Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas

Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
M.T. Delgado Macías
Facultad de Medicina. Universidad de Cantabria.
Introducción
Radiaciones ionizantes (RI)
El empleo de las Radiaciones Ionizantes (RI) en la teLas RI son para el radioterapeuta o para el profesional
rapéutica médica se inicia pocos años después del descuque las emplea con usos médicos, lo mismo que el instrubrimiento de los
rayos X por Roentgen en 1895 y del ramental del quirófano es para el cirujano y los fármacos
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para el internista. Tan necesario como que el cirujano codio por Curie y Beckerel en 1898.
nozca el uso del citado instrumental o el internista comDesde entonces, muchas han sido las enfermedades
curadas o aliviadas mediante el empleo de las RI en una
prenda las bases farmacológicas de la terapéutica es que el
época en que la Medicina no disponía de los fármacos acradioterapeuta conozca los principios físicos de las RI.
Al hecho de que la incorrecta utilización de cualquiera
tuales. En aquellos tiempos se trataron diversas enfermede estos instrumentos en la práctica médica pueda llevar a
dades benignas, aunque el campo en el que ya precozmente las radiaciones prestaron una alta efectividad fue el de
serios fracasos terapéuticos se asocia, en el caso de la ralas neoplasias malignas.
dioterapia, el que las RI «per se» no son inocuas y, siendo
Pero en aquel entonces y bastantes años después, el
imperceptibles a nuestros sentidos, pueden causar, como
empleo de las RI en el tratamiento médico permaneció en
desgraciadamente nos demostraron los pioneros de la rael más completo empirismo. Los conocimientos de las cadiología y, como hoy científicamente conocemos, lesiones
muy graves en el organismo humano que pueden conducir
racterísticas físicas de estas radiaciones eran muy escaincluso a la muerte.
sos, el utillaje tecnológico disponible era insuficiente y
no permitía administrar dosis altas a tumores profundos,
Para definir las RI es necesario conocer el fenómeno
y el conocimiento de las dosis administradas y su distride la ionización y para ello a su vez hemos de recordar la
bución en los tejidos era muy inexacto. Con todo ello
composición de los átomos o partículas elementales de la
eran considerables las limitaciones terapéuticas. Por otra
materia así como los fenómenos que, por el depósito de
parte, en aquella época, se desconocía el riesgo de la exenergía, en ellos se pueden producir.
posición crónica a dosis considerables de radiación y la
Los átomos pueden suponerse formados (Fig. 1) por
falta lógica de medidas de protección causaron numerouna región central, el núcleo, constituido por una asociasas lesiones e incluso muertes en los pioneros de la radioción de dos clases de partículas, protones y neutrones, y
logía.
otra región periférica constituida por un conjunto de partíHoy sin embargo, tenemos un amplio conocimiento de
culas llamadas electrones.
los aspectos físicos de las radiaciones, se han esclarecido
Los protones y los electrones tienen aproximadamente
los mecanismos que determinan la respuesta celular a la
la misma masa y una carga eléctrica de la misma magniradiación y, aunque siguen existiendo aún algunas incógtud aunque de signo contrario. Los neutrones no tienen
carga eléctrica de ninguna clase.
nitas y, a pesar de que ha sido particularmente difícil trasLos electrones son partículas muy ligeras, con carga
ladar al plano clínico estos conocimientos para conseguir
eléctrica negativa que se mueven describiendo órbitas.
un óptimo control lesional, la estrecha relación existente
Los electrones de un átomo se agrupan en niveles o capas
entre principios básicos y práctica clínica ha demostrado
ser extraordinariamente fructífera para la práctica de la raa las que se designa con las letras K, L, M, N, etc. en orden de menor a mayor distancia del núcleo. Cada capa
dioterapia.
El antiguo empirismo en el empleo terapéutico de las
contiene un número máximo exacto de electrones.
RI ha pasado hoy a constituir una ciencia médica, en pleLos átomos normalmente se encuentran en estado
eléctricamente neutro, es decir con el mismo número de
no desarrollo, la radioterapia clínica, ciencia que se basa
electrones que de protones (es el N.o atómico: Z, caracteen dos pilares fundamentales: la física de las radiaciones
rístico de cada elemento).
por un lado, y la radiobiología por otro.
280
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
Conociendo estos fenomenos y considerando la radiación como una forma de transmisión de energía entre sistemas físicos, se pueden definir las RI como aquellas radiaciones o haces de partículas que por ser tan ricas en
energía al interaccionar con la materia tanto viva como
inerte, son capaces de desprender o separar electrones de
átomos o moléculas previamente neutras, descomponiénNEUTllON
dolas en un par de fragmentos con carga eléctrica, un ión
~ PilOTaN
NUCLEO
positivo y un electrón negativo.
