VIII. LUZ EN MEDICINA

LA LUZ es parte de nuestra vida, sin ella no existiría el mundo como lo conocemos, sin embargo entender qué es resulta muy complicado, pues a veces presenta el comportamiento de una onda y a veces el de una partícula.


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Figura 18. Fenómenos (a) de refracción y (b) de reflexión de la luz. La imagen que tenemos de un objeto nos engaña respecto a la posición real del objeto.

Algunas de las propiedades de la luz tiene aplicaciones en medicina, por ello es que aquí mencionaremos las más comunes. Las aplicaciones médicas 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 ángulo de reflexión qr es igual al ángulo de incidencia qi 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 detrás 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 través del material. El rayo no tiene la misma dirección que el rayo incidente. Este fenómeno se conoce como refracción. La razón de la velocidad de la luz en el vacío c a la velocidad de la luz en el medio v se conoce como índice de refracción n:

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La ley que rige el comportamiento de la luz al refractarse cuando pasa de un medio con índice de refracción n1, a otro cuyo índice de refracción es n2, incidiendo de tal forma que hace un ángulo q1 con la vertical, es la Ley de Snell: n1 sen q1 = n2 sen q2 siendo q2 el ángulo 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 así cuando n1 > n2 en este caso la luz se trasmite cuando el ángulo de incidencia q1 es menor que un cierto valor qc; si el ángulo de incidencia es igual a qc, la luz viaja paralela a la superficie, y si es mayor que qc; sólo se refleja en la superficie que separa los dos medios sin trasmitirse, como se puede ver en la figura 19. Al ángulo c se le conoce como ángulo crítico y al hecho de que la luz se refleje completamente cuando q1>qc se le conoce como reflexión interna o reflexión total.

El ángulo crítico para la interfase entre el aire y un material con índice de refracción Graphics, es 45°. Prácticamente todos los vidrios tienen índices de refracción mayores que Graphics y por lo tanto tienen ángulos críticos que son menores que 45°. Una pieza de vidrio cortada en ángulos 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.

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Figura 19. Si n1 >n2, existe un ángulo crítico qc, para el cual el rayo de luz ya no pasa del medio 1 al medio 2, sólo reflejándose en la superficie. Este fenómeno se conoce como reflexión interna.

Cuando pasa luz a una barra de vidrio o de plástico de diámetro pequeño, los ángulos con los que inciden los rayos de luz sobre las paredes de la barra son mayores que el ángulo crítico, produciéndose así una reflexión interna si la barra se dobla o se curva. Estas barras se conocen como pipas de luz o fibras ópticas y tienen infinidad de aplicaciones; por ejemplo, se puede ver el interior del estómago de un paciente sin tener que abrirlo.

La luz como onda produce interferencia y difracción que son fenómenos de menor importancia en medicina. Como partícula, la luz puede ser absorbida por una molécula simple. Podemos decir que la "partícula" de luz, conocida como fotón, puede ser absorbida y la energía que transporta usarse de varias maneras; puede causar un cambio químico en la molécula que lo absorbe, el cual a su vez puede causar un cambio eléctrico: esto es lo que sucede en las células sensibles de la retina.

Generalmente, la energía de la luz absorbida se manifiesta como calor, ésta es la base del uso de la luz infrarroja en medicina para calentar tejidos. A veces, cuando se absorbe un fotón, es emitido otro fotón pero de menor energía, 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 composición química del material fluorescente. Una de las aplicaciones de la fluorescencia en medicina es en la detección de la porfiria: ésta se presenta como una fluorescencia roja cuando se irradian los dientes con luz uv.

La luz puede dividirse en tres categorías según su longitud de onda, la cual puede darse en angstroms (1 Graphics = 10-10 m) en nanómetros (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 fotometría. La cantidad de luz que llega a una superficie se conoce como iluminación y se mide en lumen/mñ, 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 radiación IR o radiciación uv, y sus unidades son radiométricas. En radiometría la cantidad de luz que llega a una superficie se llama irradiancia y se mide en watts/mñ, la intensidad de la fuerza de luz es la radiancia.

