Siempre se van los mejores: Peter Mansfield y el desarrollo de la resonancia magnética nuclear para diagnóstico médico

El pasado 8 de febrero de 2017 nos despertábamos con una noticia que pasó por la mayoría de los periódicos sin pena ni gloria: el fallecimiento de Peter Mansfield.

En este mundo hay gente famosa que llena hojas de prensa sin haber hecho nada en la vida y otros que mueren habiendo revolucionado el mundo sin copar más que unas pequeñas notas a pie de página, como es el caso de Sir Peter Mansfield. Este físico británico fue Premio Nobel de Medicina en 2003 “por sus descubrimientos relativos a la obtención de imágenes mediante resonancia magnética”, premio que compartió con el químico estadounidense Paul Lauterbur, fallecido en 2007, y que puedo imaginar que tampoco os sonará demasiado su nombre…

Estos dos señores fueron protagonistas de la invención y desarrollo de la imagen médica por resonancia magnética nuclear. No es fácil ser conscientes del enorme avance que supuso la resonancia magnética en el mundo del diagnóstico médico. Intentemos ponernos en situación: A finales del siglo XIX, la única posibilidad de explorar el interior del cuerpo humano era mediante el uso de técnicas invasivas. Es decir, abrir en canal al sujeto en cuestión (paciente o cadáver) y explorar la zona anatómica que interesara en ese momento. Con el descubrimiento de los rayos X por parte de Roentgen se abre un mundo completamente nuevo no sólo en la física, sino también en la medicina, pudiendo ver por primera vez el interior del cuerpo humano sin necesidad de abrirlo.

A finales de los años 60 (ya en el siglo XX), el señor Hounsfield desarrolla la Tomografía Axial Computarizada, de la que ya hablamos en su momento en aquel Desayuno con The Beatles, una auténtica revolución en el mundo del diagnóstico por rayos X, permitiendo ver imágenes del interior del cuerpo humano, corte a corte, en lugar de proyecciones sobre una placa radiográfica (la típica radiografía simple). Sin embargo, aunque impresionante, el TC no es la solución completa en el mundo del diagnóstico por imagen. ¿Por qué? Muy posiblemente por dos motivos: el alto uso de radiación ionizante y la pobre resolución en bajo contraste.

El primero es evidente: el escáner utiliza una dosis relativamente elevada de radiación ionizante para producir las imágenes radiológicas, por lo que conlleva un riesgo intrínseco a su utilización. Tranquilos, es un riesgo razonablemente pequeño, no os va a pasar nada si mañana os hacen un escáner. El segundo problema quizás no es tan evidente pero en ocasiones es crítico. La pobre resolución a bajo contraste implica que con el TC nos va a costar diferenciar objetos o regiones anatómicas con densidades muy similares, como podría ser grasa, músculo o cartílago (sin embargo, es ideal para la visualización de estructuras muy contrastadas entre sí, como el hueso frente a tejido blando o los pulmones).
¿Por qué es tan importante, entonces, la resonancia? Justamente porque pone remedio a estos dos problemas: no utiliza radiación ionizante y tiene un contraste ideal para la visualización de tejidos como grasa, músculo o cartílago.

PEQUEÑA HISTORIA DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA MÉDICA

Como cualquier gran avance científico, es difícil, quizás imposible, nominar a alguien como “inventor de la resonancia”, aunque en general nos encanten este tipo de distinciones. Es, en el caso de la resonancia magnética, cuanto menos interesante el complejo entramado de físicos, matemáticos, químicos e ingenieros que fueron dando pasos, aparentemente inconexos, hasta conseguir conmocionar el diagnóstico médico por imagen. A ver si somos capaces de poder hacer un pequeño resumen de estos pasos sin que os quedéis dormidos antes de terminar. ¡Vamos allá!

