Física Médica physics.med-ph

Detectar un emisor cuántico individual es como afinar un piano de cola en un taller con máquinas rugientes: el tono puro se ahoga en el ruido. Pero el afinador no intenta gritar más que el estruendo: toma un diapasón y escucha los batidos. Así, incluso un eco apenas audible se vuelve evidente.

El grosor de un corte de tejido cerebral es de solo 5 micras, veinte veces más delgado que un cabello humano. En ese corte, el patólogo busca signos de tumor: formas nucleares alteradas, apiñamiento celular, vasos anómalos. Es una labor minuciosa, y dos especialistas pueden discrepar sobre la misma imagen.

En las profundidades de las estrellas, los núcleos ligeros se fusionan, dando lugar a helio y flujos de neutrones. En la Tierra, este proceso se reproduce combinando deuterio y tritio, isótopos especiales de hidrógeno.

Cada célula es un diapasón en miniatura. Un fuerte pulso magnético la hace "sonar", y la atenuación de ese sonido depende de lo que hay dentro: viscosidad, densidad, composición. Un diminuto diamante con un defecto en su estructura funciona como un micrófono ultrasensible, captando los ecos magnéticos de células individuales.

Tras una inyección bajo la piel, el fármaco no se extiende simplemente como tinta en el agua. Las moléculas de anticuerpos llevan una carga eléctrica, y esta carga hace que interactúen con los tejidos circundantes, de manera similar a como un imán atrae o repele las limaduras de hierro.

Cuando el tumor afecta a todo el cerebro, los médicos lo irradian por completo. Es un método fiable, pero ajustar la irradiación es un trabajo minucioso: hay que elegir los parámetros para que el tumor reciba la dosis adecuada y los ojos y los cristalinos sufran lo menos posible.

La luz es una excelente herramienta para estudiar los tejidos, pero se apaga rápidamente en las profundidades del cuerpo. A pocos milímetros, los fotones se dispersan tanto que resulta imposible distinguir nada. Los científicos idearon una solución alternativa: en lugar de iluminar desde fuera, llevar una diminuta fuente de luz directamente al interior. El problema era cómo alimentar esa fuente sin cables.

El láser incide en el tejido y este responde con un chasquido apenas audible: una onda sonora. La captan unos sensores y con ellos se construye una imagen de lo que hay dentro. Así funciona la imagen fotoacústica: la luz penetra en profundidad y el sonido saca la imagen al exterior. En el nuevo esquema no hay sensores.

El cirujano introduce un tubo en la aorta para que la sangre circule sin pasar por el corazón. El chorro del tubo golpea la pared del vaso como una manguera de jardín contra un macizo de flores, y desprende partículas que pueden viajar hasta el cerebro. Los científicos construyeron modelos computacionales de aortas de cuatro personas: un niño, un adolescente, un adulto y un anciano.

La tomografía computarizada es como una radiografía que toma cientos de imágenes desde distintos ángulos y con ellas construye una imagen tridimensional del cuerpo. Pero cada imagen implica una pequeña dosis de radiación, y los médicos necesitan saber cuánta recibe cada órgano.

Tras la extirpación de la mama, a la mujer a menudo se le coloca un implante y luego se irradia el tórax para destruir las células cancerosas restantes. La terapia con protones es buena porque ataca con precisión y afecta menos al corazón y a los pulmones.

El sonido no solo se oye, también empuja. Un vórtice ultrasónico es una onda de sonido retorcida como un embudo dentro de una caracola: en el centro hay silencio, y en los bordes, una presión que gira. Ese embudo puede atrapar partículas pequeñas y transportarlas sin tocarlas con las manos.

Tratar el cáncer con un haz de protones es como disparar con arco: hay que dar en el blanco sin tocar nada alrededor. Los protones liberan su energía al final de su recorrido, por lo que los tejidos sanos apenas sufren. Pero para que el disparo sea seguro, cada plan de tratamiento se comprueba de antemano: se mide la dosis que recibirá el tumor y lo que les tocará a los órganos vecinos.

