Resumen radiaciones ionizantes

RADIACIONES IONIZANTES
Las radiaciones ionizantes (electromagnéticas o particuladas) son aquellas con energía,
longitud de onda y frecuencia tales que al interaccionar con un medio le transfieren energía
suficiente para desligar a un electrón de su átomo. En ese instante en el que el electrón sale
desprendido (es separado) del átomo al que pertenecía, se produce un proceso que se llama
ionización. La ionización es, por lo tanto, la formación de un par de iones, el negativo (el
electrón libre) y el positivo (el átomo sin uno de sus electrones).
Las radiaciones ionizantes se pueden clasificar en:
 Directamente ionizantes, que será cuando la radiación incidente que interacciona con el
electrón esté formada por partículas cargadas, como pueden ser electrones, protones, etc.
a) Rayos α: son radiaciones de partículas formadas por núcleos de helio que se
desplazan a gran velocidad. Como son partículas cargadas ionizan directamente.
Las partículas alfa son emitidas espontáneamente por algunos núcleos radiactivos o
pueden resultar de la captura de un neutrón. Poseen poco poder de penetración en
la materia y son emitidos por radioisótopos naturales o artificiales.
b) Rayos β: son radiaciones de partículas formadas por electrones o positrones
emitidos desde un núcleo en desintegración beta y que viajan a gran velocidad.
Puesto que son partículas con carga positiva o negativa, ionizan directamente.
Poseen menor poder de penetración que las partículas α. Los rayos beta son
partículas cargadas emitidas por ciertos núcleos radiactivos. Estas partículas, que
son idénticas, excepto en el signo de la carga, se clasifican en positrones (β +) y
electrones (β -), que son idénticos a los electrones del átomo.
c) Protones: producidos artificialmente en un acelerador de partículas ionizando
hidrógeno y acelerándolo hasta que alcance un voltaje de unos millones de volts.
Estos protones son radiación ionizante, y además se pueden tener en mucho mayor
cantidad que las partículas α naturales. Poseen un poder de penetración alto en
función de su energía.
 Indirectamente ionizantes, que es cuando la radiación incidente es fotónica o neutrónica.
En este caso la ionización no se produce directamente por la acción de los neutrones o
fotones, sino como consecuencia de la interacción de éstos con el medio. Se producen así
partículas secundarias: fotoelectrones, electrones secundarios, electrones de retroceso u
otros, que serán los que produzcan el fenómeno de ionización.
a) Rayos γ: es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por
fotones, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos
subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Posee un elevado
poder de penetración en la materia y acompaña a los procesos de desintegración
alfa o beta. Su origen está dado en las transiciones de un estado de energía a otro
en los núcleos.
b) Rayos X: Parecidos a lo rayos gamma, se producen en procesos extra nucleares.
Serán tratados más adelante.
c) Neutrones: Los neutrones rápidos son radiación formada por partículas
nucleares de masa uno y carga cero que viajan a gran velocidad. Ionizan
indirectamente, sobre todo al poner en movimiento partículas cargadas de los
núcleos atómicos con los que chocan. Los neutrones lentos o térmicos ionizan
indirectamente al interactuar con los núcleos, produciendo radiación ionizante en un
proceso llamado captura de neutrón.
2.- ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Un espectro es una distribución, una representación de las radiaciones electromagnéticas según su longitud de onda o su frecuencia. En él podemos encontrar desde las ondas de
radio gigantescas, de muchos kilómetros de longitud, a los minúsculos rayos gamma o la
radiación cósmica, millones de veces más pequeñas que un núcleo.
El espectro se divide generalmente en clasificaciones que se superponen un poco unas
a otras, no obstante las características corpusculares predominan en la región de las altas
frecuencias, mientras que en la región de las bajas frecuencias prevalecen las características
ondulatorias.
 Los rayos X son manifestaciones de la energía electromagnética de aún más alta
frecuencia. Descubiertos, como veremos, en 1895, ocupan la banda de frecuencia que va
desde los 3 x 1017 Hz, hasta los 5 x 1019 Hz. Lo que corresponde a unas longitudes de onda
de entre 0,5 a 100 Á. (1 Á = 10-10 metros).
Los cuantos de rayos X se comportan como partículas y se propagan como ondas
electromagnéticas a las frecuencias determinadas anteriormente.
La energía irradiada por una corriente de cuantos de rayos X sobre un área de superficie
perpendicular a la dirección de los mismos se llama intensidad de la radiación, y se mide en
vatios/ m2.
La radiación X tiene una longitud de onda que depende directamente de la tensión con que
se ha producido la radiación. Por eso los rayos X se caracterizan por la tensión, igual que la
radiación γ.
 Los rayos gamma corresponden a fotones de energía de 104 eV hasta 109 eV, y aún
más energéticos.
 Cierra la representación de las ondas electromagnéticas la radiación cósmica, que
puede llegar a tener ondas de una longitud de onda menor que 10-13 metros.
3.- CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ESTRUCTURA ATÓMICA
3.1.- Condición
orbital
de
equilibrio
Para
que
un
electrón
permanezca en equilibrio sobre una
órbita de radio, r, es necesario que
la fuerza centrífuga, mω2r, que
tiende a desplazarlo de su órbita,
esté continuamente equilibrada con
la fuerza de atracción electrostática,
que tiende a atraerlo hacia el
núcleo, lo cual se expresa mediante
la siguiente igualdad:
mω2r =
qn qe
r2
En la que:
qn representa la carga positiva de un núcleo con Z protones
qe y m son, respectivamente, la carga del electrón y su masa
r es el radio de la órbita
ω es la velocidad angular del electrón.
La relación de la velocidad angular, ω, con la velocidad lineal, viene determinada por la
relación v = rω, de donde ω=v/r. Sustituyendo en la igualdad antes expresada:
mv2 =
qn qe
r
3.2.- Energía de enlace del electrón
Se define como la energía necesaria que hay que consumir para arrancar el electrón de
su órbita y desplazarlo a una distancia tal que escape totalmente a la fuerza de atracción del
núcleo, lo cual viene expresado por:
E=
1 q2n
2 r
4.- RAYOS X
4.1.- ¿Cómo se descubrieron los rayos X?
El 8 de noviembre de 1985, el científico alemán Wilhelm Conrad Röntgen, advirtió que
cuando electrificaba un gas en un tubo al vacío, una pantalla fluorescente en el otro lado de la
mesa del laboratorio centelleaba. Esto era señal de que rayos invisibles eran producidos en el
tubo, cruzando el cuarto y chocando con la pantalla, produciendo un tenue brillo.
Para bloquear los rayos, él puso piezas de carta en el camino, pero el brillo en al
pantalla continuó allí estuvieran las cartas o no, como si los rayos pudieran pasar a través de
ellas sin ningún problema. Entonces trató de bloquear los rayos con metal, pero las delgadas
láminas de cobre y aluminio fueron tan transparentes como las cartas lo habían sido.