Hace mucho tiempo, en una galaxia muy muy lejana… No, espera, que eso es de otra historia…

Hace casi 90 años, en 1929, el físico polaco Isidor Isaac Rabi empezó a trabajar en la Universidad de Columbia en un proyecto de investigación sobre los efectos de los campos magnéticos externos en el núcleo de las partículas, ideando lo que él definió como espectroscopia por radiofrecuencia, que permitía medir los niveles de transición hiperfinos de los átomos utilizando frecuencias de radio para causar saltos entre estos niveles de energía. Dicho de otra manera, los núcleos atómicos pueden absorber energía de ondas de radiofrecuencia, pasando a un estado “de resonancia”. Cada núcleo atómico “resuena” a una frecuencia de radio diferente, por lo que identificando esa frecuencia podemos llegar a identificar el propio núcleo, así como la información química y estructural de las moléculas. Estamos en el año 1938 y acabamos de descubrir la resonancia magnética nuclear y su potencial para conocer la estructura interna de átomos y moléculas era más que evidente. Tenemos ante nosotros al ganador del premio Nobel de física de 1944.

PURCELL Y BLOCH: RESONANCIA EN MATERIA CONDENSADA

Un par de añitos después, allá por 1946, Edward Purcell y Felix Bloch, estadounidenses ambos, lideraban dos grupos de investigación independientes que pretendían (y de hecho consiguieron, con apenas tres semanas de diferencia) medir con precisión la intensidad del campo magnético de los núcleos atómicos de la materia condensada (es decir, líquidos y sólidos). Purcell, que había trabajado en la producción y detección de ondas de radiofrecuencia para el desarrollo del radar en la segunda guerra mundial, obtuvo una señal de resonancia magnética nuclear de protones producida por la absorción de radiofrecuencia en un bloque de 90 gramos de parafina. Por su parte, el grupo de Bloch produce inducción nuclear utilizando la mezcla de dos campos magnéticos (un campo fuerte y constante y otro más débil y de radiofrecuencia) sobre unas gotas de agua de apenas 100 mg contenidas en una esfera de cristal. Es muy interesante ver cómo ya Bloch nos avisaba en su artículo de que “hay buenas razones para creer que la sensibilidad puede ser mejorada” y que en un futuro no demasiado lejano se debería poder trabajar con mayor cantidad de materia.

Dudo que por aquel entonces pudieran siquiera imaginar que su propio descubrimiento iba a ser fundamental en el mundo de la medicina del siglo XXI. De hecho, recibieron el Nobel en 1952 “por el desarrollo de nuevos métodos en la medición precisa de efectos magnéticos nucleares”. Nadie vislumbraba en aquel momento las posibles aplicaciones médicas de sus experimentos y se limitaron a utilizar este fenómeno para el análisis de la estructura química de las sustancias.

Hubo que esperar varios años a que se aplicaran los métodos de la resonancia magnética para su uso tanto científico como civil y biomédico. En relación a lo que nos interesa, el uso médico, en 1955 Odeblad y Lindstrom consiguieron medir los espectros de absorción resonante de protones en diversos fluidos biológicos, como glóbulos rojos, músculo e hígado de ratas y conejos.

Entre 1963 y 1971, Mallard, Cook, Kent y Hutchison, de la Universidad de Aberdeen, observaron diferencias en los espectros resonantes de los electrones de biopsias de tumores de hígado y riñón, aunque no consiguieron obtener imágenes útiles en ratones vivos.

RAYMOND DAMADIAN: EL GRAN OLVIDADO

Es en 1971 cuando se produce un avance significativo en el desarrollo de la resonancia magnética nuclear para diagnóstico médico tal y como la conocemos hoy en día: Raymond V. Damadian, americano de origen armenio, publicó “Tumor detection by nuclear magnetic resonance”, un artículo fundamental en el que propone “medidas de resonancia spin-eco para ser usadas como un método para discriminar entre tumores malignos y tejido normal”. Observó diferencias entre muestras de tejidos normales y tumores malignos de hígado y riñón de la rata, así como diferencias entre este tipo de tumores y otros como el fibroadenoma, corroborándolos con tejido humano en 1974 con la ayuda de dos estudiantes post-doctorales, Goldsmith y Minkoff.

