Fig. 1. William Gilbert (1544-1603), médico de cabecera de la Reina Isabel I de Inglaterra.

En sus estudios de magnetismo, Gilbert fue de hecho el primero en reportar experimentalmente sobre la imposibilidad de separar los polos magnéticos norte y sur presentes en una barra imán.

Gilbert entró como estudiante en el Saint John's College de Cambridge, Inglaterra, en 1558, obtiene un B. A. en 1561, un M. A. en 1564 y por último un M. D. en 1569. Después de recibirse como médico pasa a ser individuo de número del Saint John's College. La práctica médica logra establecerla en Londres en la década del 1570 y llega a ser miembro del Royal College of Physicians, donde alcanza la presidencia en 1600. Realiza extensos estudios para entender el comportamiento del ámbar al atraer pequeños pedazos de paja ó de papel. Se convierte en el primero en proponer que de cuerpos como el ámbar emanaban efluvios que eran responsables por las interacciones observadas. Es Gilbert el que acuña el término "eléctricos" para designar al conjunto de materiales que se comportaban como el ámbar (hlektron ó "electrón" en griego). Gilbert propone que los fenómenos eléctricos se debían a una entidad de naturaleza material que bajo la acción de la fricción era liberada del vidrio ó del ámbar y en circunstancias normales estaba atrapada dentro de ellos. Esta idea tuvo que producirse naturalmente ya que la doctrina médica de la época hablaba de la existencia de humores ó tipos de humedad como flema, sangre, cólera y melancolía (la proporción de ellos en un momento dado determinaba el temperamento). Gilbert observó que casi todos los cuerpos conocidos que podían electrificarse en su laboratorio eran duros y transparentes, lo que lo lleva a pensar de que podían estar formados por líquidos acuosos. La transparencia era una propiedad del agua como elemento fundamental. En consecuencia debía existir un humor particular asociado a los cuerpos eléctricos.

Fig. 2. Esquema del termoscopio desarrollado por Galileo Galilei (1564-1642).

Gilbert pasa a ser el primero en introducir la idea de que tiene que existir una entidad material que sirva de mediador de la fuerza de interacción y ésta concepción tiene vigencia aún hoy dentro de lo que conocemos como modelo estándar de las partículas e interacciones fundamentales.

El primer intento de verdadera termoscopía corresponde a Galileo Galilei (1564-1642) en 1592 y el arreglo diseñado por él se presenta en la Fig. 2, donde un balón conectado a un tubo capilar es colocado sobre un recipiente que contiene agua coloreada ó "espíritu de vino" (mezcla no definida de alcohol y agua, ya que para la época no existían métodos que pudieran lograr separar de manera adecuada las partes). El balón contenía aire que se expandía ó contraía por efecto térmico y entonces la lectura se hacía con el nivel de líquido en el capilar que variaba según fuera la calidad de la expansión ó contracción del aire en el balón. Con la termoscopía se pretendía solamente evidenciar la presencia de un calentamiento y no había una medición como tal. Con el dispositivo de la Fig. 3 como base y en 1611, Santorio Santorio (1561-1636) introduce por primera vez una escala y se puede decir que es una forma incipiente de termometría.

Fig. 3. Galileo Galilei (1564-1642, esquina superior izquierda), Santorio Santorio (1561-1636, esquina inferior izquierda) y el arreglo desarrollado inicialmente por Galileo, al que posteriormente Santorio le proporcionara una escala.

La motivación de Santorio estaba asociada al hecho de que era médico y requería de instrumentos de precisión para su práctica clínica y trabajo de investigación. Sus estudios de metabolismo basal lo llevaron a introducir procedimientos experimentales de tipo cuantitativo en la investigación médica. Después de 30 años de experimentación continua encontró que la suma total de todo lo excretado era menor que la cantidad de sustancia ingerida, sugiriendo la existencia de una "transpiración no percibible" y ello fue publicado en "De Statica Medicina" en 1614. Santorio logra la verificación experimental de lo anterior con la construcción de una balanza gigante donde él mismo era parte del experimento, ya que en ella comía, trabajaba y dormía, de manera que podía estudiar las fluctuaciones del peso de su cuerpo y así poder comparar su ingesta con las excreciones sólidas y líquidas. Santorio se graduó en medicina en la Universidad de Padua, Italia, en 1582 a la edad de 21 años. En 1611, cuando introduce la escala antes mencionada, es nombrado Jefe de la Cátedra de Medicina Teórica de la Universidad de Padua, donde enseña hasta su retiro en 1624.

Santorio siempre tuvo una gran inclinación hacia las matemáticas, basar sus argumentos en términos cuantitativos y generar la instrumentación científica adecuada para respaldarlos con experimentos. Así desarrolla un conjunto de instrumentos, donde resalta un medidor de la velocidad del viento, un medidor de corrientes de agua (que se denominó pulsilogium) y el termoscopio con escala. Para poder fijar esta última, el cero lo asocia a nieve en el proceso de derretirse y a la llama de una vela le asigna 110 grados. El gran problema del termoscopio era que su funcionamiento dependía de la presión atmosférica porque el recipiente de base no estaba realmente cerrado y no había verdadera reproducibilidad. Aprovechando este defecto, Evangelista Torricelli (1608-1647), quien era estudiante de Galileo, inventa el barómetro. Santorio mantuvo correspondencia con Galileo Galilei y con el anatomista Hieronymus Fabricius ab Aquapendente y fue un exponente de la escuela de medicina iatrofísica, la cual plantea explicar el funcionamiento del cuerpo animal en base a conceptos de mecánica solamente. Santorio también adaptó algunos de los inventos de Galileo a la práctica médica, como fue efectivamente el caso del termómetro incipiente que describimos anteriormente.

