Tomografía axial computarizada

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TAC, RMN, Espectroscopia, Ecografia.

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Tomografía axial computarizada

  1. 1. Tomografía Axial Computarizada (TAC) 1Ms. Jairo E. Márquez D.“La tomografía axial computarizada (TAC), o tomografía computarizada (TC),también denominada escáner, es una técnica de imagen médica que utilizaradiación X para obtener cortes o secciones de objetos anatómicos con finesdiagnósticos. Tomografía viene del griego τομον que significa corte o sección y de γραφίς que significa imagen o gráfico. Por tanto la tomografía es la obtención de imágenes de cortes o secciones de algún objeto. La posibilidad de obtener imágenes de cortes tomográficos reconstruidas en planos no transversales, ha hecho que en la actualidad se prefiera denominar a ésta técnica tomografía computarizada o TC en lugar de TAC. En lugar de obtener una imagen de proyección, como la radiografía convencional, la TC obtiene múltiples imágenes al efectuar la fuente de rayos X y los detectores de radiación movimientos de rotación alrededor del cuerpo. La representación final de la imagen tomográfica se obtiene mediante la captura de las señalespor los detectores y su posterior proceso mediante algoritmos de reconstrucción.Un TAC es la imagen de un corte o sección de un objeto construida por unordenador a partir de una serie de imágenes de rayos X de esa sección del objetotomadas por un emisor y un detector de rayos X que giran alrededor del objetosobre un eje (axial).”21 Fuente de consulta. Tomografía Axial Computarizada. http://eltamiz.com/2008/01/22/%C2%BFen-que-consiste-una-tomografia-axial-computarizada-tac/. [On line] [Consultado el 20 de mayo de 2012]2 Fuente de consulta. Tomografía Axial Computarizada.http://es.wikipedia.org/wiki/Tomograf%C3%ADa_axial_computarizada. [On line] [Consultado el 20 de mayode 2012].
  2. 2. Un TAC genera una imagen de corte trasversal o imágenes tridimensionales delos órganos y estructuras internas del cuerpo, en la que se definen las estructurasnormales y anormales en el cuerpo, asistir a procedimientos o guiar con precisiónal médico en la colocación de dispositivos o tratamientos.En el TAC el cuerpo es visto dividido en segmentos a partir de la zona del centro,si fuera necesario una imagen tridimensional de alguno de los segmento revelaríaaún más detalles. De igual manera, el TAC es una técnica indolora y mínimamenteinvasiva que proporciona a radiólogo mucha información sobre el estado delpaciente.Cómo se prepara al paciente para un TAC3 Se pide al paciente que vaya en ayunas tanto de líquidos y solidos. Si se administra contraste se da por vía oral o mediante enema. Si la persona es alérgica al yodo el médico debe saberlo. La persona se ha de quitar cualquier objeto metálico, joyas, anillos, así como ciertas prendas de vestir alrededor del cuerpo que puedan interferir con la calidad de imágenes, para hacer la prueba te pueden cubrir con una bata típica de hospital y una especie de manta o cubierta. Los pacientes son colocados en una mesa móvil que se desliza hacia una gran máquina en forma de rosquilla. El procedimiento dura entre media hora y hora y media. A veces se realizan pruebas específicas como biopsias durante el TAC o tomografía axial. Es importante el paciente se mueva lo menos posible durante el TAC ya que esto mejora la claridad de las imágenes de Rayos X. El técnico le dirá al paciente cuando debe respirar o mantener el aliento durante las exploraciones de tórax o abdomen.Mecánicamente, el TAC consta básicamente de un anillo en el que se introduce alpaciente, un emisor y un receptor de rayos X tras las paredes del anillo quepueden girar alrededor de él, y un ordenador que analiza los datos obtenidos porel detector. No hay que confundirlo con el escáner por Resonancia Magnética, queson los que tienen forma de un largo tubo.Para emitir los rayos X se utiliza un pequeño acelerador de partículas: se aceleranelectrones y se hacen impactar contra un objetivo de metal. Cuando los electroneschocan contra el metal y frenan bruscamente, la energía cinética que tenían seemite en forma de radiación electromagnética (fotones). Puesto que los electronesse movían muy rápido, esos fotones tienen una energía, y por lo tanto unafrecuencia, muy grandes, y una longitud de onda muy corta (de unos 10 -10 metros):3 Ibid.
  3. 3. son rayos X. Dependiendo de la velocidad que tuvieran los electrones y el metalutilizado (unos, como el tungsteno, los frenan más rápido que otros como elmolibdeno) se puede regular la frecuencia de la radiación. Escáner TAC de 64 capas “Brilliance”, de Philips.A la salida del cañón de rayos X, que emite un cono de radiación, se coloca unapantalla de plomo (el plomo es un excelente apantallador de rayos X) con unarendija muy fina. Lo que la atraviesa es, por tanto, una especie de “rodaja” delcono, con forma de abanico fino. Evidentemente, cuanto más fina sea la rendija,mayor será la precisión del proceso.Esa “rojada” de rayos X atraviesa el objeto en cuestión. Dependiendo de dóndeesté el cañón de rayos X, lo hará en una dirección u otra. Supongamos que elcañón está justo sobre el anillo del TAC y apuntando hacia abajo (por supuesto, siel paciente está dentro no lo verá, porque estará dentro del anillo y el cañón justoal otro lado de la pared del anillo). Entonces, los rayos X viajan de arriba haciaabajo, atravesando la cabeza y saliendo por debajo, pasando por una sección finade tu cráneo.Naturalmente, no todos los fotones atraviesan el cuerpo y llegan al otro lado delanillo: algunos son absorbidos. Los que atraviesan material más denso sonabsorbidos más frecuentemente, mientras que los que pasan por zonas blandasson candidatos más probables a llegar al otro extremo. Evidentemente, estosignifica que está absorbiendo radiación ionizante, por lo que se debe ser
  4. 4. precavido en el uso excesivo de este tipo de radiación, tal como se ha expuesto enclase.Al otro lado del cañón se encuentra un detector de rayos X: hay muchassustancias que pueden servir para este propósito, puesto que la radiaciónionizante es bastante fácil de detectar. A lo largo de la historia se han utilizadoplacas fotográficas, fósforos fotoestimulables, pantallas de tierras raras.Cualquiera que sea el sistema concreto empleado, el detector registra una líneade fotones de rayos X, justo la proyección del corte de tu cuerpo sobre él. Unospuntos de la línea serán más brillantes que otros, dependiendo de dónde habíahueso, cartílago, aire, agua, cuando el haz atraviesa el cuerpo.