Cada vez que un tomógrafo mide el movimiento del agua en los tejidos, envía un pulso magnético en una dirección determinada. Un pulso, un punto de datos. Para entender cómo se mueve el agua en todas las direcciones a la vez, se necesitan muchos pulsos con diferentes giros. Antes, los giros se elegían casi al azar, con tal de que cubrieran todos los lados de manera uniforme.

Las células respiran. Necesitan oxígeno y lo toman de la sangre que circula por los vasos más diminutos. Si el flujo sanguíneo es débil o falta oxígeno, las células empiezan a asfixiarse. Para los médicos es importante verlo cuanto antes. Pero, ¿cómo mirar dentro de un tejido vivo sin cortarlo? El nuevo dispositivo lo hace de dos maneras a la vez.

El médico observa una imagen del seno para encontrar una masa sospechosa. Si la imagen es bonita y suave, pero la masa desapareció, de poco sirve. Con este problema se encontraron los investigadores que desarrollaron una nueva forma de probar los programas para la tomografía fotoacústica.

Un trozo de plástico denso del tamaño de una moneda destella cuando una partícula invisible lo atraviesa. Así funcionan los centelleadores: materiales que convierten la radiación en luz débil. Por lo general, se fabrican con cristales frágiles o polímeros caros.

En una habitación oscura, sobre la mesa hay un puntero láser, un trozo de vidrio con tejido y una cámara normal de teléfono. La luz atraviesa la muestra y en la imagen no aparecen células, sino un patrón de bandas claras y oscuras, como la sombra del follaje en una pared.

Un diminuto defecto en el diamante es como un oído microscópico, capaz de captar la «respiración» magnética del corazón. Estos sensores funcionan a temperatura ambiente y no superan el tamaño de un grano de arena.

El nitinol es un metal con memoria: comprimido en un diminuto tubo, se expande solo dentro del vaso y lo mantiene abierto. Pero insertar un stent no basta: hay que evitar que se formen trombos. Para ello se le aplica un fármaco que debe liberarse lentamente, como el agua de una esponja, y no verterse de golpe.

En una máquina de circulación extracorpórea, la sangre fluye a través de tubos estrechos y aspas de bomba que giran rápidamente. A veces los glóbulos rojos no aguantan: su membrana se rompe y la hemoglobina se vierte en el plasma. Para el paciente, es como si alguien echara arena en el sistema de combustible de un automóvil: los pequeños daños se acumulan y estropean todo el mecanismo.

En invierno, los charcos se congelan y el hielo agrieta el asfalto. Dentro de una célula viva, al congelarse ocurre algo parecido: los cristales de hielo rompen su membrana. Para evitarlo, se impregna la célula con una solución especial, como un anticongelante para el coche.

El mapa químico de una muestra se parece a un mosaico: cada punto tiene su propio color, su propia composición química. Para armar ese mosaico, el espectromicroscopio escanea la muestra punto por punto, registrando en cada uno un espectro, la "huella" de cómo la materia absorbe o emite luz.

Los marcadores radiactivos son como un mensajero con una baliza: lo introduces en el cuerpo y él ilumina el órgano deseado en la imagen. Pero ese mensajero tiene reglas estrictas: no se puede enviar con frecuencia, se 'cansa' rápido y cuesta caro. Los médicos llevan tiempo soñando con una forma de ver el órgano sin radiación.

Un fotógrafo toma una foto de un edificio alto, pero en lugar de una sola toma, hace una serie de imágenes moviendo la cámara en espiral de arriba a abajo. Este enfoque captura más detalles en menos tiempo, pero las imágenes pueden salir borrosas. Un problema similar enfrentan los escáneres de resonancia magnética cuando necesitan obtener una imagen del cerebro rápidamente.

Cuando se irradia un tumor en la cabeza o el cuello, los rayos también atraviesan tejidos sanos. A veces, el hueso de la mandíbula comienza a necrosarse después de esto, una complicación grave llamada osteorradionecrosis. La cuestión no es si ocurre, sino cuánto aumenta el riesgo la dosis de radiación por sí misma.

En el núcleo de un átomo de oro se esconde el futuro medicamento contra el cáncer. Si se golpea un blanco de oro con un rayo gamma de unos 30 megaelectronvoltios, uno de los núcleos pierde un protón y un neutrón y se convierte en un isótopo raro de platino: el platino-195m.

