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La física médica abarca muchas áreas diferentes, desde las tecnologías utilizadas para mejorar la vista y el oído hasta la ayuda al diagnóstico de enfermedades (técnicas de imagen interna), la creación de herramientas para mejorar los métodos quirúrgicos (endoscopia) y el tratamiento de enfermedades, como la radioterapia.
Física del ojo y del oído
En cualquier especie animal, los órganos que ayudan a percibir el entorno son las herramientas más importantes para la supervivencia. Para el ser humano, dos de estos sistemas sensoriales son la audición y la visión.
Ambos mecanismos traducen las señales entrantes en impulsos eléctricos que llegan al cerebro. La evolución ha hecho que estos sistemas sean tan complejos que nos permiten detectar los colores, la dirección de los sonidos y la intensidad tanto del sonido como de la luz. Los mecanismos físicos que rigen su funcionamiento son importantes, y comprenderlos desde las perspectivas de la física y la biología nos permite desarrollar una serie de soluciones sanitarias.
Física del ojo
Podemos ver las cosas que nos rodean gracias a la luz que entra en nuestros ojos. Esta luz sufre una serie de transformaciones ópticas para producir una imagen que podemos ver. Entendamos cómo funciona.
- La luz entra en el ojo a través de una cúpula transparente llamada córnea, que es un medio refractivo que curva la luz que entra.
- A continuación, la luz pasa a través de la pupila, una abertura controlada por un músculo que se expande y contrae para dejar pasar más o menos luz.
- Tras pasar la pupila, la luz entra en el cristalino, que enfoca el haz luminoso hacia la parte posterior del ojo con ayuda de la córnea.
- La imagen enfocada en la parte posterior del ojo se proyecta entonces sobre la retina. Ésta posee un conjunto sensible de nervios que conducen la señal luminosa al cerebro.
Muchos de los procesos del ojo se ven afectados por la luz, como el enfoque, las lentes y el procesamiento de imágenes. Por ello, muchas aplicaciones de la óptica, rama de la física que se ocupa de la luz, se han utilizado en la corrección de problemas de la vista.
Física del oído
Podemos oír los sonidos que nos rodean gracias al funcionamiento del oído. El oído puede dividirse en tres partes, cada una con su propio conjunto de funciones. Si observamos su estructura, encontramos:
- El oído externo, que recoge y transmite el sonido al oído medio.
- El oído medio, que convierte la energía de una onda sonora en vibraciones internas de la estructura ósea del oído medio. A continuación, estas vibraciones se convierten en ondas de compresión en el oído interno.
- El oído interno, que transforma la energía de las ondas compresivas en impulsos nerviosos que pueden transferirse al cerebro.
Observa en la imagen siguiente los distintos componentes del oído.
El papel de la física en el campo médico
La física tiene un gran impacto, ya que proporciona soluciones y tecnología para ayudar a las personas en muchas áreas de la medicina y la sanidad. Las lentes y los implantes de lentes para corregir la visión y los instrumentos ópticos para realizar cirugías mediante endoscopia utilizan resultados y técnicas de la óptica.
Áreas como la audición se benefician de las aplicaciones de la acústica y la electrónica. Éstas ayudan a desarrollar mecanismos para traducir el audio en impulsos eléctricos y amplificarlos. Otras aplicaciones de la física se encuentran en los tratamientos de enfermedades, como el uso de la radiación para destruir células cancerosas y reducir tumores. Otras áreas que utilizan aplicaciones de la física son la electrocardiografía y el diagnóstico por imagen.
Física para el tratamiento del cáncer
La física nuclear ha sido una de las principales herramientas utilizadas en la lucha contra el cáncer. Los tratamientos utilizan un haz de partículas (electrones, fotones o protones) dirigido hacia el tumor para destruirlo e impedir que se extienda más.
En algunos casos, las fuentes de radiación pueden ser internas (dentro de tu cuerpo), tratamiento que se conoce como radioterapia.