  5. 5. “El aparato de TC emite haz colimado de rayos X que incide sobre el objeto que seestudia. La radiación que no ha sido absorbida por el objeto es recogida por losdetectores. Luego el emisor del haz, que tenía una orientación determinada (porejemplo, estrictamente vertical a 90º) cambia su orientación (por ejemplo, hazoblicuo a 95º). Este espectro también es recogido por los detectores. El ordenadorsuma las imágenes, promediándolas. Nuevamente, el emisor cambia suorientación (según el ejemplo, unos 100º de inclinación). Los detectores recogeneste nuevo espectro, lo suman a los anteriores y promedian los datos. Esto serepite hasta que el tubo de rayos y los detectores han dado una vuelta completa,momento en el que se dispone de una imagen tomográfica definitiva y fiable.Para comprender qué hace el ordenador con los datos que recibe lo mejor esexaminar el diagrama que se aprecia líneas abajo. La figura representa el resultado en imagen de una sola incidencia o proyección (vertical, a 90º). Se trata de una representación esquemática de un miembro, por ejemplo un muslo. El color negro representa una densidad elevada, la del hueso. El color gris representa una densidad media, los tejidos blandos (músculos). En la figura el ordenador dispone de datos de cuatro incidencias: 45º, 90º, 135º y 180º. Los perfiles de la imagen son octogonales, lo que la aproximan mucho más a los contornos circulares del objeto real.Una vez que ha sido reconstruido el primer corte, la mesa donde el objeto reposaavanza (o retrocede) una unidad de medida (hasta menos de un milímetro) y elciclo vuelve a empezar. Así se obtiene un segundo corte (es decir, una segundaimagen tomográfica) que corresponde a un plano situado a una unidad de medidadel corte anterior.
  6. 6. A partir de todas esas imágenes transversales (axiales) un computadorreconstruye una imagen bidimensional que permite ver secciones de la pierna (o elobjeto de estudio) desde cualquier ángulo. Los equipos modernos permiten inclusohacer reconstrucciones tridimensionales. Estas reconstrucciones son muy útiles endeterminadas circunstancias, pero no se emplean en todos los estudios, comopodría parecer. Esto es así debido a que el manejo de imágenes tridimensionalesno deja de tener sus inconvenientes.Interior del anillo de un TAC. T: tubo de rayos X. D: detector. X: haz de rayos X. R: sentido de rotación. Crédito: Wikipedia/GPL.Un ejemplo de imagen tridimensional es la imagen real. Como casi todos loscuerpos son opacos, la interposición de casi cualquier cuerpo entre el observadory el objeto que se desea examinar hace que la visión de éste se veaobstaculizada. La representación de las imágenes tridimensionales sería inútil sino fuera posible lograr que cualquier tipo de densidad que se elija no se vearepresentada, con lo que determinados tejidos se comportan como transparentes.Aun así, para ver completamente un órgano determinado es necesario mirarlodesde diversos ángulos o hacer girar la imagen. Pero incluso entonces se vería susuperficie, no su interior. Para ver su interior debemos hacerlo a través de unaimagen de corte asociada al volumen y aun así parte del interior no siempre seríavisible. Por esa razón, en general, es más útil estudiar una a una todas lasimágenes consecutivas de una secuencia de cortes que recurrir areconstrucciones en bloque de volúmenes, aunque a primera vista sean másespectaculares.
  7. 7. A continuación, el cañón y el detector, que están montados sobre un soportegiratorio, rotan un pequeño ángulo. Supongamos por ejemplo que giran 1°, demodo que los rayos X no llegan a la cabeza justo desde arriba, pero casi. Eldetector registra los fotones de rayos X que le llegan, y el anillo que contiene elcañón y el detector gira de nuevo. Cuando han completado 360°, se habránobtenido las proyecciones del corte en todas las posibles direcciones de esasección.Todos estos datos son pasados a un computador, que revierte el proceso físico (laproyección del corte sobre distintas direcciones del espacio) para reconstruir lasección completa. El resultado es una imagen bidimensional de esa sección delobjeto. A continuación puede moverse el anillo una pequeña distancia a lo largodel eje del anillo (por ejemplo, 1 cm hacia los pies) y volver a realizar toda la vueltade imágenes para obtener otro corte del cuerpo un poco más abajo.”4Con base en la imagen anterior, se muestra una serie de imágenes que ayudan atener una idea general del TAC. (Imágenes obtenidas de el Baúl radiológicohttp://elbaulradiologico.blogspot.com/2011/10/mecanismo-fisico-de-adquisicion-de.html) Escáner de Tomografía Axial Computarizada en la sala de exploración. (LightSpeed 16 GE Healthcare (HUMS)4 Ibidem.
  8. 8. Al levantar la tapa frontal de un escáner se aprecian en el interior del "gantry" el tubo, losdetectores y los motores que los impulsan. (LightSpeed 16 GE Healthcare (HUMS).El aspecto externo del “gantry” del prototipo de Hounsfield, el EMI- MARK I y delos modelos posteriores, utilizados durante las décadas de los ochenta y de losnoventa, era de líneas rectas.Actualmente el diseño ha evolucionado hacia formas más redondeadas y sumorfología recuerda a una rosquilla gigante, de dos metros de diámetro (versiguientes figuras).
