jueves, 17 de noviembre de 2016

La Física en la Medicina



Si a un gran número de personas se les preguntase acerca de la presencia de físicos en los hospitales, prácticamente la inmensa mayoría mostraría su desconocimiento. La labor desarrollada en estos centros es incluso ignorada por profesionales sanitarios, y hasta cierto punto, lo es también por el resto de la comunidad de físicos.
El vínculo entre la Física y la Medicina es tan antiguo como el afán de conocer los mecanismos de funcionamiento del cuerpo humano. Las investigaciones en biomecánica se remontan a la época de Leonardo da Vinci, con los estudios de anatomía y de las proporciones, así como la invención de dispositivos que emularan el comportamiento de especies animales, como los intentos por dotar al ser humano de la capacidad de volar.
La observación de estructuras de reducidas dimensiones que a simple vista no pudieron describirse con anterioridad fue posible gracias a la invención del microscopio por Z. Janssen en 1590, apareciendo su uso en 1665 en la observación de capilares sanguíneos en la obra de W. Harvey y por R. Hooke, el mismo año, quien describió por primera vez el concepto de célula al observar las celdillas de un corte de corcho. El primer microscopio electrónico se debe a E. Ruska y M. Knoll entre 1925 y 1930, quienes se basaron en los estudios de Louis-Victor de Broglie acerca de las propiedades ondulatorias de los electrones. Un microscopio electrónico utiliza electrones en lugar de luz visible para la formación de las imágenes debido a que la longitud de onda de los electrones es mucho menor que la de los fotones de luz visible, alcanzando amplificaciones mayores que los mejores microscopios ópticos.
Sin embargo, el avance que probablemente más ha contribuido al desarrollo de la Medicina en el siglo XX fue el descubrimiento en 1895 de los rayos X por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen, mientras investigaba la fluorescencia que producían los rayos catódicos. Los rayos X son una radiación electromagnética debida a fenómenos de transición electrónica en las capas profundas de la corteza atómica, o producidos, fundamentalmente, por la desaceleración de electrones como radiación de frenado.
En general, la energía de los rayos X se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos por transiciones nucleares. Estas tres modalidades de radiación electromagnética pertenecen a la categoría de radiaciones ionizantes porque al interactuar con la materia producen la ionización de sus átomos, es decir, originan partículas cargadas (iones).
Por este descubrimiento, Röntgen recibiría el Premio Nobel de Física en la primera edición celebrada en 1901. En la primavera de 1895, Henri Becquerel descubrió accidentalmente la capacidad de algunas sales de uranio para ennegrecer una película radiográfica de manera espontánea, a diferencia de la fosforescencia que depende de la estimulación mediante una fuente externa de energía. Estos recientes descubrimientos influenciaron a María Sklodowska Curie a desarrollar en este campo de investigación su tesis doctoral (Recherches sur les substances radioactives) y con la colaboración de su esposo, Pierre Curie, describieron los fenómenos por los que espontáneamente se desintegran algunas sustancias dando origen a la radioactividad natural.
Los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 1903 como reconocimiento a sus investigaciones conjuntas acerca de la radiactividad, siendo además la primera ocasión en que una mujer obtenía este galardón.

El interés por las aplicaciones prácticas que estos descubrimientos pudieran aportar a la Medicina fue inmediato. Durante la Primera Guerra Mundial (IGM), los hospitales de campaña carecían de personal experimentado y máquinas de rayos X adecuadas, de modo que Marie Curie propuso emplear equipos portátiles de radiografía cerca de las líneas del frente para ayudar a los médicos en el campo de batalla. Adquirió equipos de rayos X, vehículos, generadores auxiliares, y desarrolló unidades móviles de radiografía a las que llamó «ambulancias radiológicas» (ambulances radiologiques). Fue la directora del Servicio de Radiología de la Cruz Roja francesa y creó el primer centro de radiología militar de Francia, operativo a finales de 1914.

Madame Curie en una de las unidades móviles de rayos X

En 1915, empleó cánulas de sus propios suministros que contenían «emanaciones de radio», un gas incoloro y radiactivo emitido por el elemento, que posteriormente fue identificado como radón, para la esterilización de los tejidos infectados. Se estima que más de un millón de soldados heridos fueron tratados con sus unidades de rayos X.
En su primera visita a Estados Unidos, con la finalidad de recaudar financiación para la síntesis del radio dados los extremados costes de producción y la utilización de las reservas durante la IGM, el New York Times publicó en su portada que Madame Curie tenía la intención de «poner fin al cáncer», alegando que «el radio es la cura para cualquier tipo de cáncer».