La energía necesaria para producir un par de iones en
NUCLEO
el agua, estructura corporal predominante, asciende, en
ATOMO
términos generales, a 32 eV y se conoce con el nombre de
Fig. 1.- Estructura del núcleo atómico
energía media de ionización.
El electrón-voltio (eV), unidad de energía en Física
La estructura atómica se mantiene estable debido a la
Atómica, se define como la energía cinética que posee un
atracción que la carga eléctrica positiva del núcleo ejerce
electrón, inicialmente en reposo, tras ser acelerado por la
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sobre los electrones, los cuales se encuentran así ligados
diferencia de potencial de 1 voltio.
al núcleo.
Por ser el e una unidad muy pequeña (1 eV= 1,6 x 10. 19
Para separar un electrón del átomo será necesario sujulios) son más empleados sus múltiplos KeV (1 KeV=
ministrarle una cantidad de energía llamada «energía de
103 eV) y MeV (1 MeV= 106 eV).
enlace» o de ligadura del electrón al núcleo. A cada capa,
según su distancia al núcleo, corresponde un nivel energéRadiaciones ionizantes en medicina
tico o energía de enlace distintos, siendo mayor en las capas más cercanas al núcleo.
El denominador común a todos los tipos de radiación
Es posible provocar el desplazamiento de los electroutilizables en Radioterapia es la capacidad de inducir ionizaciones en los átomos o moléculas constituyentes de las
nes desde sus órbitas normales a otras más alejadas, sumicélulas o tejidos irradiados. Esta capacidad la poseen
nistrándoles de alguna forma la energía necesaria para
(Tab. 1) dentro del espectro electromagnético los rayos
efectuar el salto. Se dice entonces que el átomo queda en
X
y los rayos y y dentro del campo de la radiación corestado excitado. Posteriormente los electrones desplazapuscular tienen poder ionizante terapéuticamente útil:
dos vuelven espontáneamente a sus órbitas normales deLos electrones, las partículas ex, las partículas B, los protovolviendo la correspondiente energía mediante la emisión
de una radiación llamada en general radiación electromagnes, los neutrones, los mesones 1t y determinados iones
nética y que resulta ser luz visible, luz invisible (infrarropesados provistos de carga: C, Ne, Ar y otros.
jos, ultravioleta) o Rayos X.
Si se suministra energía suficiente a alguno de los
RADIACIONES MAS UTILIZADAS EN MEDICINA
electrones periféricos es también posible separarlo completamente del átomo al que pertenecía, el cual queda enTubos de rayos X, Aceleradores Lineales
Rayos X
tonces convertido en un llamado ión o átomo ionizado.
Así, el átomo primitivo, eléctricamente neutro, pasa a desBomba de C060 , Bomba de Cs lJ7
Rayos y
doblarse en dos cargas eléctricas libres: el ión positivo y
el electrón negativo.
Electrones
Aceleradores Lineales
Este proceso, llamado Ionización puede alterar, como
más tarde veremos, algunas propiedades de la materia en
Rayos p
Isótopos radiactivos
la que tiene lugar.
Hemos hablado, por tanto, de dos procesos que pueden
Neutrones
Ciclotrones, generadores
producirse a nivel atómico:
Protones
Aceleradores especiales
Excitación: Por el cual los electrones saltan a un nivel
energético superior, para volver seguidamente a la órbita o
Piones
Aceleradores especiales
nivel primitivo, emitiendo fotones de radiación electromagnética.
Núcleos Acelerados Aceleradores especiales
Ionización: Por el que el electrón abandona el átomo
al que pertenecía, el cual queda convertido en un ión con
Tabla 1. Radiaciones más utilizadas en medicina. Procedencia
carga eléctrica positiva.
EL~CTRONES
o
281
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
A fin de intentar ser lo más didáctico posible, analizaremos las RI utilizadas en medicina según tres aspectos
esenciales: su naturaleza, su origen y su comportamiento o
forma de interaccionar con la materia (Tabla n.o 2).
La LET depende de la carga y de la masa de las RI
siendo radiaciones de alta LET las corpusculares y de baja
LET las electromagnéticas, característica que se traducirá
en muy diferentes repercusiones radiobiológicas.