  9. 9. Esta imagen probablemente ayude a entender la descripción:
  10. 10. El primer aparato de TAC listo para ser usado de forma comercial fue desarrollado por Sir GodfreyNewbold Hounsfield (que por entonces no era Sir) e independientemente por Allan McLeodCormack. Ambos compartieron el Premio Nobel de Medicina en 1979. Eso sí, aquellos TACs noeran 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., asíhasta 160 veces. El proceso duraba unos cinco minutos.Muchos escáners 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 (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 anilloha ido aumentando de velocidad. Hoy en día un anillo da la vuelta completa enunos 3 segundos.Hoy en día se procesan los datos en unos minutos, a pesar de que la cantidad deinformación es ingente comparada con la de aquellos años. De hecho, lacapacidad de proceso de hoy en día permite hacer cosas que por aquel entonceseran absolutamente imposibles.Por ejemplo, pueden tomarse las imágenes de muchas capas separadas unadistancia muy pequeña y combinarlas para crear una imagen tridimensional delobjeto:Muchas veces quiere observarse algo muy concreto dentro del cuerpo (como losvasos sanguíneos de una zona determinada). Entonces se suele administrar, víaintravenosa, un agente de contraste, es decir, una sustancia que absorbe muybien los rayos X, de modo que es muy opaca a esta radiación.
  11. 11. TAC en 3D. Crédito: Wikipedia/GPL.Los usos de una TAC son, como puedes imaginar, muy variados: permite ver conuna precisión bastante buena el interior del cuerpo en dos y tres dimensiones, demodo que se usa en el diagnóstico de muchas dolencias, entre ellas (aunque haymuchas 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.
  12. 12. Sin embargo, a pesar de todo esto no se suelen realizar TACs al libre albedrio, losrayos X al ser radiación ionizante, aumenta la probabilidad del desarrollo detumores claro están dependiendo del grado de exposición. Para el caso de unaTEP [Tomografia de emisión de positrones], se somete a un paciente a unos7 milisieverts (mSv), el equivalente a dos o tres años de radiación natural defondo, y algo parecido pasa en este caso. Una TAC es el equivalente de hacertemuchas radiografías, de modo que la dosis recibida puede llegar a ser bastantealta: desde unos 1,5mSv para un TAC craneal hasta 13mSv para un TAC delcorazón con gran resolución.
  13. 13. Es importante aclarar, que el diagnóstico por imágenes por TC no se recomiendapara las mujeres embarazadas salvo que sea médicamente necesario debido alriesgo potencial para el bebé. Las madres en período de lactancia deben esperar24 horas después de que hayan recibido la inyección intravenosa del material decontraste antes de poder volver a amamantar. El riesgo de una reacción alérgicagrave al material de contraste que contiene yodo muy rara vez ocurre, y losdepartamentos de radiología están bien equipados para tratar tales reacciones.Debido a que los niños son más sensibles a la radiación, se les debe someter a unestudio por TC únicamente si es fundamental para realizar un diagnóstico y no seles debe realizar estudios por TC en forma repetida a menos que seaabsolutamente necesario.De lo anterior, no implica que si se hace un TAC vaya a desarrollar un cáncer,pero sí que es conveniente hacerse los menos posibles a lo largo de la vida, sobretodo de niño (los TACs pediátricos son los menos frecuentes). Cuanta menosradiación, mejor, pero hay veces en las que el riesgo de no hacerse una TAC esmayor que el riesgo de hacérsela, porque ayuda a diagnosticar algo muy grave.“El TAC es una prueba de bajo riesgo, en algunas ocasiones puede darse unareacción adversa al líquido usado como contraste por vía intravenosa. Este líquidosuele ser una sustancia a base de yodo lo que permite que los vasos sanguíneos,y otras estructuras del cuerpo sean más visibles en el TAC.El contraste puede ocasionar picor, sarpullido o ronchas y una sensación de calorinterna, estas reacciones si ocurren suelen ser pasajeras.En caso de una reacción más grave o reacción anafiláctica el paciente puedeexperimentar una urticaria severa y otros síntomas que si no se tratan pueden sermortales. La reacción anafiláctica es poco frecuente. El médico en este casoconsidera administrará un antihistamínico, epinefrina corticosteroides.”5Ahora, para el caso de “las fórmulas matemáticas para reconstruir una imagentridimensional a partir de múltiples imágenes axiales planas fueron desarrolladaspor el físico J. Radon, nacido en Austria en 1887.Tras sus trabajos las fórmulas existían (Transformada de Radon)6, pero no así elequipo de rayos X capaz de hacer múltiples “cortes” ni la máquina capaz de hacerlos cálculos automáticamente.5 Fuente. Tomografía axial computarizada. http://demedicina.com/tac-tomografia-axial/ [On line] [Consultadoel 20 de mayo de 2012]6 La transformada de Radon bidimensional, llamada así por Johann Radon, es una transformaciónintegral que consiste en la integral de una función sobre un conjunto de rectas. Por ejemplo, si una línea larepresentamos por xcosƟ+ysinƟ=s , donde s es la mínima distancia desde la recta al origen y Ɵ es el ánguloque forma el eje x con el vector posición del punto de la recta más cercano al origen, entonces
  14. 14. En un espacio -dimensional la transformada de Radon es la integral de una función sobre hiperplanos. Laintegral de una función sobre un conjunto de rectas en un espacio n-dimensional se le denomina transformadade rayos-X, aunque a veces este término es adoptado por la transformada de Radon.En el contexto de las tomografías la transformada de Radon se le suele llamar senograma, puesto que latransformada de Radon de una función delta tiene como respuesta característica un seno. En consecuencia, larepresentación gráfica de la transformada de Radon de un conjunto de pequeños objetos parece una colecciónde senos con diferentes fases y amplitudes.La transformada de Radon es útil en los TACs (tomografía axial computarizada) y en la soluciónde ecuaciones en derivadas parciales hiperbólicas.Teorema de las secciones de Fourier: La transformada de Radon está estrechamente relacionada conla transformada de Fourier. Para una función de una variable, se define la transformada de Fourier de lasiguiente formay para una función de bidimensional de variable X=(x,y)Por conveniencia se cambia la nomenclatura de la siguiente formapuesto que tomaremos la transformada de Fourier respecto la variable s. El teorema de las secciones deFourier se enuncia de la siguiente forma:dondeEste resultado da una fórmula explícita para la inversión de la transformada de Radon, y además da lascondiciones para conocer en qué espacios de funciones la transformada de Radon es invertible. Sin embargo,esta igualdad no es útil desde un punto de vista numérico.Retroproyección filtradaExiste un algoritmo inverso de la transformada de Radon computacionalmente eficiente para el casobidimensional llamado retroproyección filtrada. Primeramente consideremos el operador adjunto de :Este operador recibe el nombre de retroproyector puesto que coge las proyecciones sobre las rectas y lasesparce o retroproyecta para producir una imagen. Se puede observar como este operador no es latransformada inversa de Radon.Definimos el siguiente filtro rampa de una variable