Podemos añadir a la lista a Luigi Galvani (1737-1798), quien era anatomista, obstetra y biólogo y al mismo tiempo descubre las corrientes eléctricas haciendo experimentos con ancas de rana y abre el área de electrofisiología.

Fig. 4. Luigi Galvani, anatomista, obstetra y biólogo (1537-1798).

Galvani publica en "Comentario sobre las Fuerzas de la Electricidad en Movimientos Musculares" (1791) el resultado de su trabajo y atrae de manera inmediata la atención de sus colegas. El trabajo es el resultado de un descubrimiento accidental que tuvo lugar cuando Galvani diseca una rana exponiendo los nervios crurales de las ancas, muy cerca de una máquina eléctrica cargada. Cuando su asistente toca con un escalpelo los nervios crurales, salta una chispa de la máquina eléctrica y se produce una contracción del anca. Posteriormente Galvani inicia una serie de experimentos que se pueden resumir como:

1. Cuando cubre las ancas con láminas metálicas, de manera de tener algo parecido a la botella de Leyden (el primer condensador de la historia) y donde las ancas hacen el papel de la botella, observa que las contracciones son mayores.

2. Encuentra que las contracciones del anca de rana se pueden estimular igualmente tocando los nervios crurales con un arco monometálico y no encuentra explicación.

3. Si en lugar de un arco monometálico se emplea un arco bimetálico, la contracción es aún mayor. Si no pudo encontrar explicación para el experimento del arco monometálico, con mucha más dificultad podía encontrarlo para este último.

Se inicia la electrofisiología y el estudio de las corrientes eléctricas. Galvani creyó haber encontrado la naturaleza del espíritu animal.

Fig. 5. Un grabado que representa el laboratorio de Luigi Galvani.

La explicación de lo ocurrido con el arco bimetálico tuvo que esperar al interés de Alessandro Volta (1745-1827), quien llegó profesor de física de la Escuela de Como en 1775 y miembro de la Sociedad de Física de Zurich, Academia Francesa y Real Sociedad de Londres. Volta tenía 45 años cuando lee sobre los trabajos de 1791 de Galvani. Al principio no cree en los resultados de Galvani, pero al repetir los experimentos se lleva sorpresas y el problema ejerce gran atracción sobre él. Está inicialmente de acuerdo con Galvani en cuanto a que el anca de rana se comporta como una botella de Leyden, pero pocos meses después sospecha que el anca funciona más bien como un detector y que la fuente de electricidad está fuera del animal (el anca funciona simplemente como un electrómetro sensible). Al tomar los dos metales en contacto que forman el arco bimetálico y tocarlos con la lengua, Volta nota que a veces la sensación correspondía a ácido y otras veces a alcalino. Frente a este hecho supone que dos metales diferentes adquieren un potencial al ponerse en contacto. Volta mide la diferencia de potencial para el par formado por cobre y zinc.

Fig. 6. Alessandro Volta (1745-1827) y la pila que desarrolló como resultado del estudio de los experimentos con las ancas de rana.

Lo anterior permite explicar lo que ocurre con el experimento del arco bimetálico, si se acepta la idea de que la fuente está fuera del animal. Galvani le cuestiona a Volta lo que ocurre con el arco monometálico, a lo que Volta responde que el efecto puede deberse a inhomogeneidades en el material. La respuesta no resultó convincente y el problema continua sin una verdadera explicación hasta el presente. La propuesta de explicación para el arco bimetálico conduce a la invención de la pila.

James Clerk Maxwell (1831-1879) inicia estudios sobre el tema de la visión del color cuando estaba en Edinburgo, Escocia, bajo la tutela de James David Forbes (1809-1868) y después los ha de continuar de manera intermitente. Los fundamentos de la teoría del color, lo que constituye un capítulo de toda relevancia en óptica fisiológica, había sido desarrollada por Thomas Young (1773-1829). El análisis de la sensación del color ya había sido iniciada por Isaac Newton (1642-1727), quien combinando los colores espectrales obtiene el blanco y otros colores.

Fig. 7. James Clerk Maxwell (1831-1879) en Cambridge en 1855, sosteniendo en la mano el trompo de colores empleado en sus estudios de sus primeros experimentos en visión.

Young es quien descubre que cualquier color se puede describir en base a tres colores fundamentales. Con la ayuda de un trompo de colores, Maxwell continua la investigación midiendo cuantitativamente diferentes mezclas de colores. También experimenta sobre diferents individuos y estudia la sensibilidad de sus retinas, encontrando que un pigmento amarillo produce la sensación hoy conocida como la "mancha de Maxwell."

Resulta muy interesante el caso de Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), quien se entrenó primero como médico en el Instituto Médico de Wilhelm en Berlín, se graduó en 1843 y es asignado a un regimiento militar en Postdam. Sirve como médico al servicio del ejército por cinco años y en las barracas continua con sus experimentos, cuando su tiempo libre se lo permitía. Incursionó como investigador en el campo de la fisiología, bajo la tutela del Dr. Johannes Müller y en ese período se convierte en un autodidacta de la física, matemáticas y música. Su entrenamiento en música y física le va a permitir trabajar en el problema de la sensación del tono, que culmina con una publicación en 1863.