La radioterapia (en su origen Curieterapia, o Röntgentherapie en Alemania) es introducida en España en el año 1906 por Celedonio Calatayud, primer médico español en utilizarla en la lucha contra el cáncer. En 1922 la oncología es establecida como disciplina médica. Desde entonces, la radioterapia ha evolucionado con la aparición en 1953 de los aceleradores lineales, principalmente electrones aunque también de partículas cargadas, que poco a poco reemplazaron los tratamientos con fuentes radiactivas como el cobalto.

Sesión de radioterapia en el Istituto Nazionale per lo Studio e la Cura dei Tumori, hacia 1930. En la actualidad, Fondazione IRCCS, Istituto Nazionale dei Tumori, Milán

No obstante, los usos del radio desgraciadamente trascendieron del ámbito de la oncología, dado el desconocimiento que por entonces se tenía de sus potenciales efectos nocivos para la salud. Hasta finales de los años 60 se usaba en pinturas luminiscentes para relojes y otros instrumentos. Muchos pintores de esferas de reloj, que usaban sus labios para moldear el pincel, murieron de radiación. El radio se empleaba a principios de siglo y hasta los años 30 en medicinas, entre ellos el Radithor (agua destilada con radio), que lo describían como solución ante todos los males, hasta que causó la muerte a un personaje importante de la sociedad americana (M. Byers). El escándalo contribuyó a la introducción de normas de regulación del uso de radioisótopos. También se mezclaba con pastas dentales, chicles, cremas y demás productos. El motivo era que todo aquello que contenía radio significaba avance.
El riesgo para la salud no sólo depende de la intensidad de la radiación y de la duración de la exposición, sino también del tipo de tejido afectado y de su capacidad de absorción. Los efectos mutagénicos de la radiación fueron identificados por primera vez por Hermann Joseph Muller en 1927, investigación por la que le fue concedido el Premio Nobel de Medicina en 1946.
El desarrollo de la radiobiología ha permitido profundizar en el conocimiento del daño celular que las radiaciones ionizantes causan de manera probabilística o determinista, sentando, respectivamente, las bases de la prevención en materia de protección radiológica, o de su utilización en el tratamiento oncológico.
Los avances tecnológicos acontecidos durante la Segunda Guerra Mundial (IIGM), como la invención del radar, tuvieron también su impacto en el ámbito de la oncología, dado que el mismo ingenio desarrollado en 1937 en Stanford por los hermanos Russell y Sigurd Varian, conocido como klystron, responsable de generar y amplificar señales de microondas, es así mismo utilizado en la aceleración de los paquetes de electrones introducidos en las cavidades resonantes de una guía de ondas, los cuales experimentarán posteriormente el impacto en un blanco de tungsteno generando, por radiación de frenado, los haces de fotones dedicados al tratamiento de lesiones tumorales.
En el diagnóstico por la imagen los avances en la detección de enfermedades mediante exploraciones realizadas con tomografía computadorizada (CT), tomografía por emisión de positrones (PET), o resonancia magnética nuclear (RMI), así como equipos híbridos, o bien la ecografía basada en ultrasonidos, han permitido un conocimiento detallado con unos procedimientos no invasivos.
G.N. Hounsfield, tras la IIGM ingresó en la empresa discográfica EMI y en 1967, en colaboración con A.M. Cormack, desarrollaron el primer prototipo aplicable de CT, recibiendo ambos el Premio Nobel de Medicina en 1979.
La primera aplicación médica basada en la aniquilación de positrones se debió a W.H. Sweet y F.R. Wrenn, quienes en 1951 la emplearon en la detección de tumores cerebrales. En 1973 Robertson desarrolló el primer tomógrafo de anillo en el Brookhaven National Laboratory, el cual disponía de 32 detectores. A finales de 1974, M. Phelps y E.J. Hoffman de la Universidad de Washington construyeron el primer PET dedicado a estudios con humanos, el cual disponía de 48 detectores de NaI(Tl) distribuidos hexagonalmente.
La imagen por resonancia magnética se basa en los distintos tiempos de relajación de los núcleos de hidrógeno, generalmente, que componen los tejidos cuando son excitados por pulsos de radiofrecuencia en presencia de un campo magnético de alta intensidad. Este fenómeno fue descrito en 1938 por I. Rabí. En 1946, F. Bloch y E.M. Purcell refinaron la técnica usada en líquidos y sólidos, por lo que compartieron el Premio Nobel de Física en 1952.