  15. 15. Para aplicarlo a la medicina hubo que esperar al desarrollo de la computación ydel equipo adecuado que mezclase la capacidad de obtener múltiples imágenesaxiales separadas por pequeñas distancias, almacenar electrónicamente losresultados y tratarlos. Todo esto lo hizo posible el británico G. H. Hounsfield en losaños 70.La TC, es una exploración oprueba radiológica muy útil para elestudio de extensión delos cánceres en especial en lazona craneana, al igual que elcáncer de mama, cáncer depulmón y cáncer de próstata o ladetección de cualquier cáncer enla zona nasal, los cuales en suetapa inicial pueden estarocasionando alergia o rinitiscrónica. Otro uso es la simulaciónvirtual y planificación de untratamiento del cáncerAplicando el teorema de las secciones de Fourier y cambiamos las variables de integración, observamos quepara f una función de dos variables, y g=R[f]lo que significa que la imagen original f puede ser recuperada del sinograma g aplicando un filtro rampa(sobre la variable s) y entonces retroproyectando. Como que el paso de filtrado puede ser implementado deforma eficiente (mediante técnicas de procesamiento digital de señales) y la retroproyección no es más queuna acumulación de valores en los píxeles de la imagen, resulta un algoritmo altamente eficiente, por lo quese trata de un algoritmo ampliamente usado. Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_Radon
  16. 16. con radioterapia es imprescindible el uso de imágenes en tres dimensiones que seobtienen de la TC.Las primeras TC fueron instaladas en España a finales de los años 70 del sigloXX. Los primeros TC servían solamente para estudiar el cráneo, fue conposteriores generaciones de equipos cuando pudo estudiarse el cuerpo completo.Al principio era una exploración cara y con pocas indicaciones de uso.Actualmente es una exploración de rutina de cualquier hospital, habiéndoseabaratado mucho los costes. Ahora con la TC helicoidal, los cortes presentanmayor precisión distinguiéndose mejor las estructuras anatómicas. Las nuevas TCmulticorona o multicorte incorporan varios anillos de detectores (entre 2 y 320), loque aumenta aún más la rapidez, obteniéndose imágenes volumétricas en tiemporeal. Pantalla típica del software de diagnóstico, mostrando una vista 3D y tres vistas MPR.Esquema de una TC de cuarta generación. El tubo gira dentro del gantry quecontiene múltiples detectores en toda su circunferencia. La mesa con el pacienteavanza progresivamente mientras se realiza el disparo.Entre las ventajas de la TC se encuentra que es una prueba rápida de realizar,que ofrece nitidez de imágenes que todavía no se han superado con la resonancia
  17. 17. magnética nuclear como es la visualización de ganglios, hueso, etc. y entre susinconvenientes se cita que la mayoría de veces es necesario el uso de contrasteintravenoso y que al utilizar rayos X, se reciben dosis de radiación ionizante, que aveces no son despreciables. Por ejemplo en una TC abdominal, se puede recibir laradiación de más de 500 radiografías de tórax, el equivalente de radiación naturalde más de cinco años.Por medio de la visualización a través de la exploración por TC un radiólogoexperto puede diagnosticar numerosas causas de dolor abdominal con una altaprecisión, lo cual permite aplicar un tratamiento rápido y con frecuencia elimina lanecesidad de procedimientos de diagnóstico adicionales y más invasivos. Cuandoel dolor se produce a causa de una infección e inflamación, la velocidad, facilidady precisión de un examen por TAC puede reducir el riesgo de complicacionesgraves causadas por la perforación del apéndice o la rotura del divertículo y laconsecuente propagación de la infección. Las imágenes por TC son exactas, noson invasivas y no provocan dolor. Una ventaja importante de la TAC es sucapacidad de obtener imágenes de huesos, tejidos blandos y vasos sanguíneos almismo tiempo.De la cuadrícula formada, con los emisores y detectores, a cada una se le asigna un tono gris detal manera que se logra la imagen de un corte en rebanadas del paciente. Mediante el avance delpaciente en el tubo radiológico se realizan cortes sucesivos hasta obtener una imagenprácticamente tridimensional. Crédito de la imagen.http://impactodelatecnologiaenlamedicina.blogspot.com/A diferencia de los rayos X convencionales, la exploración por TAC brindaimágenes detalladas de numerosos tipos de tejido así como también de lospulmones, huesos y vasos sanguíneos. Los exámenes por TC son rápidos y
  18. 18. sencillos; en casos de emergencia, pueden revelar lesiones y hemorragiasinternas lo suficientemente rápido como para ayudar a salvar vidas. Se hademostrado que la TC es una herramienta de diagnóstico por imágenes rentableque abarca una amplia serie de problemas clínicos. La TAC es menos sensible almovimiento de pacientes que la RMN.La TAC se puede realizar si usted tiene implante de dispositivo médico decualquier tipo, a diferencia de la RMN. El diagnóstico por imágenes por TACproporciona imágenes en tiempo real, haciendo de éste una buena herramientapara guiar procedimientos mínimamente invasivos, tales como biopsias poraspiración y aspiraciones por aguja de numerosas áreas del cuerpo,particularmente los pulmones, el abdomen, la pelvis y los huesos. Un diagnósticodeterminado por medio de una exploración por TC puede eliminar la necesidad deuna cirugía exploratoria y una biopsia quirúrgica. Luego del examen por TAC noquedan restos de radiación en su cuerpo. En general, los rayos X utilizados en lasexploraciones por TC no tienen efectos secundarios.”7Para tener en cuenta:RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR“La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno físico basado en laspropiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos. RMN también se refierea la familia de métodos científicos que explotan este fenómeno paraestudiarmoléculas (espectroscopia de RMN), macromoléculas (RMNbiomolecular), así como tejidos y organismos completos (imagen por resonanciamagnética).La resonancia magnética hace uso de las propiedades de resonanciaaplicando radiofrecuencias a los átomos o dipolos entre los campos alineados dela muestra, y permite estudiar la información estructural o química] y la químicaorgánica. Es común denominar "resonancia magnética" alaparato queobtiene imágenes por resonancia magnética (MRI, por las siglas en inglés de"Magnetic Resonance Imaging").Las frecuencias a las cuales resuena un átomo (i. e. dentro de una molécula) sondirectamente proporcionales a la fuerza del campo magnético ejercido, de acuerdocon la ecuación de la frecuencia de precesión de Larmor. La literatura científicahasta el 2008 incluye espectros en un gran intervalo de campos magnéticos,desde 100 nT hasta 20 T). Los campos magnéticos mayores son a menudopreferidos puesto que correlacionan con un incremento en la sensibilidad de laseñal. Existen muchos otros métodos para incrementar la señal observada. Elincremento del campo magnético también se traduce en una mayor resolución7 Ibid.