Fig. 8. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), médico fisiólogo, quien hizo importantes contribuciones a la física y nunca llegó a tener un grado en ese campo. Entre sus aportes figura el haber contribuido a establecer la primera ley de la termodinámica.

En 1858 Helmholtz llega a ser profesor de anatomía y fisiología en la Universidad de Bonn y es en este período que sus intereses en investigación se desplazan de la medicina hacia la física. Es mejor hablar de desplazamiento y no de abandono porque Helmholtz nunca llegó a abandonar ninguno de los temas que algún momento abordó y siempre trabajó de manera realmente multidisciplinaria. Llega a ocupar la dirección de la Cátedra de Física en la Universidad de Berlín en 1871 y en 1888 toma la dirección del Instituto Físicotécnico de Berlín. Hizo muchas contribuciones en fisiología, óptica, acústica, matemáticas, electrodinámica, meteorología, pero por la que más se le recuerda en el área de física es por haber establecido en 1842, realmente un poco después que Julius Robert von Mayer (1814-1878) y en una importante publicación, la ley de la conservación de la energía, que constituye la primera ley de la termodinámica. También incursionó en el estudio de las propiedades de los espacios no euclídeos. En 1880 toma a Heinrich Hertz (1857-1894) como asistente y le asigna como tema de investigación el estudio de lo que ocurría con un circuito cuando se interrumpía de manera muy rápida el paso de corriente. Esta línea de trabajo lleva a que Hertz descubra las ondas de radio y al mismo tiempo contribuya a consolidar la teoría electromagnética propuesta por James Clerk Maxwell (1831-1879), que para ese momento había tenido una difícil inserción en la comunidad científica.

Fig. 9. Julius Robert Mayer (1815-1878).

Julius Robert von Mayer (1814-1878) se entrenó inicialmente como médico en la Universidad de Tübingen, no llegó a destacarse como estudiante y no disfrutaba realmente con la práctica médica. Como médico cirujano que prestaba sus servicios a bordo de un barco tenía poco trabajo que hacer y mucho tiempo para pensar. En 1840 durante un viaje a Java empezó a interesarse en física cuando notó la diferencia de color entre la sangre arterial y la sangre venosa era menor en climas tropicales cuando se les comparaba con climas templados. A partir de esta observación reflexiona sobre el hecho de que a temperaturas elevadas el cuerpo humano cede menos energía por combustión y esto lo conduce a la hipótesis de la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor. En 1842 obtiene un estimado para el equivalente mecánico del calor basado en un experimento donde la acción de un caballo permitía que un mecanismo moviera pulpa de papel dentro de una gran caldera y donde se compara el trabajo realizado por el caballo con el incremento de temperatura en la pulpa. Estos experimentos no resultaron ser de la misma calidad que aquellos reportados en 1845 por James Joule (1818-1889), pero pudo hacer interesantes interpretaciones y llegar a la conclusión de que la energía total debe conservarse antes de que lo hicieran Joule ó Helmholtz. Inicialmente enfrenta dificultades para publicar sus resultados y finalmente Liebig lo acepta para la revista que edite. Mayer publica sus pensamientos sobre el tema en 1842 bajo el título "Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur" ("Annalen" de Liebig, Bd. 42, 1842) y en esta publicación formula la ley general de la conservación de la energía y calcula el equivalente mecánico del calor. La colección completa fue publicada en 1867 con el título "Die Mechanik der Wärme."

Esta publicación no atrajo el interés que debía y es Joule quien recibe el crédito por establecer el equivalente mecánico del calor y Helmholtz lo obtiene por establecer la ley de conservación de la energía. Las ideas de Mayer para el momento habín llegado mucho más lejos en el sentido que ya había considerado aplicaciones de estos conceptos en entender los mecanismos asociados a las mareas, calentamiento de meteoritos y por supuesto, fenómenos asociados con la vida. Mayer afirmaba que la energía solar era la fuente de toda la energía que pudiera existir sobre nuestro planeta, asociada a lo viviente y no viviente. Mayer incluso llega a sugerir que la energía solar estaba asociada ó a una contracción lenta de nuestro sol ó a la caida de meteoros dentro del mismo y en cualquiera de los dos casos la energía cinética tenía que convertirse en energía radiante. Estas ideas no le fueron reconocidas y se atribuyeron a Helmholtz y a Benjamin Thomson (Lord Kelvin). El no haber obtenido el crédito por todo lo anterior lo afecta severamente y en 1848 se suman a sus pesares la muerte de dos de sus hijos, además de los problemas políticos en los que se ve envuelto su hermano. En 1849 trata de cometer suicidio al saltar desde un tercer piso y falla en su objetivo, quedando baldado de por vida. En 1851 es internado en una institución para enfermos mentales y allí es olvidado hasta que a principios de la década de 1860 es Tyndall quien emprende una campaña para rescatarlo y lograr su reconocimiento. Como consecuencia de ello se le otorga a Mayer el derecho de añadir el "von" a su nombre y recibe la Medalla Copley.

Fig. 10. Wilhem Conrad Röntgen (1845-1923) y la primera radiografía registrada en la historia, donde aparece la mano izquierda de su esposa.

