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El ser humano siempre ha sido curioso, y gracias a eso se descubrió el fuego, se conoce la agricultura, se inventó la rueda, tenemos la tecnología actual, etc. Las principales preguntas fueron enfocadas a fenómenos de la naturaleza, por ejemplo, ¿por qué el cielo es azul?, ¿por qué existe el día y la noche?, ¿por qué los objetos caen?, entre otras interrogantes. Fue en los años 300 antes de nuestra era, con Aristóteles, Demócrito, entre otros, que se empezó a tratar de dar una explicación a los fenómenos naturales que los rodeaban. La mayoría de las culturas en la antigüedad pensaban en cómo las estrellas y los demás cuerpos celestes interactuaban con su mundo cotidiano, dándole un significado filosófico.

En los siglos XV y XVI, al estudio de la naturaleza se le llamaba Filosofía Natural y tenía ese enfoque filosófico. Fue en el siglo XVI cuando Isaac Newton introdujo las matemáticas para poder explicar su teoría de Gravitación, y fue entonces cuando a la Filosofía Natural se empezó a conocer con el nombre de Física, que etimológicamente significa estudio de la naturaleza. Es así como la Física es una ciencia que lleva más de dos mil años de estudio y forma parte del conocimiento de la humanidad.

El estudio de la Física es muy amplio, debido a que la naturaleza tiene muchos fenómenos, por ejemplo, a escalas tan grandes como en el universo, es la Astrofísica la que estudia el movimiento de planetas y objetos celestes. A dimensiones muy pequeñas, como el mundo subatómico, las leyes de la Mecánica Cuántica es la que explica dichos fenómenos. Otra de sus ramas es la Termodinámica que estudia la interacción y otras formas de energía entre sistemas o cuerpos. Finalmente, el Electromagnetismo estudia y además unifica fenómenos eléctricos y magnéticos.

Aplicaciones de la Física

Muchos de los resultados que se han obtenido de las ramas de la Física, han sido aplicados a nuestro mundo cotidiano, por ejemplo, la máquina de vapor es una de las aplicaciones de los estudios de la termodinámica. Las formas de comunicación como la televisión con antena y la radio, son una gran aplicación del electromagnetismo, así como la comunicación por medio de nuestros celulares. Para el caso de los celulares, otra rama de la Física que ayuda a su funcionamiento para utilizar cualquier aplicación y tomar fotos es la Mecánica Cuántica. Existen muchas más aplicaciones de la Física, pero vamos a enfocarnos principalmente en una: la medicina.

 

Física médica: La Física aplicada a la Medicina

Se tiene registro de hace seis mil años atrás en Mesopotamia, donde ya se tenía un conocimiento de cómo tratar con ciertos padecimientos de la salud para poder curarlo; este es el campo principal de la Medicina, que consiste en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, así como su prevención. A diferencia de la Física, la Medicina tiene mucho más años de investigación y conocimiento, por lo cual, para hablar de su historia, se necesitarían muchas más líneas en este artículo. Para el desarrollo de la Medicina, se ha requerido de conocimientos de otras áreas como la química (para los medicamentos o tratamientos) y la biología (que estudia procesos de carácter biológico). Por otro lado, las ingenierías ocupan un papel muy importante en la construcción de dispositivos e instrumentos para poder realizar estudios para el diagnóstico y tratamientos de enfermedades. Estos estudios se basan en fenómenos físicos que ocurren en nuestro organismo, por lo que describir dichos fenómenos es muy importante, o sea, aplicar los conocimientos de la Física.

Para realizar ciertos estudios médicos se utiliza la radiación, que consiste en sustancias que emiten partículas e interaccionan con los átomos de nuestro organismo; esta es una aplicación de una rama de la Física llamada Física Nuclear. Los estudios en Medicina que utilizan sustancias radiactivas se les llaman invasivos y son dañinos para la salud, mientras que los estudios que no utilizan radiación son no invasivos. Varios estudios son muy útiles para evitar abrir el cuerpo humano, veamos los cuatro principales.

Radiografías

Este estudio utiliza unas ondas electromagnéticas llamadas rayos X —descubiertos por el físico Wilhelm Röntgen— y, principalmente, se realiza para diagnosticar fracturas, es decir, se pueden obtener imágenes de nuestros huesos. Dependiendo de la densidad de las partes del cuerpo, la interacción de estos rayos será distinta, de ahí que en una radiografía se tengan distintas tonalidades de grises, llegando desde blancos hasta negros. Este estudio puede resultar dañino debido a que esa interacción es invasiva.

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Resonancia magnética

En este estudio se utiliza un campo magnético generado por el dispositivo Imagen por Resonancia Magnética (MRI, por sus siglas en inglés), el cual interacciona con el espín de los núcleos del átomo de hidrógeno (protones) que conforman a las moléculas del agua que se encuentran en el cuerpo humano. De dicha interacción, y con la tecnología que utiliza este dispositivo, es con lo que se generan imágenes del metabolismo de los órganos que conforman el cuerpo humano. Este estudio es un proceso no invasivo, debido a que no utiliza radiación.

 

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Tomografía por Emisión de Positrones

Este estudio utiliza una sustancia radioactiva que se introduce en el cuerpo humano vía intravenosa y, dependiendo de dicha sustancia, empieza a ser más absorbida por el órgano a estudiar. Esta sustancia produce positrones (que es la antipartícula del electrón), y cuando un positrón choca con uno de los millones de electrones de los átomos del cuerpo humano, se desintegran y producen dos partículas sin masa llamadas gammas. A este fenómeno se le llama aniquilación de pares. Estas dos partículas gammas son detectadas por cristales centelladores de un dispositivo que lleva por nombre Tomografía por Emisión de Positrones (PET, por sus siglas en inglés), el cual permite observar el metabolismo del órgano a analizar. A diferencia del MRI, este estudio utiliza radiación (positrones), por lo cual es invasivo.