Purcell colaboró en el desarrollo del radar y sus aplicaciones durante la IIGM en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En ese proyecto se dedicó a producir y detectar energía de radiofrecuencia, así como su absorción por la materia. Encontraron que algunos núcleos podían absorber la energía de radiofrecuencia en presencia de un campo magnético de una intensidad específica, logrando así la identificación de los núcleos.
Cuando se produce esa absorción, los núcleos entran en resonancia. Diferentes núcleos atómicos dentro de una molécula resuenan a diferentes radiofrecuencias para la misma intensidad de campo magnético, permitiendo la identificación estructural y química de las moléculas.
La ecografía se basa en la formación de imágenes reconstruidas a partir del eco recibido en una sonda (transductor) consistente en cristales piezoeléctricos que al ser estimulados por electricidad vibran produciendo ondas sonoras de alta frecuencia (ultrasonidos). El eco reflejado en las estructuras corporales retorna a la sonda que es nuevamente estimulada produciendo pequeños voltajes que son procesados de acuerdo a su intensidad y tiempo de retorno. La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo.
Una variedad de ecografía es la basada en el efecto Doppler, en la que es posible visualizar las ondas de velocidad del flujo que atraviesa ciertas estructuras del cuerpo, en general vasos sanguíneos, y que son inaccesibles a la visión directa. La técnica permite determinar si el flujo se dirige hacia la sonda o si se aleja de ella, además de la velocidad de dicho flujo.
A diferencia de los procedimientos radiográficos o basados en la administración de radioisótopos, tanto en la resonancia magnética nuclear como en la ecografía no se emplea radiación ionizante.
El avance en la aplicación clínica de las radiaciones, mayoritariamente ionizantes, permite mejorar la calidad diagnóstica de la imagen con una reducción sensible de los niveles de dosis recibidos, así como en el tratamiento de enfermedades, tanto oncológicas, como derivadas de patologías funcionales como epilepsia, Parkinson o neuralgia del trigémino, mediante el uso de haces de radiación de alta energía focalizados hacia la lesión con una precisión sub-milimétrica, en base a la localización y posicionamiento conseguidos con técnicas como la radioterapia guiada por la imagen.
La puesta en funcionamiento previo a su uso clínico, así como las pruebas de control de calidad que periódicamente todas estas aplicaciones requieren para garantizar su adecuado uso, son competencia de la especialidad sanitaria conocida como Radiofísica Hospitalaria, creada por Real Decreto 220/1997 de 14 de febrero, con la finalidad de conferir un marco legal que regulase el acceso y las responsabilidades de los físicos dedicados al ámbito hospitalario.
Esta cuestión en España fue de enorme trascendencia debido a la ausencia de legislación en materia de Garantía de Calidad que permitiera tener un mayor control del estado de funcionamiento de los equipos emisores de radiación, especialmente de los dedicados a niveles de terapia, conduciendo a finales de los años 90 al establecimiento de los reales decretos correspondientes a la Garantía de Calidad en Radiodiagnóstico, Medicina Nuclear y Radioterapia.
Las recomendaciones proporcionadas por sociedades científicas nacionales e internacionales (como la Sociedad Española de Física Médica creada en 1974, o la American Association of Physicists in Medicine, en 1958), sirven de referencia para la elaboración de procedimientos de trabajo, además de proporcionar tolerancias y periodicidades, que facilitan la comparación del equipamiento entre diferentes centros.
Esta labor además de obligatoria, es necesaria y de gran relevancia para minimizar los riesgos derivados de una mala praxis, por desconocimiento u omisión, que pudieran comprometer la salud, e incluso la vida de los pacientes.


Este texto ha sido escrito por Daniel Zucca, físico especialista en Radiofísica Hospitalaria, adjunto al Servicio de Radiofísica y Protección Radiológica del Hospital Universitario HM Sanchinarro (Madrid). 

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