Ya finalizando el siglo XIX, el 8 de noviembre de 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) estaba trabajando en su laboratorio de Wurzburg. En su trabajo experimental estaba concentrado en luz y otras emisiones que eran generadas por descargas en tubos de vidrio a alto vacío. Estos tubos habín sido desarrollados previamente por William Crookes (1832-1919) y eran muy comunes para la época. Röntgen estaba particularmente interesado en los rayos catódicos y en la determinación del alcance de los mismos fuera del tubo de descarga. Aquel 8 de noviembre Röntgen descubre que cuando el tubo cubierto estába cargado un objeto muy separado de este último comenzaba a emitir luz. El objeto en cuestión era una pantalla cubierta de un compuesto de bario y ciertamente estaba muy lejos del arreglo experimental con el tubo como para pensar que los rayos catódicos estaban relacionados con el efecto. En los días siguientes realiza toda una serie de cuidadosos experimemtos y al hacer diversas manipulaciones llega a observar accidentalmente los huesos de su mano.

Fig. 11. El lugar del descubrimiento de los rayos-X, el Instituto de Física de la Universidad de Wurzburg en la fotografía de la izquierda y en la fotografía de la derecha, el laboratorio de Röntgen.

Röntgen había descubierto los rayos-X, pero además comprendió en forma inmediata el valor de su descubrimiento para la medicina. El 28 de diciembre de ese mismo año produce un primer reporte que publica bajo el título "Uber eine neue Art von Strahlen." Este reporte es entregado al presidente de la Sociedad Físico-Médica de Wurzburg e incluía la primera radiografía de que se tiene registro en la historia, donde aparece la mano izquierda de su esposa (ver Fig. 10). En las semanas siguientes y como consecuencia de esto se difunde rápidamente la información sobre el poder de penetración de los rayos-X y su potencial uso en el diagnóstico médico sin reparar inmediatamente en posibles efectos adversos. Röntgen declina sobre la consecución de cualquier patente relacionada con su descubrimiento.

Fig. 12. En la fotografía de la izquierda se presenta una radiografía de un pie dentro de un zapato hecha por Francis Williams en marzo de 1896 y en la fotografía de la derecha la radiografía de un monedero con su contenido, también lograda en 1896.

Los titulares de los periódicos en Estados Unidos a mediados del mes de enero de 1896 anunciaban que existía un tipo de rayo que podía ver bajo la piel y que revelaba la estructura interna de los sólidos. Thomas Edison (1847-1931), entre muchos otros, estaba ansioso de "perfeccionar" el descubrimiento de Röntgen y sus esfuerzos por obtener una radiografía del cerebro mantuvo a los representantes de los medios de comunicación aguardando por semanas fuera de su laboratorio. Este esfurezo produjo un aparato para hacer fluoroscopía portátil. Edison no estaba solo y pronto hubo una gran oferta de aparatos de rayos-X a precios tan bajos que prácticamente cualquiera podía producir una radiografía. A mediados de febrero de 1896 ya había pacientes que le pedían a los médicos tratantes el uso de radiografía en casos de fracturas de hueso. Se puede decir que nunca antes una tecnología médica había sido aceptada tan rápidamente.

La primera referencia de daño a diferentes tejidos humanos y en particular a la vista, producido por rayos-X tiene lugar en 1896 con el trabajo del ingeniero eléctrico e inventor inglés Elihu Thomson (1853-1937). Thomson inventó motores de corriente alterna, generadores, transformadores de alta frecuencia, soldador eléctrico y otros desarrollos en el campo por lo que se le puede considerar el padre de la industria eléctrica de los Estados Unidos a donde emigró durante su niñez. La empresa conocida hoy como General Electric resulta de la fusión en 1892 de la empresa de Thomson conocida como Thomson-Houston Electric Company con base en la ciudad de Lynn en el estado de Massachusetts con la empresa del inventor Thomas Alva Edison (1847-1931) conocida como Edison General Electric Company con base en Menlo Park en el estado de New Jersey. También Thomson hizo contribuciones muy importantes en el mejoramiento de los tubos de rayos-X y fue pionero en lograr imágenes de rayos-X estereoscópicas. Su contribución más recordada en este campo está relacionada al experimento sobre el daño producido por radiación. Allí Thomson expone uno de sus dedos a los rayos-X y elabora una descripción científica detallada de la evolución de una quemadura producida por esa forma de radiación.

?

A partir de entonces se producen importantes descubrimientos con frecuencia casi anual. En enero de 1896 se trata por primera vez un paciente con cáncer empleando rayos-X y es en ese mismo año descubre la radioactividad el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908), así como Edison encuentra la forma de hacer fluoroscopía.

Fig. 13. Antoine Henri Becquerel (1852-1908).

Becquerel en ese momento había sucedido a su padre en la Cátedra de Física Aplicada del Museo Nacional de Historia Natural y era Miembro de la Academia de Ciencias en París. Para hacer su descubrimiento resultó esencial su experiencia con materiales luminiscentes, particularmente con compuestos de uranio, y su destreza en el manejo de técnicas experimentales en el laboratorio incluyendo la fotografía. En 1897 Joseph John Thomson anuncia el descubrimiento departículas cargadas negativamente, que denominó electrones y Ernest Rutherford encuentra dos tipos de radiación al estudiar la desintegración del núcleo de uranio, que llamó alfa y beta. En diciembre de 1898 los esposos, Marie (1867-1934, de origen polaco) y Pierre Curie (1859-1906, de origen francés) descubren el elemento radio y P. von Villard descubre los rayos gamma y encuentra que son similares a los rayos-X.

