Historia
de la resonancia magnética
Lenin Fisher
Históricamente
varios nombres, iniciales o abreviaturas han sido aplicados al proceso físico de
registrar la absorción y emisión estimulada de energía de los núcleos atómicos
situados en un campo magnético, fenómeno llamado resonancia magnética nuclear.
(1)
En la literatura
física original de la década de 1940 el fenómeno era llamado inducción nuclear.
Al inicio de la década de 1950 fue conocido como resonancia paramagnética
nuclear y desde finales de esa misma década se ha preferido el término resonancia
magnética nuclear (RMN). (1)
Cuando los métodos de imagen
usando la señal de RMN fueron desarrollados, el término imágenes de RMN fue
aplicado a ellos. Al menos parcialmente, debido a la preocupación de los
pacientes sobre los peligros de la energía nuclear, la radioactividad nuclear, a
mediados de la década de 1980, la palabra nuclear fue eliminada, para referirse
a estos métodos de imágenes diagnósticas. (1)
El término RMN se
prefiere cuando se describe el fenómeno físico en si; o bien, cuando se refiere
a las medidas de la señal de la inducción nuclear en laboratorios de física o
química. Solo RM es un término más frecuentemente usado para referirse a
técnicas de image o espectroscópicas aplicadas a personas o animales. La
mayoría de las revistas de radiología prefieren usar la frase imágenes de RM,
en vez de IRM, cuando se refieren a la aplicación clínica de la técnica. (1)
Peter Zeeman (1865-1943)
señaló que el espectro del sodio era afectado si el átomo era colocado en un
campo magnético (2). Junto a Hendrik Lorentz recibió el Premio Nobel de Física,
en 1902, por sus investigaciones acerca de la influencia del magnetismo en la
radiación, originando la radiación electromagnética. (3)
El austríaco Isidor
Isaac Rabi (1898-1988), quien emigró a Estados Unidos, donde se graduó de
químico y cuya tesis de doctorado fue sobre las propiedades magnéticas de los
cristales, en 1934 publicó, junto a V. W. Cohen, en Physical Review, su contribución original, un verdadero parte
aguas, Measurement of nuclear spin by the
method of molecular beams: the nuclear spin of sodium, por lo cual puede
ser considerado el primer investigador en describir y medir el spin nuclear. En
1933, en la misma revista, Rabi y Cohen también publicaron The nuclear spin of sodium (4). En 1938, Rabi et. al., publicaron A new method of measuring nuclear moment,
llamando a la resonancia nuclear magnética, espectroscopia por radiofrecuencia;
los autores agradecieron a Gorter, al final del artículo. (5)
Rabi llegó a ser
profesor de física en 1937 y fue el primero en demostrar y medir los estados
singulares de rotación de los átomos y moléculas, así como en determinar la
mecánica de los movimientos magnéticos de los núcleos, lo cual fue, quizás, la
primera descripción del principio de resonancia magnética. Ganó el Premio Nobel
de Física en 1944, fue un hombre afortunado y exitoso, pues recibió la
colaboración y el consejo del físico alemán Cornelis Jacobus Gorter, en
septiembre de 1937, quien había hecho experimentos similares, pero sin éxito.
Es importante recordar que en la Unión Soviética también se estaba investigando
la resonancia magné-tica. La resonancia del spin electrón fue descubierta por
Yevgeni K. Zavoisky, de la Universidad de Kazan (fundada en 1804), cerca del
final de la II Guerra Mundial. Zavoisky,
en 1941, primero investigó acerca de la resonancia magnética nuclear; pero al
igual que Gorter falló. (4)
Mientras Rabi medía
las propiedades magnéticas de los núcleos, Bloch y Purcell descubrirían la
resonancia magnética nuclear de manera independiente (4), en diciembre de 1945 (5).
El grupo de Purcell repitió el experimento de Gorter y obtuvo una señal de RMN
del protón en materia condensada. Bloch y su grupo, con un diseño experimental
distinto (al que llamaron método de la inducción nuclear), detectaron la señal
de RMN a través de la fuerza electromotriz inducida por la precesión de los
núcleos en una bobina receptora. (5)
En 1943, Otto Stern
recibió el Premio Nobel de Física al demostrar el campo magnético de los átomos
(2). Una cronología de los avances
científico-técnicos del siglo XX, incluye los estudios y descubrimientos sobre
el momento magnético, realizados por Stern y Rabi, en 1932. (6)
En 1940, Luis W. Alvarez y Felix Bloch publicaron, en Physical review, un método cuantitativo
para medir el momento magnético del neutrón: A quantitative determination of the neutron moment in absolute nuclear
magnetons. La II Guerra Mundial interrumpió las pesquisas. (5)
Felix Bloch
(1905-1983), físico de la Universidad de Stanford (fundada el 1-10-1890), y
Edward Purcell (1912-1997), profesor de física e ingeniero eléctrico de la
Universidad de Harvard (fundada el 8-9-1636), compartieron el Premio Nobel de
Física en 1952, después de haber descrito por separado la resonancia de los
sólidos, en 1946 (2). Estos fueron los primeros experimentos exitosos sobre
resonancia magnética nuclear (7). Sus equipos de trabajo determinaron que los
núcleos precesando a un determinado rango de radiofrecuencia, podían emitir una
señal de radiofrecuencia capaz de ser detectada por un radioreceptor. Hallazgos
que publicaron en Physical Review, en
enero de 1946, Bloch, W.W. Hansen y M.E. Packard bajo el título Nuclear induction; y Purcell, H.C.