Movió una pieza de plomo cerca de la pantalla y pasando la mano frente a los rayos, vió
su sombra aclararse, y pudo ver el oscuro patrón esquelético de los huesos de su mano
moviéndose a través de la pantalla. Tomó algunas películas fotográficas para guardar
permanentemente estas imágenes.
En ese momento Röntgen había hecho uno de los mayores descubrimientos en la
historia de la ciencia, los Rayos X.
Seis semanas después, el domingo antes de la navidad de 1985, invitó a su esposa
Bertha al laboratorio y tomó una “sombra-grafía” de los huesos de su mano con su anillo de
matrimonio claramente visible. Esta es una de las imágenes más famosas en la historia y la cual
lo convirtió, dos semanas después, en una celebridad internacional.
4.2.- ¿Cómo funciona una máquina de rayos X?
La Tecnología de los rayos X utiliza
rayos de alta energía que pueden pasar a
través de ciertos tejidos, y es esencial para
crear las imágenes de diagnóstico y
tratamiento.
La máquina de rayos X se compone
de un tubo de rayos X que contiene un par de
electrodos, o conductores, llamados cátodo y
ánodo. El cátodo es un filamento que libera la
energía con el flujo de una corriente eléctrica,
al igual que el de una ampolleta. Desde el
cátodo se libera energía en forma de
electrones, los que se dirigen hacia el ánodo,
situado en el extremo opuesto del tubo de
rayos X, es un disco de tungsteno, un
material que atrae a los electrones.
Cuando los electrones liberados del
cátodo entran en contacto con el tungsteno,
se libera energía en forma de fotones. Estos fotones de alta energía son canalizadas a través
de un cilindro de plomo y una serie de filtros, para generar un haz de rayos X.
El haz de rayos X es un haz de alta energía que puede ser absorbida solamente por los
tejidos más densos del cuerpo, tales como el hueso. En una radiografía, una película
radiográfica se coloca detrás del paciente, y el paciente se coloca entre la placa y la máquina de
rayos X. Entonces, la máquina de rayos X se centra en el área específica del cuerpo del
paciente para proyectar el haz de fotones. Como la energía de rayos X pasa a través del cuerpo
del paciente, los fotones del haz al llegar a la película, provocan una reacción química: las
zonas donde la energía de rayos X traspasa el cuerpo se ven de color negro, mientras que las
zonas donde la energía es absorbida, por ejemplo el hueso, aparecen en blanco. Este proceso
produce una "radiografía".
4.3.- Naturaleza de los rayos X
La radiación electromagnética se puede explicar según el modelo ondulatorio, por el que
se justificaría el comportamiento óptico de ciertas propiedades de la luz como son la reflexión, la
refracción y la difracción, entre otros fenómenos diversos. Sin embargo no todas las
propiedades de la luz, y de forma general no todas las radiaciones electromagnéticas,
incluyendo los rayos X, tienen una justificación siguiendo este modelo, ya que hay muchos
indicadores determinantes para poder afirmar que dichas radiaciones pueden comportarse
como partículas.
Las ondas electromagnéticas de onda corta y frecuencia elevada pueden interaccionar
con la materia como si de partículas se tratara, más que de ondas. Estas partículas son
pequeños paquetes de energía pura, sin masa ni carga eléctrica, llamados cuantos o fotones,
transportados a la velocidad de la luz. La energía de cada fotón (E) es proporcional a su
frecuencia (ν) e inversamente proporcional a su longitud de onda (λ). La verdadera cantidad de
energía de un fotón puede calcularse multiplicando su frecuencia por la constante de Planck
(4,13 · 10 -18 KeV seg.). La exposición material sería:
E=hν
E = Energía del fotón
h = Constante de Planck
ν = Frecuencia
La unidad de medida de la energía fotónica es el eV (electronvoltio), que es la energía
cinética adquirida por un fotón acelerado por la diferencia de potencial de un voltio.
Como sabemos, la longitud de onda y la frecuencia se relacionan por ν = c/λ, donde c es
la velocidad de la luz en el vacío, y mediante la cual se puede medir el elemento
electromagnético de los rayos X.
Podemos relacionar la naturaleza corpuscular y electromagnética de este tipo de radiación,
sustituyendo ν en la fórmula E = h ν, obteniendo:
E = h c/λ
El producto de la velocidad de la luz (c) por la constante de Planck (h) es 1,24 cuando la
unidad de energía es el KeV (103 eV) y la longitud de onda es el nanómetro (10 -9 m) (nm). Por
tanto, la ecuación es:
E = 1,24/λ
λ = 1,24/E
(Ley de Duane-Hunt)
Lo cual expresa que la longitud mínima de un fotón producido dentro de un tubo de
rayos X, guardará una relación inversa con el kilovoltaje máximo utilizado para producir dicho
fotón.
Considerando lo anterior, se puede resumir diciendo que:
1) Un fotón con una longitud de onda muy elevada, tendrá una energía asociada muy baja
o, lo que es lo mismo, será muy poco energético.
2) Un fotón con una longitud de onda muy corta tendrá una energía asociada muy elevada,
por lo que será muy energético.
Los rayos X tienen una longitud de onda que varía desde 10 a 0,0005 nm. Los
comprendidos entre 10 y 1 nm reciben el nombre de blandos, y los de 1 a 0,005 nm, por su
mayor poder de penetración, duros. Los utilizados en radiografía médica se sitúan entre 0,05 y
0,012 nm. La radiación también puede caracterizarse por su energía, que está comprendida
entre 0,01 y 250 KeV. En radio diagnóstico, las más utilizadas son las comprendidas entre 30 y
125 KeV.
En resumen, con la teoría cuántica se puede explicar el comportamiento de los fotones
como partículas, pero no por ello se debe olvidar la teoría ondulatoria de la radiación
electromagnética, ya que por su propia naturaleza dualista, dicha radiación se comporta al
mismo tiempo como movimiento ondulatorio y como fenómeno corpuscular.
4.4.- Mecanismos de producción de rayos X
Para producir rayos X es necesario tener una fuente de electrones que choquen contra
una diana con suficiente energía. En este proceso, la energía se pierde en mayor parte (99%)
como calor y una pequeña parte en forma de rayos X. Es decir, es un proceso poco eficaz, ya
que prácticamente toda la energía que han cedido los electrones en su interacción se va a
transformar en calor.
Para sus aplicaciones diagnósticas se producen con un tubo de rayos X, el cual es un
tubo de vidrio al vacío, dentro del cual hay un electrodo negativo llamado cátodo y uno positivo
llamado ánodo. Dentro del cátodo hay generalmente un filamento de wolframio, que emite
electrones cuando se calienta hasta la incandescencia, mediante una relación lineal. Estos
electrones se enfocan sobre una zona del ánodo llamado foco. El ánodo ideal debe tener un
número atómico alto, un punto de fusión elevado y ser buen conductor de calor. Cuando se
aplica un alto voltaje entre el cátodo y el ánodo, los electrones son acelerados por la diferencia
de potencial entre ellos, y al chocar se producen rayos X.