Otro parámetro, por último, relacionado con la energía
RADIACIONES IONIZANTES
es el de Dosis Absorbida concepto que hace referencia a
TIPOS
la cantidad de energía absorbida por unidad de masa de
medio irradiado. La unidad fundamental en el Sistema InNATURALEZA
ternacional de Unidades (SI) es el Gray (Oy) que equivale
a una energía absorbida de 1 Julio/Kg. La unidad tradicio• ELECTROMAONETICAS
nal
y de uso aún muy extendido es el rad que equivale a
Rayos X, rayos y
la
absorción
de 100 ergios/gramo de sustancia iradiada;
• CORPUSCULARES
dado
que
1
Julio=
101 ergios
Electrones, partículas cx., partículas ~, protones,
1Gy= 100 rad.
neutrones, mesones lt, iones pesados (Ne, Ar,
Es preciso señalar que la diferencia conceptual DosisC, ... )
LET es importante porque una misma dosis de radiación
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puede
producir un efecto biológico desigual en función de
ORIGEN
la
distribución
o reparto de la energía en el medio irradia• CORTEZA ATOMICA
do,
que
es
función
de la LET.
Rayos X
Una
vez
definidos
estos parámetros pasemos pues a la
• NUCLEO ATOMICO
descripción
de
las
características
de las RI de uso médico
Radiaciones cx., ~, y, neutrones, protones
siguiendo el esquema de la Tabla N.O 2.
COMPORTAMIENTO
1. Naturaleza de las RI.
• DIRECTAMENTE IONIZANTES
Radiaciones cx., ~ (+), ~ (-), protones, iones pesados
• INDIRECTAMENTE IONIZANTES
Rayos X, rayos y, neutrones
Tabla 2. Las Radiaciones según su naturaleza, origen y forma
de ionización
Pero antes de referirnos a estos puntos, vamos a definir
tres parámetros de gran interés en la práctica de la radioterapia: ionización específica, transferencia lineal de energía
y dosis absorbida.
La radiación va produciendo a lo largo de su trayectoria un cierto número de ionizaciones que depende de la
energía del fotón o partícula ionizante, de su naturaleza y
de la del medio donde se producen las ionizaciones.
Unas radiaciones producen más pares de iones por unidad de recorrido que otras, es decir son más densamente
ionizantes.
La Ionización específica se define como el número de
pares de iones producido en la trayectoria de la radiación
por unidad de recorrido.
En relación con este parámetro se encuentra la Transferencia Lineal de Energía (LET) que se define como la
cantidad de energía que la RI cede al medio irradiado por
unidad de longitud recorrida en su trayectoria; se mide en
fl (Kiloelectronvoltios/micra) y determina en definitiva la
densidad de ionización de una radiación determinada por
micra de recorrido en el medio.
282
Unas radiaciones como los rayos X y los rayos y son
radiaciones electromagnéticas y otras como la rad cx., 13,
neutrones, protones, etc. son radiaciones corpusculares;
analicemos cada una de ellas.
- Radiaciones Electromagnéticas (RE).
Toda corriente eléctrica variable, o toda partícula cargada, dotada de movimiento acelerado, produce campos
eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo y que se
propagan a través del espacio dando lugar a la emisión de
ondas electromagnéticas. Toda onda electromagnética supone una propagación de energía a través del espacio y
por tanto una transmisión de energía desde el sistema que
la produce hasta el sistema que la recibe.
El conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas
conocidas constituye un espectro continuo de una amplitud extraordinaria: la escala electromagnética, en ella están situados en un extremo los rayos X junto a los rayos y
y los rayos cósmicos y en el otro las ondas eléctricas y de
radiodifusión, ocupando el centro los infrarrojos, la luz visible y los ultravioletas.
Las radiaciones electromagnéticas pueden representarse bajo un doble aspecto para explicar sus propiedades:
aspecto ondulatorio y aspecto corpuscular.
El aspecto ondulatorio permite explicar sus propiedades ópticas. Las RE se diferencian unas de otras en la longitud de onda (A) y en la frecuencia de la radiación corres-
Radiaciones ionizan tes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
Unas se producen de forma natural en el proceso de
pondiente (f), magnitudes ambas relacionadas con la velodesintegración de átomos radiactivos y otras son producicidad de propagación por la fórmula V= A f
das artificialmente mediante procesos de aceleración coEl aspecto corpuscular de las RE tiene para nosotros
mo es el caso de los electrones en el acelerador lineal. En
mayor importancia, ya que el parámetro más empleado en
este tipo de radiaciones es también la energía una parámeterapéutica es la energía del haz, de la que depende su catro fundamental; está relacionada con la masa de la partípacidad de penetración en la materia.