Una partícula alfa es un fragmento pequeño pero pesado del núcleo atómico. No viaja lejos, pero golpea con fuerza: deja una estela densa de daños, como una bala que atraviesa un blanco. Por eso la radiación alfa se usa en medicina para destruir células cancerosas de forma selectiva.

La luz puede dibujar patrones directamente dentro del ojo, sin pantallas ni gafas. Cuando un haz con una forma especial entra en la pupila, crea en el campo visual rayos oscuros que parecen los radios de una rueda giratoria. Estos rayos los ve la propia persona porque nacen en las células de la retina, no fuera. Este patrón se denomina entóptico, es decir, «visible desde dentro».

Un fotógrafo captura a un corredor: para que la imagen no salga borrosa, necesita una velocidad de obturación corta. El escáner de RM es como ese fotógrafo, pero su 'obturación' es lenta: en ese tiempo, el músculo alcanza a cambiar. Por eso, la RM dinámica (una serie de imágenes volumétricas en movimiento) es un desafío: hay pocos datos y el movimiento no espera.

En la oscuridad se enciende una chispa diminuta. Un rayo gamma nacido dentro del cuerpo del paciente incide en un cristal y arranca de él un haz de luz. La tarea del detector es saber exactamente dónde ha ocurrido. Cuanto más precisa sea la respuesta, más nítida será la imagen en la pantalla del tomógrafo.

En la enfermedad de Parkinson, se implantan finos cables en el cerebro para calmar el temblor. La operación es seria y los cables permanecen durante años.

El agua en una manguera circular impulsada por una bomba no se detendrá incluso si se pinza un tramo: el flujo encontrará un camino alternativo y seguirá corriendo en círculo. Así están organizadas algunas partes de nuestro sistema circulatorio, no como tubos individuales, sino como bucles cerrados.

La arteria principal del cuerpo, la aorta, no es un simple tubo. Con cada latido del corazón se estira y se contrae, como una manguera de goma bajo la presión del agua. Ver este movimiento en volumen es difícil: la resonancia magnética convencional solo ofrece cortes planos, y una captura 3D completa en el tiempo requiere equipos costosos y largas sesiones dentro del escáner.

Duele la espalda y el médico pide que te inclines hacia delante y hacia atrás para ver cómo se mueven las vértebras. Normalmente se hacen una serie de radiografías: muestran el movimiento, pero solo en un plano, como una sombra en la pared. Y los métodos volumétricos, como la tomografía computarizada, no siguen el ritmo del movimiento.

Un rayo láser incide sobre la piel y los tejidos responden con un eco ultrasónico apenas audible. Gracias a ese eco, los médicos pueden ver vasos sanguíneos y tumores sin hacer incisiones. Pero antes de que la imagen aparezca en la pantalla, hay que limpiar la señal del ruido, como un cocinero que retira la espuma del caldo para que quede transparente.

En los huecos entre las células del cerebro fluye un líquido. No se queda quieto: cada latido del corazón lo empuja hacia adelante, y la respiración añade sus propias ondas. Hace diez años esto se vio en imágenes, pero solo ahora se ha calculado cómo esa pulsación acelera las moléculas.

El corazón late, y en la tira de papel del electrocardiograma cada latido se ve como un pico afilado con dos jorobas: un ascenso rápido, luego una onda más pequeña y de nuevo un descenso. El médico mira esa tira y ve el ritmo, pero la forma de cada pico —cómo se contrajo exactamente el músculo— es difícil de apreciar, sobre todo si el registro dura un día entero.

Una cámara que no capta el rostro, sino el cerebro mismo: por dentro, capa por capa. Los tomógrafos convencionales suelen dar una imagen borrosa: los detalles pequeños se funden, como letras en un vidrio empañado. Los ingenieros se propusieron construir un equipo que viera con nitidez incluso lo que mide menos de un milímetro.

Cada inspiración y espiración desplaza los órganos internos varios centímetros. Para un tomógrafo de resonancia magnética que toma imágenes del abdomen, es como fotografiar a un corredor con una exposición larga: la imagen sale borrosa.