La radiación X se puede producir fundamentalmente de dos maneras:
a) Radiación de frenado
Cuando los electrones
pasan por las proximidades del
núcleo atómico del ánodo,
pueden sufrir desviaciones en
su trayectoria debido a la
fuerza
de
atracción
electrostática que ejerce el
núcleo sobre ellos. En este
caso los electrones son
frenados con una gran fuerza
que hará que pierdan parte de
su energía. Esta pérdida de energía conlleva la emisión de un fotón de radiación X, cuya
energía E la toma de la energía cinética Ec que lleva el electrón.
De este modo el electrón modera su velocidad y su energía cinética pasará a tener un
valor final de Ec - E. Así es como se produce la denominada radiación de frenado o
bremsstrahlung.
Los fotones emitidos tendrán una energía cuyos valores estarán comprendidos entre 0 y
Ec del electrón, que corresponderá a frenados más o menos intensos. En general es difícil
obtener fotones con una energía máxima, ya que esto significaría que toda la energía del
electrón se ha traspasado al fotón. Esto podría ocurrir cuando un electrón sufra un choque con
el núcleo, fenómeno que ocurre muy raramente. Por ello los fotones de baja energía serán los
más numerosos, mientras que los que tengan una energía próxima a EC serán pocos. El
espectro de los rayos X emitidos durante este proceso resulta ser un espectro continuo.
b) Radiación característica
Cuando los electrones acelerados interaccionan con los electrones de las capas más
internas de los átomos del ánodo, puede ocurrir que éstos sean desplazados de su lugar,
incluso despedidos del átomo. De esta manera el átomo queda en un estado energético muy
inestable, por lo que el hueco libre que ha dejado el electrón arrancado va a ser ocupado
inmediatamente por otro electrón de capas más externas.
El estado energético de los electrones de las capas próximas al núcleo es menor que el
estado energético de las capas más retiradas de él. Por ello, en el proceso anterior, se produce
una cierta cantidad de energía, que tendrá el valor de la diferencia energética entre las dos
capas que intervienen. Esta emisión se lleva a cabo en forma de radiación X.
Cuando esto ocurre se produce la emisión de un fotón característico cuya energía total
será igual a la energía de enlace
del electrón que cambia de
posición en la corteza.
El espectro característico
sólo depende de la estructura
energética de los átomos del
medio. No depende para nada de
la energía de los electrones
incidentes. La única condición es
que ésta sea suficiente para
romper las energías de ligadura de
los electrones de las capas más
internas. Por ésta razón la
radiación característica tendrá
valores energéticos diferentes
para cada elemento, en función de
Z. Cuanto mayor sea Z, mayor
será el valor de la energía con que
se produce dicha radiación. En el
caso de los ánodos de tungsteno,
la
producción
de
radiación
característica comienza a partir de
los 69,5 KeV.
El espectro de frenado y el característico vendrán determinados por todos los fotones
que se hayan producido en el tubo de rayos X.
El rango de energías necesarias para la producción de rayos X está situado entre 0,1
KeV y 1 MeV.
La energía de movimiento de los electrones producidos en el cátodo se va a transformar
en tres formas de energía principales en el ánodo: calor, radiación de frenado y radiación
característica.
4.6.- Interacciones de los fotones con la materia
Cuando un haz de fotones de rayos X o γ, atraviesa un medio material, la intensidad final
del haz se atenúa debido a las diferentes interacciones que sufren los fotones del haz con los
átomos del medio, y de forma más concreta, con los electrones de la corteza de dichos átomos.
La atenuación puede ser debida a la absorción o a la dispersión, o bien, lo más común, a
una mezcla de éstas dos.
En la absorción toda la energía que portan los fotones se emplea en arrancar electrones de los átomos del medio atravesado, con lo cual los fotones absorbidos desaparecerán del
haz.
En la dispersión, la dirección original del haz sufre una desviación en su trayectoria
debido a los fenómenos de interacción de los fotones con la materia, concretamente a los
choques producidos entre los fotones y los electrones del medio.
Los fotones pueden interaccionar contra los electrones de un medio o bien, mucho más
improbable, con un núcleo atómico.
Esta interacción se basa en las fuerzas que ejercen entre sí el campo electromagnético
asociado al fotón y el campo eléctrico del electrón o núcleo. Para explicar los fenómenos
siguientes se considera al fotón como si fuera un pequeño proyectil.
a) Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico tiene lugar cuando un fotón, con una energía no muy alta, pasa
cerca de un átomo e interacciona con los electrones de las capas más internas del átomo, que
son los más fuertemente unidos al núcleo, debido a su proximidad. En el momento del choque
toda la energía que lleva el fotón es cedida al electrón, con lo cual se rompe la unión electrónnúcleo y aquél sale de su órbita con una cierta energía cinética. A este electrón liberado se le
da el nombre de fotoelectrón.
Para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico es necesario que la energía del fotón sea
mayor, o por lo menos igual, que la energía de enlace del electrón. De esta manera vemos que
se trata de un fenómeno de absorción total, pues toda la energía del fotón queda absorbida por
la materia, distribuyéndose de dos maneras: por un lado se ha de vencer la energía de enlace
del fotoelectrón y por otro hay que comunicarle una cierta energía cinética que haga posible el
cambio de posición.
En este proceso el fotón desaparece, quedando absorbida la práctica totalidad de su
energía. No se produce ningún fenómeno de dispersión. Con la salida del electrón de su órbita
lo que se producen son un par de iones, por una parte el fotoelectrón, que tendrá carga
negativa, y por otra el átomo ionizado, que tendrá carga positiva. Se ha producido por tanto una
ionización.
El lugar que ha dejado libre el electrón en la capa K se llenará con otro de la capa L; el
hueco dejado por el electrón de la capa L se llenará con otro de la capa M, y así sucesivamente.
Puede ocurrir, aunque es poco probable, que el hueco libre de la capa K sea rellenado por un
electrón de la capa M. En cada uno de los saltos producidos se emite una radiación que se
denomina radiación característica, y se llama así porque es característica para cada material.
El valor de la energía de la radiación característica será la diferencia entre las energías
de enlace de las dos capas entre las que salta el electrón.
Al ser absorbido en su totalidad, este tipo de radiación no producirá dispersión, pero a la
vez, será el paciente quien reciba toda la radiación, siendo un factor de peligro. Esto habrá que
tenerlo en cuenta siempre en la práctica, puesto que dicho efecto se podrá reducir eligiendo el
mayor valor posible de la energía media del haz de radiación. Llegando, claro está, a un
compromiso con la calidad de la exploración.
b) Dispersión Simple
Se trata de un proceso en el que un fotón, al colisionar con uno o varios electrones
orbitales de los átomos, sufre una desviación en su trayectoria conservando íntegra toda su
energía. Cuando pasan los fotones por las proximidades de los átomos, se produce una
vibración momentánea de los electrones, lo que supone una alteración de su estado normal.