Torrey y R.V. Pound con el título Resonance
absorption by nuclear magnetic moments in a solid. (8)
En 1946, Felix
Bloch, de la Universidad de Stanford definió los tiempos de relajación
longitudinal y transversal; y sentó las bases para usar medios de contraste en
resonancia magnética. (2)
Felix Bloch, de la
Universidad de Stanford, y Edward Purcell, de la Universidad de Harvard,
compartieron el Premio Nobel de Física en 1952, después de haber descrito por
separado la resonancia de los sólidos en 1946. (2)
Bloch era de origen
suizo; migró hacia Estados Unidos donde llevó a cabo sus importantes investigaciones.
A finales de la década de 1930 realizó experimentos con el ciclotrón Berkley,
en California, con el cual midió los movimientos magnéticos del neutrón. (4)
El interés inicial
de la resonancia magnética nuclear (RMN) estuvo centrado en el descubrimiento
del cambio químico, un pequeño, pero específico cambio en la frecuencia de
resonancia de un núcleo particular. La demostración de que una molécula con
núcleos en ambientes químicos distintos generaba un espectro con diferentes
respuestas, condujo a desarrollar la espectroscopía con RMN. El espectro por RMN es como una huella digital
de la composición química, por lo cual espectroscopía por RMN (E-RMN) se
convirtió en una de las más valiosas herramientas de análisis estructural y
funcional de los químicos. (8)
Los primeros
experimentos biológicos ocurrieron en Standford cuando Bloch obtuvo una fuerte
señal RMN de protones al insertar su dedo en una bobina de radiofrecuencia de
su espectrómetro. En Harvard, Purcell y Ramsey colocaron sus cabezas en un
campo magnético de 2.0T, mientras alrededor de sus cabezas estaba una bobina
conectada a un poderoso generador de radiofrecuencia sintonizado con la
frecuencia protónica de RMN. La única
sensación registrada fue la fuerza electromotriz inducida en la bobina de
radiofrecuencia, transmitida a las calzas metálicas de los dientes, la cual
era detectada por la lengua cuando la cabeza del experimentador entraba y salía
en el magneto. (8)
E. L. Hahn, quien siguió la idea de Bloch, produjo en 1949 una
excitación corta mediante un pulso de radiofrecuencia, induciendo una señal hoy
llamada FID (Free Induction Decay), que
es la base de las secuencias usadas actualmente. El trabajo de Hahn Nuclear induction due to free Larmor precession se publicó como carta
al editor en Physical Review, en 1950.
(5)
En enero de 1950 dos grupos independientes de investigadores publicaron
en el mismo número de Physical Review:
The dependence of a nuclear magnetic
resonance frequency upon chemical compound, de W. G. Proctor y F. C. Yu,
estudiantes de Bloch en Stanford; y Dependence
of the 19F nuclear resonance position on chemical compound
de W. C. Dickinson del Massachusetts Institute of Technology (MIT). En el
primero se da cuenta del desplazamiento químico del 15N y en el
segundo del mismo fenómeno en el 19F. (5)
También en 1950, en Physical
Review, H. S. Gutowsky y C. J. Hoffman publicaron Chemical shifts in the magnetic resonance of 19F, y descubrieron la
naturaleza química asociada al desplazamiento químico, describiendo el fenómeno
conocido como acoplamiento escalar spin-spin, que
ocurre cuando dos grupos de protones no equivalentes producen desdoblamiento
mutuo de sus señales, de gran utilidad analítica en RMN química. (5)
En 1965, se publicó un artículo que recientemente ha comenzado a tener
repercusiones en medicina: Spin difussion
meassurements: spin echoes in the presence of a time-dependent field gradient
de E. O. Stejskal y J. E. Tanner, en el que se estableció la secuencia básica
de las señales de difusión del protón, hoy de gran interés en RM médica. (5)
Las nuevas técnicas
de transformación de Fourier fueron introducidas en las investigaciones sobre
RMN, en 1966, por el físico-químico de origen suizo Richard R. Ernst y Wess W. Anderson
(2,5). Ernst aplicó una nueva técnica
de la transformada de Fourier a la espectroscopía por RMN y participó en la
creación del algoritmo actual de transformación de la señal a la imagen,
mediante transformadas dobles de Fourier. Ernst recibió el Premio Nobel de
Química en 1991 por su gran contribución al avance de la
espectroscopía por RMN. (5)
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830),
ingeniero y matemático francés, estudió la transferencia de calor y en 1822 publicó su obra
cumbre: Théorie analytique de la chaleur.
Fourier estudió la ecuación diferencial del flujo de calor e intentó demostrar
que cualquier función diferenciable podía ser representada como función
continua y expresada como la suma infinita o integral de funciones
trigonométricas basadas en la ecuación de Euler: eie =
cos θ + isen θ, la cual es una fórmula fundamental en
gran parte de la tecnología actual. Si G y g son funciones continuamente
diferenciables y rápidamente convergentes a cero, entonces se llama
transformada de Fourier. (5)
La transformada de Fourier es
básicamente el espectro de frecuencias de una función. Es una transformación matemática empleada para
transformar señales del dominio del tiempo o del espacio y el dominio de la frecuencia, aplicables en física e
ingeniería. Es reversible y capaz de transformar uno de los dominios en el
otro. El término se refiere tanto a la operación de transformación como a
la función que produce. (3)
En 1966, Ernst y Anderson publican en Review of Scientific Instruments un extraordinario avance que
cambiaría la dirección del desarrollo de la RMN: Application of Fourier transform spectroscopy to magnetic resonance.