La luz es una onda electromagnética, es decir, está compuesta por un campo eléctrico oscilante y uno magnético, también oscilante, mutuamente perpendiculares. En lo que se refiere al espectro de radiación electromagnética, la luz visible abarca un intervalo muy bien definido considerando la longitud de la onda, como puede apreciarse en la figura 20.

Un uso común de la luz visible es permitirle al médico obtener una información visual del paciente: el color de su piel, su estado de ánimo, anormalidades en su cuerpo. A veces la luz es insuficiente y entonces recurre a fuentes de luz más intensas, a espejos, a superficies cóncavas que concentran la luz en la región de interés o a instrumentos más complejos como el oftalmoscopio para ver dentro del ojo, el otoscopio que le permite ver dentro del oído o al endoscopio para observar cavidades internas.

Los endoscopios tienen diferentes nombres según su uso, pero todos ellos utilizan el mismo principio: iluminar con luz visible que le permita al médico ver. Así el citoscopio se usa para ver la vejiga, el proctoscopio para el recto, el broncoscopio los pulmones, etc. Algunos son tubos rígidos, que iluminan y permiten ver el área de interés, otros están equipados con dispositivos ópticos para amplificar el tejido en un estudio.

Con la aparición de las fibras ópticas flexibles, se desarrolló la técnica de endoscopios que podían penetrar en áreas antes inaccesibles con los tubos rígidos. Los endoscopios flexibles en general tienen un canal abierto que permite al médico tomar muestras de tejido (biopsia) para un análisis microscópico posterior.

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Figura 20. Espectro de radiación electromagnética.

Debido a que la luz contiene energía que se trasmite en forma de calor al ser absorbida, hay un límite para la cantidad de luz que puede ser usada en endoscopia. Generalmente en esta técnica se usa luz fría, luz que contiene muy poca radiación IR para minimizar el calentamiento de los tejidos y se logra por medio de filtros de vidrio que absorben la radiación IR de la fuente luminosa.

La transiluminación es la trasmisión de luz a través de los tejidos del cuerpo. Podemos apreciarla fácilmente colocando los dedos de nuestra mano juntos frente a un foco: observaremos los límites de ellos de color rojo, ya que los demás colores de la luz son absorbidos por las células rojas de la sangre; de hecho, la luz roja es la única componente que se trasmite.

Clínicamente, la transiluminación se usa en la detección de hidrocefalia de niños. Como el cráneo de los niños pequeños no está completamente calcificado, la luz penetra en su interior; si existe un exceso de líquido cefalorraquídeo (fluido cerebroespinal), el cual es relativamente claro, la luz se dispersa produciendo patrones característicos de hidrocefalia. También puede usarse en la detección del colapso pulmonar en infantes, y actualmente se investiga su uso en el estudio de otras anomalías. Algunos niños prematuros presentan ictericia (coloración amarilla de la piel), debida a que el hígado libera un exceso de bilirrubina en la sangre, y la exposición de los niños a la luz visible los ayuda a superar este problema. Se ha detectado que la componente azul de la luz visible es la más importante en este caso, aunque aún no se comprende cómo funciona. La aplicación de la luz visible en terapia se conoce como fototerapia.

La radiación UV es de mayor energía 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. También produce muchas reacciones en la piel, algunas benéficas, otras mortales; una de ellas es la transformación de algunas moléculas en vitamina D.

La radiación UV proveniente del Sol reacciona con la melanina (pigmento) de la piel provocando que se oscurezca. Una exposición prolongada al Sol puede tener como consecuencia la aparición del cáncer de la piel, debido a las reacciones de la piel con la luz UV. Las áreas afectadas más comúnmente son aquellas que se exponen más tiempo al Sol, como los lóbulos de las orejas, la nariz y la parte posterior del cuello. Afortunadamente es un tipo de cáncer curable si se detecta en sus inicios. El vidrio común permite el paso de una pequeña parte de radiación UV pero detiene mucha de la radiación dañina.