  19. 19. espectral, cuyos detalles son descritos por el desplazamiento químico y el efectoZeeman8.La RMN estudia los núcleos atómicos al alinearlos a un campo magnéticoconstante para posteriormente perturbar este alineamiento con el uso de uncampo magnético alterno, de orientación ortogonal. La resultante de estaperturbación es el fenómeno que explotan las distintas técnicas de RMN. Elfenómeno de la RMN también se utiliza en la RMN de campo bajo, la RMN decampo terrestre y algunos tipos de magnetómetros.”9“Esta técnica es ideal para la detección de tumores muy pequeños, que puedenresultar invisibles para la técnica tradicional por rayos X. La RMN está basada enlas alteraciones magnéticas que sufren las moléculas de agua en el organismo.Las imágenes se obtienen de la siguiente manera:Se somete el cuerpo a un fuerte campo magnético; esto hace que las moléculasde hidrógeno del agua actúen como micro imanes, haciendo que éstos se alineenen una misma dirección. Al mismo tiempo se les bombardea con impulsos deradiofrecuencia haciendo que los núcleos atómicos se desorienten. Sin embargo,8 El efecto Zeeman, es descrito como la división de una línea espectral en varios componentes cuando elelemento se coloca en la presencia de un campo magnético.9 Fuente. Resonancia Magnética nuclear. http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia_magn%C3%A9tica_nuclear[On line] [Consultado el 20 de mayo de 2012]
  20. 20. si la radiofrecuencia se corta, los átomos vuelven a su alineación original,emitiendo una señal muy débil.Estas señales son colectadas en una computadora, que mide el tiempo que tardanlos átomos de hidrógeno en retornar a su posición de estado de equilibrio, creandocon esta información una imagen bidimensional del órgano o sección del cuerpoobservada. Como este tiempo de retorno no es el mismo entre los núcleosatómicos de los diferentes tejidos se puede aprovechar este hecho para distinguirentre los tejidos.Una vez colectadas estas señales la computadora asigna un color o un tono gris acada tipo de tejido para formar imágenes más nítidas de los diferentes órganosbajo observación. Esto sirve para la identificación de tejidos cancerosos, ya que elagua contenida en un tumor difiere totalmente de la de un tejido normal.”1010 Fuente. Impacto de la tecnología en la medicina. http://impactodelatecnologiaenlamedicina.blogspot.com/[On line] [Consultado el 20 de mayo de 2012]
  21. 21. Como complemento a la RMN clínica, está la espectroscopia de RMN, que esuna de las principales técnicas empleadas para obtener información física,química, electrónica y estructural sobre moléculas. Es una poderosa serie demetodologías que proveen información sobre la topología, dinámica y estructuratridimensional de moléculas en solución y en estado sólido.“La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnicaempleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunquetambién se puede emplear con fines cuantitativos.Algunos núcleos atómicos sometidos a un campo magnético externoabsorben radiación electromagnética en la región de las frecuencias de radioo radiofrecuencias. Como la frecuencia exacta de esta absorción depende delentorno de estos núcleos, se puede emplear para determinar la estructura de lamolécula en donde se encuentran éstos.Para que se pueda emplear la técnica los núcleos deben tener un momentomagnético distinto de cero. Esta condición no la cumplen los núcleos con númeromásico y número atómico par (como el 12C, 16O, 32S). Los núcleos másimportantes en química orgánica son: 1H, 13C, 31P, 19F y15N. Otros núcleosimportantes: 7Li, 11B, 27Al, 29Si, 77Se, 117Sn, 195Pt, 199Hg, 203Tl, 205Tl, 207PbSe prefieren los núcleos de número cuántico de espín nuclear igual a 1/2, ya quecarecen de un momento cuadrupolar eléctrico que produce un ensanchamiento delas señales de RMN. También es mejor que el isótopo sea abundante en lanaturaleza, ya que la intensidad de la señal dependerá de la concentración deesos núcleos activos. Por eso, uno de los más útiles en la elucidación deestructuras es el 1H, dando lugar a la espectroscopia de resonancia magnéticanuclear de protón. También es importante en química orgánica el 13C, aunque setrata de un núcleo poco abundante y poco sensible.La técnica se ha empleado en química orgánica, química inorgánica y bioquímica.La misma tecnología también ha terminado por extenderse a otros campos, porejemplo en medicina, en donde se obtienen imágenes por resonanciamagnética.”11Tipos de RMN12Espectroscopia de RMN con Onda Continua (CW: Continuous Wave)Desde sus comienzos hasta finales de los 60, la espectroscopia de RMN utilizóuna técnica conocida como espectroscopia de onda continua (CW). La manera deregistrar un espectro de RMN en el modo de CW era, bien mantener constante elcampo magnético e ir haciendo un barrido de frecuencias con un campo oscilante,11 Fuente. Impacto de la tecnología en la medicina. http://impactodelatecnologiaenlamedicina.blogspot.com/[On line] [Consultado el 20 de mayo de 2012]12 Ibídem.