Curiosamente, este trabajo fundamental fue rechazado dos veces en el Journal of Chemical Physics por ser muy
técnico y no lo suficientemente original. Los investigadores aplicaron una
nueva técnica de transformada de Fourier a la espectroscopía por RMN. Utilizando
la FID de Hahn y analizando la transformada de la respuesta del sistema,
aumentando la razón señal/ruido, además de abrir las puertas al análisis
computarizado de las señales, reduciendo significativamente el tiempo de
registro. (5)
En palabras de Ernst: "cuando uno considera el complicado
tratamiento de los datos adquiridos en un computador CAT 400, en papel, luego
transferidos a tarjetas perforadas a un IBM, San José, después traspasados a
cinta magnética en el Service Bureau Corporation,
Palo Alto, para realizar la transformada de Fourier en un IBM 7090 y dibujados
en un Calcom Plotter, nadie podría haber estado convencido de un ahorro en
tiempo". (5)
El trabajo de Ernst, pone de relevancia la importancia del trabajo de Fourier
y sin duda repercute en todo el desarrollo posterior de la técnica, no sólo en
la química, donde permaneció muchos años y sigue desarrollándose, sino también
en la medicina. (5)
La era médica de la RMN comienza con Eric Odeblad y Gunnar Lindstrom, el
primero médico y fisiólogo suizo, muy reconocido por sus estudios de las
propiedades físico-químicas e inmunológicas del moco cervical. Ambos, en 1955
obtuvieron espectros del protón de eritrocitos, músculo e hígado de ratas y
fluidos humanos. Posteriormente a éste y otro trabajo pionero del mismo
Odeblad, Lindstrom y B. N. Bhar en 1956, en la década de 1960 comenzaron a
trabajar los grupos de John Mallard y Jim M. S. Hutchison, ambos físicos, en la
Universidad de Aberdeen, Escocia, el médico Raymond V. Damadian en el Downstate
Medical Center de Brooklyn y el bioquímico Donald P. Hollis en la Universidad
John Hopkins de Baltimore, Estados Unidos. (5)
Entre 1963 y 1971 Mallard
en conjunto con P. D. Cook primero, y con M. Kent después, y luego con J.
Hutchison mostraron las diferencias en los espectros de resonancia de los
electrones (electron spin
resonance) entre tumores de hígado y riñón y fallaron al
intentar obtener señales de un ratón vivo. (5)
En 1971, apareció en
escena Raymond V. Damadian, médico estadounidense, con un trabajo hoy clásico y
que, como se refleja en los trabajos posteriores de Mallard y de Hollis, fue un
aporte desafiante que estimuló el desarrollo posterior de la RMN. Se publicó en
Science bajo el título Tumor detection by nuclear magnetic
resonance. Aquí, Damadian propuso: "Las medidas de resonancia spin-eco pueden ser usadas como
un método para discriminar entre tumores malignos y tejido normal".
Encontró diferencias en los tiempos de relajación T1 y T2 entre seis muestras
de tejidos normales y dos tumores sólidos de hígado y riñón de rata. Además,
comparó fibroadenomas con dichos tumores, encontrando que también se
diferenciaban de ellos. Así, los valores de T1 y T2 de tumores se encontraban fuera
del rango de valores normales y de lo observado en los fibroadenomas. (5)
Damadian apodó al método
analítico para diferenciar los valores de relajación FONAR (field focused nuclear magnetic resonance). Sus
resultados los corroboró con tejidos humanos en 1974, publicando junto con K.
Zaner, D. Hor y T. DiMaio el artículo Human
tumors detected by nuclear magnetic resonance, en Proceedings of The Natural Academy of Science. Con su equipo de
trabajo construyó el primer tomógrafo de RMN de cuerpo entero, que llamaron
"el indomable", obteniendo la imagen de un tumor en una rata,
publicada en la revista Science en
1976. (5)
Después de 1971,
influenciado por el trabajo de Damadian, Mallard exploró las diferencias de
resonancia del protón entre tejidos cancerosos y normales, encontrando
resultados menos claros que los que reportó Damadian en 1971, explicando que
gran parte de las diferencias en T1 eran dadas por la presencia de agua en
estos tejidos. En 1973, Mallard exploró la posibilidad de obtener imágenes
(algo después que Lauterbur), y en 1974 con Hutchison, obtuvo la primera imagen
de un ratón completo. (5)
D. P. Hollis y colaboradores entre 1972 y 1974
estudiaron las propiedades de relajación spin-lattice T1, de diversos tejidos cancerosos,
encontrando tiempos de relajación T1 mayores y exploraron su relación con el
contenido de agua en los tejidos. Sus publicaciones fueron: A nuclear magnetic resonance study of water
in two Morris hepatomas en el Journal
of National Cancer Institute, en 1974, junto a L. A. Sarvan y H. P. Morris.
Luego, junto a J. S. Economou, L. C. Parks, J. C. Eggleston et. al., Nuclear magnetic resonance studies on
several experimental and human malignant tumors, en la revista Cancer Research, en el año de 1973. (5)
El avance fundamental
para la medicina se produjo cuando el químico estadounidense Paul Lauterbur, en
la Universidad de New York, tuvo la idea de codificar espacialmente la señal
mediante la aplicación de gradientes magnéticos y después reconstruir la imagen
en forma similar a la tomografía computarizada. En Image formation by induced local interactions; example employing
magnetic resonance, publicado en la revista Nature en 1973, mostró que agregando campos magnéticos adicionales
al campo principal y obteniendo un conjunto de proyecciones de la distribución
de la señal de dos tubos de prueba, conteniendo agua normal dentro de un
contenedor de agua deuterada, se podía reconstruir una imagen por medio de
retroproyección filtrada (similar a la tomografía computarizada). Llamó a su
método zeugmatografía (zeugma=unión), refiriéndose a la unión de un campo
magnético con la radiofrecuencia. Como muchas veces sucede, primero su artículo
fue rechazado, pero ante la persistencia de Lauterbur, finalmente se publicó.