?

Con la llegada del siglo XX se le otorga el primer Premio Nobel en Física a Wilhelm Conrad Röntgen por su descubrimiento de los rayos-X. La relación entre la radiación proveniente de materiales radioactivos y los rayos-X no fue inmediata de establecer. En 1901 Becquerel se quema accidentalmente al colocar material que contenía el elemento radio que había sido descubierto por los Curie en el bolsillo de su chaleco y lo refiere en un reporte que publica ese mismo año. Al saber esto, Pierre Curie se produce una quemadura similar en forma deliberada. Pocos meses después se descubre que el elemento radio podía ser útil en medicina e inmediatamente se funda el Hospital del Radio en París. En junio de 1901 Marie Curie y Henri Becquerel publican un trabajo bajo el título Les Effets Physiologiques des Rayons du Radium", donde se describen los efectos sobre tejido vivo de la radiación producida espontáneamente por el elemento radio y en noviembre de ese mismo año Henri Danlos, médico dermatólogo del Hospital de San Luis de París publica los primeros resultados del tratamiento de lupus con radiaciones de radio.

Fig. 14. Pierre Curie (1859-1906) y Marie Curie (1867-1934)

En 1902 Guido Holzknecht presenta su cromoradiómetro, que resulta ser un dispositivo construido para medir la cantidad de radiación administrada. En 1903 se le otorga el Premio Nobel en Física a Antoine Henri Becquerel por el descubrimiento de la radioactividad y es compartido con Marie y Pierre Curie por su trabajo realizado también en el tema de radioactividad.

?

Durante el desarrollo de la lámpara fluorescente de rayos-X, Edison nota que uno de sus asistentes, Clarence Dally, se ve afectado severamente por los nuevos rayos al punto de perder el cabello y aparecer en su lugar una inflamación acompañada de ulceraciones. Para 1904 Dally tenía úlceras sobre todas sus extremidades y casi inmediatamente después estas lesiones pasaron a ser cancerosas, provocando su muerte temprana. Desde ese momento y en las décadas siguientes se observa que muchos investigadores y médicos en este campo llegan a desarrollar quemaduras por radiación y cáncer. Entonces muere más de un centenar de personas como resultado de su exposición a rayos-X. Toda esta triste experiencia inicial llevó a formar conciencia sobre el riesgo asociado al manejo de las radiaciones al que están expuestos los profesionales que se desempeñan en el área y estimuló el desarrollo de lo que hoy conocemos como radiobiología y protección radiológica.

?

En 1906 Hans Geiger y Ernest Rutherford desarrollan un instrumento para contar partículas alfa. Con la ayuda de W. Müller, este dispositivo fue mejorado y así poder detectar y contar otros tipos de radiación. En 1908 P. von Villard propone una unidad de dosis basada en la ionización del aire producida por rayos-X. En 1909 Marie Curie funda el Instituto del Radio que será una futura referencia en física nuclear y radioquímica.

?

En 1911 Marie Curie gana nuevamente un Premio Nobel, esta vez en Química por el descubrimiento del polonio y del radio, así como por lograr el aislamiento de radio puro. durante la primera guerra mundial y habiendo perdido en 1906 a su esposo Pierre después de que este fuera atropellado por un tranvía en París, trabaja en la aplicación de los rayos-X en el diagnóstico médico y particularmente en el tratamiento de los soldados heridos en acción, contando con la ayuda de su hija Irčne (1897-1956). Para 1918 el Instituto del Radio, al cual Irčne ya se había sumado, tenía gran reputación y era un centro de referencia en física nuclear y radioquímica, así como por sus aplicaciones a la medicina.

?

En la década de los años veinte, algunos físicos figuran significativamente en trabajos relacionados con la solución de problemas de aplicación médica con radiaciones ionizantes. Estos problemas tenían que ver esencialmente con radioterapia, proteción radiológica, imageneología y radiobiología. En 1922 Marie Curie llega a ser miembro de Academia de Medicina por sus estudios de química y aplicaciones a la medicina de sustancias radioactivas. En ese mismo año Arthur Holly Compton descubre el cambio en la longitud de onda de los rayos-X dispersados y que se conoce como efecto Compton. En 1925 H. Fricke y Otto Glasser descubren la cámara de ionización. También en 1925 se hacen evidentes los riesgos en el uso del radio cuando un considerable número de mujeres en la industria de pinturas, que se habían expuesto a pintura luminiscente que contenía radio, llegaron a enfermarse con anenia y lesiones en la mandíbula y la boca. Algunas de estas personas llegaron a desarrollar después cáncer en los huesos. En ese mismo momento, los mismos síntomas se observan en pacientes que recibieron compuestos de radio internamente para el tratamiento de artritis y otras enfermedades y como consecuencia en la década siguiente se suspende completamente esta forma de terapia. En 1928 la Comisión de Medidas y Unidades propone el röntgen como medida internacional de dosis. Geiger y Müller desarrollan un tubo mejorado en el contador Geiger, basándose en lo desarrollado por Geiger y Rutherford en el 1906. Glasser, Portmann y Seitz construyen un dosímetro para medir rayos-X y radiación proveniente de sustancias radioactivas.

Fig. 15. Robert Jemison Van de Graaff y un modelo del generador que lleva su nombre (fotografía de la Colección de la Universidad de Alabama donde Van de Graaff realizó sus estudios de pregrado y maestría en ingeniería).