cula y con la velocidad adquirida en la aceleración según
A las radiaciones electromagnéticas se les atribuye una
la fórmula básica E= 1/2 mV" y de su valor depende la caestructura discontinua suponiéndolas formadas por un
pacidad de penetración del haz en los tejidos indicados.
conjunto de corpúsculos que transportan cada uno una
Las Partículas a son núcleos de helio cargados positicantidad determinada de energía; son pequeñísimos pavamente (He/). Las emiten los núcleos radiactivos de elequetes de ondas llamadas fotones o cuantos de radiación
vado número atómico.
que tienen dimensiones mínimas que no cambian al proSon partículas pesadas que interaccionan principalpagarse por el espacio y que transportan una cantidad de
mente con los electrones atómicos sin sufrir desviación
energía proporcional a la frecuencia de su onda.
apreciable por su gran masa. Su trayectoria viene a ser una
Las radiaciones electromagnéticas cuyos fotones tieDocumento
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línea
Son
muyseionizantes
y muy de
energéticas
aunque
nen una energía
superior
al de
potencial
de ionización de los
pierden su energía rápidamente siendo su recorrido muy
átomos y que, por consiguiente, son capaces de ionizarlos,
corto (las paran algunos cm de aire, una hoja de papel) no
son Radiaciones Ionizantes y dentro de ellas poseen esta
sobrepasando la capa córnea de la piel. Su LET es muy alpropiedad los rayos X y los rayos y.
ta
y son altamente tóxicas si se inhalan o se ponen en conDe las radiaciones electromagnéticas, son por tanto,
tacto
con el cuerpo humano a través de una herida.
los rayos X y los rayos y los únicos útiles en la terapéutica
Las
Partículas B corresponde a dos tipos de partícumédica.
las,
el
electrón
(-) o negatrón y el electrón (+) o positrón.
Los Rayos X son, por consiguiente, radiaciones elecSon
mucho
más
ligeras que las partículas a y menos ionitromagnéticas ionizantes constituidas por un cuantum de
zantes que las mismas. Por su pequeña masa sufren desenergía (fotón) con una oscilación electromagnética de
viaciones notables al chocar o interaccionar con electrones
longitud de onda muy pequeña. Se propagan en línea recta
o núcleos atómicos siendo su trayectoria sinuosa. Son poa una velocidad de 300.000 KmJs., se atenuan cuadráticaco penetrantes, aunque más que las a. Su recorrido es de
mente con la distancia, no tienen masa ni carga y tienen
algunos metros en el aire y algunos mm en los tejidos pugran poder de penetración. Atraviesan el campo humano
diendo alcanzar la capa basal de la epidermis.
siendo atenuados o parados por cuerpos pesados. Los más
El alcance de las partículas B, como regla práctica útil
energéticos pueden atravesar espesores apreciables de mapara fines de radioprotección, expresado en gm/cm", es
teriales pesados estando su poder de penetración, directaaproximadamente igual a la mitad de su energía expresada
mente relacionado con su energía.
Los Rayos y son también radiaciones electromagnéticas
en MeV. Su energía es más débil que la de las partículas a
ionizantes de energía generalmente superior a la de los raasí como su LET.
Los Neutrones son partículas inestables o radiactivas
yos X y por tanto de mayor poder de penetración. La única
que, por carecer de carga eléctrica no ionizan directamendiferencia fundamental entre estos dos tipos de radiaciones
te la materia. Al no ser desviados por los campos eléctries que así como los rayos X se generan, bien al frenar eleccos de núcleos o electrones son capaces de atravesar espetrones acelerados (rad. de frenado) obien al saltar electrosores considerables de materia; tienen un alcance de hasta
nes atómicos desde un nivel energético exterior a un nivel
2,5 Km en el aire y de 1 metro en los tejidos. Son muy
muy profundo (radiación característica), los fotones y se
energéticos
y a diferencia de otras partículas cargadas son
generan espontáneamente en el núcleo de los átomos inesdetenidos
por
elementos ligeros como el agua, boro o gratables o radiactivos siendo emitidos con energías de deterfito.
Aunque
se
atenuan exponencialmente y su distribuminadas características y peculiares del núcleo en cuestión.
ción de dosis es similar a la del C060 o Rx de 6 MeV, su
LET es mucho mayor que la de las radiaciones electro- Radiaciones Corpusculares.
magnéticas, lo que les hace dar lugar a mayores efectos
biológicos.