(5)
La reconstrucción de
imágenes de RMN está sustentada en el método de la tomografía computarizada, es
decir en el trabajo fecundo de Johan Radon, quien en 1917 publicó Sobre la
determinación de las funciones y sus valores integrales, donde a través de geometría integral basada en la
integración sobre hiperplanos (4), demostró la posibilidad de reconstrucción
tridimensional de un objeto a partir de un juego infinito de sus proyecciones
(5); la llamada transformada bidimensional de Radon, transformada de los rayos X,
o bien, senograma (4); y el trabajo de Allan M. Cormack (Premio Nobel
junto a Godfrey Hounsfield en 1979 por la invención de la tomografía computarizada).
(5)
Cormack resolvió el problema de conocer el interior
de una región a partir de conocer sus proyecciones y publicó en dos partes el artículo Representation of a function by its line
integrals, with some radiological applications, en el Journal of Applied
Physics, en 1963 y 1964. Demostró cómo resolver el conjunto de
ecuaciones integrales generadas por la atenuación de un conjunto de voxels
dispuestos en línea, uno al lado del otro, en función del ángulo de rotación de
la proyección, mediante transformadas de Radon-Fourier, series de Fourier y el
uso de polinomios de Tschebycheff. (5)
Peter Mansfield, físico
inglés, también en 1973, descubrió en
forma independiente que el uso de gradientes de campo magnético producía
señales que podrían ser analizadas directamente para proveer la información
espacial, incluyendo una descripción matemática de la transformación de una
señal temporal a la representación espacial, introduciendo el concepto del
espacio-K. Posteriormente, trabajó en la selección de los cortes y en 1976
propuso la secuencia EPI (eco-planar
imaging), o como llenar el espacio-K en forma rapidísima, en un
solo disparo (single shot),
publicando Multi-planar image formation
using NMR spin echoes, en el Journal
of Physics, C: Solid State Phys., en 1977. (5)
Peter Mansfield y Paul Lauterbur posteriormente siguieron contribuyendo
al desarrollo de la RMN, con gran número de artículos en la revista Physics in Medicine and Biology. En el
artículo clásico de Mansfield y A. A. Maudsley titulado Medical imaging by NMR, publicado en The British Journal of Radiology, en 1977, presentaron la primera
imagen seccional de una región de la anatomía humana, un dedo. Mansfield y Lauterbur
fueron galardonados con el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 2003. (5)
Sin duda, Damadian, es junto a Lauterbur y Mansfield, uno de los
responsables de la aplicación médica de la RMN. Lamentablemente, no recibió el Premio
Nobel y se enfrascó en una ácida polémica, intentando por diversos medios
publicitarios ser declarado el padre de dicha técnica. Algunos autores
atribuyen el hecho a la personalidad exuberante de Damadian o a que el Premio Nobel
se otorgó por llevar la técnica de RMN a producir una imagen médicamente útil y
no por la aplicación al diagnóstico diferencial entre tejido tumoral y sano. (5)
Los hallazgos de Mansfield y Lauterbur y del mismo Damadian aceleraron
el desarrollo de la técnica. En 1977, W. S. Hinshaw, P.A. Bottomley, y G. N. Holland publicaron Radiographic thin section image of a human
wrist by nuclear magnetic resonance, en
Nature, donde mostraron imágenes de RMN de una muñeca humana. Damadian
logró reconstruir la imagen del tórax y Mansfield desarrolló las secuencias
EPI. (5)
En 1980, R. C. Hawkes, G. N. Holland, W. S. Moore y B. S.
Worthington publicaron Nuclear magnetic
resonance tomography of the brain: a preliminary assessment with demonstration of
pathology, en el Journal of Computer
Assist Tomography, donde demostraron
haber obtenido las primeras imágenes de la cabeza y el encéfalo, y en 1981
se instaló el primer prototipo de tomógrafo de RMN en el Hospital Hammersmith, de
Londres, dando inicio a los estudios pioneros de Graeme M. Vides e Ian R. Young
en el departamento dirigido por el profesor Robert E. Steiner. (5)
Hay que destacar un avance extraordinariamente relevante, que es base de
la tecnología actual: Anil Kumar, Dieter Welti y R. Ernst, publicaron, en 1975,
el artículo NMR Fourier zeugmatography,
en el Journal of Magnetic Resonance, donde
sustituyeron el algoritmo de retroproyección basado en la transformada de
Radon-Fourier, por el uso de gradientes magnéticos codificadores y
transformadas dobles de Fourier para reconstituir la imagen, lo cual es la base
de la formación actual de imágenes. (5)
La primera
aplicación de alta resolución de E-RMN a un sistema viviente fue reportada por
Moon y Richards, quienes publicaron estudios de RMN de fósforo-31 (P31),
de glóbulos rojos intactos, en los que ellos pudieron determinar los
metabolitos individuales. En 1973 publicaron Determination of intracellular pH by 31P magnetic resonance
en el Journal Biology Chemistry.
Luego Hoult, Busby, Gadian et. al., en 1974 registraron el sus datos de RMN de
P31 en tejido muscular de la pata de una rata, con la investigación Observation of tissue metabolites using 31P nuclear magnetic resonance.
En ese momento, la principal limitación de la E-RMN era el diámetro de 5,0 cm.,
de los magnetos superconductores. Cuando dicho diámetro aumentó, se pudo hacer
estudios en animales vivos indemnes. (8)
En Inglaterra, en el
año de 1980, la Oxford Instrument Company, pionera de muchos avances en los
magnetos de RMN, ofreció magnetos superconductores de 2,0T, con 30cm., de
calibre y alta resolución en regiones de 2 a 4cm., de tamaño; en los cuales era
posible introducir la mano y el brazo, o bien, el pie y la pierna, y espectros
de RMN de muy alta resolución fueron registrados de los núcleos de P31,
C13 e H1. Así, el metabolismo de las extremidades
humanas, sanas o enfermas, podía monitorearse, incluyendo los efectos del
ejercicio y del torniquete; las enfermedades musculares se podían diagnosticar
y seguir su tratamiento y curso, basado en datos bioquímicos detallados.