Para ello, idearon un equipo básico de resonancia magnética, con el siguiente esquema:

Dicho equipo fue convertido en realidad en 1976, realizando con él la primera tomografía de cuerpo entero de una rata, aunque fallaron al intentar conseguir una tomografía del propio Damadian (según ellos porque éste estaba “demasiado gordo” para la bobina súperdetectora que utilizaban). En las fotos podemos ver a Damadian junto a sus pupilos presentando su equipo (foto de la izquierda), así como al propio Damadian preparado para el estudio con las bobinas enrolladas en forma de hélice sobre su tórax (foto de la derecha).

Así nació el primer equipo de imagen de resonancia magnética, que llamaron cariñosamente “el indomable”, y que hoy en día puede verse en el museo Smithsonian de Washington DC. Según las propias palabras de Damadian: “Me llamaron loco por esta incongruente idea de que se podía introducir a un ser humano dentro de un imán”.

Es, al menos, curioso, que Damadian no estuviera entre los agraciados con el Nobel por el descubrimiento de la resonancia. Sus quejas, eso sí, fueron bastante sonoras (casi tanto como los propios equipos de resonancia), llegando incluso al propio New York Times. Al menos le concedieron otros importantes premios, como la Medalla Nacional de Tecnología de los Estados Unidos, su aparición en el Paseo Nacional de la Fama de Inventores (“National Inventors Hall of Fame”) o el premio Lemelson-MIT Prize como “el hombre que inventó el escáner RMI”.

IMAGEN MÉDICA: LAUTEBUR

El hecho de que a Damadian no se le otorgara el Nobel pudo deberse, quizás, a que él se centró en buscar las señales de resonancia magnética para un diagnóstico diferencial entre tejido tumoral y sano, y no en intentar obtener imágenes humanas médicamente “útiles”.

Es aquí donde entran en juego nuestros amigos Lautebur y Mansfield, que presentábamos al inicio del post. El señor Lauterbur tuvo la genial idea de codificar espacialmente la señal de resonancia utilizando gradientes magnéticos. Dicho de otro modo, se le ocurrió que si se utilizaban campos magnéticos diferentes para cada zona del cuerpo (en su caso para cada zona de un contenedor de agua deuterada), se podría identificar y localizar de dónde provenía exactamente cada señal que detectaba, pudiendo retroproyectar todas estas distribuciones y reconstruir una imagen (del mismo modo, o al menos parecido, al que Hounsfield había utilizado para sus imágenes de TC y que, si recordáis, provenía de las ideas matemáticas de Radon y Cormack). Pasamos, pues, de tener imágenes de señales de radiofrecuencia a imágenes “reales” y visualmente preciosas del interior del cuerpo humano, como podemos ver en su gran artículo sobre lo que él denominó Zeugmatografía: Image formation by induced local interactions; example employing magnetic resonance” de 1979. Curiosamente, el artículo fue rechazado en varias revistas antes de ser publicado en Clinical Orthopaedics and Related Research.

LA APORTACIÓN DE MANSFIELD

Llegado a este punto, querido lector, te puede surgir la siguiente pregunta: Rabi, Purcell, Bloch, Damadian, Lautebur… ¿entonces qué coño hizo Mansfield? A ver si podemos ayudarte a entenderlo: En 1973 Peter Mansfield había descubierto (de manera independiente a Lautebur) que el uso de gradientes de campo magnético proporcionaba información espacial de la señal de resonancia, describiendo matemáticamente la transformación de una señal en el tiempo a una señal en el espacio, lo que posteriormente se llamó espacio-K. Fue en 1976 cuando propuso utilizar secuencias de imágenes eco-planares, es decir, abrió la posibilidad de llenar su espacio-K utilizando un único disparo de resonancia, o single-shot. Aplicó también los avances informáticos de la época para mejorar la capacidad de cálculo y procesamiento. Había, pues, conseguido mejorar y disminuir enormemente el tiempo de una exploración de resonancia magnética.

Fue en 1977 cuando publicó la que se conoce como primera imagen seccional de una región de la anatomía humana: un dedo.