Los aceleradores electrostáticos aparecen con Robert Jemison Van de Graaff, nativo de Tuscaloosa, Alabama, USA. Van de Graaff obtuvo su primer título de B. Sc. en ingeniería en 1923 en la Universidad de Alabama, después culmina un M. Sc. en ingeniería mecánico en la misma universidad y finalmente en 1924 va a la Sorbona a estudiar física. Después de estar un año en La Sorbona, acepta la Beca Rhodes para ir al Queen's College de Oxford, donde obtiene su Ph. D. en 1928. La idea para el desarrollo de un generador que trabaje con grandes diferencias de potencial es concebida durante esta estancia en Oxford y en 1929 cuando gana una beca del National Research Council para continuar su formación en Princeton, construye el primer modelo del generador que lleva su nombre. En 1931 terminaba su beca del National Research Council en Princeton y se trasladaba al Instituto Tecnológico de Massachusetts para reunirse con el físico Karl Taylor Compton, que para ese momento era su presidente (cargo equivalente al de rector). Con el soporte de estas autoridades Van de Graaff comienza un programa de desarrollo de generadores de muy alto voltaje que permite sentar las bases para la construcción de aceleradores electrostáticos.

?

En la década de los treinta sobresale también la invención del acelerador basado en corrientes alternantes conocido como ciclotrón, desarrollada por Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) en el núcleo Berkeley de la Universidad de California con un primer prototipo a pequeña escala en 1932. En ese mismo año Lauriston S. Taylor desarrolla una cámara de ionización abierta para determinar el valor del röntgen y Marie Curie asiste en Varsovia a la inauguración del Instituto del Radio María Sklodowska-Curie, del cual su hermana Bronia llega a ser directora. En 1933 Lawrence y sus colaboradores logran completar y poner en funcionamiento en su escala definitiva el ciclotrón, que se convierte en una fuente copiosa de neutrones (descubiertos por Sir James Chadwick en 1932) al chocar protones con un blanco.

Fig. 16. Ernest Orlando Lawrence (1901-1958), quien recibió el Premio Nobel de Física de 1939 por lo que viene siendo la invención y desarrollo del ciclotrón, así como por los resultados obtenidos con ese acelerador.

Ernest Lawrence, su hermano John y Paul Aebersold realizaron experimentos exponiendo ratas al haz de neutrones generado y encontraron que la radiación de neutrones rápidos era dos veces y media más efectiva que los rayos-X en cuanto a su capacidad para producir muerte. Esto indicaba que había una imperiosa necesidad de proteger a los investigadores relacionados con el trabajo a desarrollar en torno al ciclotrón y como consecuencia se comenzó con cálculos de blindaje para las instalaciones próximas a la máquina. Cuando Enrico Fermi construye la primera pila atómica en Chicago en 1942, ya se disponía de mucha información sobre el efecto biológico de la radiación neutrónica. Todo esto llevó inmediatamente a un acelerado desarrollo de la protección radiológica que continuo con la misma intensidad en las cuatro décadas siguientes con la aparición de la guerra fría, la construcción de plantas nucleares y el desarrollo de los programas de investigación espacial y los de física nuclear y de altas energías.

?

También en 1933 Robert Van de Graaff en el Instituto Tecnológico de Massachusetts rompe marcas cuando construye generadores electrostáticos capaces de generar hasta 5 millones de voltios y crea verdaderamente las bases para la industria de los aceleradores elecrostáticos. En 1934 Frederic Joliot (1900-1958) y su esposa, Irčne Joliot-Curie producen radioactividad artificial por bombardeo de átomos de aluminio con partículas alfa obtenidas de una fuente de polonio y en ese mismo año Marie Curie muere de leucemia como consecuencia de su frecuente exposición a la radiación. En 1937 el Quinto Congreso Internacional de Radiología tiene lugar en Chicago y se acepta el röntgen como unidad de medida internacional para la dosis recibida tanto para rayos-X como radiación gamma. En ese mismo año se instala un acelerador de Van de Graaff en la Escuela de Medicina de Harvard que por frenado de los electrones que aceleraba producía fotones con una energía de un millón de electrón-voltios (MeV) en el sitio donde debía aplicarse el tratamiento.

?

En 1939 se comienza con el tratamiento de pacientes con cáncer con haces de neutrones producidos por colisión con un blanco de protones provenientes de un ciclotrón. En ese mismo año Ernest Lawrence recibe el Premio Nobel de Física por la invención y desarrollo del ciclotrón, además de todos los resultados obtenidos hasta la fecha con ese acelerador tanto en física básica como en medicina.

En 1940 Kerst construye el betatrón y los electrones pueden acelerarse y llevarse a energías de 20 millones de electrón voltios (MeV) y luego a 300 MeV. Más tarde en la década de los años cuarenta aparece el uso de radionúclidos tanto para propósitos de diagnóstico como con fines terapéuticos. Estos radionúclidos fueron producidos primero con reactores nucleares, pero la aparición de aceleradores de partículas permitió considerar alternativas. En 1947 se forma la empresa High Voltage Engineering Corporation con base en Burlington en el estado de Massachusetts, con John Trump como cabeza del consejo directivo, Denis Robinson como presidente y Robert Van de Graaff como principal asesor científico. Esta corporación iba a revolucionar el uso de aceleradores de Van de Graaff no solamente en el desarrollo de la física nuclear, sino también en la medicina y tecnología. En los siguientes cinco años la compañía produjo un gran número de aceleradores con voltajes máximos de 4 millones de voltios y estableció una reputación envidiable por lo conveniente y confiable que resultaron ser estas unidades. También en el lapso de 1948 a 1952 y haciendo uso de la experiencia acumulada con los aceleradores de Van de Graaff el Laboratorio de Los Alamos y el Instituto Tecnológico de Massachusetts bajo la dirección de John Trump y Joseph McKibben desarrollan máquinas electrostáticas que alcanzan los 12 millones de voltios. En la actualidad se están empleando en estudios de física nuclear a bajas energías (que quedó pendiente después de la carrera hacia altas energías), aplicaciones médicas e industriales, así como también forma parte del mecanismo de inyección en aceleradores de altas energías.