Las células llevan instrucciones en su genoma para producir células hijas y reemplazar el tejido cuando está dañado, o cuando otras células han muerto.
Las células cancerosas llevan daños en su genoma que afectan a las instrucciones para el crecimiento y la división (cancerogénesis). Esto hace que las células cancerosas se multipliquen sin fin y formen tumores.
La radiación se utiliza para dañar aún más el ADN de estas células. Tras algunas sesiones, el ADN está tan dañado que las células ya no pueden reproducirse. La radioterapia se utiliza en combinación con otros tratamientos, como la cirugía y la quimioterapia, para garantizar un gran éxito en la lucha contra el cáncer.
Física de los audífonos
La audición humana tiene un mecanismo que traduce el sonido primero en vibraciones mecánicas y luego en impulsos eléctricos que se envían al cerebro. A medida que las personas envejecen, partes de estos mecanismos se pierden o se dañan.
Se han desarrollado dispositivos que pueden amplificar los sonidos entrantes para mejorar la audición de cualquier persona con deficiencias auditivas. Mediante un microcontrolador, estos dispositivos transforman los sonidos en señales eléctricas y las envían al conducto auditivo una vez amplificadas.
Algunos problemas de audición requieren soluciones específicas y más directas, que pueden incluir el implante de dispositivos bajo la piel, como:
- Audífonos osteointegrados, que transmiten la vibración a través del oído interno.
- Implantes cocleares, que envían la señal eléctrica a la cóclea, el órgano que traduce la vibración en señales eléctricas.
- Implantes auditivos de tronco cerebral, que envían la señal directamente al cerebro.
Física de las lentes y la óptica
La óptica ha sido una de las principales áreas de la física médica, ya que nos permite fabricar dispositivos como telescopios y microscopios. La óptica también nos ayuda a fabricar lentes para corregir la visión. Los defectos de la visión causados por una deformación de la curvatura del ojo modifican la imagen que adquiere el cerebro. Las gafas y lentes corrigen la luz que entra en los ojos, proporcionando así una solución para los defectos de la visión.
En la miopía, la imagen se enfoca antes de llegar a la parte posterior del ojo, lo que la hace borrosa. Las gafas ayudan a reenfocar la imagen antes de que entre en el ojo, corrigiendo así este defecto.
En muchos casos, la miopía también puede tratarse implantando lentes dentro de la primera capa del ojo. Estas lentes intraoculares también pueden ayudar con las cataratas, sustituyendo a las lentes naturales del ojo cuando se nublan.
Física de la electrocardiografía
Una prueba llamada electrocardiograma permite a los médicos medir los latidos del corazón de un paciente. Esta técnica se conoce como electrocardiografía.
Los potenciales eléctricos del músculo cardiaco producen un trazo eléctrico medible, un electrocardiograma o ECG. El análisis de la señal emitida puede mostrar el funcionamiento del corazón y dar información valiosa sobre cualquier comportamiento extraño.
Física de la imagen no ionizante
Incluye el estudio de la ecografía y la resonancia magnética (RM), técnicas que utilizan fotones de baja energía o sonido para producir imágenes de los componentes internos del cuerpo.
Ecografía
Funciona transfiriendo ondas sonoras al cuerpo y detectando sus ondas de reflexión. No podemos detectar estas ondas de ultrasonido, que tienen un rango de sonido de 20 kHz y más que está más allá de nuestra capacidad auditiva.
Con los ultrasonidos, los médicos pueden obtener imágenes detalladas en tiempo real a un coste relativamente bajo, sin causar ningún daño al paciente. La ecografía permite a los médicos diagnosticar diversas afecciones médicas, como trastornos de las válvulas cardiacas, posibles tumores y otras anomalías de los órganos.
Resonancia magnética
La resonancia magnética, comúnmente conocida como "RM", se utiliza para obtener una imagen detallada de una sección transversal del cuerpo del paciente. Utiliza fuertes campos magnéticos y ondas de radio para producir imágenes induciendo pequeños cambios rápidos en los átomos de hidrógeno del cuerpo.