Por tener alta LET reducen la radiorresistencia
Corresponde esta denominación a haces de partículas,
de
las
células
hipóxicas, efecto de gran importancia, como
habitualmente subatómicas como los electrones, protones
más
tarde
veremos,
en la Terapia oncológica.
y neutrones acelerados y otras, como los mesones n negaOtras
partículas
como los Protones, Mesones 11, iones
tivos, los núcleos de helio y determinados iones pesados
pesados,
etc.,
se
caracterizan
principalmente por su gran
provistos de carga como el Carbono (e), el Neón (N), el
capacidad de ionización, por su muy alta LET y por la inArgón (Ar), etc.
283
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
ionizarse internamente los átomos del metal por el choque
de los electrones y producirse la expulsión de un electrón
de una de sus capas internas con la consiguiente liberación
de energía en forma de rayos X.
Los rayos X que utilizamos en medicina son generados actualmente en tubos de rayos X de radiodiagnóstico
o de radioterapia convencional, y en los aceleradores li2. Origen de las RI.
neales.
En el núcleo del átomo tienen su origen la radiación
Unas tienen su origen en la periferia del átomo o corteex, B, 'Y, neutrones y protones.
za atómica y otras en el centro del átomo o núcleo atómiLa mayoría de los elementos que existen en la naturaco.
leza
poseen núcleos estables cuya constitución, es decir el
De la periferia del átomo nacen los rayos X que se
número
de protones y neutrones que contienen, no varían
producen por la interacción de una corriente de electrones
con
el
tiempo
a no ser que artificialmente se les someta al
fuertemente acelerados con una placa metálica.
bombardeo de otras partículas nucleares. Pero existen
La forma de producción más empleada es mediante el
otros
con núcleos más o menos inestables en
tubo de rayos X.
En el descargado
interior de
dehttp://www.revistaneurocirugia.com
una ampolla de vidrio el 26/11/2016.elementos
Documento
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los
que
existe
un
excedente de energía, o de protones, o de
cerrada al vacío un filamento incandescente llamado cátoneutrones;
estos
núcleos
se denominan isótopos radiactido, emite parte de sus electrones libres al espacio vacío
vos
o
radionúclidos
y
tienden
a lo largo del tiempo, a moque lo rodea. Estos son atraidos por el potencial positivo
dificar
su
composición
con
mayor
o menor rapidez y a
del electrodo metálico llamado ánodo o también anticátotransformarse
en
núcleos
estables
mediante
la emisión esdo y chocan con él con tanta mayor energía cuanto mayor
pontánea
de
algunas
de
las
partículas
que
los
constituyen.
sea dicho potencial.
A
este
fenómeno
de
transformación
nuclear
espontáLos electrones se emiten por efecto termoiónico al ser
radiactividad
o
desintegración
radiactiva
nea
se
le
llama
calentado el filamento del cátodo mediante una corriente
y a los átomos o elementos que así se comportan átomos o
eléctrica. Como consecuencia de la alta tensión establecielementos radiactivos, radioisótopos o radionúclidos.
da entre cátodo y ánodo los electrones son acelerados y
Las partículas emitidas por los núcleos de los átomos
dirigidos hacia el ánodo con cuyos átomos interaccionan
radiactivos
naturales son partículas ex (núcleos de Helio) o
produciendo los fotones, que reciben el nombre de rayos
partículas
B
(electrones). Estos electrones no son proceX.
dentes
de
las
órbitas del átomo sino que son del propio núEl fenómeno de producción de rayos X al alcanzar los
cleo
y
resultan
de la conversión de un neutrón en un proelectrones el ánodo se realiza de dos formas distintas dantón
con
la
consiguiente
liberación de un electrón.
do lugar a dos radiaciones diferentes: Un espectro contiAl
transformarse
un
átomo radiactivo en otro suele
nuo que corresponde a la radiación de frenado o Bremssquedar
el
núcleo
de
este
último
en un estado excitado, con
trahlung y otro discontinuo debido a la radiación caracteun
nivel
energético
superior
al
que le es normal, por ello
rística.
el
nuevo
núcleo
pasa
a
su
estado
normal emitiendo el exLa radiación de frenado es la producida por los elecceso
de
energía
en
forma
de
un
fotón
de rad 'Y. La emisión
trones de elevada energía incidente al interaccionar con el
de
radiación
'
Y
acompaña
pues,
generalmente
aunque no
material que forma el anticátodo. Al producirse la interacsiempre, a la emisión de radiación ex y B.
