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En la primera parte de este artículo describimos en términos simples el principio de funcionamiento de un resonador magnético. Si deseas volver a ver el artículo puedes hacer click aquí.

Ahora, en la segunda parte expondremos las razones físicas por las cuales ocurre el famoso “quench”.

Como mencionamos en el primer artículo, un electroimán debe su magnetismo a la corriente eléctrica que se transporta en cables que se enrollan miles de veces en un bucle. Estos electroimanes son fabricados con una aleación de metal especial que tiene la propiedad de perder totalmente su resistencia eléctrica cuando se enfría a temperaturas extremadamente bajas.

Aunque esta tecnología es compleja y relativamente costosa, hace posible la construcción de imanes con una potencia sin precedentes, estabilidad y homogeneidad del campo magnético que generan, los cuales son atributos indispensables para la realización de una resonancia magnética.

Para lograr que la temperatura de las bobinas permita comportarse como un superconductor, los electroimanes se refrigeran mediante helio líquido, un producto costoso y cada vez más raro que fluye a temperaturas cercanas al cero absoluto: Las bobinas del imán están encerradas en una carcasa “tipo termo” para minimizar la fuga de calor.

Un quench es el fenómeno en el cual el electroimán se vuelve inutilizable, ya que los conductores que forman la bobina pierde su estado superconductivo por un incremento de su temperatura, debido a que el helio líquido que los refrigera pasa a estado gaseoso y es liberado al ambiente.

Un quench ocurre de la siguiente manera:

En condiciones normales de operación, los conductores están inmersos en un líquido que lo mantiene lo suficientemente frío como para que su resistencia eléctrica sea igual a cero.

Gracias a esto, imaginemos que los bucles de cable en la bobina del electroimán, quizás unos 15 kilómetros o más en algunos magnetos, están completamente sumergidos en helio líquido y que los electrones de la corriente eléctrica viajan a través de la “autopista” de la superconductividad.

Luego que el helio contenido en “el termo” baja por alguna razón. La parte superior de la bobina comienza a quedar fuera del helio líquido, y al principio, los conductores permanecen fríos.

Baja aún  más el helio líquido y se incrementa la cantidad de conductores fuera del refrigerante, y así empieza a calentarse la parte de la bobina expuesta, perdiendo su propiedad de superconductividad. Para este punto, la corriente de los conductores va a seguir circulando, pero ya no lo hará en un conductor sin resistencia, por lo que la temperatura se incrementará cada vez más.

Un electroimán típico conduce alrededor de los 500 Amperios, así que tan solo 1 Ohm de resistencia de los conductores puede liberar una energía de 250 kilowatios. En realidad, este pico tiene una duración de un instante y luego decae, dado que la energía total almacenada en la bobina es limitada y se descarga rápidamente, pero este calor tendrá el efecto de convertir mucho del helio líquido en gas.

Cuando el helio pasa de su estado líquido a gas, se expande en un factor de 800 veces su volumen, por lo que un resonador que contiene mil litros de helio líquido puede producir un volumen de 800 mil litros de helio en estado gaseoso durante un quench total, y todo el gas va a buscar escapar del equipo inmediatamente hacia la atmósfera.

Para evitar que el helio se caliente y cambie su estado físico se usa un sistema de refrigeración que incluye un compresor. Este sistema de refrigeración permite que el helio se conserve en estado líquido.

Así que el punto crítico principal para prevenir que su resonador magnético sufra un quench es garantizar el óptimo funcionamiento de su sistema de refrigeración: Cuando el sistema de refrigeración falla, el imán puede perder el helio líquido rápidamente.

Si el aire acondicionado en la sala de equipos falla y la habitación se calienta, el compresor del sistema de refrigeración se apagará y el hielo líquido comenzará a “hervir” rápidamente y el imán puede quedar quedar inutilizable con relativa rapidez.

El segundo punto crítico es que el imán también puede calentarse debido a la falta de energía eléctrica o un componente roto en el sistema de refrigeración del imán, por lo que hay que cuidar meticulosamente las condiciones eléctricas operativas de toda la instalación.

Los equipos de resonancia magnética son diseñados para recuperarse de un quench y ser nuevamente energizado. Pero es un procedimiento costoso y lento: los ingenieros de servicio tendrán que gastar un tiempo considerable y herramientas especiales y el suministro de helio líquido. En algunos casos, si la temperatura del magneto se ha igualado con la de la sala, hará falta el uso de bombas de vacío para el proceso de enfriamiento.

Debido a que las herramientas y el helio líquido no están siempre disponibles inmediatamente, si tu resonador sufre de un quench, usualmente pueden pasar muchos días antes de que pueda ser usado nuevamente.

