Nuclei magnetici risonanti

La Risonanza Magnetica Nucleare, è piuttosto diffusa ma sono probabilmente poche le persone che vi si sono sottoposte avendo un'idea di cosa si stia parlando. Vale la pena saperne un po' di più, perché questa tecnica è uno spettacolare esempio di applicazione utile, sofisticata, completa e attuale di fisica quantistica nel campo della medicina.

Un dolore fastidioso al ginocchio, la visita inevitabile dal medico, la diagnosi solo dopo "la risonanza". Cosa risuona nel ginocchio? Guardando con maggiore attenzione la richiesta di indagine medica, si parla di "risonanza magnetica". Anche peggio: cosa c'entrano le calamite? Se poi, ancora insoddisfatti, ci si azzarda a dare un'occhiata più approfondita, la risonanza diventa "magnetica nucleare". I nuclei? Quelli della bomba atomica? La sigla "RMN", per l'appunto acronimo di Risonanza Magnetica Nucleare, è piuttosto diffusa anche se non famigliare a molti che, per varie vicissitudini, hanno avuto a che fare in tempi relativamente recenti con questa tecnica diagnostica. Sono probabilmente molto meno le persone che, sottoposte o meno alla RMN, hanno un'idea anche solo approssimata di cosa si stia parlando. Vale la pena saperne un po' di più, oltre alla sigla, perché questa tecnica è uno spettacolare esempio di applicazione utile, sofisticata, completa e attuale di fisica quantistica nel campo della medicina.
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Procediamo per gradi: la materia è composta di atomi, i quali a loro volta sono strutturati in elettroni (cariche negative molto leggere delocalizzate) e in nuclei (cariche positive molto più pesanti). Per semplificare al massimo: siamo fatti di materia estremamente concentrata - i nuclei, per l'appunto - con enormi spazi pressoché vuoti fra uno e l'altro. Un altro aspetto molto importante da evidenziare subito è che i nuclei degli atomi possono comportarsi come piccolissime calamite, o "dipoli" magnetici. Ciò avviene a seconda del loro cosiddetto stato di "spin". In pratica: tutte le particelle in natura possono avere una proprietà magnetica: gli elettroni di un atomo, per esempio, sono piccoli magneti. Lo stesso accade per le particelle che costituiscono i nuclei degli atomi. A seconda di quante sono queste particelle, si osserva che certi atomi mantengono una "calamiticità" non nulla, mentre altri sono indifferenti al magnetismo. La cosa interessante (e complicata: ha reso la vita difficile ai fisici per molto tempo prima di essere capita fino in fondo) è che le calamite di cui si sta parlando non sono come quelle che conosciamo: hanno una natura "quantistica", ovvero si lasciano attrarre o respingere da un campo magnetico secondo solo due modalità distinte. In altre parole: un dipolo magnetico, a livello elementare, per esempio di nucleo atomico, trova giovamento - guadagna più o meno energia - a essere allineato oppure disallineato rispetto a un campo magnetico esterno, un po' come un interruttore può essere solo acceso o spento. Non ci sono mezze misure: il magnetismo su scala atomica o nucleare è "quantizzato", "sì o no", senza sfumature intermedie.
Questo comportamento era stato evidenziato lo scorso secolo in una serie di esperimenti storici, primo fra tutti quello dovuto a Stern e Gerlach, che erano riusciti a stabilire la "quantizzazione spaziale" del momento angolare di un atomo o, per semplificare, la natura "a salti" dell'allineamento delle proprietà magnetiche su scala atomica. In altre parole, se si applica un campo magnetico ad atomi - ai loro nuclei - di determinate specie, si osserva una tendenza a minimizzare l'energia in gioco privilegiando gli atomi che si allineano al campo applicato rispetto a quelli non allineati, con due possibili soluzioni e nessuna intermedia. In realtà, questi dipoli magnetici dei nuclei, si comportano come trottole o giroscopi che sono in grado di ribaltarsi se sottoposti a campi esterni che oscillano con la giusta frequenza "di risonanza". Esattamente come accade in un'altalena, che accumula sempre maggior energia e ampiezza di oscillazione quando il motore o la persona che la spinge agisce in modo sincrono, accordato con il ritmo proprio o naturale dell'altalena stessa, così accade per le calamite nucleari: in presenza di un campo oscillante (in questo caso un campo elettrico, che svolge il ruolo di chi spinge l'altalena), è possibile