Una vez que los electrones vuelven a su situación original se produce una emisión de radiación
X. Se trata de un proceso en el que sólo hay dispersión, sin que se produzca ni absorción ni
ionización.
Probabilísticamente se trata de un tipo de interacción que es difícil que tenga lugar con
los fotones de rayos X, pudiéndose afirmar que menos del 5% de las interacciones de dichos
fotones será debida a este fenómeno.
c) Efecto Compton
Este tipo de interacción tiene lugar cuando un fotón, de una energía relativamente alta,
colisiona con un electrón libre o de las capas más externas de los átomos, cediendo tan sólo
parte de su energía al electrón, en forma de energía cinética, a la vez que sufre una desviación
en su trayectoria con un ángulo determinado. De esta manera se forman un par de iones, el
átomo que se ha ionizado y el electrón que, por efecto de la energía cinética, ha salido fuera del
átomo.
Se puede decir que el fotón choca con el electrón sufriendo tanto un cambio en su
dirección como una reducción de su energía original. De esta forma lo que sufre el fotón de
rayos X es un fenómeno de dispersión, por lo que se llamará fotón disperso, y la radiación
producida por él, radiación dispersa. Al electrón que ha intervenido en este proceso se le llama
electrón de retroceso.
La cantidad de energía que se transfiere al electrón variará con la energía del fotón
incidente, siendo mayor a medida que aumenta la energía de éste. Cuando tiene baja energía,
el electrón de retroceso es expulsado con muy poca velocidad, quedándose el fotón disperso
con casi toda la energía.
Con las energías utilizadas en el diagnóstico médico, el fotón cede muy poca energía al
electrón, quedándose aquel con la mayor parte de su energía. Sin embargo, la interacción es
suficiente para que se produzcan desviaciones en la trayectoria de los fotones de rayos X. Esto
ocasiona serios problemas, sobre todo, en lo que se refiere a la formación de la imagen
radiográfica. La radiación dispersa no aporta información para la configuración de la imagen y
contribuye a aumentar el velo gris de la misma. Si se llega a valores muy elevados del efecto
Compton la calidad de la imagen final será muy deficiente.
Por otro lado es muy importante destacar que la radiación dispersa es la primera responsable de la irradiación no deseada que recibe el personal operador en un departamento de
radiodiagnóstico.
d) Formación de Pares
Éste es un fenómeno que en radiodiagnóstico no se va a producir, ya que, para que
ocurra, la energía del fotón incidente ha de ser superior a 1,02 MeV, valor al que nunca se llega
con las energías utilizadas habitualmente en la práctica radiográfica.
El proceso de materialización tendrá lugar cuando un fotón, con energía superior a 1,02 MeV,
pase por las cercanías del núcleo atómico, pudiéndose transformar en un par electrónico
electrón-positrón.
Tanto el positrón, que es una partícula elemental, como el electrón, tienen la misma
masa y el mismo valor numérico de carga eléctrica, pero son de signo opuesto.
Se habla de materialización porque se produce una conversión de energía a masa.
La distribución energética que tiene lugar tras la desaparición del fotón se produce entre
el par electrónico formado, de manera que cada uno de los componentes tendrá una energía de
0,51 MeV.
Tanto el positrón
como el electrón acaban
agotando
su
energía
cinética en las sucesivas
colisiones
que
experimentan
con
el
medio, que actúa, por
tanto, como absorbente de
energía. Al final de su
trayectoria, el positrón se
va a encontrar con un
electrón
del
medio,
produciéndose
un
fenómeno
de
aniquilamiento. La energía
liberada tendrá la forma de
dos fotones de aniquilación de 2 x 0,51 Mev.
Detallados los tipos de interacciones posibles, se puede afirmar que, en función de la
energía utilizada, predominará uno u otro. Con energías fotónicas de hasta 50 KeV, y
refiriéndonos siempre a tejidos blandos, predominará la absorción. Entre los 50 y 70 KeV se
produce un reparto equilibrado en la distribución de cada uno de ellos, casi a partes iguales
absorción y dispersión. A partir de los 100 KeV casi toda la pérdida de energía del haz se debe
al efecto Compton.
En el agua, exceptuando la región de bajas energías, predomina la dispersión Compton.
En el hueso compacto aumenta la interacción fotoeléctrica, por el elevado Z del calcio en
relación a los tejidos blandos. Cuando se utilizan medios de contraste iodados o baritados, el
predominio de la absorción es prácticamente absoluto.
6.7.- Poder de penetración de los rayos X
Cuando se toma una radiografía a un paciente, lo que se aprovecha primero es la
capacidad de los rayos X para atravesar la materia, pero también, cuando un rayo X atraviesa
un medio se atenúa en mayor o menor grado, dependiendo de algunos factores.
Así tenemos que lo realmente importante en la técnica radiográfica no es el poder de
penetración de los rayos X, sino la manera en que van a ser atenuados los fotones en su
interacción con la materia.
Es así como cuando un haz de rayos X atraviesa un medio de densidad homogénea, la
intensidad media del mismo será igual en todos los fotones debido a que la atenuación
experimentada será la misma en cada uno de ellos. Si ahora, el objeto tiene varias densidades,
la atenuación fotónica será diferente para cada densidad atravesada, es decir, existirá un
contraste de radiación. Es por este contraste que existe la posibilidad de obtener imágenes
radiológicas.
Los principales factores que determinan el grado de atenuación sufrido por un haz de
rayos X son:
a) Número atómico (Z) del medio con el que interacciona el haz
El valor de Z depende del número de protones del átomo, lo cual junto al número de
neutrones, determinan el peso del elemento.
Cuanto más alto sea el valor de Z, mayor será la atenuación que sufra un haz de rayos X
al interaccionar con ese elemento, sin que influya de una manera determinante el estado físico
en que se encuentre, sea sólido, líquido o gaseoso. La atenuación de los rayos X guarda una
relación proporcional a la tercera potencia del valor de Z. De esta forma se tiene que un gramo
de calcio, Z = 20, atenuará un haz de radiación X 8.000 veces más que un gramo de hidrógeno,
Z = 1.
En el caso del tejido orgánico ocurre que en su composición interviene un elevado
número de elementos químicos, con diferentes valores de Z, que agrupándose en moléculas
complejas conforman los diferentes tejidos del organismo. Debido a esta variedad de números
atómicos es posible obtener los múltiples contrastes que aparecen en una imagen radiográfica.
En las partes blandas de nuestro organismo el valor del número atómico eficaz, Zef, tiene
un valor medio de 7,3, que es muy parecido al Zef del agua, mientras que el número atómico
eficaz del sistema óseo tiene un valor de 14. Por tanto, la atenuación que sufre un haz cuando
atraviesa una estructura compuesta por hueso será siete veces mayor que la que sufre en las
partes blandas, (143 = 2.744 y 7,33 = 389,01)
b) Densidad, ρ, del medio atravesado
La densidad de un medio es el cociente entre su masa y volumen, así entre mayor sea la
densidad de un medio, mayor será la cantidad de átomos por unidad de volumen, y mayor será
la atenuación sufrida por el haz de rayos X, estableciendo una relación lineal entre la densidad y
la atenuación.
