Con el anuncio de los premios Nobel de 2022, Mundo de la física los editores miran a los físicos que han ganado premios en campos distintos al suyo. Aquí, Tammy Freeman examina dos avances en imágenes médicas que llevaron a los físicos a ganar el Premio Nobel de Fisiología o Medicina.
Los físicos siempre han tenido interés en la física biológica y médica, y es famoso que Francis Crick y Maurice Wilkins compartieran el mismo interés. 1962 Premio Nobel de Fisiología o Medicina por dilucidar la estructura del ADN (junto con el biólogo James Watson).
Pero otros dos grandes avances en física médica –la introducción de la tomografía computarizada (CT) de rayos X y la resonancia magnética (MRI)– también le valieron a sus inventores un premio Nobel de fisiología o medicina.
Abordar la teoría de la tomografía
Incluso antes de que Wilhelm Roentgen ganara el primer Premio Nobel de Física en 1901 por descubrir los rayos X, sabíamos que se pueden utilizar para obtener imágenes del interior del cuerpo. Rápidamente condujeron a la introducción de una variedad de aplicaciones médicas; pero fue el desarrollo de la tomografía computarizada (en la que se envían rayos X a través del cuerpo en diferentes ángulos para crear imágenes transversales y tridimensionales) lo que amplió enormemente el potencial de las imágenes médicas por rayos X.
Ese trabajo fue reconocido en 1979 cuando el físico Allan Cormack recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina”para el desarrollo de la tomografía asistida por computadora”, honor que compartió con el ingeniero Godfrey Hounsfield.
Nacido en Johannesburgo, Sudáfrica, Cormack se sintió intrigado por la astronomía desde una edad temprana. Luego pasó a estudiar ingeniería eléctrica en la Universidad de Ciudad del Cabo, pero después de un par de años abandonó la ingeniería y se dedicó a la física. Después de completar una licenciatura en física y una maestría en cristalografía, se mudó al Reino Unido para trabajar como estudiante de doctorado en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Cormack regresó a Ciudad del Cabo como profesor y, tras un año sabático en la Universidad de Harvard, en 1957 se convirtió en profesor asistente de física en la Universidad de Tufts en Estados Unidos. Inusualmente para un premio Nobel, Cormack nunca obtuvo un doctorado.
En Tufts, las principales actividades de Cormack eran la física nuclear y de partículas. Pero cuando tuvo tiempo, se dedicó a su otro interés: el “problema de la tomografía computarizada”. Fue el primero, desde un punto de vista teórico, en analizar las condiciones para demostrar una sección radiográfica correcta en un sistema biológico.
Habiendo desarrollado los fundamentos teóricos de la reconstrucción de imágenes tomográficas, publicó sus resultados en 1963 y 1964. Cormack señaló que en ese momento “prácticamente no hubo respuesta” a estos artículos, por lo que continuó con su curso normal de investigación y docencia. Sin embargo, en 1971, Hounsfield y sus colegas construyeron el primer escáner de TC y el interés por la exploración por TC aumentó.
Lo interesante es que Cormack y Hounsfield construyeron un tipo de dispositivo muy similar sin colaboración, en diferentes partes del mundo. Gracias a sus esfuerzos independientes, las tomografías computarizadas ahora son omnipresentes en la medicina moderna y se emplean para aplicaciones como el diagnóstico y seguimiento de enfermedades, así como para guiar pruebas como biopsias o tratamientos como la radioterapia.
La aparición de la resonancia magnética.
El siguiente Premio Nobel de Fisiología o Medicina para un físico fue en 2003 cuando Peter Mansfield fue reconocido (junto al químico estadounidense Paul Lauterbur), por “Descubrimientos relacionados con la resonancia magnética”, que allanó el camino a la resonancia magnética moderna. La técnica proporciona una visualización clara y detallada de las estructuras internas del cuerpo y ahora se utiliza de forma rutinaria para el diagnóstico, tratamiento y seguimiento médico. Fundamentalmente, a diferencia de las exploraciones basadas en rayos X, la resonancia magnética no expone al sujeto a radiación ionizante.
Mansfield originalmente estudió física en el Queen Mary College de Londres, donde su investigación de posgrado se centró en la construcción de un espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) pulsado para estudiar sistemas de polímeros sólidos. Después de recibir su doctorado en 1962, emprendió más investigaciones sobre RMN en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, antes de regresar al Reino Unido para ocupar una cátedra en la Universidad de Nottingham (donde trabajó hasta su jubilación en 1994).
El doctorado y el posdoctorado de Mansfield lo llevaron a la idea de utilizar la RMN para obtener imágenes humanas (una técnica originalmente llamada resonancia magnética nuclear, pero pronto rebautizada como simplemente resonancia magnética para evitar alarmar a los pacientes). Y fue durante su estancia en Nottingham cuando Mansfield logró algunos de los avances clave que le condujeron a su premio Nobel.
A mediados de la década de 1970, Mansfield produjo las primeras imágenes de resonancia magnética de un sujeto humano vivo: el dedo de uno de sus estudiantes de investigación. Su equipo desarrolló un prototipo de resonancia magnética de cuerpo entero, que él se ofreció como voluntario para ser el primero en probar. A pesar de que sus colegas científicos advirtieron que podría ser potencialmente peligroso, Mansfield estaba "bastante convencido de que no habría ningún problema".
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Por su parte, Lauterbur descubrió que la introducción de gradientes en el campo magnético permitía crear imágenes bidimensionales de estructuras que no podían visualizarse mediante otras técnicas. Mansfield desarrolló aún más el uso de gradientes, mostrando cómo las señales detectadas podían analizarse matemáticamente y transformarse en imágenes útiles. También se le atribuye haber descubierto cómo reducir drásticamente los tiempos de exploración por resonancia magnética, utilizando la técnica de imágenes ecoplanares.
Hoy en día se realizan decenas de millones de exámenes de resonancia magnética cada año en todo el mundo, y en 1993, Mansfield fue nombrado caballero por sus servicios a la ciencia médica. Incluso hay una cerveza (la del 4.2% ABV Cerveza Sir Peter Mansfield) nombrado en su honor.
