01
Un túnel que escucha tu cuerpo
Este es un escáner de resonancia magnética. Su imán crea un campo de 1,5 teslas. El tesla es la unidad que mide la intensidad de un campo magnético. Te tumbas en la camilla, que se desliza y te mete en el túnel, de unos 70 cm de ancho. La máquina que lo rodea mide entre 1,6 y 1,9 m de largo y pesa entre 3 y 6 toneladas.
Para explorar el cerebro, una bobina de cabeza te rodea el cráneo como una jaula. Es una antena que lleva entre 20 y 64 receptores pequeños. Escuchan un eco de radio muy débil que sale de tu cuerpo. La sala está forrada de chapa de cobre para que las ondas de radio de fuera no tapen ese eco. Aquí no hay rayos X. Las ondas de radio del escáner llevan unos 50 millones de veces menos energía de la necesaria para arrancarle un electrón a un átomo.
Bajo la carcasa blanca, las piezas van una dentro de otra, como anillos. De fuera hacia dentro están el imán en su funda fría, tres bobinas de gradiente y la bobina corporal, una antena de radio. Activa la vista en corte (C) para quitar una cuña del imán y verlas. Los capítulos siguientes las explican una a una.
El modelo muestra una repetición. Es el ciclo corto que el escáner repite una y otra vez para formar una imagen. Aquí, una repetición dura de 0,5 a 2,5 s de tiempo real, pero los pulsos de radio que contiene duran solo milisegundos. Por eso la línea de tiempo no está a escala. Los pocos milisegundos de pulsos y eco ocupan unos dos tercios de ella, y el largo reposo se comprime en el último tercio. La línea de tiempo indica qué paso está en marcha, y los datos en directo muestran el tiempo real. Un examen completo de la cabeza, con muchas imágenes, dura unos 30 a 45 minutos.
- Campo principal
- 1.5 T, always on
- Ancho del túnel
- 70 cm across
02
Un imán que nunca se apaga
La pieza más grande es el imán principal: unos 30 a 40 km de hilo de niobio-titanio enrollado en bobinas. Si este hilo se enfría lo suficiente, se vuelve superconductor. Eso quiere decir que la corriente circula por él sin ninguna resistencia. Varios cientos de amperios dan vueltas y más vueltas en un circuito cerrado. Una vez cerrado el circuito, mantener el campo no gasta energía. El campo se debilita menos de un 0,1 % al año.
Para seguir siendo superconductoras, las bobinas están sumergidas en helio líquido a 4,2 kelvin (K), unos −269 °C. La escala kelvin empieza en el cero absoluto, la temperatura más baja posible. Así que el helio solo está unos 1,5 K más caliente que el espacio profundo. Un imán clásico contiene unos 1500 litros de helio, mientras que los imanes sellados más nuevos necesitan 7 litros o incluso menos. Alrededor del depósito de helio, una pantalla térmica y una capa de vacío impiden que entre el calor, como en un termo. La cuña abierta deja ver estas capas. Encima hay una pequeña nevera, el cabezal frío, que vuelve a licuar el helio evaporado. Funciona día y noche y consume unos 6 o 7 kW.
El campo es decenas de miles de veces más fuerte que el de la Tierra. La cifra exacta depende de dónde estés, porque el campo de la Tierra no es igual en todas partes. Elige 3 T para comparar con un imán más potente. Las líneas que rodean el imán muestran la forma de su campo. Por fuera, unas bobinas de blindaje adicionales llevan corriente en sentido contrario y contienen el campo que se escapa. Aun así, el campo sigue por encima de 0,5 mT, media milésima de tesla, hasta unos 4 m a lo largo del túnel. Dentro de esa zona, un marcapasos puede dejar de funcionar de forma segura. El anillo discontinuo del suelo marca su límite.
El imán nunca se apaga, así que un cartel luminoso en la puerta avisa de que siempre está encendido. Cualquier cosa con hierro puede salir volando hacia el túnel, y así han muerto personas golpeadas por bombonas de oxígeno. Por eso, en la puerta, el personal revisa a cada persona y cada objeto que entra. Si el hilo se calienta en algún punto, deja de ser superconductor y la corriente se convierte en calor. Esto se llama quench. El campo tarda de 2 a 5 segundos en caer a cero, y el helio, al hervir, sale rugiendo del edificio por el tubo de quench.