Posteriormente, se fabricaron magnetos de 100cm., de calibre y alta resolución,
siendo así posible que todo el cuerpo humano se introdujera para obtener el
espectro de RMN de cualquier región anatómica. (8)
En 1971, Raymond
Damadian señaló que la resonancia magnética podía usarse para diferenciar entre
neoplasias malignas y tejido normal (2,8). Damadian introdujo el concepto de
que la técnica de RMN podía usarse para detectar neoplasias, publicando Tumor detection by nuclear magnetic
resonance, en Science, en 1971.
En el año antes mencionado, él demostró que las constantes de relajación T1 y
T2 del agua, o sea del hidrógeno, eran más prolongadas en tumores malignos de
ratas que en los tejidos normales correspondientes. También sugirió que la RMN
debía estar en los quirófanos para ayudar en la identificación de malignidad en
los tumores extirpados. (8)
El pionero de la
resonancia magnética Damadian (n. 1936), médico graduado del Albert Einstein
College of Medicine, en Nueva York, jugó un relevante papel en el desarrollo
del escáner de RMN. Siendo médico se interesó por la biofísica, la
físico-química y las matemáticas. En 1978 fundó la Fonar Corporation. Damadian
inventó el escáner de resonancia magnética y publicó su artículo semilla, en
1971. (4)
Damadian observó que
la RMN podía usarse para demostrar tejido maligno, en un modelo animal, in vivo. Después de este descubrimiento
los físicos médicos trabajaron para construir un aparato que permitiera el
escaneo del cuerpo humano, con fines médicos, usando los principios de la RMN.
Uno de los primeros grupos en hacer tal cosa fue el de la Universidad de
Aberdeen, Escocia, donde John Mallard, profesor de física biomédica y
bioingeniería, y su equipo de trabajo que incluía al doctor James Hutchison y
Bill Edelstein, y otros colaboradores, se pusieron a trabajar para resolver
este problema. (4)
Paul Christian
Lauterbur, en 1973, publicó la primera imagen bidimensional de dos objetos
heterogéneos, al colocar dos tubos capilares, de vidrio, de paredes delgadas
(1,0mm., de calibre), conteniendo agua, dentro de otro tubo de vidrio más grande
(4,2mm., de calibre), lleno de D2O o 2H2O (5),
es decir, de óxido de deuterio o agua pesada, en la que los dos átomos de
hidrógeno son sustituidos por deuterio. (8)
Lauterbur, de origen
británico, fue otro de los pioneros de la RMN y publicó en la revista Nature, en el año de 1973, su primer
artículo, de más de cien, el cual tituló Image
foundation by induced local interactions: example employing nuclear magnetic
resonance. (4)
Lauterbur aplicó un
segundo campo magnético al campo magnético primario, más poderoso, de tal
manera que la respuesta de RMN fue solo producida en una región limitada. Obtuvo así, una proyección unidimensional de
la densidad nuclear, a lo largo de la dirección del gradiente. Luego, para que
generara una imagen bidimensional del objeto utilizó un algoritmo para combinar
datos desde proyecciones diferentes, obtenidas al rotar el objeto alrededor de
un eje perpendicular a la dirección del gradiente. (8)
Reconoció Lauterbur
que, la resolución y discriminación espacial estaban determinadas por el campo
magnético y sus gradientes; en tanto, el campo electromagnético de
radiofrecuencia servía para detectar el fenómeno de RMN. Al contrario de la
microscopia tradicional, donde la resolución de detalle está relacionada con la
longitud de onda de la radiación lumínica. (8)
Ya que ambos campos
magnéticos debían coincidir o unirse en el objeto, Lauterbur acuñó el término
zeumatografía, del griego zeugma, que significa: lo que se une o se junta; pero
dicha palabra no se popularizó y la técnica fue generalmente llamada RMN;
aunque a mediados de la década de 1980, la palabra “nuclear” fue eliminada por
su connotación peligrosa e impopular, por lo que el nombre cambió al
actualmente aceptado de forma universal: imágenes de resonancia magnética (IRM,
en español o MRI, en inglés). (8)
Escepticismo más que
interés provocó el trabajo de Lauterbur y Damadian entre investigadores
contemporáneos del diagnóstico por imagen, ya que la señal de RMN era muy débil
y susceptible a ruido por interferencia desde distintas fuentes. Ese problema
se resolvió en los laboratorios de química adquiriendo datos de RMN durante
muchas horas y agregando miles de mediciones hasta obtener mejores resultados;
aunque en el contexto clínico real el tiempo prolongado de la adquisición de
datos no era algo práctico. (8)
Además, las muestras
químicas analizadas con RMN eran pequeñas y homogéneas, mientras que el cuerpo
humano viviente era mucho más grande y mucho menos homogéneo. Para lograr que
la RMN fuese una tecnología de imágenes, clínicamente útil, fue necesario mayor
inversión en nuevos instrumentos, incluyendo campos magnéticos intensos y
extremadamente uniformes. (8)
Un año después,
había cuatro métodos diferentes de imagen de resonancia magnética efectuados
por diferentes grupos de investigadores. (2)
Leo Kauffman, en
1973, en la Universidad de California (fundada el 23-3-1868), desarrolló un
sistema de formación de imágenes basado en la superconductividad. En 1974, en
la Universidad de Aberdeen (fundada en 1495), en Escocia, Reino Unido,
obtuvieron la primera imagen de un espécimen biológico por resonancia
magnética: un ratón (2). Los órganos del ratón eran visibles; pero además, se
observó edema alrededor de una fractura del cuello, como imágenes más oscuras.
