VIII. LUZ EN MEDICINA

LA LUZ es parte de nuestra vida, sin ella no existir�a el mundo como lo conocemos, sin embargo entender qu� es resulta muy complicado, pues a veces presenta el comportamiento de una onda y a veces el de una part�cula.

Figura 18. Fen�menos (a) de refracci�n y (b) de reflexi�n de la luz. La imagen que tenemos de un objeto nos enga�a respecto a la posici�n real del objeto.

Algunas de las propiedades de la luz tiene aplicaciones en medicina, por ello es que aqu� mencionaremos las m�s comunes. Las aplicaciones m�dicas de la luz abarcan el intervalo de frecuencias del infrarrojo (IR), del visible y del ultravioleta (uv).

Cuando la luz incide sobre una superficie plana, pulida, el rayo se refleja en tal forma que el �ngulo de reflexi�n q_r es igual al �ngulo de incidencia q_i medidos respecto a la perpendicular a la superficie, de modo que para un observador al cual llega el rayo reflejado, la imagen parece provenir de detr�s de la superficie reflectora.

Cuando la luz incide sobre un material transparente, se divide en la superficie en dos partes, una de ellas se refleja y la otra se trasmite a trav�s del material. El rayo no tiene la misma direcci�n que el rayo incidente. Este fen�meno se conoce como refracci�n. La raz�n de la velocidad de la luz en el vac�o c a la velocidad de la luz en el medio v se conoce como �ndice de refracci�n n:

La ley que rige el comportamiento de la luz al refractarse cuando pasa de un medio con �ndice de refracci�n n₁, a otro cuyo �ndice de refracci�n es n₂, incidiendo de tal forma que hace un �ngulo q₁ con la vertical, es la Ley de Snell: n₁ sen q₁ = n₂ sen q₂ siendo q₂ el �ngulo que forma el haz trasmitido con la vertical en el medio 2.

Cuando la luz pasa del medio 1 al medio 2, caracterizados por n₁ y n₂ respectivamente, y n₁ < n₂ la luz siempre se trasmite al medio 2. Sin embargo, no sucede as� cuando n₁ > n₂ en este caso la luz se trasmite cuando el �ngulo de incidencia q₁ es menor que un cierto valor q_c; si el �ngulo de incidencia es igual a q_c, la luz viaja paralela a la superficie, y si es mayor que q_c; s�lo se refleja en la superficie que separa los dos medios sin trasmitirse, como se puede ver en la figura 19. Al �ngulo _c se le conoce como �ngulo cr�tico y al hecho de que la luz se refleje completamente cuando q₁>q_c se le conoce como reflexi�n interna o reflexi�n total.

El �ngulo cr�tico para la interfase entre el aire y un material con �ndice de refracci�n , es 45°. Pr�cticamente todos los vidrios tienen �ndices de refracci�n mayores que y por lo tanto tienen �ngulos cr�ticos que son menores que 45°. Una pieza de vidrio cortada en �ngulos de 45° (prisma) puede usarse como un espejo.

Combinaciones de prismas se usan en los binoculares para incrementar el camino de la luz sin aumentar la longitud del instrumento.

Figura 19. Si n₁ >n₂, existe un �ngulo cr�tico q_c, para el cual el rayo de luz ya no pasa del medio 1 al medio 2, s�lo reflej�ndose en la superficie. Este fen�meno se conoce como reflexi�n interna.

Cuando pasa luz a una barra de vidrio o de pl�stico de di�metro peque�o, los �ngulos con los que inciden los rayos de luz sobre las paredes de la barra son mayores que el �ngulo cr�tico, produci�ndose as� una reflexi�n interna si la barra se dobla o se curva. Estas barras se conocen como pipas de luz o fibras �pticas y tienen infinidad de aplicaciones; por ejemplo, se puede ver el interior del est�mago de un paciente sin tener que abrirlo.

La luz como onda produce interferencia y difracci�n que son fen�menos de menor importancia en medicina. Como part�cula, la luz puede ser absorbida por una mol�cula simple. Podemos decir que la "part�cula" de luz, conocida como fot�n, puede ser absorbida y la energ�a que transporta usarse de varias maneras; puede causar un cambio qu�mico en la mol�cula que lo absorbe, el cual a su vez puede causar un cambio el�ctrico: esto es lo que sucede en las c�lulas sensibles de la retina.