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 absorción de luz UV.

Si vemos directamente al Sol, la radiación IR que llega a la retina del ojo puede quemarla, para evitarlo debemos abstenernos de mirarlo directamente o bien hacerlo a través 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 lámparas de luz IR con longitudes de onda entre 1 000 y 2 000 nm.

Una aplicación muy común de luz IR en medicina es la fotografía IR reflectiva y emisiva, esta última se conoce como termografía y se usa para detectar las diferentes temperaturas del cuerpo humano. Una región caliente indica la posibilidad de una alteración. En el estudio de la circulación sanguínea, 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 patología. Una amplificación mayor de mil veces, permite el estudio de células (citología) y de tejidos (histología). La amplificación del microscopio de luz se puede variar, cambiando las lentes que lo conforman, sin embargo, la amplificación está 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 células tienen dimensiones entre 5 y 50 mm.

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Figura 21. (a) Microscopio óptico. (b) Diagrama esquemático de un microscopio simple de dos lentes.

Si colocamos un conjunto de células en un microscopio para observarlas, lo más 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 mayoría, 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 través de la muestra se combina con otro haz (de referencia) que no pasa a través 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 tiña.

La luz UV se usa en microscopía fluorescente. Los rayos X de baja energía se usan como fuente de irradiación en la técnica microscópica llamada historradiografía.

Cuando el haz utilizado es un haz de electrones se trata de un microscopio electrónico. Las lentes de este tipo de microscopio son campos eléctricos y magnéticos que pueden dirigir, afocar o abrir, el haz de electrones. La longitud de onda de los electrones depende de su energía, pero alcanza amplificaciones de hasta 250 000 veces, mientras el microscopio convencional alcanza unas 1000 veces de amplificación (véase la Figura 22).


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Figura 22. (a) Diagrama de un microscopio electrónico.

En el microscopio electrónico de trasmisión (TEM), las muestras observadas deben ser lo suficientemente delgadas para que el haz de electrones pase a través 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 más información nos proporciona sobre el mundo que nos rodea. El sentido de la vista lo podemos dividir en tres partes para su mejor comprensión: los ojos, que captan la imagen enfocándola sobre la retina; el nervio óptico, que lleva la información al cerebro, y la corteza visual, que es la parte del cerebro donde se interpreta la información. Cuando una de estas partes falla el resultado es la ceguera.

La física está involucrada en cada una de las partes del sistema visual, sin embargo, sólo hablaremos del ojo, cuyas partes se muestran en la figura 23. El ojo es el sistema óptico más perfecto que conocemos, comenzando por el ángulo visual ya que podemos captar información de lo que ocurre alrededor en un ángulo de aproximadamente 155° en la horizontal y 130° en la vertical.


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Figura 23. Diagrama del ojo humano.

El ojo puede captar información del exterior en un intervalo muy grande de intensidad luminosa, en un día muy soleado o en una noche oscura, para lo cual cuenta con el iris que no es otra cosa que un ajuste de apertura automático.

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

El ojo cuenta con un sistema de lubricación y limpieza muy efectivo: el párpado, que se abre y cierra cientos de veces al día, manteniendo al ojo siempre limpio.

Debido a que tenemos dos ojos, el número de imágenes 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 razón la forma del ojo llega a cambiar, ésta regresa a su estado original debido a que cuenta con un sistema de presión automático.

La córnea 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, corrigiéndose su posición. La córnea, un conjunto de células vivas, cuenta con un sistema de reparación de daños locales.

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

El médico especialista en el diagnóstico y enfermedades de los ojos es el oftalmólogo, incluso puede llevar a cabo cirugías de ojos. El optometrista está capacitado para medir la agudeza visual y corregir, por medio de lentes, algunas imperfecciones de la visión, pero no puede tratar enfermedades de los ojos.