ción los electrones cambian su trayectoria a la vez que reLa radiactividad natural es, por tanto, un fenómeno reducen su velocidad, perdiendo con ello energía cinética
sultante de la inestabilidad intrínseca de una porción de
que emite en fonna de rayos X. Como el frenado se puede
átomos presentes en la naturaleza bien porque tengan un
producir a diferentes niveles atómicos del metal que forperíodo de semidesintegración (tiempo necesario para que
ma el anticátodo, a cada profundidad llega el electrón con
se desintegren la mitad de los átomos radiactivos existendistinta velocidad. Como la calidad de la radiación produtes en un instante inicial) extraordinariamente largo o bien
cida por el frenado depende de la energía emitida por el
electrón en cada choque y ésta puede variar, la radiación
porque se generen o desintegren de manera continua dentotal será heterogénea y estará fonnada por radiación de
tro de una serie radiactiva natural.
muy variada longitud de onda, caracterizándose por forAparte de los elementos pertenecientes a las familias
radiactivas naturales (torio, neptunio, uranio y plutonio) se
mar un espectro continuo.
dispone actualmente de un gran número de isótopos raLa radiación característica que posee un espectro
diactivos artificiales resultante de reacciones nucleares
discontinuo está formada por los componentes homogéneprovocadas por el hombre con las que se realiza la transos de rayos X cuya longitud de onda depende del material
mutación de unos elementos químicos en otros.
constituyente del ánodo. Esta radiación se ha formado al
teresante propiedad de proporcionar una dosis de entrada
menor que en el volumen blanco a irradiar con una caida
de dosis en vertical a partir de ese límite; es decir, por su
mejor distribución de la dosis en relación a otros tipos de
radiaciones.
284
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
Se consiguen tales reacciones haciendo chocar partícuLas Radiaciones indirectamente ionizantes se comportan de forma distinta si se trata de radiaciones electromaglas nucleares a gran velocidad contra los átomos del elenéticas (rayos X y rayos y) o neutrones.
mento que se quiera transmutar.
Se provocan transmutaciones nucleares utilizando coLas radiaciones electromagnéticas interaccionan con la
mO proyectiles iones de elementos ligeros acelerados por
materia siguiendo tres prOcesos fundamentalmente que se
intensos campos eléctricos en los llamados aceleradores
producen con mayor o menor probabilidad según la enerde partículas. Con estos aparatos pueden conseguirse pargía de las mismas: El efecto Fotoeléctrico, el efecto
tículas diversas con energías muy superiores a las emitiCompton y la formación de pares (Fig. 2a, 2b y 2c).
das por los elementos radiactivos naturales, con lo que se
amplía extraordinariamente el número de posibles reac\"
ciones nucleares.
~\o{;o\;:;>
Los neutrones son partículas muy útiles para producir
reacciones nucleares y son muy abundantes en estado libre en el núcleo de los reactores. Los nucleidos resultantes
WNucleo
de las reacciones nucleares así provocadas pueden ser esK./ J
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tables o radiactivos;
en estedeúltimo
caso se les llama Isó~L/
topos radiactivos artificiales y obedecen a las mismas leM
yes de desintegración que los naturales.
Efecto. Fotoelectrico
La gran mayoría de los isótopos radiactivos artificiales
se desintegran por emisión de partículas B, pero generalmente son partículas de masa idéntica al electrón aunque
con carga eléctrica positiva (Positrón) o radiación B (+) a
diferencia de los emitidos por los radioisótopos naturales
que son los electrones ordinarios con carga negativa.
~\\S.~@)~'\~
3. Interacción de la radiación con la materia.
De forma general puede afirmarse que las RI al interaccionar con la materia producen fenómenos de ionización y excitación según la importancia de la energía cedida al medio que viene determinada por la distribución espacial de energía desde el punto donde incide la radiación
y a lo largo de su trayectoria.
En un principio la radiación que compone el haz primario cede parte de su energía al medio produciéndose las
primeras ionizaciones y excitaciones. La fracción restante
continua su trayectoria cediendo energía más adelante mediante nuevos procesos similares. A su vez los electrones
resultantes de las ionizaciones ceden también su energía al
medio. Esta cadena de hechos sucede hasta que la radiación es totalemente absorbida por el medio o hasta que sale de él.
Ahora bien, hemos de distinguir entre las radiaciones
que por poseer una energía suficiente pueden ionizar directamente por choque, son estas, por tanto, radiaciones
directamente ionizantes y las que producen ionizaciones
de forma indirecta convirtiendo su energía en energía de
radiaciones de partículas cargadas, que serán secundariamente ionizantes.
Son radiaciones directamente ionizantes las radiaciones a, las B, los protones y los iones pesados e indirectamente ionizantes, los fotones (Rayos X y Rayos y) y los
Neutrones.
b
Efecto Compton
Nucleo
~
~·A
• os'
Folon
.
11
~o~
1<;~~
Creacion de pares
Fig. 2.- Interacción de las radiaciones electromagnéticas con la
materia.