En forma creciente, los físicos son empleados en hospitales y clínicas como físicos de radiaciones. Estos físicos hacen contribuciones importantes al mejoramiento de los equipos y técnicas radiográficas, dosimetría y seguridad radiológica. Con la introducción de las unidades de teleterapia en 1951 por ⁶⁰Co, aceleradores lineales de electrones para uso terapéutico en 1952 en el hospital Hammersmith de Londres, nuevas técnicas nucleares, computadores para la planificación de tratamientos en 1960 y posteriormente del tratamiento digital de imágenes, el número de físicos médicos clínicos creció aún más rápidamente durante las décadas de los años cincuenta, sesenta y setenta. En ese período resalta la invención en 1972 del tomógrafo computarizado (TC) y la contribución de Damadian (médico y físico), Mansfield y Lauterbur en en el desarrollo de resonancia magnética por imágenes en 1973. En 1979 el físico Allan Cormack de Estados Unidos y el ingeniero Godfrey Hounsfield del Reino Unido reciben el premio Nobel en Medicina por la invención de la tomografía computarizada (TC).

?

Durante todas esas décadas de rápido crecimiento en términos de puestos de trabajo, el área de desempeño del físico médico también creció y hoy en día cubre prácticamente el campo completo de radiología y de radiaciones no ionizantes (ultrasonido, ultravioleta, radiofrecuencia y radiación laser). También cubre áreas en ciencia de la computación y electrónica que se han introducido recientemente en la práctica médica en colaboración con matemáticos, ingenieros electrónicos y computistas. Se puede mencionar que la American Association of Physicists in Medicine (AAPM) cuenta ya con más de cinco mil (5000) miembros y la Asociación de Físicos Médicos en España llega a más de trescientos (300) miembros.

?

Aunque la mayoría de los físicos médicos trabajan en el campo radiológico, se puede decir que los físicos colaboran con los médicos en casi todos los campos de la medicina. Electrónica médica y bioingeniería clínica, se han desarrollado gracias a la actividad de los físicos y forman parte hoy de los servicios de física médica en muchas instituciones.

?

Cabe esperar que la física jugará un papel aún más importante en un futuro inmediato tanto dentro de la medicina clínica como de la ciencia médica.

Fig. 17. Eugene Stanley, Profesor de las Facultades de Ciencias y Medicina de la Universidad de Boston.

Como ejemplo de lo que esa promesa puede representar se puede mencionar que en 1997 un equipo multidisciplinario formado por físicos del Centro para Estudios de Polímeros de la Universidad de Boston (liderizado por el físico teórico en mecánica estadística Eugene Stanley) y neurólogos del Hospital General de Massachusetts descubrió que las placas seniles presentes en la enfermedad de Alzheimer son estructuras porosas cuyo comportamiento está gobernado por procesos de agregación y desagregación en competencia. Este hallazgo podría llevar a entender mejor la forma en la que la enfermedad evoluciona y por esta misma vía proponer tratamientos para la misma. Las placas seniles están hechas de proteínas amiloides, en particular de un péptido denominado Amiloide-b (A-b), que se agrega alrededor de las neuronas y causa lesiones en el cerebro.

?

El equipo de la Universidad de Boston formado por Sergei Buldyrev, Luis Cruz, Shlomo Havlin, Brigita Urbanc y Eugene Stanley, empleando imágenes digitalizadas lograron hacer una reconstrucción tridimensional de las placas seniles. Después del análisis de 500 imágenes encontraron que estas placas poseen una región central o corazón de estructura porosa y sus poros tienen un tamaño típico. También encontraron que las placas se hacen menos densas cuando partiendo de su centro se va a su periferia, lo que les permitió proponer un modelo donde la agregación compite con la desagregación en estado estacionario. Este modelo fue sometido a prueba mediante simulaciones que se realizaron en una máquina Silicon Graphics Onyx 2 y el mismo fue capaz de reproducir la estructura porosa previamente observada en las placas seniles.

?

Para el caso de Venezuela la situación de los servicios radiológicos se puede resumir diciendo que en este momento en Venezuela existen tres mil (3000) aparatos de diagnóstico por rayos-X, veinticinco (25) unidades de teleterapia por ⁶⁰Co y quince (15) aceleradores lineales de electrones que producen fotones por colisión con un blanco. Hay un acelerador lineal de electrones para uso directo del haz, único en Venezuela, en el Hospital de El Llanito y que no está en operación en este momento. Hay también veinte (20) servicios de medicina nuclear dotados con una amplia gama de contadores y equipos para producir imágenes. La mayoría de estos equipos fueron instalados sin el contrato de mantenimiento correspondiente, sin piezas de recambio y sin personal lo suficientemente entrenado en su uso y reparación.

