miércoles, 23 de mayo de 2012

EXTINCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO DE UN IMÁN SUPERCONDUCTOR (Superconducting Magnet Quench) (MRI Quench) (Quenching a MRI Magnet) by luis mazas artasona. Mayo 2012.

El término inglés QUENCH tiene una gran variedad de significados en el idioma español, como son: apagar, extinguir, apaciguar, calmar, sosegar, templar un metal, enfriar, etc. Aunque se utiliza para describir un procedimiento físico que hace referencia a la extinción del campo magnético de un electroimán superconductor de Tomografía por Resonancia Magnética (TRM), el "quenching"  no es exclusivo de esta modalidad de Diagnóstico por Imagen porque también es común en la Física de Materiales o en Metalurgia, por citar sólo algunos otros campos. "The magnetic field of this magnet is quenched" dicen los ingenieros cuando anulan el campo magnético de un electroiman, como paso previo para cambiar el modelo antiguo por otro nuevo.

Como su propio nombre indica el "quenching" provoca, de una manera u otra, la extinción del campo magnético del imán. Pero eso sólo es posible en aquellos modelos que tienen un electroimán superconductor cuya bobina está enfriada por helio líquido. El "quench" o apagado del campo magnético, puede suceder de dos formas distintas.



Key Words: Quench.Superconducting Magnet Quench.

1) QUENCH BRUSCO E INESPERADO:  Para facilitar su comprensión, podemos compararlo con un ejemplo de la vida cotidiana. Supongamos que tenemos que conducir de manera habitual un automóvil, a gran velocidad, por una autopista, porque esa es nuestra profesión. Es una profesión de riesgo así que para evitar accidentes hay que tener mucho cuidado con el mantenimiento del vehículo, revisar periódicamente los frenos, el nivel de aceite, el de agua y la presión de los neumáticos. Si no lo hacemos nunca y no nos preocupa, es posible que un día se reviente una rueda perdamos el control y el vehículo acabe estrellándose en la cuneta. Se habrá producido un "quench" inesperado y brusco, muy grave que puede causarnos algún daño. Como consecuencia del percance el coche acabará  en el desguace, destrozado, "quenched".  

En una Unidad de TRM sucede algo parecido, puede producirse un "quench" brusco e inesperado, porque el Técnico no ha comprobado los indicadores de seguridad, como el Nivel de Helio o la Presión del Compresor (Figura 1).


FIGURA 1) Indicador del Nivel de Helio que se encuentra en la sala de Máquinas anexa a la Unidad de TRM. El Técnico debe comprobarlo y anotarlo en el libro de incidencias todos los días.

 El "quench" brusco, es el accidente más grave que puede suceder en una instalación de TRM. Cuando se desencadena este gravísimo percance, se produce la exlosión del tanque de Helio líquido utilizado como criógeno, la extinción brusca del campo magnético y la destrucción de la bobina del imán .El aparato queda destruido para siempre y la persona que está en ese momento dentro del túnel del imán corre serio peligro (Vídeo 1). Es un accidente muy raro. En España no se ha producido ninguno en todos los años de funcionamiento de los múltiples aparatos instalados, pero tampoco debe tenerse en el olvido y el control diario del nivel de Helio, debe de ser una obligación ineludible del Técnico antes de comenzar a trabajar.


video

VIDEO 1) En este vídeo, muy popular en You Tube, se puede apreciar la explosión del tanque de Helio de un aparato de TRM, en la factoría donde estaban manipulándolo los ingenieros. El percance es tan importante que merece un comentario en las noticias de televisión. 

2) QUENCH VOLUNTARIO Y CONTROLADO: También puede suceder lo contrario. Que seamos muy cuidadosos con el mantenimiento del coche, pero aun así, puede surgir algún acontecimiento inesperado que nos obligue a tener que parar durante un viaje. Un día cuando estamos en la carretera avistamos a lo lejos un accidente. Como la cosa parece grave comenzamos a frenar, poco a poco,  hasta que llegamos al lugar donde se ha producido, orillamos el coche en la cuneta, paramos y nos disponemos a prestar ayuda. Con los frenazos y girando la llave de contacto, hemos  provocando un "quench" voluntario y controlado y el automóvil se ha detenido, sin sufrir daño alguno. Cuando el problema se solucione podremos proseguir nuestro camino, con el único contratiempo que supone retrasar el viaje. En ambos casos el motor y el coche se han parado, pero la forma y las consecuencias han sido diametralmente opuestas al ejemplo anterior.   