Por efecto fotoeléctrico interaccionan los fotones de
baja energía, del orden de centenares de electro-voltios.
En este tipo de absorción toda la energía del fotón incidente es cedida a un átomo del medio que la libera segui285
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
Neurocirugía
La interacción de las Radiaciones directamente ionidamente mediante la expulsión de un fotoelectrón. Este
zantes conduce en definitiva a la creación de excitaciones,
fotoelectrón interaccionará rápidamente con la materia,
calor y consecuentemente a una atenuación de la radiación
produciendo ionizaciones y excitaciones.
y el nacimiento de radiaciones electromagnéticas.
Por efecto Compton interaccionan los fotones de energía intermedia, pero grande respecto a la energía de enlace
Detección y medida de la radiación
de los electrones. En este proceso el fotón incidente interacciona con un electrón libre o débilmente ligada a su núAunque las radiaciones son imperceptibles a los senticleo cediéndole parte de su energía que hace que el elecdos presentando por tanto dificultad su detección directa, es
trón sea proyectado hacia adelante con un ángulo entre 0°
absolutamente necesario conocerlas en cantidad y calidad.
y 90° respecto al fotón incidente. El electrón proyectado
Su medida se realiza de forma indirecta cuantificando
llamado electrón Compton o electrón de retroceso interacalguno de los efectos físicos o químicos que produce al inciona rápidamente con el medio cediéndole su energía.
teraccionar con la materia. Así siendo varios los métodos
Por formación de pares interaccinan los fotones de
dosimétricos utilizados (dosimetría fotográfica, dosimetría
energía muy elevada (> 1,02 MeV). Este proceso se propor campos sólidos, dosimetría química, etc.), es la mediduce cuando fotones de elevada energía superior a 1,02
MeV interaccionan
con
un
núcleo
atómico
y
el
fuerte
da de la producción de ionizaciones mediante la cámara
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de ionización el de mayor interés, ya que reune las caraccampo magnético que este crea, lo que le hace desapareterísticas de exactitud, facilidad de realización, reproducticer como tal fotón y da lugar a la aparición de un par: povidad y relativa independencia de la calidad de la radiasitrón-electrón. El electrón pierde rápidamente su energía
por choque con los átomos circundantes a los que excita o
ción estudiada.
Pero, si importante es la detección y cuantificación de
ioniza y el positrón, por ser partícula inestable interacciola radiación en la aplicación de los RI en el tratamiento
na con rapidez con un electrón aniquilándose mutuamente
médico, mayor es el conocimiento de la dosis absorbida
y dando lugar a la creación de un par de fotones de radiaen los diferentes puntos del organismo y el del tipo y enerción electromagnética.
gía de la radiación utilizada, dada la íntima relación que
La probabilidad de que se produzca uno u otro de estos
existe entre dosis absorbida, naturaleza de la radiación y
efectos depende de la energía de los fotones, como ya hemos indicado, y de la naturaleza de la sustancia atravesaefecto biológico producido.
da. Así los efectos fotoeléctrico y formación de pares se
La Dosimetría de las radiaciones en la práctica médica
presenta dos apartados bien definidos y a cual más imporproducen más probablemente con medios de número atótantes, el 1.° corresponde a la Dosimetría Física, será nemico elevado y el efecto Compton es independiente del
cesario conocer con precisión las características y parámemismo.
tros de la radiación que va a ser empleada, y el 2.° a la
Los Neutrones aunque se encuentran generalmente liDosimetría Clínica que será la que determine la dosis abgados en el interior del núcleo de los átomos, es posible
sorbida por cada punto del paciente tras la aplicación del
obtenerlos, y en abundancia, como resultado de diversas
haz utilizado teniendo en cuenta un amplio grupo de facreacciones nucleares.
tores adicionales.
Por carecer de carga eléctrica no ionizan directamente
La Dosimetría Física corresponde a lo que podríamos
la materia y por otra parte, al no ser desviados por los
campos eléctricos de núcleos o electrones, son capaces de
denominar calibración de los aparatos y sobre todo al esatravesar espesores considerables de materia densa.
tudio del haz de radiación. Puede utilizarse diversos métodos, uno de ellos consiste, en la medida de la dosis absorLos neutrones interaccionan con la materia tan sólo
cuando se acercan a muy corta distancia de un núcleo,
bida en una fantoma homogéneo mediante una cámara de
ionización. Será necesario determinar la variación del haz
hasta el punto de poder hablarse de colisión entre ambos.