  22. 22. o bien, lo que era usado más a menudo, se mantenía constante la frecuencia delcampo oscilante, y se iba variando la intensidad del campo magnético paraencontrar las transiciones (picos del espectro). En la RMN de CW las señales delespectro se registran como señales en resonancia.La espectroscopia CW está limitada por su baja sensibilidad, ya que cada señal seregistra una sola vez por cada barrido y la técnica de resonancia magnéticanuclear ya es de por sí no demasiado sensible; esto quiere decir que la técnicasufre de una baja relación señal-ruido. Afortunadamente, en RMN es posiblemejorar la relación señal-ruido mediante el promediado de señal.Crédito de la imagen. http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/01/25/resonancias-magneticas-portatiles-o-como-hacer-realidad-el-tricoder-de-star-trek/El promediado de señal consiste en repetir la adquisición del experimento e irsumando los espectros que se obtienen. De esta manera, las zonas del espectroen que existen señales se suman de manera constructiva, mientras que, por suparte, las zonas en que hay ruido, por su carácter aleatorio, se acumula máslentamente que la señal. Mediante el promediado de señal se incrementa larelación señal-ruido en un valor que es la raíz cuadrada del número de espectrosque se han acumulado. Esta relación se cumple con espectros de RMN en los queintervienen un sólo tipo de núcleos, por ejemplo, sólo 1H, 13C, etc., tambiénllamados espectros homonucleares.
  23. 23. Espectroscopia de RMN de pulsos y Transformada de FourierLa técnica de RMN con transformada de Fourier (FT-NMR) es la que se utiliza enlos espectrómetros actuales. Uno de los pioneros en este campo es Richard R.Ernst, que la desarrolló a partir del año 1966 y por la que fue galardonado conel Premio Nobel de Química en 1991.FT-NMR permite disminuir drásticamente el tiempo que requiere adquirir unaacumulación (scan) del espectro completo de RMN. En vez de realizar un barridolento de la frecuencia, una en cada instante, esta técnica explora simultánea einstantáneamente todo un rango de frecuencias. Dos desarrollos técnicos fueronfundamentales para poder hacer realidad la técnica FT-NMR: ordenadorescapaces de llevar a cabo las operaciones matemáticas necesarias para pasardesde el dominio de tiempo al de la frecuencia, es decir, para obtener el espectro;y el conocimiento sobre cómo poder excitar simultáneamente todo un rango defrecuencias.La FT-NMR funciona con la muestra (espines nucleares) sometida a un campomagnético externo constante. Se irradia la muestra con un pulso electromagnéticode muy corta duración en la región de las radiofrecuencias. La forma que sueleusarse para este pulso es rectangular, es decir, la intensidad de la radiofrecuenciaoscila entre un máximo y un mínimo que es constante mientras dura el pulso. Unpulso de corta duración tiene una cierta incertidumbre en la frecuencia (principiode indeterminación de Heisenberg). La descomposición de fourier de una ondarectangular contiene contribuciones de una de todas las frecuencias. El pulso quese genera es por tanto policromático y cuanto más corto sea, es capaz de excitarun mayor rango de frecuencias.La aplicación de un pulso policromático en una región estrecha de la banda deradiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en esaregión. Un pulso policromático con una anchura en frecuencia de unos pocos kHzpuede llegar a excitar simúltaneamente sólo a los espines nucleares de un mismotipo de núcleo atómico dentro de una molécula, por ejemplo, todos los núcleos de
  24. 24. hidrógeno (1H). Antes del pulso el vector de polarización neta de cada uno de losespines nucleares se encuentra en situación de equilibrio alineado en la direccióndel campo magnético. Durante el tiempo que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo magnético en una dirección perpendicular al campo principal del imán y el vector polarización realiza un determinado movimiento de precesión. Tras cesar el pulso, el vector polarización de todos los espines afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del campo magnético principal. En este momento, los espines, comportándose como pequeños imanes polarizados, comienzan a precesionar con su frecuencia característica en torno al campo magnético externo, induciendo una pequeña corriente oscilante de RF en una bobinareceptora situada en las inmediaciones de la muestra. A medida que los núcleosvan regresando poco a poco a la situación inicial de equilibrio alineados con en elcampo magnético principal, la señal detectada va disminuyendo de intensidadhasta hacerse cero. Esta caída de la señal se conoce como caída libre de lainducción (Free Induction Decay) (FID) y da lugar al espectro de RMN.La FID es una onda que contiene todas las señales del espectro en una forma quees dependiente del tiempo. Esta onda puede convertirse en un espectro deseñales en función de su frecuencia. Para ello se utiliza una función matemáticaconocida como Transformada de Fourier. El resultado es lo que se conoce comoun espectro de RMN (espectro de frecuencias).RMN MultidimensionalLa posibilidad de excitar la muestra con uno o más pulsos de radiofrecuencia (RF),cada uno de ellos aplicado con una potencia, duración, frecuencia, forma y faseparticulares, e introducirlos en momentos específicos de tiempo durante elexperimento de RMN, generalmente antes de que el sistema haya regresado alequilibrio por relajación, permite diseñar toda una gama de secuencias depulsos de las que se puede extraer información molecular muy variada.