 

Radioterapia

Esta es una técnica de tratamiento oncológico, es decir, para interactuar con células cancerígenas, por lo que utiliza radiación para destruir estas células y evitar que crezcan y se sigan reproduciendo. Esta radiación puede ser rayos X, gamma y partículas como electrones, protones, neutrones y iones pesados. Esta técnica es invasiva ya que utiliza radiación.

 

Las bioseñales y su relación con la Física

Existen otro tipo de estudios para personas con problemas, ya sean cardíacos, de sueño, de presión arterial, entre otros. En dichos casos, el médico requiere descartar posibles problemas en el organismo y recurre a estudios especiales, donde se miden señales como el ritmo cardíaco (electrocardiograma), flujo respiratorio, presión sanguínea y hasta actividad eléctrica cerebral. Todas estas se clasifican como bioseñales (señales biológicas). Nuevamente, la curiosidad humana nos ha llevado a cuestionar cómo entender la actividad eléctrica del cuerpo humano, dando como resultado el análisis moderno de señales biomédicas que ha permitido saber cómo nuestro cerebro controla cada parte de nuestro cuerpo, desde un punto de vista cuantitativo y objetivo, que son las principales premisas en ciencias.

Los métodos para medir bioseñales se han basado en electrodos que permite la transferencia de cargas eléctricas, conocidas como iones, entre la piel o el tejido (según sea el caso) y el metal del cuál se encuentra cubierto el electrodo (típicamente oro, plata o platino). Debido a su importancia médica, revisaremos de manera breve dos de las principales bioseñales.

 

Electrocardiografía (ECG)

La ECG es el estudio de señales del corazón y ha sido estudiada, de manera formal, desde 1842 por el físico italiano Carlo Matteucci, quien observó la relación entre las señales eléctricas medidas en el pecho de una persona y el latido del corazón. La importancia del estudio de señales ECG, radica en detectar problemas cardíacos y su relación con la salud general de una persona en particular, por lo cual, los modernos sistemas de detección se han vuelto cada vez más pequeños y de uso común en relojes y pulseras de mano.

 

Electroencefalografía (EEG)

El estudio del EEG se remonta a 1770, cuando el físico italiano Luigui Galvani (sí, el del Galvanómetro) escribió el libro Investigaciones sobre la electricidad animal, donde demostró la existencia de electricidad intrínseca en los animales (incluido el humano). Sin embargo, el descubrimiento del EEG se le adjudica a Hans Berger hasta 1924 (la trágica historia de Berger es digna de revisar). Para el EEG, se colocan electrodos en la superficie de la cabeza buscando el mejor contacto con la piel, usando un gel conductor, en ubicaciones establecidas en relación con zonas conocidas del cerebro que se quieren estudiar. Las señales que se estudian se conocen como ritmos del cerebro y se han clasificado con notación griega (ritmos alfa, beta, theta, gamma, etc.). A diferencia del ECG, el uso continuo de electrodos en la cabeza es mucho más incómodo y complicado; no obstante, se desarrollan sistemas portátiles de EEG que ayudan a personas con discapacidad a controlar dispositivos como sillas de ruedas, dictado de texto, etc., usando los ritmos del cerebro antes descritos. Más aún, estos EEG portátiles también se están desarrollando para la detección temprana de ataques por epilepsia en personas con dicha enfermedad neurodegenerativa.

 

La Física ayudando a la Medicina

Mencionamos solo algunos ejemplos en los cuales se pueden aplicar fenómenos que estudia la Física, ya sea para diagnosticar enfermedades o bien para dar tratamientos. Debido a que son fenómenos a nivel subatómico, los resultados de la Física Cuántica son aplicados para poder realizar estos estudios. Los fenómenos que son invasivos causan daño en el cuerpo humano, para este caso, la microdosimetría se encarga del estudio de daños biológicos por radiación, mediante el uso de procesos físicos y químicos.

Realizar un estudio y describir el proceso de forma exacta, es prácticamente imposible, por lo cual los físicos recurren a simplificaciones para poder explicar teóricamente los fenómenos físicos, tales como la interacción del campo magnético con la molécula del agua, esto con la finalidad de ayudar a obtener una mejor precisión de las imágenes.

Vimos que la radiación no solo se usa para diagnosticar, sino también para tratamientos, en ambos casos, se debe de tener mucho cuidado de no afectar a células sanas, ya que la interacción de radiación con los átomos del cuerpo humano debe ser muy bien estudiada, debido a que el rompimiento de las moléculas que lo componen puede producir reacciones químicas en el ADN y se puede generar cáncer. La Física es muy importante en el estudio de este rompimiento.

Así que la próxima vez que vayas a un consultorio médico u hospital, recuerda que la aplicación de la Física te ayudará a tu recuperación.

 

Para Saber más:

Acervo-aprende_mx. (2020). 28. Física médica [Archivo de Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=icgHVrKUDqY

 

Castillo, N. (2019). Medicina nuclear, una herramienta para resolver dudas diagnosticadas. Ciencia UNAM. http://ciencia.unam.mx/leer/843/medicina-nuclear-una-herramienta-para-resolver-dudas-diagnosticas

Fye, W.B. (1994). A History of the origin, evolution, and impact of electrocardiography. The American Journal of Cardiology, 73(13), 937-949. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8184849/

 

UNAM Global. (2017). La física, aliada de la medicina [Archivo de Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=CVNOJ18AXWo&t=10s

 

Cristian Heber Zepeda-Fernández. Cátedra Conacyt en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

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Lucio Fidel Rebolledo-Herrera. Posdoctorante en el Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México.

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