?

Hay dispersas por Venezuela, tanto en el sector público como privado, numerosas fuentes de radiación a las que se le debe dar un rendimiento óptimo y un control radiológico adecuado. Aparte de esto hay que lograr que los programas de control de calidad, cuyo objeto es obtener estudios radiológicos de más valor diagnóstico, con la mínima dosis al paciente y mínimo costo de operación, tengan un alcance mayor.

?

Estimaciones preliminares indican que en este momento se requieren en el país treinta y cinco (35) físicos médicos clínicos solamente para el manejo de los servicios radiológicos en operación. Este número resulta mucho mayor si notamos que actualmente habría que tener más servicios radiológicos en funcionamiento y que hay un crecimiento natural de la población que conlleva un incremento en la demanda de esos servicios.

?

Al número de físicos médicos clínicos que pudiera estimarse al considerar solamente los servicios radiológicos nacionales se le pudiera añadir en un futuro inmediato el requerido en los servicios de diagnóstico y terapia con radiaciones no ionizantes y servicios de procesamiento de señales biomédicas. A ese respecto cabe mencionar como ejemplo el caso de la tomografía por resonancia magnética que al ofrecer la posibilidad de hacer espectroscopía abre nuevas fronteras para la investigación tanto en medicina como en física médica. En el sector privado (que es el único que puede financiar estos centros a nivel nacional) existe un parque de diecinueve (19) equipos de tomografía por resonancia magnética y piensan adquirirse en lo inmediato dos (2) adicionales, que están discriminados de la siguiente manera:

• En el área de la ciudad de Caracas hay ocho (8) equipos en funcionamiento y se piensa adquirir otros dos (2) más: Un equipo Philips de 0.5 Tesla en la clínica Metropolitana, un Picker de 0.5 Tesla en el Centro Médico en San Bernardino, un Toshiba y un General Electric de 0.5 Tesla en el Hospital de Clínicas Caracas, un General Electric de 0.5 Tesla en la Clínica Santiago de León y el Instituto de Resonancia Magnética La Florida (Biomagnética C.A.) tiene dos equipos Siemens Impact de Tesla cada uno y un equipo Siemens Vision de 1.5 Tesla, con el que adicionalmente se puede hacer espectroscopía de H. Adicionalmente la Clínica La Floresta piensa adquirir en lo inmediato un Picker de 0.1 Tesla, Biomagnética C.A. va a adquirir otro Siemens Impact de 1.0 Tesla y el Urológico de San Román un General Electric Sigma de 1.5 Tesla.

  ?

• En occidente hay cuatro (4) equipos en funcionamiento: En San Cristobal hay operando un Philips de 0.5 Tesla y en Maracaibo hay un General Electric Sigma de 1.5 Tesla, un Siemens de 0.2 Tesla y un Philips de 0.5 Tesla.

  ?

• En el centro hay cuatro (4) equipos en funcionamiento: Dos Toshiba de 0.5 Tesla cada uno y un Siemens de 0.2 Tesla en Valencia y un Siemens de 0.2 Tesla en Maracay.

  ?

• En oriente hay tres (3) equipos en funcionamiento: Un Toshiba de 0.5 Tesla en Puerto La Cruz, un Picker de 0.5 Tesla en San Félix y un General Electric de 0.5 Tesla en Puerto Ordaz.

Todo lo anterior hace indispensable la formación de personal profesional suficiente y adecuado en tiempos razonablemente cortos para resolver el problema de la ausencia de personal con buena formación y al mismo tiempo desarrollar un plantel de investigadores a mediano y largo plazo en esta área. Los estudios de postgrado de la Universidad Central de Venezuela, a través de sus 60 años de historia (1941-2001) ofrecen una plataforma de trabajo multidisciplinaria que resulta muy propicia para lograrlo.

?

Fig. 18. Paulina Galavís, primer egresado de la Orientación Física Médica de la Escuela de Física de la Facultad de Ciencias.

Sumándose a los esfuerzos ya realizados a nivel de postgrado y con la idea de hacer mucho más ágil el proceso de formación requerido, en 1999 la Escuela de Física de la Facultad de Ciencias ya contaba con estudiantes del último bienio del pregrado dentro de su programa de la Orientación Física Médica. Este programa fue creado en 1997 dentro del pregrado en física como respuesta inmediata a la solicitud que hicieran formalmente y de manera conjunta el Ministerio de Salud y Desarrollo Social (para entonces era el Ministerio de Sanidad y Asistencia Social) y el Ministerio de Energía y Minas a centros académicos y científicos, para que estos destinaran tanto recursos como tiempo, con carácter de urgencia, en la formación de profesionales de física en ese particular campo. La Orientación Física Médica forma parte de la gama de orientaciones que se ofrece dentro de los planes de estudio de la Escuela de Física de la Facultad de Ciencias y conduce a la obtención del título de Licenciado en Física, Mención Física Médica.

?

A principios del año 2001 y como coronación de los esfuerzos que se iniciaron en 1997, la Orientación Física Médica produce su primer egresado, Paulina Galavís, quien al mismo tiempo es el primer egresado nacional en esa mención. Su trabajo de grado fue dirigido por el Lic. Jésus Dávila, quien es candidato al Magister en Ciencias de nuestro programa de postgrado, y versa sobre comisionamiento y control de calidad de sistemas de planificación en tres dimensiones para radioterapia conformal.