Así, teniendo en cuenta la densidad de los componentes del cuerpo, podemos
establecer una clasificación, desde el punto de vista radiológico, basada en al atenuación que
sufren los rayos X según el órgano que atraviese.
-
-
La densidad del aire producida por los gases, pueden deberse a zonas aéreas normales
(pulmones y gases digestivos) o patológicas, como el gas en el neumotórax o
neumoperitoneo.
La densidad del agua incluye a las densidades de grasas y músculos, que tiene
densidades cercanas a la del agua.
La densidad hueso está dada por lo tejidos duros, formados por los cartílagos y huesos.
La densidad metal produce una elevada atenuación de los rayos X. Los metales no son
naturales, pero se utilizan para realizar contrastes artificiales, en elementos de
protección del paciente y en prótesis.
La atenuación sufrida por un haz de rayos X al atravesar una estructura del cuerpo
condiciona la densidad fotográfica que aparecerá en la película. Los gases y las estructuras que
los contienen, por tener una densidad media muy baja, prácticamente no atenúan la radiación,
dejándola pasar casi en su totalidad. Por ello, la intensidad de los fotones apenas sufre
cambios, lo que se traducirá en la imagen como una zona de tonos negros o grises muy
oscuros, aspecto que en la terminología radiográfica se define como una zona muy
radiolúcida. Desde el punto de vista fotográfico será una zona de alta densidad fotográfica.
En los tejidos grasos y órganos de densidad agua, como puede ser el hígado, se produce una moderada atenuación de la radiación X por lo que en la radiografía aparecerán zonas
de tonalidad grisácea, cuyo grado de ennegrecimiento será inversamente proporcional al
espesor que tenga la estructura atravesada.
Las estructuras óseas, por tener un Z alto y una elevada densidad, producirán una fuerte
atenuación de la radiación, por lo que la cantidad de fotones que conseguirán atravesarlas sin
sufrir absorción es muy baja y se traducirá en una imagen cuya tonalidad estará situada entre el
gris claro y el blanco. En este caso se hablará
de zonas radioopacas, que desde el punto
de vista de la densidad fotográfica serán
zonas de baja densidad.
c) Espesor del medio atravesado
La relación que se establece entre el
espesor del medio atravesado y la atenuación
de un haz de rayos X es directamente
proporcional, de manera que, para un medio
de la misma densidad, la atenuación de un
haz de rayos X será mayor cuanto mayor sea
el espesor que debe atravesar el haz.
La atenuación que sufre el haz
incidente cuando atraviesa un medio se
duplica cuando se duplica el espesor
atravesado (de la misma densidad),
pudiéndose afirmar que la atenuación sufrida
por el haz incidente y la intensidad del haz emergente, a la salida del medio, guardan una
relación inversamente proporcional.
Lo anterior es fácil de observar en la práctica diaria de la técnica radiográfica.
Supóngase que se tiene que hacer una radiografía de la misma estructura anatómica a dos
pacientes de diferente constitución física. El paciente A es muy delgado y el paciente B es muy
grueso. Si se utilizan los mismos factores de exposición radiográfica del paciente A, que dan
como resultado una imagen técnicamente buena, en el paciente B, se obtendrá una radiografía
demasiado clara, subexpuesta o blanda. Si se procede de manera inversa, los factores
utilizados para B los aplicamos en el paciente A, resultará que la imagen obtenida será
demasiado oscura, sobreexpuesta o dura.
d) Energía fotónica del haz de rayos X
La energía fotónica del haz viene determinada por la longitud de onda de los fotones que
lo componen. Si los fotones son muy energéticos tendrán una longitud de onda muy corta; si
son poco energéticos, el valor de su longitud de onda será mayor. Se puede decir, por tanto,
que cuanto mayor sea la intensidad del haz incidente, o cuanto más energético sea, menor será
la atenuación sufrida por el mismo. La relación que se establece entre la energía de un haz de
radiación X y la atenuación que experimentará, guarda una relación inversamente proporcional
al cubo de la longitud de onda.
Si se analiza la atenuación que sufre un haz de rayos X al atravesar una zona en la que
hay estructuras óseas y partes blandas, se puede apreciar que la atenuación entre unas y otras
difiere mucho dependiendo de que se utilice radiación dura o radiación blanda. Cuando la
radiación utilizada es dura, la resistencia que opone el hueso al paso del haz es menor que
cuando la radiación es blanda; el hueso se hace en definitiva más radiolúcido para radiación
más energética. Sin embargo, cuando la radiación utilizada es blanda, el hueso producirá una
atenuación mayor, actuando como un elemento más radioopaco. En el primer caso, utilizando
radiación dura, la imagen tendrá menos contraste que cuando se utiliza radiación blanda,
puesto que, en este último caso, las diferencias de atenuación son más marcadas.
Se puede resumir diciendo que, entre contraste y dureza de la radiación, se establece
una relación inversamente proporcional, por lo que, en aquellos casos en que se utilice
radiación dura o muy energética, el contraste de radiación disminuirá, mientras que con el uso
de radiación blanda, o poco energética, el contraste aumentará.
6.8.- Efecto fotográfico de los rayos X
Los rayos X, al igual que la luz visible, tienen la capacidad de actuar sobre emulsiones
fotográficas, lo cual tiene una importancia fundamental en el uso de los rayos X utilizados en
medicina, ya que, gracias a esta propiedad, es posible obtener una imagen permanente de las
estructuras radiografiadas.
Las emulsiones fotográficas tienen como elemento fotosensible fundamental los cristales
de bromuro de plata, AgBr. Cuando el bromuro de plata es sometido a la acción de los rayos X,
los cristales sufren una disociación, por lo que algunos átomos de plata se van a depositar
sobre determinados puntos de la emulsión, que se denominan centros de sensibilidad de la
emulsión. Este depósito de átomos de plata es debido a procesos electrónicos que se producen
tras la absorción de la radiación X. Si a continuación se somete la película a un proceso de
revelado y fijado, se podrá observar que aquellos puntos en los que ha tenido lugar el fenómeno
antes descrito, aparecerán como zonas ennegrecidas. Cuanto más intensa sea ésta mayor
grado de ennegrecimiento se producirá. Los cristales de bromuro de plata que no hayan sido
afectados por la radiación seguirán intactos y se eliminarán durante la fase de fijado del proceso
fotográfico, quedando las zonas correspondientes a éstos completamente transparentes.
Existe
una
diferencia fundamental
entre
los
fotones
luminosos y los fotones
de rayos X: los fotones
luminosos, al tener una
longitud de onda mayor
que los de rayos X son
menos energéticos. Por
esta
razón
el
ennegrecimiento
producido por unos y
otros será diferente. Un
solo fotón X será capaz
de actuar sobre la
emulsión
fotográfica,
mientras
que
los
fotones
luminosos
deben
ser
varios
cientos.