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Figura 24. (a) Cuando la visión es correcta, la imagen se enfoca en la retina y se dice que el individuo es emétrope. (b) Si el enfoque del objeto ocurre antes de la retina, se dice que el ojo es miope, su correción es usar un lente cóncavo. (c) Hipermétrope se dice del ojo que enfoca la imagen detrás de la retina, este problema se corrige con una lente convexa.

Los lentes, de vidrio o de plástico, ayudan a corregir algunos de los defectos de la visión. En la figura 24 se ilustran los casos de enfocamiento para el ojo normal (a), la miopía (b) que se presenta cuando el enfoque de la imagen es antes de la retina y la hipermetropía (c) que se presenta cuando la imagen enfocada se forma detrás de la retina; frente a cada paso se ilustra su corrección por medio de lentes de vidrio.

Tanto para huesos como para órganos internos, la fotografía con rayos X es una herramienta invaluable para la diagnosis.

Un electrón puede convertir parte o toda su energía en un fotón de rayos X (onda electromagnética con una frecuencia en el intervalo de 108 a 1010Hz), así, para producir rayos X necesitamos acelerar electrones técnicamente requerimos hacer vacío 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 cátodo, un potencial positivo alto para acelerar los electrones y un blanco o ánodo en donde golpean los electrones produciendo rayos X.

La intensidad de los rayos X producidos depende del material del que esté compuesto el ánodo: mientras mayor sea el número atómico de dicho material, más alta será la eficiencia de la radiación. La mayor parte de los tubos de rayos X comerciales usan tungsteno como material blanco, su número atómico es 74 y su punto de fusión 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 más ligeros como carbón, oxígeno e hidrógeno; esa es la razón de que en una radiografía 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 radiación X, como puede ser el yodo.

Finalmente, hablaremos del láser, acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation que en español es Luz Amplificada por Emisión Estimulada de Radiación. Aunque la teoría de los láseres fue propuesta por Albert Einstein en 1917, no fue sino hasta 1960 cuando T. H. Mairnan produjo un láser de cristal de rubí. Ahora se cuenta con láseres de gas argón, bióxido de carbono, helio-cadmio, helio-neón y criptón o láseres de estado sólido: rubí, arseniuro de galio-aluminio, arseniuro de galio, neodimio vidrio, neodimio-itrio-aluminio-granate (Nd:YAG), que son los más importantes.

En un láser, la energía que está siendo almacenada en el material láser (por ejemplo: rubí) es lanzada como un haz estrecho de luz, ya sea en forma pulsada o continuamente. El haz de luz permanece estrecho a través de grandes distancias, y puede enfocarse hasta quedar reducido a sólo unas micras de diámetro, de modo que la densidad de potencia se hace muy grande ya que toda la energía del haz está concentrada en una zona muy pequeña.


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Figura 25. Aplicación del láser en cirugía, por medio de un brazo mecánico que lo transporta.

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

La energía de un láser, cuando incide en tejido humano, causa una rápida elevación de la temperatura y destruye, de esta manera, el tejido. El daño causado al tejido viviente depende de qué 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 exposición siempre hay destrucción.

El láser se usa comúnmente en medicina clínica sólo en oftalmología, principalmente para fotocoagulación de la retina (cauterización de un vaso sanguíneo), para lo que se utiliza un láser de xenón. También se usa para casos de retinopatía, retina desprendida y como bisturí en algunos casos. En la figura 25 se muestra un aparato útil en cirugía.

Es necesario que tanto el paciente como el médico, protejan sus ojos del rayo láser, ya que debido a que viaja como un haz concentrado de energía, aunque sufra varias reflexiones puede causar daños irreparables en caso de penetrar al ojo. El área donde se usa el rayo láser debe estar controlada y se debe prevenir al público.

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