Física de la imagen ionizante
Las técnicas de diagnóstico por imagen también utilizan radiaciones de alta potencia, empleando pequeñas dosis de radiación electromagnética para recrear imágenes del cuerpo como rayos X o rayos gamma para su trazado. Otros procesos de obtención de imágenes también pueden utilizar la emisión de partículas beta.
En general, estas técnicas pueden producir imágenes muy precisas de partes internas del cuerpo. Sin embargo, la exposición a ellas debe limitarse para garantizar la seguridad de los pacientes.
Imágenes por rayos X
Los rayos X son ondas con longitudes de onda cortas e intensidades elevadas. Se utilizan en medicina para crear imágenes en blanco y negro del interior del cuerpo. Los colores y tonos de la imagen son producto de la absorción de los fotones de los rayos X.
Los rayos X tienen una energía elevada y, por tanto, penetran más fácilmente en la materia, pero su absorción y penetración dependen de la densidad del material.
En las imágenes, los huesos, que absorben los rayos X, aparecen en blanco. Los tejidos, que absorben menos rayos X, aparecen en gris, mientras que el aire, que sólo absorbe un número muy pequeño de rayos X, aparece en negro.
La técnica de creación, procesamiento e interpretación de los rayos X se denomina radiografía. Los rayos X se utilizan habitualmente para comprobar fracturas, pero también pueden detectar neumonías e incluso cáncer de mama. Más recientemente, los rayos X se han utilizado para detectar posibles signos de complicaciones del COVID-19.
Imágenes de radionúclidos
Un radionúclido es un nucleótido de naturaleza radiactiva. Es un isótopo de un elemento con un núcleo inestable. Su desintegración da lugar a la emisión de partículas subatómicas o radiaciones electromagnéticas.
Una gammagrafía con radionúclidos es un tipo de diagnóstico por imagen que emplea una pequeña cantidad de un isótopo llamado trazador para identificar cáncer, lesiones, infecciones y otras afecciones. El trazador se inyecta en una vena o se ingiere. Una vez dentro del cuerpo, el trazador viaja por la circulación hasta el órgano de interés, como el tiroides, el corazón o los huesos. A continuación, una cámara o sensor detecta e interpreta la radiación.
El trazador emite rayos gamma, que son comparables a los rayos X. Una gammacámara detecta estos rayos gamma, que luego son procesados por un ordenador para crear una imagen del órgano diana. Las zonas potencialmente problemáticas emiten rayos gamma más intensos, que aparecen en el escáner como manchas brillantes. La PET, la gammagrafía con galio y la gammagrafía ósea son ejemplos de gammagrafías con radionúclidos.
Salvo un pequeño pinchazo en caso de inyección, la gammagrafía con radionúclidos es indolora. El isótopo debe viajar hasta el órgano diana, lo que puede llevar varias horas. Normalmente, el paciente puede abandonar el centro de pruebas durante este periodo y volver para la exploración, que puede durar entre una y cinco horas.
Física médica - Puntos clave
- La física médica se ocupa de la física de la asistencia sanitaria y de cómo la física produce aplicaciones utilizadas en medicina.
- El ojo y el oído son dos sistemas sensoriales que convierten las señales, de luz y sonido respectivamente, en impulsos eléctricos que luego llegan al cerebro.
- La óptica y la acústica, ambas ramas de la física, tienen un gran impacto en la atención sanitaria de la vista y el oído.
- El análisis de los sistemas sensoriales y su funcionamiento ha ayudado a crear dispositivos y lentes que corrigen los problemas de audición y visión.
- El tratamiento del cáncer utiliza la física nuclear para combatir las células cancerosas.
- La imagen médica y la monitorización utilizan técnicas ionizantes y no ionizantes para monitorizar y proporcionar información sobre las partes internas del cuerpo, ayudando a los médicos a obtener información más precisa sobre sus pacientes.
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