  25. 25. Una secuencia de pulsos es una distribución en el tiempo de alguno o varios delos siguientes elementos: 1. Un cierto número de pulsos de RF que afecten a uno o más tipos de núcleos. 2. Tiempos de espera en los que no se hace nada sino esperar a que el sistema evolucione de una determinada forma. Estos tiempos de espera pueden ser fijos o bien incrementables si su duración se va aumentando a medida que se repite el experimento. 3. Gradientes de campo magnético. 4. Una etapa final en la que se adquiere la FID.En un experimento de RMN multidimensional la secuencia de pulsos debe constarde al menos dos pulsos y éstos deben separados por un periodo de esperaincrementable. La secuencia de pulsos se repite un número de vecesadquiriéndose una FID en cada ocasión. La fase de alguno de los pulsos puedealterarse en cada repetición así como incrementarse la duración de uno o mástiempos de espera variables. Si la secuencia de pulsos tiene un tiempo de esperaincrementable el experimento tendrá dos dimensiones, si tiene dos será de tresdimensiones, si tiene tres el experimento será de cuatro dimensiones. Aunque enteoría no existe límite en el número de dimensiones de un experimento,experimentalmente hay limitaciones impuestas por la consiguiente pérdida de
  26. 26. señal por relajación que conlleva ladetección de las distintas dimensiones.Los tiempos de registro de losexperimentos de RMN multidimensionalse pueden acortar drásticamente conlas técnicas rápidas de RMNdesarrolladas en la presente década.Los experimentos multidimensionales sepueden clasificar en dos tiposprincipales:Experimentos de correlaciónhomonuclear: Son aquellos en los quetodas las dimensiones corresponden almismo núcleo. Ejemplos: COSY(COrrelation SpectroscopY), TOCSY(TOtal Correlation SpectroscopY),NOESY (Nuclear Overhauser EffectSpectroscopY).Experimentos de correlación heteronuclear: En este experimentos se obtienenespectros cuyas dimensiones pertenecen a diferentes núcleos. Ejemplos: HMQC(Heteronuclear Multiple Quantum Correlation), HSQC (Heteronuclear SimpleQuantum Correlation), HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation), HOESY(Heteronuclear Overhauser Effect SpectroscopY).A Grosso modo, las interacciones que pueden detectarse por RMN se puedenclasificar en dos tipos: 1. Las interacciones a través de enlaces se basan en el acoplamiento escalar 2. Las interacciones a través del espacio se basan en el acoplamiento dipolar. En el caso de muestras en disolución, el acoplamiento dipolar se manifiesta como efecto Overhauser nuclear que permite determinar la distancia entre los átomos.La RMN en disolución es complementaria dela cristalografía de rayos X ya que la primerapermite estudiar la estructura tridimensionalde las moléculas en fase líquida o disueltaen un cristal líquido, mientras que lacristalografía de rayos-X, como su nombreindica, estudia las moléculas en fase sólida.La RMN puede utilizarse también para elestudio de muestras en estado sólido. Sibien en su estado actual queda lejos depoder proporcionar con buen detalle la
  27. 27. estructura tridimensional de una biomolécula.En el estado sólido las moléculas están estáticas y no existe, como ocurre con lasmoléculas en disolución, un promediado de la señal de RMN por el efecto de larotación térmica de la molécula respecto a la dirección del campo magnético. Lasmoléculas de un sólido están prácticamente inmóviles, y cada una de ellasexperimenta un entorno electrónico ligeramente diferente, dando lugar a una señaldiferente. Esta variación del entorno electrónico disminuye la resolución de lasseñales y dificulta su interpretación. Raymond Andrew fue uno de los pioneros enel desarrollo de métodos de alta resolución para resonancia magnética nuclear enestado sólido. Él fue quien introdujo la técnica de la rotación en el ángulomágico Magic Angle Spinning (MAS) que permitió incrementar la resolución de losespectros de sólidos varios órdenes de magnitud. En MAS, las interacciones sepromedian rotando la muestra a una velocidad de varios kilohertzios.Alex Pines en colaboración con John Waugh revolucionaron también la RMN desólidos introduciendo la técnica de la polarización cruzada (CP) que consigueincrementar la sensibilidad de núcleos poco abundantes gracias a la transferenciade polarización de los protones a los núcleos más insensibles cercanos,generalmente 13C, 15N o 29Si.A caballo entre la RMN en disolución y en fase sólida, se encuentra la técnicade HR-MAS (High Resolution with Magic Angle Sinning), cuya aplicación
  28. 28. fundamental es el análisis de geles y materiales semisólidos. El fundamento delHR-MAS es hacer girar la muestra, al ángulo mágico, a una velocidad muysuperior que en sólidos habituales. El efecto conseguido son espectros mono ybidimensionales de gran calidad, próxima a la RMN en disolución. La principalaplicación de esta técnica es el análisis de matrices biológicas y poliméricas, comoresinas para síntesis en fase sólida solvatadas.Debido a que la intensidad de la señal de RMN, y por tanto, también lasensibilidad de la técnica depende de la fortaleza del campo magnético, desde losinicios de la RMN ha existido gran interés por el desarrollo de imanes máspotentes. En la actualidad los imanes comerciales más potentes están en torno alos 22.31 T, o 950 MHz frecuencia de resonancia de 1H. Los avances en latecnología audio-visual e informática también han mejorado los aspectos degeneración de pulsos y la recepción de señal y el procesado de la información.La sensibilidad de las señales también depende de la presencia de núcleosmagnéticamente-susceptibles a la RMN y, por tanto, de la abundancia natural detales núcleos. Para el caso de biomoléculas los núcleos más abundantes ymagnéticamente susceptibles son los isótopos de hidrógeno 1H y fósforo 31P. Porel contrario, núcleos como carbono y nitrógeno tienen isótopos útiles a laRMN, 13C y 15N, respectivamente, pero se presentan en baja abundancia natural.Para hacer frente a esta dificultad existe la posibilidad de enriquecer las moléculasde la muestra con estos isótopos (ej. sustitución de 12C por 13C y/o de 14N por 15N)para poder estudiarlos por RMN con la suficiente sensibilidad. Se trata de isótoposperfectamente estables que no producen más que una pequeña variación en lamasa molecular de la molécula, sin afectar para nada a otras propiedadesestructurales o químicas de la muestra.Un espectrómetro de RMN consta de las siguientes partes fundamentales: Un imán que genere un campo magnético estable, el cual puede ser de una intensidad variable, definiendo la frecuencia de resonancia de cada núcleo. Generalmente se identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón, así en un imán de 7.046 Tesla, los núcleos de 1H resuenan a 300 MHz, y por tanto sería un espectrómetro de 300 MHz. Por el momento el imán de mayor campo magnético del mundo lo ha instalado Bruker en la Unviersiad de ciencia y tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita, de 950 MHz (22.3 Tesla). Una sonda, que se sitúa dentro del imán, en la que se introduce la muestra y que consta de las bobinas responsables de emitir y recibir las radiofrecuencias (RF). El número de bobinas y su disposición determinan el tipo y las aplicaciones de cada sonda. Una consola en la que se generan los pulsos de RF y se controla el resto de la parte electrónica del espectrómetro.