Generalmente, la energ�a de la luz absorbida se manifiesta como calor, �sta es la base del uso de la luz infrarroja en medicina para calentar tejidos. A veces, cuando se absorbe un fot�n, es emitido otro fot�n pero de menor energ�a, esta propiedad se conoce como fluorescencia y es la base para los tubos de luz fluorescentes. Algunos materiales presentan fluorescencia en presencia de luz ultravioleta (uv), llamada a veces "luz negra"; la cantidad de fluorescencia y el calor de la luz emitida depende de la longitud de onda de la luz uv y de la composici�n qu�mica del material fluorescente. Una de las aplicaciones de la fluorescencia en medicina es en la detecci�n de la porfiria: �sta se presenta como una fluorescencia roja cuando se irradian los dientes con luz uv.

La luz puede dividirse en tres categor�as seg�n su longitud de onda, la cual puede darse en angstroms (1 = 10^-10 m) en nan�metros (1 mm =10^-9 m) o en micras (1m = 10^-6m). La luz ultravioleta o uv tiene longitudes de onda entre 100 y 400 nm, la luz visible abarca de 400 a 700 nm y la infrarroja o IR va de 700 a 10000 nm.

Cuando hablamos de luz visible, hablamos de fotometr�a. La cantidad de luz que llega a una superficie se conoce como iluminaci�n y se mide en lumen/m�, mientras que la cantidad de luz que sale de la fuente se denomina luminancia.

Si se trata de luz no visible, generalmente se habla de radiaci�n IR o radiciaci�n uv, y sus unidades son radiom�tricas. En radiometr�a la cantidad de luz que llega a una superficie se llama irradiancia y se mide en watts/m�, la intensidad de la fuerza de luz es la radiancia.

La luz es una onda electromagn�tica, es decir, est� compuesta por un campo el�ctrico oscilante y uno magn�tico, tambi�n oscilante, mutuamente perpendiculares. En lo que se refiere al espectro de radiaci�n electromagn�tica, la luz visible abarca un intervalo muy bien definido considerando la longitud de la onda, como puede apreciarse en la figura 20.

Un uso com�n de la luz visible es permitirle al m�dico obtener una informaci�n visual del paciente: el color de su piel, su estado de �nimo, anormalidades en su cuerpo. A veces la luz es insuficiente y entonces recurre a fuentes de luz m�s intensas, a espejos, a superficies c�ncavas que concentran la luz en la regi�n de inter�s o a instrumentos m�s complejos como el oftalmoscopio para ver dentro del ojo, el otoscopio que le permite ver dentro del o�do o al endoscopio para observar cavidades internas.

Los endoscopios tienen diferentes nombres seg�n su uso, pero todos ellos utilizan el mismo principio: iluminar con luz visible que le permita al m�dico ver. As� el citoscopio se usa para ver la vejiga, el proctoscopio para el recto, el broncoscopio los pulmones, etc. Algunos son tubos r�gidos, que iluminan y permiten ver el �rea de inter�s, otros est�n equipados con dispositivos �pticos para amplificar el tejido en un estudio.

Con la aparici�n de las fibras �pticas flexibles, se desarroll� la t�cnica de endoscopios que pod�an penetrar en �reas antes inaccesibles con los tubos r�gidos. Los endoscopios flexibles en general tienen un canal abierto que permite al m�dico tomar muestras de tejido (biopsia) para un an�lisis microsc�pico posterior.

Figura 20. Espectro de radiaci�n electromagn�tica.

Debido a que la luz contiene energ�a que se trasmite en forma de calor al ser absorbida, hay un l�mite para la cantidad de luz que puede ser usada en endoscopia. Generalmente en esta t�cnica se usa luz fr�a, luz que contiene muy poca radiaci�n IR para minimizar el calentamiento de los tejidos y se logra por medio de filtros de vidrio que absorben la radiaci�n IR de la fuente luminosa.

La transiluminaci�n es la trasmisi�n de luz a trav�s de los tejidos del cuerpo. Podemos apreciarla f�cilmente colocando los dedos de nuestra mano juntos frente a un foco: observaremos los l�mites de ellos de color rojo, ya que los dem�s colores de la luz son absorbidos por las c�lulas rojas de la sangre; de hecho, la luz roja es la �nica componente que se trasmite.