Otra característica importante de los fotones de radiación X es que son capaces de
llegar hasta los niveles más internos de la emulsión, con lo que los cristales de bromuro de plata
que estén en dicha zona podrán ser disociados en sus respectivos iones, produciéndose,
además, una distribución energética uniforme en toda la emulsión.
Con lo dicho anteriormente se podría pensar que las radiografías se pueden obtener con
tan sólo utilizar una película radiográfica introducida en un envoltorio hermético a la luz, lo cual'
es posible, pero en la práctica la realidad es otra muy distinta. Si se tuviera que obtener la
imagen radiográfica utilizando solamente la energía de los fotones de radiación X, la dosis
recibida por el paciente sería muy elevada. Tan sólo en algunos casos, como ocurre en la
radiología dental, la mamografía o cuando se hacen radiografías de estructuras de pequeño
tamaño, resulta posible conseguir la imagen de este modo. En el resto de las exploraciones
radiográficas se impone el uso de pantallas intensificadoras.
Con la combinación pantalla-película, la dosis recibida por el paciente se reduce
considerablemente, debido a que el mayor porcentaje de la imagen se obtendrá por la acción de
los fotones luminosos emitidos por la pantalla de refuerzo.
6.9.- Efectos biológicos de los rayos X
Los rayos X lleva una serie de desventajas en su uso. Estas se deben a la interacción de los
fotones o electrones que la componen. Dependerán de las interacciones físicas, cambios
químicos y de las alteraciones macromoleculares de la materia que pueden lesionar la célula.
- Efectos sobre el ADN
La lesión sobre las moléculas de ADN es primordial. Además de se afectan la capacidad de
reparación del material genético.
Igualmente puede causar mutaciones, o alteraciones, sobre el ADN, genes o cromosomas
rompiendo la unión de las bases, modificando las bases o sustituirlas.
- Efectos sobre el organismo en su conjunto
Son de diversa índole, y dependientes de la dosis y el sector irradiado
Existe 3 tipos de síndromes:
a) Hiperagudo: Alteraciones tras la irradiación masiva con dosis altas. La muerte ocurre en
minutos y puede haber ataxia, letargia, convulsiones y coma.
b) Agudo: Alteraciones tras una irradiación masiva pero de poco poder. Se presentan
síntomas nerviosos, digestivos y hemáticos.
c) Crónico: Se debe a irradiaciones de baja energía y repetitivas. Se observa: disminución
de la fertilidad, desbalance endocrino, nefrosclerosis, acortamiento de vida media.
5.- MEDICINA NUCLEAR
La medicina nuclear es la especialidad que utiliza radioisótopos artificiales y las
emisiones energéticas del núcleo atómico en el diagnóstico, tratamiento y prevención de
enfermedades, así como en la investigación.
Su campo es amplio, dentro del cual el uso para el tratamiento de enfermedades es una
pequeña parte dentro de la especialidad. En el diagnóstico, es usada para realizar
exploraciones in vitro, a muestras, e in vivo, que contribuyen al diagnóstico de enfermedad
mediante imágenes morfofuncionales.
5.1.- Radionúclidos y radiofármacos
Las diferentes formas en las que un elemento se presenta se denominan nucleidos,
núclidos o isótopos, los cuales poseen el mismo número atómico o número de protones, pero
difieren en su peso atómico, por lo que su número de neutrones es distinto.
Entre estos núclidos de un elemento, existen algunos que son estables y otros
inestables, en los cuales, cando la proporción de protones y neutrones no permite el equilibrio,
éste tiende a desintegrarse emitiendo radiación alfa, beta o gamma. Estos núclidos inestables
se conocen como radionúclidos o isótopos radiactivos y son el fundamento de la medicina
nuclear.
Los radionúclidos que se utilizan en medicina nuclear son producidos artificialmente en
reactores nucleares o en aceleradores de partículas, como los ciclotrones.
Los radionúclidos no se administran en forma aislada, sino que éste forma parte de una
molécula o un preparado más complejo que se denomina radiofármaco.
Este radionúclido sirve como trazador para detectar y seguir el radiofármaco en el
organismo o fuera de él y representar su distribución mediante sistemas de detección
apropiados.
En medicina nuclear se trata de disminuir en lo posible la exposición de los pacientes a
las radiaciones. Para esto se utilizan radionúclidos con una vida media (o tiempo de
semidesintegración) corta, de algunas horas de duración, con radiación gamma de energía
suficiente para las gammacámaras disponibles y sin emisión beta.
Es por estos motivos que el radionúclido más utilizado es el tecnecio-99 metaestable
(99mTc), un emisor gamma puro, con energía de 140 KeV y una vida media de 6,05 hrs. Al
proceder de generador, lo hace más económico. En este generador, va envasado el
radionúclidos padre, el molibdeno-99 (99Mo), con una vida media de 66,6 hrs. El generador de
tecnecio más común es una columna de alúmina que contiene 98Mo; en la medida que el
aluminio posee una sección transversal de captura neutrónica pequeña, es conveniente que
una columna de alúmina contenga 98Mo inactivo para ser irradiado con neutrones, dando lugar a
una columna de 99Mo radiactivo, para el generador de tecnecio. Trabajando de este modo, no
hay necesidad de efectuar complejos procedimientos químicos que podrían requerir separar el
molibdeno de la mezcla de productos de fisión. El radionúclidos hijo 99mTc que se va
produciendo es extraído mediante una o varias eluciones diarias con suero salino isotónico
estéril a través de la columna de alúmina en la que está absorbido el 99mTc. En el líquido de
elución, el 99mTc aparece en forma de pertecnectato sódico (TcO4Na), la cual se utiliza
directamente para la obtención de gammagrafías de tiroides, glándulas salivales, mucosa
gástrica, etc. Mediante el uso de agentes reductores, el 99mTc puede unirse a una gama de
moléculas y sustancias para su uso en exploraciones.
Para uso terapéutico se utilizan radionúclidos emisores de partículas beta y gamma. La
radiación gamma permite seguir el camino del radiofármaco en el organismo y la beta permite
administrar dosis de radiaciones al órgano blanco suficientes para lograr el efecto deseado. Por
ejemplo el 131I, un emisor beta negativo y gamma utilizado en el tratamiento de hipertiroidismo y
del cáncer diferenciado de tiroides.
Existe también radionúclidos emisores de positrones (radiación beta positiva) que
presentan una vida media ultra corta, de 2 a 110 minutos, y que son utilizados en el PET. Estos
son el 15O, 13N, 11C y 18F, y su uso se limita a centros que disponen de ciclotrón en sus
inmediaciones.