provocare il "ribaltamento" della trottola nucleare da uno stato di "rotazione" a quello di "rotazione opposta". Questo era stato predetto negli anni quaranta del secolo scorso da Bloch e le sue idee erano presto state confermate da osservazioni sperimentali. Le frequenze di risonanza di queste trottole nucleari dipendono da due fattori: il tipo di nucleo e l'intensità del campo magnetico applicato. Una volta dunque che quest'ultimo è fissato, il "ribaltamento" delle trottole è funzione unicamente del particolare nucleo in questione, ovvero dell'atomo che lo contiene. Questo ribaltamento, fatto fondamentale del nostro discorso, provoca la liberazione di energia ancora sotto forma di onde elettromagnetiche che possono essere rivelate da opportuni strumenti. In pratica: applichiamo un campo magnetico a degli atomi (di un certo tipo) e, in questo modo, li obblighiamo a disporsi "su" oppure "giù". Applichiamo poi un campo elettrico oscillante (risonante: quello che spinge l'altalena) a questi atomi e, così facendo, obblighiamo gli atomi "allineati" al campo magnetico a cedere il passo a quelli "non allineati", e questo avviene con liberazione di energia che possiamo rivelare. Energia che individua, in qualche modo, il tipo di atomo coinvolto in questi processi di altalenare magnetico.
A questo punto si intravede la possibilità di poter utilizzare uno strumento in grado di stabilire, grazie alla risonanza magnetica, la natura o la specie atomica di ciò che viene investito da un'opportuna combinazione di campi magnetici statici (una calamita più o meno tradizionale, anche se molto intensa - decine di migliaia di volte di più del campo magnetico terrestre naturale) e di campi elettromagnetici oscillanti (generati per esempio da bobine di filo conduttore percorso da correnti elettriche che variano nel tempo). Ciò stabilito, l'idea geniale è dietro l'angolo: sovrapponendo al campo magnetico statico e uniforme principale dei campi magnetici variabili nello spazio, cioè di differente intensità passando in varie posizioni o coordinate spaziali (il campo non cambia nel tempo ma passando da un posto all'altro invece si osserva una diversa intensità), i fenomeni di risonanza magnetica dei nuclei di cui si sta parlando possono venir provocati e poi evidenziati laddove la combinazione di campi uniformi e non uniformi, anche se statici, è favorevole alla risonanza stessa. Ciò provoca come già accennato l'emissione di energia "di rilassamento", ovvero di restituzione (con tempi caratteristici) di quanto assorbito durante l'irradiamento elettromagnetico. Ancor più in pratica: regolando i campi non uniformi di cui si sta accennando, risulta possibile "esplorare" il tessuto che si sta irradiando osservando differenti emissioni di onde elettromagnetiche associate alle varie zone che la scansione dei campi non uniformi provoca.
Ricordiamo che queste onde riemesse sono funzione sia dell'intensità del campo principale che del tipo di atomo investito. Allora tutto va come se stessimo "fotografando" il magnetismo nucleare del tessuto, peraltro con una risoluzione spaziale piuttosto elevata: l'immagine che si ottiene riporta informazioni importanti sulla natura del tessuto nei vari punti della scansione, in particolare dettagli legati alla natura dell'atomo (cioè "cosa si sta guardando") e sulla densità del materiale (cioè "quanti atomi ci sono"). Variazioni anche minuscole di queste proprietà possono essere associabili a varie cause, non escluse quelle di anomalie anatomiche come la presenza di corpi tumorali o di altre patologie che il medico è in grado di individuare ed eventualmente classificare. Altre meraviglie della diagnostica medica basate su concetti e tecnologie legate alla fisica quantistica sono a nostra disposizione: per esempio la PET, tomografia a emissione di positroni, che fa utilizzo esteso di antimateria e che consente una visualizzazione dinamica di ciò che sta accadendo all'interno del nostro corpo mentre vive e lavora, è oggi integrata con le immagini "magnetiche" fornite dalla RMN per giungere a una visione eccezionalmente dettagliata e a diagnosi anticipate e importantissime di patologie di molti generi differenti. Come a dire, fisica quantistica difficile, senza dubbio, ma non solo formule: salute e benessere per tutti a partire dagli atomi e dai nuclei.

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