Cl�nicamente, la transiluminaci�n se usa en la detecci�n de hidrocefalia de ni�os. Como el cr�neo de los ni�os peque�os no est� completamente calcificado, la luz penetra en su interior; si existe un exceso de l�quido cefalorraqu�deo (fluido cerebroespinal), el cual es relativamente claro, la luz se dispersa produciendo patrones caracter�sticos de hidrocefalia. Tambi�n puede usarse en la detecci�n del colapso pulmonar en infantes, y actualmente se investiga su uso en el estudio de otras anomal�as. Algunos ni�os prematuros presentan ictericia (coloraci�n amarilla de la piel), debida a que el h�gado libera un exceso de bilirrubina en la sangre, y la exposici�n de los ni�os a la luz visible los ayuda a superar este problema. Se ha detectado que la componente azul de la luz visible es la m�s importante en este caso, aunque a�n no se comprende c�mo funciona. La aplicaci�n de la luz visible en terapia se conoce como fototerapia.

La radiaci�n UV es de mayor energ�a que la luz visible, la luz UV con longitudes de onda menores que 290 nm es germicida, por lo que se puede usar para esterilizar instrumentos. Tambi�n produce muchas reacciones en la piel, algunas ben�ficas, otras mortales; una de ellas es la transformaci�n de algunas mol�culas en vitamina D.

La radiaci�n UV proveniente del Sol reacciona con la melanina (pigmento) de la piel provocando que se oscurezca. Una exposici�n prolongada al Sol puede tener como consecuencia la aparici�n del c�ncer de la piel, debido a las reacciones de la piel con la luz UV. Las �reas afectadas m�s com�nmente son aquellas que se exponen m�s tiempo al Sol, como los l�bulos de las orejas, la nariz y la parte posterior del cuello. Afortunadamente es un tipo de c�ncer curable si se detecta en sus inicios. El vidrio com�n permite el paso de una peque�a parte de radiaci�n UV pero detiene mucha de la radiaci�n da�ina.

La luz UV no puede ser vista por el ojo humano, ya que antes de llegar a la retina es absorbida en las diferentes estructuras del ojo. Las cataratas u opacidades son el producto de la gran absorci�n de luz UV.

Si vemos directamente al Sol, la radiaci�n IR que llega a la retina del ojo puede quemarla, para evitarlo debemos abstenernos de mirarlo directamente o bien hacerlo a trav�s de vidrios oscuros que filtran las radiaciones IR y UV.

Otra de las aplicaciones de la luz es la de calentamiento: podemos calentar tejidos internos con l�mparas de luz IR con longitudes de onda entre 1 000 y 2 000 nm.

Una aplicaci�n muy com�n de luz IR en medicina es la fotograf�a IR reflectiva y emisiva, esta �ltima se conoce como termograf�a y se usa para detectar las diferentes temperaturas del cuerpo humano. Una regi�n caliente indica la posibilidad de una alteraci�n. En el estudio de la circulaci�n sangu�nea, las diferencias de temperatura entre los lados izquierdo y derecho indican problemas circulatorios.

El microscopio es uno de los instrumentos de mayor utilidad en medicina, y es fundamental en la patolog�a. Una amplificaci�n mayor de mil veces, permite el estudio de c�lulas (citolog�a) y de tejidos (histolog�a). La amplificaci�n del microscopio de luz se puede variar, cambiando las lentes que lo conforman, sin embargo, la amplificaci�n est� limitada por la longitud de onda de la luz utilizada, en este caso, la luz visible que abarca de los 400 a los 700 nm limita al microscopio a resolver objetos de hasta 1 mm. Objetos menores de 1 mm no podemos distinguirlos, pero la mayor parte de las c�lulas tienen dimensiones entre 5 y 50 mm.

Figura 21. (a) Microscopio �ptico. (b) Diagrama esquem�tico de un microscopio simple de dos lentes.

Si colocamos un conjunto de c�lulas en un microscopio para observarlas, lo m�s seguro es que no podamos ver nada a menos que las pintemos con una tinta especial que las hace visibles, de otra manera, son incoloras en su mayor�a, como se ve (en la Figura 21).

El microscopio de contraste hace uso del hecho de que la luz se refracta de manera diferente al pasar por las distintas partes que componen la muestra en estudio. Este haz que pasa a trav�s de la muestra se combina con otro haz (de referencia) que no pasa a trav�s de ella, produciendo zonas claras y oscuras debido a la interferencia de la luz, y tiene la ventaja de que no requiere que la muestra se ti�a.

La luz UV se usa en microscop�a fluorescente. Los rayos X de baja energ�a se usan como fuente de irradiaci�n en la t�cnica microsc�pica llamada historradiograf�a.