Los radiofármacos son sustancias radiactivas administradas con fines terapéuticos o
diagnósticos, mayoritariamente, y no poseen efectos farmacológicos. Estos constan en un
radionúclidos y el compuesto que se debe marcar. Estos pueden fabricarse mediante métodos
más o menos complejos, teniendo que cumplir ciertas características, como: período de
desintegración corto, elevada fijación al órgano que se va a explorar, estabilidad, fácil
disponibilidad, etc.
En el caso de los marcados con 99mTc, los cuales constituyen el 85% de los utilizados en
diagnóstico, la sustancia a marcar se “marca” poco antes de la administración del radiofármaco
al paciente, introduciendo el 99mTc, procedente del eluído del generador, en el vial que contiene
el radiofármaco.
Otros radiofármacos utilizados son los marcados con 111In o con diferentes radionúclidos
de yodo (131I, 123I).
Los radiofármacos para PET, debido a su corta vida media, precisan tener un ciclotrón y
de un laboratorio de radioquímica, donde se realice la síntesis, la purificación y el control de
calidad. Como el 15O, 13N y 11C son isótopos de elementos de la materia biológica, se pueden
unir a muchas moléculas sin alterar su función biológica, sólo que al ser radiactivos, pueden
detectarse desde el exterior.
Se debe conocer la cinética de los radiofármacos para determinar la acción exploratoria
a seguir. El órgano puede ser un órgano de acumulación, de transito o excreción del
radiofármaco, lo cual determina diferentes afinidades por los radiofármacos, además de si el
órgano está sano o alterado.
Los radiofármacos participan en los procesos bioquímicos y fisiológicos de los órganos
estudiados, por lo que además de obtener una imagen de la forma, también se puede con ellos
estudiar in vivo la fisiología y el metabolismo de los órganos, proporcionando una imagen
funcional.
5.2.- Instrumentación
Gammacámara
Las
gammacámaras
obtienen
imágenes
bidimensionales, llamadas gammagrafías, que representan la
distribución en el organismo de un radionúclido o de una
molécula marcada previamente administrada. Estas
imágenes, además de una información morfológica (la cual no
es de buena calidad) aportan información funcional. Cuando la
fijación del radiofármaco al órgano es relativamente estable en
el momento de la exploración, las gammacámaras se
denominan estáticas. Cuando esta fijación no es estable, se
precisa obtener una secuencia de imágenes, lo que se
denomina gammacámaras dinámicas, que permiten estudiar
ritmos de acumulación, tránsito y eliminación, e incluso
traducirlo en curvas, con a consiguiente información funcional.
Gammagrafía Tiroídea
La principal limitación es su representación bidimensional de la distribución
tridimensional de la actividad de un órgano determinado. La superposición de estructuras en
una imagen planar hace que puedan pasar desapercibidas lesiones, incluso cuando se realizan
múltiples proyecciones, especialmente lesiones profundas o que tienen una captación del
radiofármaco muy próxima a la de los tejidos circundantes.
Para solucionar estos problemas se desarrolló la tomografía por emisión, en sus dos
variantes, la tomografía por emisión de fotón simple (SPECT) y la tomografía por emisión de
positrones (PET).
Contador de centelleo
El contador de centelleo se basa en la ionización producida por partículas cargadas que
se desplazan a gran velocidad en determinados sólidos y líquidos transparentes, conocidos
como materiales centelleantes. La ionización produce destellos de luz visible. Los gases argón,
criptón y xenón producen luz ultravioleta, por lo que no se emplean en los contadores de
centelleo. Después de un periodo de desuso, el método de centelleo resurgió en 1947: al
colocar el material de centelleo delante de un tubo fotomultiplicador, un tipo de célula
fotoeléctrica, los destellos de luz se convertían en pulsos eléctricos que podían amplificarse y
registrarse electrónicamente.
Como material de centelleo se emplean diferentes sustancias orgánicas e inorgánicas,
como plástico, sulfuro de cinc, yoduro de sodio o antraceno. Algunas sustancias reaccionan
mejor que otras a determinados tipos de radiación, por lo que hay instrumentos muy diversos.
En numerosos campos de la investigación actual, el contador de centelleo resulta superior a
todos los demás dispositivos de detección. Ha sustituido al contador Geiger en la detección de
trazadores biológicos y en la prospección de minerales radiactivos. También se emplea en la
investigación de partículas elementales.
SPECT
Las tomocámaras están provistas de uno o varios detectores, similares a los de las
gammacámaras convencionales, pero tienen acoplado un motor que les permite hacer un
movimiento mecánico de rotación alrededor del paciente, en órbita circular o elíptica. A lo largo
de esta rotación el quipo va obteniendo múltiples imágenes en diversos ángulos, mediante las
cuales se reconstruyen imágenes seccionales. Con eso se obtiene la distribución tridimensional
del radionúclido en el órgano, que evita el problema anteriormente tratado.
Para que se obtengan las imágenes, el órgano a estudiar debe estar bien centrado y lo
más próximo posible al campo del detector. Con este fin, en algunas ocasiones se utilizan
órbitas elípticas que se adaptan mejor a la forma de cuerpo que las órbitas circulares
habituales. El giro puede ser de 360° o de 180°, suficiente para estudiar órganos como el
corazón y el hígado, lo que acorta el tiempo de exploración, obteniendo imágenes cada 3 o 6
grados entre 20 y 30 minutos en total.
Un ordenador se utiliza para aplicar un algoritmo de reconstrucción tomográfica de las
múltiples imágenes, produciendo una base de datos 3-D. Este conjunto de datos pueden ser
manipulados para mostrar rodajas finas a lo largo de cualquier eje elegido del cuerpo.
Debido a que durante la reconstrucción se utilizan una serie de funciones matemáticas y
métodos de filtración para la corrección, esta técnica se vuelve compleja y propensa a que se
introduzcan errores en el procesamiento de la información, por lo que debe ser realizada por
personas cualificadas.
PET
En la tomografía por emisión de
positrones el objetivo es obtener imágenes de
la actividad del órgano, más que de los detalles
de su estructura. Para hacer esto, un
radiofármaco de vida media corta son
inyectados en el torrente sanguíneo del
paciente, y un anillo de detectores mapea el
destino de esos radiofármacos en el órgano
detectando la emisión de radiación en la forma
de rayos gamma.
Muchos de los radionúclidos usados en
PET son producidos por un ciclotrón. Un flujo
acelerado de protones es dirigido a un material
estable, cambiando su estructura atómica. Para
producir 18F, un emisor de positrones común, el
PET muestra un linfonodo supraclavicular, frente
material blanco es 18O. Durante el bombardeo,
a un TAC
el Oxígeno-18 gana un protón y verde un
neutrón para convertirse en Fluoruro-18.
El radionúclido es incorporado en una molécula biológicamente relevante. Por lejos, el
más común trazador usado en el cerebro (por ejemplo) es el fluorodesoxiglucosa (FDG), un
análogo a la glucosa. En el FDG, 18F es substituido por un grupo hidroxilo (-OH). FDG es usado
en estudios del metabolismo cerebral para determinar cuales áreas del cerebro son más activas
durante un comportamiento particular.