A partir de entonces, los avances fueron ya imparables. Apenas unos meses después, Hinshaw exploró una muñeca y el propio Damadian consiguió realizar la primera resonancia magnética del tronco humano en el New York’s Downstate Medical Center a las 4:45 de la mañana de un 3 de julio. Tal y como recoge la nota que escribieron al finalizar, pudieron observar con detalle “corazón, pulmones, vértebra y musculatura” lo que supuso un “éxito fantástico”.

Ya en la década de los 80, Hawkes y Moore obtuvieron las primeras imágenes de un cráneo humano y posteriormente el propio Mansfield y su equipo llevaron a cabo el primer escáner de cuerpo entero. En la imagen siguiente podemos ver a un sonriente y orgulloso Mansfield (de chaqueta y corbata) junto al resto de sus colegas y su equipo de RM:

En 1981 el primer prototipo de tomógrafo RM llega a un hospital, el Hammersmith de Londres. Y de ahí hasta hoy: resonancias cardiacas, imágenes funcionales del cerebro, resonancias fetales y demás son una práctica clínica básica en cualquier hospital que se precie. Y lo que sigue llegando, la resonancia magnética médica tiene un potencial increíble: los nuevos avances, como los estudios de difusión, perfusión, tractografías o el estudio de otros núcleos diferentes al hidrógeno (C-13, F-19, P-31 o Na-27), hacen creer que estamos solamente al inicio de una completa revolución en el mundo de la imagen médica.

¿CÓMO FUNCIONA, ENTONCES, UN EQUIPO DE IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA?

Ojalá explicar y entender a fondo el funcionamiento y las bases físico-médicas de un equipo de resonancia magnética fuera tan sencillo como escribir estas líneas para Desayuno con Fotones. Sin embargo, creo que, una vez que hemos conocido los pasos fundamentales dados para su descubrimiento, podemos al menos intentar resumir qué sucede cuando tenemos un problema articular, muscular o, quizás, algo más grave, y el médico nos solicita que nos hagan una resonancia.

Si os acordáis, Purcell y Bloch se centraron en el estudio de la resonancia de los protones. Este hecho puede parecer anecdótico pero es fundamental. ¿Por qué? Porque el núcleo del átomo de hidrógeno no es, ni más ni menos, que un único protón. Esto, entre otras cosas, le concede un momento magnético considerable (digamos que le atraen mucho los imanes).

Si rescatamos nuestros conocimientos de “La vida es así”, el cuerpo humano está formado en su mayoría por agua. Y ¿qué átomos forman la molécula de agua?… Sí, mi querido amigo, H2O! Cada molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno, así que el cuerpo humano está plagado de átomos de hidrógeno!! Como, además, cada tejido del cuerpo humano (pulmones, cerebro, hueso, músculo, grasa…) tiene una composición química diferente y una cantidad de agua distinta, si conseguimos saber la distribución de los núcleos de hidrógeno (protones) en el interior del cuerpo humano, podemos ver los tejidos internos con un nivel de detalle increíble.

Recojamos, pues, los frutos de los descubrimientos de Damadian, Lautebur, Mansfield y compañía, y veamos lo que sucede: En el interior de esa claustrofóbica máquina se encuentran imanes brutalmente potentes que generan campos magnéticos con gradiente. Al introducir un cuerpo humano entre ellos, los protones del propio cuerpo absorben parte de esa energía y resuenan, emitiendo ondas al relajarse y volver a su estadio inicial. Con unos detectores ultrasensibles detectamos estas ondas, reconstruyendo matemáticamente las señales para presentarle al radiólogo una preciosa imagen de resonancia magnética:

Los imanes de la resonancia, como os podéis imaginar, no son imanes de andar por casa. Se trata de imanes muy precisos y cientos de veces más potentes que los imancillos que ponemos en la nevera. Así pues, no se te ocurra hacerte una resonancia con nada metálico, ya que puede salir volando en dirección a los imanes. Puede parecer un tema gracioso, pero en su origen se reportaron casos de fallecimiento de, entre otros, antiguos excombatientes en Vietnam con esquirlas metálicas de metralla que no acabaron muy bien parados al activarse el campo magnético de la resonancia. Por suerte, el titanio de las prótesis que se ponen hoy en día es paramagnético, es decir, que pasa de los imanes. Así que ¡id tranquilos!