- Frente al campo de la Tierra
- 23,000 to 60,000 times stronger
- Helio líquido
- 4.2 K, −269 °C
- Línea de seguridad de 0,5 mT
- 4 m along the tunnel, 2.5 m to the side
03
El hidrógeno se inclina y se bambolea
Unos seis de cada diez átomos de tu cuerpo son de hidrógeno. La mayoría está en el agua y la grasa. El centro de un átomo de hidrógeno, su núcleo, es un solo protón. Se comporta como un imán diminuto. La resonancia magnética se fija en el hidrógeno porque está en todas partes y da la señal más fuerte.
Dentro del campo, cada imán diminuto no se limita a apuntar en su dirección. Hace una precesión: se bambolea alrededor de esa dirección, como una peonza que gira inclinada. A 1,5 T se bambolea unos 64 millones de veces por segundo, es decir, 63,9 MHz (megahercios). Este ritmo es la frecuencia de Larmor, el tono del bamboleo. Sube con el campo, hasta 127,7 MHz a 3 T. Las dos frecuencias quedan cerca de la banda de la radio FM: una justo por debajo y la otra justo por encima.
No todos los núcleos se alinean. El calor del cuerpo los zarandea, así que apuntan casi en cualquier dirección. Por cada millón, solo unos 5 más se inclinan a favor del campo que en contra. Aun así, ese pequeño excedente suma unos 3,3 × 10¹⁴ núcleos en un milímetro cúbico de agua. Juntos forman un diminuto imán neto. Esa es la flecha con la que trabaja el escáner.
Las flechas del recuadro son un dibujo ampliado muchas veces. No muestran un punto real de la cabeza, y exageran mucho la inclinación para que puedas verla. Pulsa reproducir para ver cómo giran. El dibujo va muchísimo más despacio que la realidad, y el dato te dice cuánto. Ese número depende de la velocidad de reproducción. Cambia a 3 T: la frecuencia real y el excedente se duplican, pero el dibujo mantiene su ritmo, así que la ralentización también se duplica.
- Frecuencia de Larmor
- 63.9 MHz, just below FM radio
- Núcleos de más a favor del campo
- about 5 in a million
- Excedente en 1 mm³ de agua
- about 3.3 × 10¹⁴
- Dibujo ralentizado
- about 128 million times
04
Un pulso de radio y su eco
Para hacer hablar al imán neto, el escáner envía un pulso de radio corto exactamente a la frecuencia de Larmor. Seguir así el ritmo del bamboleo se llama resonancia. Es como empujar a un niño en un columpio en el momento preciso. El pulso sale de la bobina corporal, una jaula de barras de cobre justo por dentro del túnel. Dura como mucho unos pocos milisegundos.
Un pulso de 90° inclina el imán neto hasta dejarlo tumbado de lado. Ahí sigue bamboleándose. Al pasar por delante de la bobina de cabeza, genera un voltaje diminuto, que se mide en microvoltios. Ese voltaje es la señal. Mueve el control del ángulo de inclinación. Solo la parte transversal, la que queda de lado, da señal. La parte a lo largo del campo no da ninguna.
Los núcleos pronto pierden el compás, porque unos se bambolean un poco más rápido que otros. La señal se apaga. A mitad de camino hacia el eco, un pulso de 180° les da la vuelta. Ahora los rápidos van detrás y alcanzan a los demás. Los núcleos vuelven a ir al compás y producen un eco. El tiempo que pasa desde el pulso de 90° hasta el eco es el tiempo de eco. Usa los botones de abajo para parar en cada momento.
Dos relojes deciden lo brillante que se ve cada tejido. T1 es el tiempo que tarda el imán neto en recuperar cerca del 63 % de su valor a lo largo del campo. T2 es el tiempo que tarda la señal transversal en bajar hasta cerca del 37 %. El pulso de 180° solo corrige las diferencias que no cambian. Los empujones al azar entre núcleos vecinos no se corrigen, así que el eco sale algo más débil. Esa pérdida es T2. La grasa se recupera rápido y el líquido cerebral, despacio. Elige un tejido para comparar. Los valores de cada tejido son cifras aproximadas elegidas para este modelo. Los pulsos también te calientan un poco, así que el escáner mantiene ese calor dentro de límites seguros.