Cuando el haz utilizado es un haz de electrones se trata de un microscopio electr�nico. Las lentes de este tipo de microscopio son campos el�ctricos y magn�ticos que pueden dirigir, afocar o abrir, el haz de electrones. La longitud de onda de los electrones depende de su energ�a, pero alcanza amplificaciones de hasta 250 000 veces, mientras el microscopio convencional alcanza unas 1000 veces de amplificaci�n (v�ase la Figura 22).

Figura 22. (a) Diagrama de un microscopio electr�nico.

En el microscopio electr�nico de trasmisi�n (TEM), las muestras observadas deben ser lo suficientemente delgadas para que el haz de electrones pase a trav�s de ellas. Una capa de metal pesado depositado sobre la muestra hace las veces de tinte.

Podemos decir, sin equivocarnos, que la vista es el sentido que m�s informaci�n nos proporciona sobre el mundo que nos rodea. El sentido de la vista lo podemos dividir en tres partes para su mejor comprensi�n: los ojos, que captan la imagen enfoc�ndola sobre la retina; el nervio �ptico, que lleva la informaci�n al cerebro, y la corteza visual, que es la parte del cerebro donde se interpreta la informaci�n. Cuando una de estas partes falla el resultado es la ceguera.

La f�sica est� involucrada en cada una de las partes del sistema visual, sin embargo, s�lo hablaremos del ojo, cuyas partes se muestran en la figura 23. El ojo es el sistema �ptico m�s perfecto que conocemos, comenzando por el �ngulo visual ya que podemos captar informaci�n de lo que ocurre alrededor en un �ngulo de aproximadamente 155° en la horizontal y 130° en la vertical.

Figura 23. Diagrama del ojo humano.

El ojo puede captar informaci�n del exterior en un intervalo muy grande de intensidad luminosa, en un d�a muy soleado o en una noche oscura, para lo cual cuenta con el iris que no es otra cosa que un ajuste de apertura autom�tico.

El enfoque del ojo nos permite ver un objeto a unos cuantos cent�metros de distancia e inmediatamente otro a varios metros o cientos de metros, sin verlo borroso.

El ojo cuenta con un sistema de lubricaci�n y limpieza muy efectivo: el p�rpado, que se abre y cierra cientos de veces al d�a, manteniendo al ojo siempre limpio.

Debido a que tenemos dos ojos, el n�mero de im�genes que procesa nuestro cerebro nos permite tener una clara idea de la distancia a la que se encuentra un objeto. La imagen visual pasa de ser una imagen en dos dimensiones a ser una en tres dimensiones.

Si por alguna raz�n la forma del ojo llega a cambiar, �sta regresa a su estado original debido a que cuenta con un sistema de presi�n autom�tico.

La c�rnea es la parte transparente, colocada frente al ojo, por donde pasa la luz formando la imagen invertida del objeto que observemos en la retina, desde donde viaja al cerebro para ser procesada, corrigi�ndose su posici�n. La c�rnea, un conjunto de c�lulas vivas, cuenta con un sistema de reparaci�n de da�os locales.

Cada ojo tiene seis m�sculos que le permiten moverse en todas direcciones, incluso circularmente, de manera que podemos captar todo lo que ocurre en nuestro mundo.

El m�dico especialista en el diagn�stico y enfermedades de los ojos es el oftalm�logo, incluso puede llevar a cabo cirug�as de ojos. El optometrista est� capacitado para medir la agudeza visual y corregir, por medio de lentes, algunas imperfecciones de la visi�n, pero no puede tratar enfermedades de los ojos.

Figura 24. (a) Cuando la visi�n es correcta, la imagen se enfoca en la retina y se dice que el individuo es em�trope. (b) Si el enfoque del objeto ocurre antes de la retina, se dice que el ojo es miope, su correci�n es usar un lente c�ncavo. (c) Hiperm�trope se dice del ojo que enfoca la imagen detr�s de la retina, este problema se corrige con una lente convexa.

Los lentes, de vidrio o de pl�stico, ayudan a corregir algunos de los defectos de la visi�n. En la figura 24 se ilustran los casos de enfocamiento para el ojo normal (a), la miop�a (b) que se presenta cuando el enfoque de la imagen es antes de la retina y la hipermetrop�a (c) que se presenta cuando la imagen enfocada se forma detr�s de la retina; frente a cada paso se ilustra su correcci�n por medio de lentes de vidrio.

