La física en la medicina

María Cristina Piña Barba

• Publisher: Fondo de Cultura Económica
• Year: 2013
• ISBN:
  9786071603784
• Topic: Ciencias biológicas
• Subtopic: Biofísica

La doctora Piña Barba explica la relación que existe entre las ciencias físicas y las ciencias médicas: que ha dado vida a la nueva química, las diversas ramas de la ingeniería moderna, la medicina espacial, etc., y que constituye la física médica.

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.

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 tienen aplicaciones directamente 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 θ_r es igual al ángulo de incidencia θ_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 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:

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 θ₁ con la vertical, es la Ley de Snell:

siendo θ₂ 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 θ₁ es menor que un cierto valor θ_c; si el ángulo de incidencia es igual a θ_c, la luz viaja paralela a la superficie, y si es mayor que θ_c, sólo se refleja en la superficie que separa los dos medios sin trasmitirse, como se puede ver en la figura 19. Al ángulo θ_c se le conoce como ángulo crítico y al hecho de que la luz se refleje completamente cuando θ₁ > θ_c 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 n = √2 = 1.4142, es 45°. Prácticamente todos los vidrios tienen índices de refracción mayores que √2 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.

Figura 19. Si n₁>n₂, existe un ángulo crítico θ_c 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 Å = 10^–10 m) en nanómetros (1 mm = 10^–9m) o en micras (1 μ = 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 10 000 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/m², 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 radiación 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/m², 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.

Figura 20. Espectro de radiación electromagnética.

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.

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 ex...