- T1, recuperación
- 884 ms
- T2, caída de la señal
- 72 ms
05
Bobinas que sitúan cada punto
Hasta ahora, cada punto de la cabeza responde con el mismo tono, así que el eco no dice de dónde viene. Tres bobinas más, dentro del imán, lo resuelven: las bobinas de gradiente x, y y z. Un gradiente es un campo que cambia poco a poco y de forma regular de un lado a otro. Cada bobina suma un poco al campo principal a un lado del centro y le resta un poco al otro.
El cambio es pequeño: hasta 45 mT por metro. En el borde de la cabeza, eso suma unos 5,4 mT. Es un tercio del 1 % de un campo de 1,5 T. Aun así, basta para que cada posición tenga su propia frecuencia. Las bobinas se encienden en unos 0,2 ms.
Cada bobina tiene su función. La bobina z trabaja con el pulso de radio para despertar solo una capa fina. Es la selección de corte. La bobina y da a cada repetición un giro distinto de arriba abajo. Esto se llama codificación de fase. La bobina x funciona mientras llega el eco, así que el tono de la señal indica si viene de la izquierda o de la derecha. Es la codificación de frecuencia. Elige una bobina para ver su campo, o sigue la exploración.
Al encender y apagar corrientes fuertes dentro de un imán potente, las bobinas dan sacudidas, como un altavoz. Ese es el golpeteo fuerte que oyes durante la exploración. Puede superar los 100 decibelios: tanto como un martillo neumático, o incluso más. Por eso siempre te dan tapones o auriculares.
- Cambio en el borde de la cabeza
- 5.4 mT
- Proporción del campo principal
- 0.36 %
- Cambio de tono en el borde de la cabeza
- 230 kHz
- Tiempo de encendido
- 0.225 ms
- Función en esta exploración
- Changes with each step
06
De los ecos a la imagen
Cada eco se guarda como una línea del espacio k. Es una cuadrícula que ordena los ecos por tono y giro, no por posición. Una repetición llena una línea. La siguiente cambia el giro y llena otra. En este modelo la imagen es de 64 × 64, así que hacen falta 64 repeticiones. Las exploraciones reales de la cabeza suelen usar 256 líneas. Aquí las líneas se llenan desde el centro hacia fuera, así que pronto aparece una imagen aproximada.
Un cálculo llamado transformada de Fourier convierte esa cuadrícula en la imagen. Averigua qué mezcla de franjas, anchas y finas, forma la imagen al sumarlas. El centro del espacio k guarda las franjas anchas: las luces y sombras generales. Los bordes guardan el detalle fino. El resultado aparece en el monitor de la pared, junto a la ventana de la sala de control. Elige 8, 16, 32 o 64 líneas: la exploración se pone en pausa y puedes ver cómo se enfoca la imagen.
Los tiempos deciden qué tejidos se ven brillantes. Una exploración potenciada en T1 se repite cada 500 ms y escucha pronto, a los 15 ms. Cada repetición termina antes de que los tejidos lentos se recuperen, así que la grasa sale brillante y el líquido cerebral, oscuro. Una exploración potenciada en T2 espera 2500 ms y escucha a los 100 ms. Ahora brilla el líquido, cuya señal se apaga despacio, y la sustancia gris se ve más brillante que la blanca. Los datos muestran el brillo de cada tejido, con el más brillante al 100 %. Aquí la cabeza es un dibujo sencillo hecho con óvalos, no una exploración real. En este modelo, todos los tejidos tienen la misma cantidad de hidrógeno, y el hueso y el aire se quedan negros.
Con una línea por repetición, llenar 256 líneas lleva unos 2,1 minutos en la exploración T1 y unos 10,7 minutos en la T2. Hoy, la mayoría de las exploraciones del cerebro usan turbo espín eco, que lee de 4 a 32 líneas en cada repetición. Con 16 líneas por repetición, la exploración T2 tarda unos 40 segundos. Este modelo capta un solo corte, mientras que una exploración real de la cabeza capta muchos. Paul Lauterbur publicó la primera imagen por resonancia magnética en 1973. Él y Peter Mansfield compartieron el Premio Nobel de 2003 por ello.
- Grasa
- 0 %
- Sustancia blanca
- 0 %
- Sustancia gris
- 0 %
- Líquido cerebral
- 0 %
- Una línea por repetición
- 10.7 min for 256 lines
- Turbo espín eco, 16 líneas por repetición
- about 40 s