El Técnico también  puede producir un "quench" voluntario (extinción) del campo magnético del aparato si observa una situación límite en la que sea imprescindible tomar esa decisión. Suele verse obligado a hacerlo por el incumplimiento de las medidas de seguridad o por alguna negligencia. Supongamos que cuando está introduciendo al paciente dentro del túnel y se encuentra la puerta de la sala abierta se aproxima alguién con un objeto metálico de grandes dimensiones, como puede ser una bombona de oxigeno o una camilla metálica. Ambas pueden ser atraidas con fuerza por el campo magnético del imán. 

Imaginemos por un momento que el objeto tapona la boca de entrada o golpea a la persona que está metida en el angosto túnel de dos metros de longitud por 60 cm de diámetro. E imaginemos la angustia y los gritos del paciente que nos pide que lo saquemos de allí. Pero con la fuerza de un campo magnético de 1´5 Tesla no hay Técnico ni persona que sea capaz de retirar un objeto metálico de grandes dimensiones. En este caso concreto, se puede apagar el campo magnético del imán, es decir realizar un "quench controlado". ¿Cómo hacerlo?. Es bastante fácil y rápido. En la pared lateral de la sala de exploración existe una seta roja protegida por una tapa de plástico protectora (Figura 2).


FIGURA 2) Pulsador de emergencia (Flecha roja) para expulsar el Helio del tanque.

Se levanta dicha tapa, se oprime la seta y en menos de dos minutos el Helio se evapora por la chimenea de evacuación y sale al exterior formando una espesa nube blanca que se alza hacia el cielo como la humareda de una maquina de tren de carbón (Vídeo 2). Evaporado todo el Helio, el campo Magnético del Electroimán se extingue y se puede sacar el objeto metálico y al paciente sin más contratiempos. Pasado el tremendo susto hay que llamar al Servicio Técnico para que vengan a rellenar el tanque y pongan en marcha el aparato. Tres o cuatro días de parada, pero ningún percance grave.

video

VIDEO 2)  En este vídeo se observa el poder de atracción del campo magnético del imán de un aparato  MAGNETOM de Siemens que va a ser retirado. Los ingenieros hacen varias demostraciones con diversos objetos metálicos donde se puede ver la violencia con la que es atraída una llave inglesa. Uno de ellos oprime el botón rojo para evacuar el Helio. La cámara recoge la columna de vapor que asciende hacia el cielo. Finalmente cuando el Helio se ha evaporado por completo, el campo magnético se extingue y pueden  extraer con la mano el objeto metálico que habían depositado en el interior del túnel.

Para comprender mejor el mecanismo que provoca la extinción del campo magnético del imán de un aparato de TRM, en sus dos versiones, brusca y controlada repasaremos brevemente los componentes mecánicos más importantes de una unidad de TRM.

El IMÁN es el elemento fundamental del aparato, porque no se puede generar Resonancia Magnética Nuclear sin el efecto de un intenso campo magnético. Los aparatos de bajo campo, de 0´35 Tesla utilizan imanes permanentes formados por grandes bloques de hierro imantado. En estos nunca se puede producir un "quench", porque es imposible eliminar el campo magnético.