  29. 29.  Un ordenador que sirve de interfaz con el espectrómetro y con el que se analiza toda la información obtenida.Que información se obtiene de la RMNLa aplicación fundamental de la espectroscopia de RMN es la determinaciónestructural, ya sea de moléculas orgánicas, organometálicas o biológicas. Paraello es necesaria la realización de diferentes tipos de experimentos de los cualesse obtiene una determinada información.Para la elucidación estructural de moléculas orgánicas y organometálicas losexperimentos más utilizados son los siguientes: Espectro monodimensional de 1H: Da información del número y tipo de hidrógenos diferentes que hay en la molécula. La posición en el espectro (desplazamiento químico) determina el entorno químico del núcleo, y por tanto da información de grupos funcionales a los que pertenecen o que están cerca. La forma de la señal da información de los protones cercanos acoplados escalarmente. Espectro monodimensional de 13C: Al igual que en 1H el desplazamiento químico da información de los grupos funcionales. Dependiendo del tipo de experimento realizado se puede obtener información del número de hidrógenos unidos a cada carbono. Espectros bidimensionales homonucleares: Los experimentos COSY y TOCSY dan información de las relaciones entre los protones de la molécula, por acomplamiento escalar o dipolar (NOESY) Espectros bidimensionales heteronucleares: Los experimentos HMQC y HSQC indican qué hidrógenos están unidos a qué carbonos. El experimento HMBC permite determinar relaciones entre protones y carbonos a mayor distancia (2 o 3 enlaces) Experimentos con otros núcleos: Si la molécula posee otros núcleos activos en RMN es posible su medida a través de experimentos monodimensionales o bidimensionales (por detección indirecta)Espectrometría13La espectroscopía es el estudio de la interacción entre la radiaciónelectromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Tieneaplicaciones en química, física y astronomía, entre otras disciplinas científicas.13 Fuente. Espectrometría. http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscop%C3%ADa [On line] [Consultado el 20de mayo de 2012]
  30. 30. Luz visible como parte del espectro electromagnético.El análisis espectral se basa en detectar la absorción o emisión de radiaciónelectromagnética a ciertas longitudes de onda y se relacionan con los niveles deenergía implicados en una transición cuántica.Existen tres casos de interacción con la materia: 1. Choque elástico: Existe sólo un cambio en el impulso de los fotones. Ejemplos son los rayos X, la difracción de electrones y la difracción de neutrones. 2. Choque inelástico: Por ejemplo la espectroscopía Raman. 3. Absorción o emisión resonante de fotones.El mecanismo por el cuál la materia emite radiación electromagnética es eldominio de la espectroscopia.La radiación electromagnética se atribuye a las diferencias de energía en lastransiciones de los electrones de unos niveles atómicos a otros.
  31. 31. Tipos de espectrometríaLa espectroscopia se relaciona en la mayoría de los casos a la tercera interacción.Estudia en qué frecuencia o longitud de onda una sustancia puede absorber oemitir energía en forma de un cuanto de luz.La energía de un fotón (un cuanto de luz) de una onda electromagnética o sucorrespondiente frecuencia, equivale a la diferencia de energía de dos estadoscuánticos de la substancia estudiada:Esta ecuación es conocida también como la ecuación básica de la espectroscopia.Las diferencias de energía entre estados cuánticos dependen de la composiciónquímica de la prueba o de la estructura de la molécula, y es por eso por lo queeste método proporciona información importante para químicos, físicos y biólogos.Por medio de un espectrofotómetro se mide el espectro de la luz (intensidad de laluz absorbida, reflejada o emitida en función de la frecuencia o de la longitud deonda). Los espectros se diferencian considerablemente de elemento a elemento.
  32. 32. En general, se denota como espectro a la distribución de la intensidad en funciónde la frecuencia o de la longitud de onda.Además de la luz visible, la espectroscopía cubre hoy en día una gran parte delespectro electromagnético, que va de los infrarrojos hasta los rayos gamma.El objetivo de la espectroscopia es obtener información acerca de una prueba o deun cuerpo radiante, por ejemplo:  La estructura interna o la temperatura (por ejemplo de estrellas)  La composición o la dinámica un una reacción química  La espectroscopía analítica identifica átomos o moléculas por medio de sus espectrosECONOGRAFÍA14Esta técnica se ha ido popularizando y estambién conocida como Diagnóstico porUltrasonidos. Los ultrasonidos sonvibraciones acústicas emitidas por uncristal piezoeléctrico que es capaz detransformar vibraciones en impulsoseléctricos y viceversa. Así, al estimularseeléctricamente al sensor, éste emitevibraciones que viajan hasta el órganobajo estudio y rebotan del cuerpo hacia elsensor. Una computadora colecta estosecos transformándolos en imágenes. Seutiliza un gel especial para asegurar unmejor contacto con la piel del paciente yasí obtener imágenes más nítidas.La econografía permite apreciardiferencias en la densidad de un órgano,a diferencia de los rayos X que sóloaportan datos sobre el contorno y forma del mismo. Una de las limitaciones deéste tipo de diagnóstico es que no puede ser utilizada en el diagnóstico pulmonar.En la forma tradicional de diagnóstico Econográfico las imágenes son estáticas.Sin embargo, gracias al fenómeno Doppler, es posible obtener imágenes conmovimiento. Este fenómeno es utilizado para detectar movimiento y es el mismoque utilizan muchos equipos de medición en la industria. Consiste en enviar unaseñal acústica sobre una partícula en movimiento y medir el tiempo del rebote dedicha señal para calcular la velocidad de dichos objetos. Esta técnica sirve inclusopara crear imágenes vasculares completas.14 Ibid.
  33. 33. Un aspecto negativo de la econografía es que su interpretación es muy ardua, loque a veces lleva a los médicos a cometer errores fatales, que luego conduce afunestas consecuencias.En la Obstetricia es donde más impacto ha tenido ésta tecnología ya que el líquidoamniótico es un medio perfecto para la propagación de sonidos de altasfrecuencias.

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