También es divertido (hasta que te enteras de que un equipo de resonancia puede alcanzar fácilmente dos o tres millones de euros) ver cómo despistes en la colocación de objetos en el interior de una sala de resonancia pueden acabar en accidente. Muy clásica, y a la vez espectacular, es la imagen de una camilla de paciente que, por error, alguien dejó dentro de la sala…

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Más curioso aún es el accidente que se produjo en Nueva Delhi en 2014, cuando una persona del hospital que no había trabajado nunca en la resonancia entró en la sala con una bombona de oxígeno mientras la máquina estaba en funcionamiento… La imagen habla por sí sola:

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¿POR QUÉ ME PONEN CONTRASTE? ¿POR QUÉ HACE TANTO RUIDO?

Si te ha tocado hacerte alguna vez una resonancia, quizás te hayas hecho estas dos preguntas. Empecemos por, quizás, la más sencilla: el ruido de una resonancia (sin duda ensordecedor) se produce por los pulsos de corriente eléctrica que entran en las bobinas de los imanes, haciendo que éstas se contraigan y expandan ligeramente, lo que le otorga un sonido similar al de un martillo golpeando, y que puede llegar a alcanzar hasta los 120 decibelios, equivalente al motor de un avión.

Respecto al contraste, éste se utiliza cuando queremos observar tejidos con una respuesta en resonancia muy similar entre ellos y que, por tanto, son difícilmente distinguibles en una imagen. ¿Cómo podemos hacer que se diferencien? Utilizando sustancias como el gadolinio, un compuesto paramagnético capaz de modificar la respuesta de diversos tejidos al campo magnético, haciendo que brillen más en las imágenes médicas.

SI HAY RESONANCIAS, ¿PARA QUÉ QUEREMOS EL TC?

Para finalizar este post monográfico sobre la resonancia, vamos a intentar dejar claro algo: hemos dicho que la resonancia magnética soluciona de un plumazo los dos principales problemas que teníamos con el TC. Entonces, ¿por qué se siguen haciendo millones de TCs al año si la resonancia es mejor?

Sencillamente porque la resonancia magnética no es mejor que el TC. Es, digamos, complementaria: el tipo de imágenes y de estudios para los que están diseñados es diferente. Por otro lado, la resonancia presenta una serie de inconvenientes que no tenemos en un escáner. Sin entrar en demasiado detalle, hay que decir que un estudio de resonancia implica mucho más tiempo (entre 15 y 45 minutos para resonancia y unos pocos segundos para un escáner), lo que disminuye la eficiencia de estos equipos (menos eficiencia = más coste económico) y limita su uso en estudios urgentes como traumatismos por accidente o urgencias neurológicas. Además, al ser más rápido, el TC es menos sensible al movimiento que la resonancia, ya que es más fácil estarse quieto medio minuto que media hora. Y, por otro lado, es menos (mucho menos) claustrofóbico ya que la abertura del donut es, por lo general, muy superior.

Por otro lado, al escáner le dan más o menos igual los marcapasos, las grapas y los implantes cocleares… ¿Os acordáis de lo que dijimos de entrar con algo metálico en una resonancia?

¡Nada más! Mi más sincera enhorabuena si has conseguido llegar al final del post. ¡Eres un campeón! Espero haber conseguido que, al menos, seas consciente de todo el trabajo científico que hay detrás de un invento que salva tantas vidas como puede ser una resonancia magnética. Y si te hacen alguna vez alguna, recuerda: no duele, no sientes nada… pero ¡prepárate para estar totalmente quieto durante media hora! ¿Serás capaz?

15 Respuestas a “Siempre se van los mejores: Peter Mansfield y el desarrollo de la resonancia magnética nuclear para diagnóstico médico

  1. Magnífico post, Carlos. Muy buen repaso y merecido homenaje a todos los que tuvieron algo que ver con esta técnica de imagen prodigiosa. Gracias por colaborar con DCF.

  2. Enhorabuena Carlos!!! Me ha resultado mucho más fácil de entender gracias a tu magnífica explicación. Sigue así dando estás lecciones de sapiencia . Muchas gracias!!!!