Por el contrario, los modelos de alto campo de 1 a 3 Tesla utilizan electroimanes. Desde el punto de vista físico, hay dos tipos distintos: Electroimanes Resistivos y Electroimanes Superconductores.  Un electroimán típico esta formado por una carcasa cilindrica sobre la que se enrolla un alambre conductor. Cuando se conectan a la red, la simple circulación de corriente electríca por el alambre de la bobina genera un intenso campo magnético alrededor de la bobina. 
La materia que nos rodea está constituida por pequeñas partículas, los átomos, cohesionadas por fuerzas recíprocas de atracción. Y entre ellos existen numerosos huecos. En el alambre metálico que forma la bobina del imán, los átomos se disponen ordenadamente ocupando posiciones fijas. Adoptan la configuración de una red metálica  tridimensional compacta e indeformable porque las fuerzas de atracción existentes entre los núcleos atómicos son muy intensas. Éstos no se desplazan y sus movimientos se limitan a pequeñas vibraciones, sin perder el lugar que ocupan dentro de la red. En cambio, los electrones de la corteza orbitan alrededor de los núcleos formando una nube electrónica,  compartida por todos, de tal forma que se mantiene el equilibrio eléctrico. 
En los denominados ELECTROIMANES RESISTIVOS, cuando los electrones de la corriente eléctrica circulan por el alambre conductor se producen múltiples choques, con las partículas de la nube electrónica. El metal ofrece resistencia al paso de la corriente, por eso se denominan imanes resistivos. Las  colisiones provocan un aumento de la temperatura del alambre del conductor que puede ponerse al rojo vivo como las resistencias de los pequeños hornillos caseros. Por eso, para que no se estropeen, hay que refrigerarlos con grandes cantidades de agua porque el excesivo calor podría destruir la bobina. No conozco ningún modelo de aparato de TRM que funcione con un imán resistivo.
En cambio, en los  modernos aparatos de TRM, se utilizan ELECTROIMANES SUPERCONDUCTORES. En éstos el proceso es completamente distinto al de los resistivos.  La bobina del imán, formada por un alambre enrollado de niobio-titanio, está sumergida en un tanque de Helio líquido. Con eso se consigue enfríar el metal hasta lograr una bajísima temperatura de -269º C, próxima a la del cero absoluto (-273º C).
Con este proceso de enfriamiento mejora la conductividad de la bobina del imán. Las bajas temperaturas producen una concentración de las partículas de la nube electrónica alrededor de los núcleos atómicos. El frio extremo contrae la corteza de los átomos  y además produce una disminución de su estado energético. El fenómeno físico de contracción de los electrones alrededor de los núcleos aumenta los  espacios libres existentes en la red metálica. En esas condiciones favorables la corriente eléctrica puede circular por el alambre superconductor sin que se produzca resistencia alguna, (superconductividad inducida por criógenos). El flujo incesante genera un intenso campo magnético que no variará mientras el nivel de Helio se mantenga dentro de unas cifras normales y la presión del compresor también sea la correcta. 
Pero, si por algún mecanismo como: nivel de Helio muy bajo, fallo en el compresor u otra avería grave no detectada, aumenta la temperatura de la bobina, la corteza electrónica de los átomos se expande, se pierden las propiedades superconductoras del imán y se transforma en resistivo, produciéndose numerosas colisiones entre electrones que provocan un aumento de calor hasta que la bobina se pone incandescente.   
El incremento brusco de temperatura provoca la evaporación brusca y explosiva del Helio líquido que se almacenaba en el tanque. Como el Helio es un gas a temperatura normal, difunde rápidamente por la sala de exploración y asciende con rapidez hacia el techo. El escape de este gas dentro de la sala cerrada, desplaza al oxígeno y puede provocar la asfixia  del paciente si no se actúa con rapidez .
  
Aunque  no es tóxico ni inflamable, el Helio evaporado en la sala de exploración puede producir lesiones cutáneas por congelación. El “quench” brusco que se produce cuando el nivel desciende por debajo de las cifras consideradas normales (50%), es una emergencia que requiere una actuación rápida por parte del Técnico, pues aunque en todas las salas hay una especie de chimenea que conecta el tanque de Helio con el exterior, puede resultar insuficiente para una situación como la descrita. Si sucediera un episodio grave, como el que acabamos de mencionar, hay que abrir rápidamente la puerta de la sala y todas las ventanas, para favorecer la salida de los gases, y sacar  al paciente.
En resumen, para evitar que ocurra un “quench” accidental, hay que controlar que el nivel de Helio se mantenga en cifras normales y si desciende por debajo del umbral de seguridad del 50%, se interrumpan las exploraciones hasta que el tanque sea rellenado.

De (Por los Senderos de la Resonancia Magnética)
Servicio de Radiodiagnóstico. (Neurorradiología). Hospital Universitario Miguel Servet (HUMS) Zaragoza.Spaiñ.





No hay comentarios:

Publicar un comentario