipedia/GPL.

El siguiente paso involucra los imanes variables, que se denominan bobinas gradientes. Éstas 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 – ésa es la razón principal de que sea muy peligroso estar cerca de un aparato de RMN si utilizas uno.

De modo que al bañar tu cuerpo con ondas de radio de la frecuencia deseada, sólo 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.

RMN de una cabeza
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: sólo 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, sólo 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.

Resonancias de una rodilla humana
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 TRM, 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. Nunca me he sometido a una, ¡pero vuestras experiencias son bienvenidas en los comentarios!

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 TRM? 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 RMNes 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. No te pierdas esta secuencia de un corazón latiendo… ver el flujo de la sangre me parece impresionante:

Corazon RMN
Corazon RMN Crédito: Wikipedia.

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?

Puedes leer acerca de la última de las cuatro tomografías en el artículo sobre la ecografía.

Por si mi explicación te ha dejado igual que antes de leerla, o más confuso aún, hay material de sobra en la red para aprender más sobre esta técnica. Puedes empezar en el artículo correspondiente de la Wikipedia en español. Desafortunadamente, el material más extenso y de mejor calidad está, como casi siempre, en inglés. Si te manejas en la lengua de Shakespeare, te recomiendo encarecidamente, además del artículo de Wikipedia, el de Howstuffworks y, por encima de todos, e-mri.org. Éste último tiene explicaciones a un nivel alto pero muy claras, con animaciones en flash que son realmente didácticas.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com/

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