(8)
Hutchison, en 1974,
obtuvo imágenes de RMN, usando la secuencia de inversión recuperación, de un
ratón recientemente muerto. Designó un magneto resistivo, del tipo air cord, de 0,04T, el cual fue
construido por Oxford Instrument y
fue llamado la máquina de RMN corporal (Mark 1). (8)
Damadian, Minkhoff,
Goldsmith et. al., en 1976, en Science,
publicaron la primera imagen de RMN de un animal vivo, un ratón con una
neoplasia implantada quirúrgica-mente en la pared costal anterior (2,8), como
parte del artículo titulado Field
focusing nuclear magnetic resonance (FONAR): visualization of a tumor in a live
animal (8). En 1977 publicaron la primera imagen de RMN de un ser humano;
un corte axial de tórax, a nivel de la octava vértebra dorsal (2,8); como parte
de NMR in cancer. XVI FONAR image of the
live human body, en Physiological
Chemistry Physics. Aunque estas imágenes eran toscas, indicaban que era
posible realizar RMN del cuerpo, por lo cual valía la pena hacer un intenso
esfuerzo de investigación (8). Asimismo, en 1977, Damadian demostró el primer
escan de cuerpo completo por medio de RMN. (7)
El equipo de la
Universidad de Nottingham, que incluía a Brian Worthington y Sir Peter
Mansfield produjo la imagen de una muñeca, por medio de RMN. Ian Young et. al.,
de EMI, en Londres, obtuvo posteriormente, imágenes de tórax y abdomen.
Asimismo, reportaron, en 1980, la obtención de la primera imagen de una cabeza
humana y su contenido encefálico. Luego, fue instalado en Manchester, el primer
magneto criogénico comercializado en Europa. (4)
En 1979, Hutchison
obtuvo imágenes de todo el cuerpo, con RMN, pero desafortunadamente perdieron
calidad por los artificios cinéticos causados por los latidos cardíacos. Él y su equipo fueron los responsables de la técnica
spin-warp. (4)
En 1981, el grupo de
la Universidad de Aberdeen, Smith y col., sugirieron la posibilidad de
diferenciar los tejidos normales de los neoplásicos. (2)
La técnica de
Damadian llamada FONAR (enfocada al campo magnético de la RMN) consumía mucho
tiempo, ya que el tejido de la región era examinado punto por punto. Fue
necesario encontrar una forma de acelerar el proceso de adquisición de datos
para que las imágenes de RMN tuvieran importancia y utilidad clínica. Peter Mansfield y colegas, en la Universidad
de Nottingham, Inglaterra (fundada en 1881), desarrollaron un método para
explorar la región de interés línea por línea, en vez de punto por punto. Esto
permitió que un plano de tejido podía fuese examinado al aumentar la velocidad
de la adquisición de datos en forma lineal. Mansfield tuvo éxito al obtener
imágenes crudas de un dedo, en 1976, y del abdomen, en 1978, en un tiempo muy
corto, pero dichas imágenes eran difíciles de reconocer. Así, Mansfield y
Maudsley reportaron tales avances en Planar
and line-scan spin imaging by NMR. Proceedings of the XIXth Congress Ampere,
Heidelberg, 1976; y Mansfield, Pykett, Morris y Coupland lo hicieron por
medio de Human whole body line-scan
imaging by NMR. British Journal of Radiology. 1978. (8)
Los avances con la
técnica de escala lineal en Aberdeen produjeron imágenes de estructuras del
cuerpo humano sustancialmente mejores que las obtenidas en Nottingham. Sin
embargo, los artificios cinéticos fueron un problema con el método de Aberdeen
porque dos señales obtenidas en momentos ligeramente diferentes eran sometidas
al proceso de sustracción para producir la imagen. Esto fue resuelto por medio
de estimular la región de interés con pulsos de radiofrecuencia de duración
constante, pero de diferentes amplitudes; en vez de amplitud constante y
duración diferente (el llamado método spin-warp).
(8)
Mientras tanto, un
segundo grupo de investigadores de Nottingham, encabezado por Moore y Hinshaw,
usaron una nueva técnica alternando gradientes magnéticos para seleccionar y
cambiar la línea de adquisición de datos en el espécimen examinado. Fueron
claramente visibles, en las primeras imágenes, estructuras tales como: mano,
muñeca, huesos, músculos, tendones y arterias. Nature, en 1977, publicó de Hinshaw, Bottomley y Holland el
artículo Radiographic thin-section of the
human wrist by nuclear magnetic resonance. Así, en 1980, este grupo produjo
las primeras imágenes del cerebro humano, francamente reconocibles. (8)
En 1981 se
publicaron los primeros informes de pacientes examinados con la nueva técnica
de RMN. En Aberdeen, Smith, Mallard, Hutchison et. al., publicaron varios
informes señalando la capacidad de la RMN para diferenciar tejido maligno del
benigno, además de su superioridad en relación a la ecografía y el scan hepático
con radionúclidos, en el diagnóstico de un amplio espectro de hepatopatías. Lancet, en 1981, publicó Clinical application of nuclear magnetic resonance. Y de los tres autores más Reid, también en el
mismo año, la misma revista publicó Nuclear
magnetic resonance tomographic imaging in liver disease. (8)
Young, Brull, Clark
et. al., publicaron en la revista AJR, en 1981, el artículo Magnetic resonance properties of hydrogen:
imaging the posterior fossa. Young et. al., en Hammersmith, usaron una
variedad de secuencias de pulso para producir imágenes que brindaran diferentes
tipos de información. Young, Hall, Pallis et. al., demostraron que la RMN era
superior a la TAC en la demostración de pequeñas áreas de desmielinización en
pacientes con esclerosis múltiple y para describir la fosa craneal posterior y
contenido. Su artículo Nuclear magnetic
resonance imaging of the brain in multiple esclerosis, fue publicado en Lancet, en 1981. (8)
En los Estados
Unidos la investigación sobre RMN avanzó relativamente lenta. La inmigración de
físicos británicos, a inicios de la década de 1980, favoreció el logro de
avances importantes. Kaufman y Crooks, de la Universidad de California, en San
Francisco, desarrollaron un sistema de imágenes sofisticado usando el método
multi-corte, en el cual los datos eran recolectados de cortes de tejido
cercanos, mientras que al corte de tejido previamente examinado se le daba
tiempo para recuperarse. (8)
Tres tipos de
unidades magnéticas o magnetos fueron construidos. Magnetos permanentes (p.