Pueden producir varios tipos de interacción: Colisión
a lo largo del eje central para establecer posteriormente la
distribución de la dosis absorbida en dos dimensiones.
elástica en la que el neutrón choca con el núcleo, le cede
Para definir la variación de la dosis absorbida a lo larparte de su energía y arranca un protón llamado de retrogo del eje del haz se emplean diversas magnitudes siendo
ceso que es el que ionizará los átomos que encuentra a su
clave la del porcentaje de dosis en profundidad que depenpaso. Colisión Inelástica, proceso en el que el núcleo tras
de de la energía de la radiación, de la distancia fuente-suel choque queda en un estado excitado por absorber parte
perficie, del tamaño del campo, de la densidad y del núde la energía del neutrón de la que se desprende emitiendo
mero atómico del material absorbente.
fotones y, Reacción Nuclear de transmutación entre el
Las figuras 3a, 3b y 3c representan el rendimiento en
neutrón y un núcleo de la sustancia con emisión de una o
profundidad de haces de Rayos X, y, neutrones, electrones
varias partículas cargadas como protones o partículas a,
y partículas cargadas.
Fisión Nuclear, etc.
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Neurocirugía
Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
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10
15 cm
Fíg. 3.- Distribución de la dosis en profundidad de haces de: Fotones y Neutrones (a), Electrones (b) Y Partículas pesadas (e).
Es también
de gran interés el conocimiento de la disrencia en el volumen y la diferencia en la composición por
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lo que será necesario aplicar coeficientes correctores de
tribución de la dosis absorbida en dos dimensiones, distriinhomogeneidad.
bución que corresponde a las llamadas curvas de isodosis
que no son más que representaciones bidimensionales, en
Al objeto de conseguir aplicar la dosis necesaria en el
volumen a tratar con una distribución lo más homogénea
un plano, de la distribución de la radiación.
Pueden obtenerse mediante mediciones directas irraposible, se requiere generalmente la irradiación del padiando fantomas de agua o a base de complejos cálculos
ciente por dos o más campos por lo que se ha de tener en
matemáticos. Cada variedad de radiación presenta sus
cuenta la dosis suministrada por cada uno de ellos que al
propias curvas de isodosis (Fig. 4) las cuales además desuperponerse darán origen a una determinada dosis tanto
ben corregirse en función del aparato concreto productor
en el tumor como en los tejidos vecinos.
de la radiación.
El objeto de la radioterapia es hacer llegar la dosis deseada al volumen blanco reduciendo en lo posible la recibida por los tejidos sanos; en otras palabras, es conseguir
50
95
el máximo efecto diferencial de dosis entre el tumor o zo.90
na a tratar y los tejidos sanos que le rodean.
~
8
En la actualidad la consecución de este objetivo está
~
enormemente
facilitado, prueba de ello es la exactitud y
~
en
la
aplicación y distribución de alta dosis de
precisión
50
10
BU
radiación en el volumen blanco mediante la radiocirugía,
tema del curso que nos ocupa y la enorme caida de dosis
70
en
los tejidos sanos circundantes.
15
Han contribuido a los enormes avances producidos en
60
200 KV
la planificación de los tratamientos radioterápicos una se5
5
rie de factores entre los que destacamos la disponibilidad
20
10
10
•
20
50
de las altas energía (rayos y del Cdo, rayos X de super10
10
22MeV
voltage procedente del acelerador líneal, neutrones, protones, núcleos acelerados, etc.) que permiten aplicar altas
Fig. 4.- Curvas de isodosis: 200 kV, Co60, RX 22 MeV.
dosis en profundidad con gran homogeneidad en su distribución y la debida protecció!1- cutánea, la introducción
La dosimetría Clínica o medida de la dosis absorbida
de los ordenadores en Radioterapia que permiten un cálpor el paciente, se realiza aplicando los conocimientos soculo dosimétrico tridimensional y una distribución de la
bre las características del haz y las curvas de isodosis codosis personalizada y exacta para cada paciente y cada
n'espondientes y teniendo en cuenta una serie de factores
caso particular, y las nuevas técnicas de obtención de
propios del organismo humano que le hacen diferente del
imágenes diagnósticas TC y RM que pudiendo introdufantoma. Son estos la diferencia en la forma y contorno,
cirse en el sistema informático de planificación, han sigque llevan a la utilización de diversos accesorios que se
nificado un gran progreso en la correcta definición anatóinterponen en la trayectoria del haz a fin de proteger o comica de los volúmenes de tratamiento y de los órganos a
lTegir irregularidades en los contornos corporales, la difeproteger.
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60CÓ
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Radiaciones ionizantes. Consideraciones físicas
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