Cuando participamos en un proyecto de instalación de un resonador magnético, los ingenieros de proyectos de la casa que comercializa el equipo prestan especial atención al proyecto eléctrico asociado.

En muchas oportunidades, los médicos, el departamento de mantenimiento e incluso la dirección general del hospital o clínica no comprenden cuán complejos son los requerimientos eléctricos del equipo, los cuales están asociados a los requisitos de seguridad de los pacientes, a los requisitos de disponibilidad del servicio que prestan, y el costo total de la instalación eléctrica, hasta que se pone sobre la mesa la palabra “Quench”.

La posibilidad de que ocurra un “Quench” en el equipo paraliza a todo el mundo, sobretodo a aquellos que han tenido la oportunidad de conocer de cerca la ocurrencia de esta falla en algún equipo, y sus implicaciones de indisponibilidad del equipo y sobretodo su efecto económico.

Pero, ¿Qué es un Quench?

Es por esto que en esta oportunidad, en EnergyMed nos daremos a la tarea de definir en tres pasos este fenómeno de los Resonadores Magnéticos, desde lo más básico de la siguiente manera.

Parte 1: Qué es un Resonador Magnético, su principio de funcionamiento y sus requisitos constructivos.

Parte 2: Qué es un Quench, por qué ocurre.

Parte 3: Medidas preventivas para que un Quench no ocurra, visto evidentemente desde el punto de vista eléctrico del equipo.

Procedamos entonces con la primera parte de artículo.

¿Qué es un resonador magnético?

Un resonador magnético es un equipo de imagenología que aprovecha la alta composición acuosa del cuerpo humano para crear imágenes detalladas de cualquier parte del cuerpo.

Como ya sabemos, el cuerpo humano está compuesto en al menos un 70% de agua, y a su vez las moléculas de agua están compuestas por dos átomos de hidrógeno junto con uno de oxígeno, el famoso H2O.

A partir de este principio es cuando mencionamos una de las ramas de la física más importantes del último siglo, la física cuántica, y que es la parte de la física que estudia el comportamiento de las partículas infinitesimales que conforman la unidad de masa más pequeña conocida comúnmente por el hombre: el átomo.

Sin sumergirnos mucho en este universo, en el cual las leyes de la física clásica de Newton no se cumple, básicamente un resonador magnético usa la capacidad de orientación magnética del protón que conforma la molécula de hidrógeno presente en el agua para reorganizarlas magnéticamente y reproducir eso en una imagen.

Ahora la siguiente pregunta podría ser: ¿Cómo un resonador orienta estas partículas?. Y la respuesta es: con electromagnetismo.

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo eléctrico se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica a través de una bobina de un material conductor.   Es así como la circulación de una corriente a través de una bobina es capaz de producir un campo magnético, normalmente entre 0,5 y 1,5 Tesla, que orienta las partículas.

Cuando se añade energía adicional, en forma de una onda de radio, al campo magnético, el vector magnético es desviado. La frecuencia de la onda de radio que hace que los núcleos de hidrógeno para resonar depende del elemento buscado, hidrógeno en este caso, y la fuerza del campo magnético.

La fuerza del campo magnético se puede alterar electrónicamente de pies a cabeza utilizando una serie de bobinas, llamadas bobinas eléctricas de gradiente, y, al alterar el campo magnético local por estos pequeños incrementos, diferentes partes del cuerpo resonarán dependiendo de las frecuencias aplicadas.

Cuando la fuente de radiofrecuencia se desconecta el vector magnético vuelve a su estado de reposo, y esto provoca una señal, que es también como una onda de radio, para ser emitida. Es esta señal que se utiliza para crear las imágenes de Resonancia Magnética utilizando bobinas receptoras alrededor de la parte del cuerpo en cuestión, algo así como unas antenas, que mejoran la detección de la señal emitida.

A continuación presentamos una imagen que ilustra la ubicación de los elementos descritos anteriormente:

Finalmente, un resonador magnético es un equipo capaz de escanear el cuerpo humano de manera no invasiva con el uso de electroimanes. Estos electroimanes, que son un material conductor, con propiedades físicas tales como un calentamiento proporcional a la cantidad de corriente que por ellas circulan, ponen de manifiesto la necesidad de un sistema de refrigeración capaz de mantener la temperatura de las bobinas en un nivel seguro. Este refrigerante es el helio.

En la siguiente entrega de este artículo, explicaremos las implicaciones de este sistema de refrigeranción, y su relación con el famoso “Quench”.