Definición de Resonancia Magnética

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La Resonancia Magnética Nuclear, o simplemente, Resonancia Magnética, es un fenómeno físico en el cual los núcleos atómicos que poseen un momento magnético se alinean con un campo magnético externo y se hacen resonar con ondas electromagnéticas. También, se le llama así al conjunto de técnicas que hacen uso de este fenómeno para estudiar distintos tipos de moléculas u obtener imágenes del cuerpo humano.

Spin y momento magnético

Casi todas las partículas elementales poseen una propiedad intrínseca denominada “spin”, dejando de lado la visión cuántica de la materia, podríamos imaginar este spin como una especie de giro que tienen ciertas partículas sobre su propio eje.

Los fermiones son partículas elementales cuyo spin tiene un valor semi – entero. Algunos ejemplos de fermiones son los electrones y los quarks, estos últimos son los constituyentes de los protones y neutrones que se encuentran en el núcleo atómico, debido a esto, tanto los protones como los neutrones poseen spin y otra propiedad derivada del spin conocida como “momento magnético”.

El momento magnético de los protones y neutrones indica la intensidad del campo magnético generado por estos, así como la dirección de su dipolo magnético. En otras palabras, tanto los protones como los neutrones se comportan como pequeños imanes confinados en el núcleo atómico.

En la mecánica cuántica existe una regla conocida como “Principio de Exclusión de Pauli” la cual establece que en un sistema no pueden existir fermiones que se encuentren en el mismo estado cuántico. En términos prácticos esto implica que dos fermiones no pueden estar en el mismo nivel de energía y poseer el mismo valor para su spin. El principio de exclusión de Pauli explica, por ejemplo, cómo se acomodan los electrones en los orbitales de los átomos.

El principio de exclusión de Pauli también es válido para los protones y neutrones del núcleo atómico, de tal manera que dependiendo del número de protones y neutrones que hay en un núcleo, este tendrá un valor dado para su spin. El átomo más simple y de más utilidad para el enfoque que se dará más adelante es el hidrógeno, cuyo isótopo más abundante consta de sólo un protón en su núcleo.

Cuando un grupo de átomos de hidrógeno se pone dentro de un campo magnético uniforme, estos, al poseer spin y momento magnético, se orientan en dirección paralela o anti – paralela a las líneas de campo magnético. No obstante, esta alineación no es perfecta ya que los núcleos del hidrógeno comienzan a realizar un movimiento de precesión en torno a las líneas de campo magnético, esto se conoce como “Precesión de Larmor”. Este movimiento de precesión es análogo al movimiento circular que hace el eje de giro de un trompo en rotación.

La precesión de Larmor tiene una frecuencia dada por:

\(f = \frac{\gamma }{{2\pi }}B\)

Dónde \(\gamma \) es la “relación giromagnética” y \(B\) es la magnitud del campo magnético.

A pesar de que todos los átomos de hidrógeno realizan este movimiento de precesión a la misma frecuencia, la mayoría de estos se encuentran desfasados. Para que los núcleos realicen el movimiento de precesión perfectamente coordinados es necesario incidir la muestra con ondas electromagnéticas cuya frecuencia sea igual a la frecuencia de Larmor para lograr la resonancia.

La relación giromagnética para el hidrógeno tiene un valor de γ ≈ 267.522 ^MHz⁄_T, si consideramos que en las técnicas que hacen uso de la resonancia magnética se utilizan campos magnéticos con una intensidad que oscila entre 1T y 3T, esto quiere decir que las frecuencias de Larmor para estos casos estarían entre los 42.577 MHz y los 127.732 MHz. Esto quiere decir que para alcanzar la resonancia se tendría que incidir la muestra con ondas electromagnéticas con una frecuencia que se encuentre entre los valores previamente mencionados, dichas frecuencias se encuentran en la porción de radiofrecuencias del espectro electromagnético.

El incidir los núcleos con radiación electromagnética que posea una frecuencia igual a la frecuencia de Larmor aporta energía al sistema y una vez que dicha radiación desaparece prosigue una fase de relajación en donde los núcleos vuelven a desfasarse y se deshacen de la energía aportada emitiendo también ondas electromagnéticas. Dicha radiación emitida en las fases de relajación puede ser recogida por detectores para obtener información del sistema.

Imágenes por resonancia magnética

Tal vez la aplicación más conocida de la resonancia magnética nuclear es para obtener imágenes del cuerpo humano. Para hacer esto se utilizan dispositivos que constan de un enorme electroimán, una fuente de radiofrecuencias y detectores.

Cuando una persona es introducida en una máquina de resonancia magnética se detectan las ondas radio que emiten sus átomos de hidrógeno en las fases de relajación. Estas señales son procesadas digitalmente y se obtiene una imagen que muestra, por ejemplo, aquellos lugares en dónde hay mayor concentración de átomos de hidrógeno.

El hidrógeno es un componente esencial de las moléculas de agua, sin embargo, moléculas como los lípidos cuentan con una mayor densidad de átomos de hidrógeno. De esta manera, en las imágenes obtenidas por resonancia magnética aquellos tejidos con mayor concentración de lípidos, como la piel o ciertas partes del cerebro, aparecerán más brillantes. Por el contrario, los tejidos con mayor cantidad de agua aparecerán más opacos y aquellos tejidos con menos cantidad de hidrógeno como los huesos se verán completamente oscuros.

Espectroscopía por resonancia magnética

La resonancia magnética también es utilizada para analizar ciertos compuestos por medio de espectroscopía. El principio de funcionamiento es muy parecido a las imágenes obtenidas por resonancia magnética sólo que en este caso se identifican las frecuencias de resonancia de una muestra con algún compuesto en especial.

El analizar las frecuencias de resonancia bridan información sobre la composición y estructura atómica del compuesto en cuestión. Este tipo de espectroscopía tiene amplias aplicaciones que van desde el análisis de proteínas hasta el desarrollo de nuevos materiales.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Oct. 2022; sobre el original de febrero, 2015.

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