  3. Qué interesante es la historia de la RMI y qué bien nos la has contado, Carlos. Yo estaba en el 2003 rotando con Ignacio, Ricardo y Miguel en el Río Hortega cuando Ignacio me dijo que le habían dado el premio Nobel de Medicina a un físico por su contribución a la RMI. Y recuerdo que comentamos que la resonancia magnética es uno de los ejemplos que se pueden poner a aquellos que dicen que la investigación básica no sirve para nada.

    • De los mejores ejemplos que conozco: investigación acerca de los núcleos que, en teoría, no sirve para nada, y que acaba revolucionando la medicina. Gracias, Naia, por tus comentarios, por la espera y por ofrecerme el post ;)

  4. Maravilloso ejemplo de divulgacion cientifica, de todo tu articulo resaltaria la frase que dice “en este mundo hay gente famosa que llena HOJAS DE PRENSA SIN HABER HECHO NADA” hay empieza el grave problema que tiene nuestra sociedad, que alentamos lo insustancial y arrinconamos lo sustancial, dicho de otra forma, le damos mas valor a un tio que le pega patadas a una pelota, que a un cientifico buscando la solucion al cancer.
    Pero hay que ir aun muchos mas lejos, en este planeta estamos todos condenados, si solo apoyamos a los titeres de nuestra sociedad, nuestro sol va envejeciendo y de aqui a dos mil millines de años el sistema solar desaparecera, si es mucho tiempo, pero llevamos ya a nuestras espaldas tres mil millones de años, somos el unico ser vivo capaz de hacer frente al reto que las leyes universales nos tiene planteadas.
    No estamos aqui para ser un animal mas,y para vivir, para trabajar , reproducirnos y sobre todo pasarlo bien .
    Somos la punta de lanza de la evolucion, y los responsables de que la vida pueda desarrollarse fuera de este planeta.
    Aveces se nos olvida que somos muy fragiles, que basta con dejarnos sin oxigeno unos minutos para que el planeta quede sin vida.
    La clave esta en la diculgacion de la cultura cientifica y dejar las creencias ancestrales que en nada benefician a todos los pueblos de la tierra.
    La ONU deberia de establecer un protocolo en la enseñanza a nivel mundial, en el que hubiera una asignatura comun a todos los habitantes del planeta, poniendo los conocimientos cientificos actuales como base de la enseñanza, de donde venimos y hacia donde tenemos que ir, poniendo como objetivo final conseguir superar la extincion de nuestro planeta.
    Es primordial crear un idioma universal, que nos acerque y podamos entendernos todos para fijar objetivos.
    Hay que dejar claro que no va a venir ningun dios a salvarnos. somos los due ños de nuestro destino.y de la vida en la tierra.
    La realidad es que a nivel galactico estamos en la edad de piedra y tendran que pasar muchos cientos de años para que seamos capaces de intentar un exodo hacia el espacio
    TODO SER HUMANO DEBE SER CONSCIENTE DEL FUTURO QUE NOS ESPERA Y APORTAR SU GRANITO DE ARENA PARA NUESTRA SUPERVIVENCIA A MUY LARGO PLAZO.
    No se si compartes la verdadera realidad ….

  5. Un post fabuloso. Desconocía la historia y me ha parecido interesantísima. También te felicito por explicar de una forma tan clara y entretenida la resonancia magnética, un tema complejo y muy difícil de explicar.

    • Laura no se trata en si de la resonancia magnetica, sino del hecho de que la ciencia este arrinconada en los ultimos eslavones de la sociedad, es eso lo que debemos cambiar, es lo que se debe de poner en valor, porque en el progreso cientifico esta el futuro de todo los seres vivos del planeta.
      Hay que educar a la poblacion en la evidencia cientifica y poco a poco ir dejando las religiones y las creencias ancestrales..nos va la supervivencia en ello…difunde este pensamiento..es por el bien de tus descendientes…a nosotros ya nos pilla un poco mayores y esto es una evolucion que tardara bastante tiempo, pues la cultura populista esta muy arraigada y costara cambiar la tendencia…

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