ej.: con el método FONAR), hechos de materiales ferromagnéticos, en los cuales,
un campo magnético fuerte e intrínseco, fue inducido al momento de la
fabricación. Inicialmente, dichos magnetos fueron muy pesados: uno de 0,30T
pesaba 100 toneladas. Más recientemente,
se construyeron magnetos permanentes, usando elementos de tierras raras, para
producir campos magnéticos más altos y más livianos. (8)
Los magnetos o imanes
resistentes generaban el campo magnético por medio del flujo de corriente
eléctrica a través de bobinas de alambre o cintas de conductores tales como
aluminio y cobre, los cuales tienes una importante resistencia. Debido a dicha
resistencia, existe una disipación significativa de energía y calor desde el
magneto, lo que a su vez limita la fuerza del imán ya que ante un campo
magnético de alto poder, las necesidades de enfriamiento son muy grandes. (8)
El magneto
superconductor llegó a ser el diseño más popular en la unidades de IRM,
produciendo un campo magnético cuya fuerza oscila entre 0.35 y 2,0T. Este
también produce el campo magnético a partir del flujo de corriente a través de
alambres; pero éstos son elaborados con materiales superconductores que no
tienen una resistencia medible. Por lo tanto, no hay pérdida de energía y la
corriente fluye, teóricamente, para siempre; aunque realmente existe una
pequeña pérdida de corriente con el tiempo, en el imán. (8)
Para mantener la
propiedad de superconducción el imán debe estar inmerso en un baño de helio
líquido, rodeado de nitrógeno líquido, para una lenta evaporación del helio,
considerablemente más caro. Así pues, los magnetos superconductores pueden
tener campos magnéticos más potentes que los magnetos resistentes; pero son
mucho más caros y deben reabastecerse de helio y nitrógeno periódicamente. (8)
A finales del año
1982, aumentó la aceptación de la IRM en la práctica clínica y en pocos años se
convirtió en el examen imagenológico de elección para el sistema nervioso
central y otras regiones del cuerpo. A diferencia de la ultrasonografía, los
huesos no degradaban la imagen; y al contrario de los rayos X y la TAC brindaba
imágenes en los planos transversal, coronal y sagital, así como en cualquier
otro. Además, podía indicar la permeabilidad u oclusión vascular sin usar medio
de contraste. (8)
A inicios de la
década de 1980, la utilidad clínica de la RMN fue más clara: la técnica no solo
brindaba imágenes de los órganos abdominales, sino que también podía usarse en
ginecobstetricia para evaluar el feto, así como en el sistema
músculo-esquelético. (8)
Runge, Stewart,
Clanton et. al., publicaron en Radiology,
en 1983, el artículo Potential oral and
intravenous paramagnetic NMR contrast agents, demostrando que pequeñas
cantidades de estas sustancias podían reducir el tiempo de relajación T1, en el
ambiente alrededor, debido al momento de interacción magnética entre el núcleo
y el electrón. Este hallazgo condujo al rápido desarrollo del gadolinio
(Gd-DTPA), como un medio de contraste efectivo, usado inicialmente solo en
exámenes del encéfalo, que demostró la ruptura de la barrera hemato-encefálica,
como lo hacían los medios de contraste yodados en TAC. (8)
Ya que los exámenes
de IRM eran frecuentemente prolongados, lo cual implicaba que el paciente
estuviera quieto, sin moverse, hasta una hora, las investigaciones intensivas
permitieron desarrollar las técnicas rápidas de imagen para poder hacer
exámenes exitosos en pacientes con temblor o nerviosismo, quienes colaboraban
solo por poco tiempo; así como también exámenes de tórax y abdomen en pacientes
colaboradores, en los que las movimientos funcionales cardiovasculares,
respiratorios y peristálticos influían en la calidad de la imagen. Básicamente,
las técnicas rápidas combinaron ángulos pequeños y dirección de gradientes para
producir imágenes en menos de un segundo. Los angiogramas por RMN podían
realizarse ya que el flujo sanguíneo aparecía más brillante que los tejidos
estacionarios, de acuerdo a Edelman, quien publicó MRI angiography: approaches and strategies, en MRI Decisions, en el año de 1989. (8)
Inicialmente,
instalar los equipos de RMN en los hospitales era difícil debido a la
interferencia de radiofrecuencia ambiental. Además, el campo magnético generado
por el imán del resonador afectaba las funciones de los equipos cercanos. Para
resolver este problema, los fabricantes elaboraron un blindaje especial para
instalarse en las salas hospitalarias, que en su mayor parte eran una extensión
de los sistemas de blindaje magnético y de radiofrecuencia, desarrollados como
secreto de estado, en las instalaciones electrónicas militares. (8)
Los primeros escáner
de RMN eran colocados dentro de un cuarto pequeño de pared delgada, con
blindaje de cobre, que funcionaba como un escudo de radiofrecuencia para alejar
la radiofrecuencia no deseada. Los pacientes eran acostados en una camilla de
madera, que luego era deslizada hacia dentro del gantry del escáner.