Tanto para huesos como para �rganos internos, la fotograf�a con rayos X es una herramienta invaluable para la diagnosis.

Un electr�n puede convertir parte o toda su energ�a en un fot�n de rayos X (onda electromagn�tica con una frecuencia en el intervalo de 10⁸ a 10¹⁰Hz), as�, para producir rayos X necesitamos acelerar electrones t�cnicamente requerimos hacer vac�o en el trayecto en que se mueven los electrones, para lo cual se usa un tubo de vidrio o bulbo, una fuente de electrones que en un filamento o c�todo, un potencial positivo alto para acelerar los electrones y un blanco o �nodo en donde golpean los electrones produciendo rayos X.

La intensidad de los rayos X producidos depende del material del que est� compuesto el �nodo: mientras mayor sea el n�mero at�mico de dicho material, m�s alta ser� la eficiencia de la radiaci�n. La mayor parte de los tubos de rayos X comerciales usan tungsteno como material blanco, su n�mero at�mico es 74 y su punto de fusi�n es 3 400°C, lo cual lo hace muy duradero.

Los diferentes materiales no absorben de la misma forma a los rayos X. Los elementos pesados como el calcio (componente de los huesos) son mucho mejor absorbedores que los elementos m�s ligeros como carb�n, ox�geno e hidr�geno; esa es la raz�n de que en una radiograf�a salgan muy bien los huesos mientras que lo tejidos suaves, grasos, tumores, aire, etc. no se distinguen.

Cuando es necesario observar venas, aparato digestivo o algo diferente a huesos, se puede usar un material de contraste que absorba la radiaci�n X, como puede ser el yodo.

Finalmente, hablaremos del l�ser, acr�nimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation que en espa�ol es Luz Amplificada por Emisi�n Estimulada de Radiaci�n. Aunque la teor�a de los l�seres fue propuesta por Albert Einstein en 1917, no fue sino hasta 1960 cuando T. H. Mairnan produjo un l�ser de cristal de rub�. Ahora se cuenta con l�seres de gas arg�n, bi�xido de carbono, helio-cadmio, helio-ne�n y cript�n o l�seres de estado s�lido: rub�, arseniuro de galio-aluminio, arseniuro de galio, neodimio vidrio, neodimio-itrio-aluminio-granate (Nd:YAG), que son los m�s importantes.

En un l�ser, la energ�a que est� siendo almacenada en el material l�ser (por ejemplo: rub�) es lanzada como un haz estrecho de luz, ya sea en forma pulsada o continuamente. El haz de luz permanece estrecho a trav�s de grandes distancias, y puede enfocarse hasta quedar reducido a s�lo unas micras de di�metro, de modo que la densidad de potencia se hace muy grande ya que toda la energ�a del haz est� concentrada en una zona muy peque�a.

Figura 25. Aplicaci�n del l�ser en cirug�a, por medio de un brazo mec�nico que lo transporta.

La energ�a total de un l�ser pulsado, de los que se usan en medicina, se mide en milijoules (mJ); puede ser liberada en menos de un microsegundo y la potencia instant�nea resultante pueden ser megawatts. La salida de un l�ser pulsado generalmente se mide por el calor producido en el detector.

La energ�a de un l�ser, cuando incide en tejido humano, causa una r�pida elevaci�n de la temperatura y destruye, de esta manera, el tejido. El da�o causado al tejido viviente depende de qu� tanto se eleve la temperatura y del tiempo que permanezca elevada; por ejemplo, el tejido puede permanecer a 70°C durante un segundo sin ser destruido, pero a temperaturas por arriba de 100°C por breve que sea la exposici�n siempre hay destrucci�n.

El l�ser se usa com�nmente en medicina cl�nica s�lo en oftalmolog�a, principalmente para fotocoagulaci�n de la retina (cauterizaci�n de un vaso sangu�neo), para lo que se utiliza un l�ser de xen�n. Tambi�n se usa para casos de retinopat�a, retina desprendida y como bistur� en algunos casos. En la figura 25 se muestra un aparato �til en cirug�a.

Es necesario que tanto el paciente como el m�dico, protejan sus ojos del rayo l�ser, ya que debido a que viaja como un haz concentrado de energ�a, aunque sufra varias reflexiones puede causar da�os irreparables en caso de penetrar al ojo. El �rea donde se usa el rayo l�ser debe estar controlada y se debe prevenir al p�blico.