El nombre PET deriva del hecho que estos radioisótopos son inestables y decaen por
emisión de positrones (β+). Cuando el núcleo del átomo libera un positrón, el efecto es convertir
un protón en un neutrón, un evento que estabiliza e radioisótopo. Los positrones son
básicamente electrones cargados positivamente, o “antielectrones”.
Los positrones emitidos viaja sólo una corta distancia antes que encuentre un electrón
cercano. Las dos partículas se combinan y aniquilan una a la otra, resultando en la emisión de
dos rayos gamma de alta energía (511 KeV) en direcciones opuestas.
Los rayos gamma pasan rápidamente a través del cuerpo y son detectados por un
tomógrafo. Los tomógrafos modernos contienen miles de detectores en anillos que rodean el
campo. El software del tomógrafo identifica los rayos gamma que son coincidentes, es decir, los
que son originados del mismo evento de aniquilación.
Para reconstruir el sitio de las colisiones positrón-electrón, la concentración de los
radioisótopos puede ser determinada. En la imagen PET-FDG reconstruida, áreas de mayor
actividad (y por lo tanto, con una mayor utilización de glucosa) aparecen oscuras, mientras
áreas de menor actividad son más brillantes.
Investigadores pueden aplicar tablas de colores artificiales para el PET, facilitando la
identificación de regiones de mayor actividad.
Debido a que el PET mide la actividad de una estructura anatómica, la imagen del PET
puede ser superpuesta sobre una Resonancia Magnética del mismo sujeto para hacer más fácil
determinar cuales estructuras están activas.
5.3.- Aceleradores de partículas
a) Ciclotrón
Un ciclotrón es básicamente una cámara cilíndrica de alto vacío en la que mediante un
campo magnético paralelo al eje del cilindro y un sistema de radiofrecuencia para generar un
campo eléctrico alternante, es posible acelerar a energías muy elevadas (~10 MeV) partículas
elementales (como protones y deuterones) producidas mediante una fuente de iones situada en
el centro de la cavidad. Estas partículas se hacen chocar con los blancos, en los que tienen
lugar reacciones nucleares que llevan a la obtención de los isótopos emisores de positrones,
que serán finalmente utilizados para sintetizar los diferentes radiofármacos. Existen una gran
variedad de ellos dependiendo de la potencia (intensidad del haz), la energía hasta la cual se
pueden acelerar las partículas-proyectil, los blancos a utilizar, etc.
Funcionamiento
La parte interna del ciclotrón es como lo muestra la Fig. 1, D1 y D2 son dos cámaras
metálicas de forma semicilíndrica huecas llamadas “dees”, por su similitud con la letra D. El
punto S es dónde se encuentra la fuente de iones situada en el centro de la des. Las dos des se
hallan separadas una de la otra y las dos están en el seno de un campo magnético uniforme y
perpendicular (normal) al plano de las “dees”. Las dos des están conectadas a los bornes de un
circuito eléctrico que crea una diferencia de potencial alterna de frecuencia w.
En la Fig. 2 se detalla el funcionamiento del ciclotrón, inicialmente la partícula cargada
que entra en D2 con velocidad v1 debido a la aceleración que le produce al campo eléctrico
existente entre las dos des. Bajo la acción del campo magnético describe una circunferencia de
radio r1 y frecuencia w (1) y (2). Cuando q sale de D2 se ha invertido al campo eléctrico siendo
la partícula acelerada entre las dos des, por lo cual entra en D1 con una velocidad v2 > v1
describiendo una circunferencia de radio r2>r1 (3). Siendo R el radio de las des, la velocidad
máxima con que sale la partícula es (4). Su energía cinética final será tantas veces mayor que
la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos, multiplicado por el número de veces que
el ión ha pasado por la región intermedia entre las “des”.
b) Sincrotrón
Un sincrotrón es una gran máquina, de aproximadamente el tamaño de un campo de
football, que acelera los electrones hasta aproximadamente la velocidad de la luz. Cuando los
electrones son desviados a través de campos magnéticos y ondas de radio frecuencia, ellos
crean luz muy brillante. La luz se canaliza a las líneas de luz experimentales de trabajo donde
se utiliza para la investigación.
Esta luz es emitida cuando los electrones, que se desplazan a velocidades cercanas a la
velocidad de la luz, se ven obligados a cambiar de dirección bajo la acción de un campo
magnético. La radiación electromagnética se emite en un estrecho cono en la dirección de
avance, en una tangente a la órbita del electrón, en donde hay estaciones de trabajo para que
los investigadores trabajen con los espectros deseados.
La luz del sincrotrón es única en su intensidad y brillo, y puede generar casi toda la
gama del espectro electromagnético: del infrarrojo a los rayos X.
Los
rayos
X
convencionales sólo se pueden
usar para examinar los tejidos
duros (como huesos o dientes).
Las imágenes de rayos X de un
sincrotrón tienen una resolución
mucho más alta que los rayos X
convencionales, lo que significa
que tienen la ventaja de también ser capaz de revelar detalles de los tejidos blandos.
La radiación de sincrotrón muestra una clara angiografía de tejido cardíaco, desarrollo
de una capacidad de la mamografía de detección de cáncer de mama, etc. Otras aplicaciones
pueden incluir la detección de fallas y grietas en los materiales compuestos utilizados en
aplicaciones aeroespaciales.
1. Los electrones son disparados
desde
una
pistola
de
electrones. Esta posee un
cátodo de óxido de tungsteno,
desde donde salen disparados
los electrones.
2. Los electrones entran a un
acelerador lineal, el cual
acelera los electrones hasta la
velocidad
de
la
luz
aproximadamente, mediante
pulsos
de
energía
de
microondas. Los electrones
deben viajar en el vacío para
no chocar con átomos o
moléculas.
3. En el anillo acelerador, los
electrones
reciben
un
incremento de energía desde
250 MeV hasta 2,9 a 6 GeV,
incrementando la velocidad
hasta un 99.9999985% de la
velocidad de la luz. Este anillo usa dos tipos de magnetos: dipolos que se usan para
dirigir los electrones a través del anillo acelerador, y magnetos cuádruples que se
utilizan para mantener a los electrones en una fina hilera dentro de la cámara al vacío.
4. Cuando los electrones tienen la suficiente energía para producir luz, un sistema de
inyección transfiere los electrones desde el anillo acelerador al anillo de
almacenamiento, en donde circulan entre 4 a 12 horas produciendo fotones. Cada vez
que unos magnetos dipolo cambian la dirección del flujo de electrones se producen
fotones, ya que el anillo no es circular, sino que son 12 secciones lineales.
5. Después de cada giro hay un puerto de fotones para que la luz producida recorra las
líneas de luz hasta las estaciones de investigación.
6. Cada línea de luz posee una estación de trabajo, en donde se selecciona el tipo de
radiación con el que se quiere trabajar, se posee el instrumental para controlar los
experimentos y almacenar los datos obtenidos.