Actualmente, los equipos modernos tienen el magneto blindado en un cuarto que
tiene su propio escudo de radiofrecuencia, en la pared del cuarto mismo. (8)
En el Reino Unido se
obtuvo buenas imágenes de abdomen y cerebro humanos, en 1978 y 1980,
respectivamente. Ernst y Wüthrich recibieron el Premio Nobel de Química en 1991
y 2002, respectivamente, y sus conocimien-tos bioquímicos sirvieron para la
aplicación de nuevas técnicas en resonancia magnética. Paul C. Lauterbur y
Peter Mansfield ganaron el Premio Nobel de Medicina en 2003 por inventar la
resonancia magnética (3). Mansfield, de origen británico, físico de la
Universidad de Nottingham, en el Reino Unido, hizo contribuciones importantes
para el desarrollo de la RMN y escribió muchos de los primeros artículos sobre la
utilidad y aplicación de la IRM o RMN en la práctica clínica. (8)
Allen D. Elster
publicó en 1986 el primer atlas de RMN de cuerpo entero (Magnetic resonance imaging: a reference guide and atlas) y en 1987
el primer libro de texto dedicado exclusivamente a imágenes craneales de RMN (Cranial magnetic resonance imaging). (1)
George Rada y Rex
Richards, de la Universidad de Oxford (fundada en 1096), fueron otros de los
pioneros a inicios de la década de 1970, pero en el área de la espectroscopía
con RMN (E-RMN). Dicha área resultó fructífera para la investigación y permitió
ganar dos Premios Nobel: Richard Ernst, de Suiza, en 1991; y Kurt Wüthrich, en
2002, quienes por medio de la E-RMN determinaron la estructura tridimensional
de las moléculas biológicas. (4)
Refinamientos en la
técnica de IRM, aumento de la fuerza del campo magnético y desarrollo de nuevas
secuencias para estudiar con mayor precisión a las enfermedades, fue labor
hecha por otros pioneros. (4)
La primera imagen de
RMN con medio de contraste intravenoso, gadolinio dimeglumina
dietil-entriaminopentacético (Gd-DTPA), fue publicada por Dennis Carr, del
grupo de IRM-Hammersmith, en el Reino Unido, y Wolfang Schorner, de
Berlín. (4)
Alger, Frank, Bizzi
et. al., publicaron en 1990, en Radiology,
el artículo Metabolism of human gliomas:
assessment with H-1 spectroscopy and F-18 fluorodeoxyglucose PET. En 1992,
Ronald Eisenberg señalaba que las investigaciones, en esos años, estaban
dirigidas a acoplar la IRM con la espectroscopía para localizar de manera
exacta, y en vivo, la fuente de la actividad metabólica. (8)
Muchos centros
especializados han contribuido al desarrollo de esta técnica, incluyendo su
aplicación en todas las áreas de la medicina (cerebro, cáncer, huesos,
músculos, articulaciones, etc.). Los avances continuaron al principio del siglo
XXI e incluyeron escáner abierto para pacientes claustrofóbicos y escáner mucho
más rápido y con campos magnéticos más potentes. Ahora se conocen los magnetos
de 3,0 y 7,0T. La IRM cardíaca ha revolucionado las imágenes cardíacas y los
procedimientos intervencionistas ahora son más frecuentemente guiados por medio
de RM. (4)
La RM de hoy se nutre de los descubrimientos logrados por todos estos
grandes investigadores: matemáticos, físicos, químicos, ingenieros y médicos, y
probablemente lo seguirá haciendo, incorporando estos avances en las nuevas
técnicas que se están desarrollando. Resulta extraordinariamente interesante
notar en la historia de la RM la intrincada red de personajes que participaron
y que, descubrimientos sin aparente relación en diferentes campos y sobre todo,
sin una utilidad inmediata para la época, se articulan hoy produciendo una
revolución en el estudio y diagnóstico de los pacientes. La RM médica está
demostrando una potencialidad insospechada de nuevos avances como la capacidad
de realizar estudios funcionales, difusión, perfusión, tractografías, espectro-resonancia,
e incluso es posible el desarrollo de estudios de resonancia de otros núcleos
como13C, 19F, 31P y 27Na,
por lo que probablemente se encuentra hoy en los inicios de una historia que
continuará revolucionando la medicina y en particular la imaginología. (5)
Estos son los
principales hechos históricos en el desarrollo de la técnica diagnóstica de resonancia
magnética, los cuales forman parte del progreso de la radiología clínica. (9,10)
Managua, Nicaragua,
noviembre-diciembre de 2015 y enero de 2016
Colegio Nicaragüense de Radiología
Referencias bibliográficas:
1. Elster, A. D.
Questions and answers in magnetic resonance imaging. Mosby. St. Louis. 1994: 278
2. Pedrosa, C. S.
Pedrosa Moral, I. S. Diagnóstico por imagen: evolución histórica. En: Pedrosa,
C. S., Casanova, R. Pedrosa. Diagnóstico por imagen. Vol. I. McGraw-Hill-Interamericana.
Madrid. 2002:1-20
3. Wikipedia. La enciclopedia libre.
Internet. 2010
4. Thomas, A.M.K., Banerjee, A.K. The
history of radiology. Oxford University Press. 2013: 222
5. Canals, M. Historia de la resonancia magnética de Fourier a Lauterbur
y Mansfield: en ciencias, nadie sabe para quién trabaja. Rev. chil.
radiol. (on line) Vol.14; No.1; Santiago. 2008
6. Herreman, R. Historia de la medicina.
Trillas. México. 1987: 180
7. Rooney, A. A história da medicina. M.
Books. Sao Paulo. 2013: 216
8. Einsenberg, R.L. Magnetic
resonance imaging. In: Radiology: an illustrated history. Mosby. St. Louis.
1992: 472-477
9-. Fisher, L. La
radiología clínica. En: Historia de la radiología en Nicaragua. Universitaria.
Managua. 2010: 23-34
10-. Fisher, L. Historia
de la radiología en Nicaragua: la senda de la luz invisible. 2da. ed.
Universitaria. Managua. 2011: 22-33
