UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIRIQUÍ
FACULTAD DE MEDICINA
LICENCIATURA EN DOCTOR DOCTOR EN EN MEDICINA
FIS-110 B
“MECANISMOS DE ABSORCIÓN Y DOSIMETRÍA DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS”
INTEGRANTES:
ARAÚZ MIJAIL 4-797-1208 UREÑA DIANA 6-721-2296 VARGAS KATHERYN 4-795-701
PROFESOR: JAVIER DE GRACIA
II SEMESTRE
Índice
INTRODUCCIÓN
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ABSORCIÓN POR RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ELECTROMAGNÉTICA
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ABSORCIÓN
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TIPOS DE COEFICIENTES DE ATENUACIÓN
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CAPA HEMIRREDUCTORA HEMIRREDUCTORA
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EFECTOS DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA:
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MECANISMOS DE ABSORCIÓN
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APLICACIONES DE MECANISMOS DE ABSORCIÓN APLICADAS A MEDICINA:
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COEFICIENTES GENERALES DE ATENUACIÓN, ABSORCIÓN Y DIFUSIÓN
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ABSORCIÓN DE ELECTRONES: PICO DE BRAGGS
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DOSIMETRÍA
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MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLÓGICAS
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PROBLEMAS APLICADOS
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CONCLUSIÓN
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BIBLIOGRAFÍA
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INTRODUCCIÓN
Constantemente, los seres vivos y materia inanimada se exponen por lo menos a un tipo de radiación. Desde el exterior de nuestro planeta la energía se propaga en forma de ondas electromagnéticas electromagnética s causadas causadas ya sea por grandes reacciones de fusión en estrellas o la descomposición de materia inestable. Se puede decir que la radiación es un efecto de la interacción de toda aquella sustancia o conjunto de sustancias en el universo que contengan energía, eso incluyéndonos a nosotros los humanos, al ser emitida por múltiples factores ambientales. Se ha descubierto que estos fenómenos poseen propiedades curativas para ciertas enfermedades, al igual que proveen diferentes maneras de explorar el cuerpo y su anatomía. Fuera de la manera en que una radiación específica surge, se propaga y puede ser absorbida por el medio; debemos conocer los mecanismos de cómo esta es absorbida, los factores que regulan dicha absorción y como estos conceptos pueden ser aprovechados para el tratamiento de enfermedades.
La radiación es absorbida a diario por los seres humanos. En este fenómeno, la radiación electromagnética es transferida a los átomos o moléculas aumentando su nivel energético al promover estas partículas desde desde su estado basal a estados de mayor mayor energía. Existen muchos muchos factores que afectan la absorción, entre estos tenemos: la intensidad de la radiación, atenuación de la radiación, espesor del material, la naturaleza del material y el tipo de radiación. Para expresar el porcentaje de radiación electromagnética electromagnética que es absorbida por un cuerpo, es necesario hacer uso de algunos coeficientes que que relacionan la radiación incidente sobre sobre un cuerpo con la radiación emergente; estos coeficientes son conocidos como coeficientes de atenuación. Estos relacionan los fotones incidentes por unidad de longitud (coeficiente lineal), fotones incidentes por unidad de masa (coeficiente másico), fotones incidentes por unidad de masa atómica (coeficiente atómico) y fotones incidentes por unidad de masa electrónica. Existen muchos efectos causados por la absorción de la radiación, los cuales pueden ser beneficiosos como perjudiciales. perjudiciales. En el caso de los efectos químicos químicos y de ionización ionización presentan presentan mucho interés en la industria y la dosimetría; no obstante, la exposición generalizada generalizada a dosis de radiaciones ionizantes muy altas pueden causar graves efectos biológicos, incluso pueden producir la muerte del organismo. organismo. Los fenómenos de interacción de la radiación con la materia son el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la formación de pares. Gracias a ellos, la radiación que incide sobre un material es absorbida y transformada o utilizada para arrancar electrones, interactuar con ellos, desviarlos, etc. Cada uno de estos fenómenos fe nómenos ocurrirá en determinadas circunstancias, dependiendo del tipo de radiación incidente, del propio material, etc. La absorción de la radiación electromagnética presenta muchas aplicaciones médicas, un vivo ejemplo son los
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rayos x, los cuales son una forma de radiación electromagnética que puede penetrar a través del cuerpo humano y producir sombra. Los efectos causados por la absorción de la radiación son estudiados, con el uso de coeficientes generales de atenuación, absorción y difusión, estos coeficientes describen el comportamiento de la radiación atenuando los rayos incidentes y convirtiendo esta energía en radiación difusa. El uso de estos coeficientes nos ayudan a predecir el comportamiento de la radiación al momento de aplicarla a un paciente, por ejemplo un tumor en el bazo se puede destruir, sin provocar efectos secundarios, si se aplican correctamente los principios físicos de atenuación, absorción y difusión de la radiación. Al utilizar la radiación electromagnética para el tratamiento de tumores en el cuerpo, es necesario tener control sobre las áreas irradiadas, pues las ondas electromagnéticas no solo dañan tejidos cancerosos, sino que afectan los tejidos sanos del paciente. Es por esto que para dosificar correctamente la radiación se introduce un concepto físico conocido como el Pico de Braggs, el cual permite disminuir los daños a tejidos adyacentes al tumor. También en necesario saber la cantidad máxima y mínima de radiación que un tejido es capaz de absorber, ya que cada órgano posee un coeficiente de absorción diferente. El constante crecimiento del uso de radiaciones ionizantes en el diagnostico nos obliga a mantener una adecuada gestión de las dosis impartidas a los pacientes en cada estudio realizado. La dosimetría en radiología es un tema difícil de abordar, pero de vital importancia para una adecuada estimación estimación de las dosis dosis con los cuales cuales estamos trabajando. Para determinar la cantidad de radiación se evalúan los efectos que dicha radiación producen en en circunstancias específicas. Los efectos de la radiación evaluados incluyen: efecto fotoquímico, luminiscencia, termoluminiscencia, variación de conductividad eléctrica, entre otros.
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ABSORCIÓN POR RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Cuando la radiación pasa a través de una capa transparente de un sólido, líquido o gas, ciertas frecuencias pueden ser selectivamente removidas a través de un proceso de absorción. Durante dicho proceso la radiación electromagnética es transferida a los átomos o moléculas que se encuentran en la muestra; el resultado es que estas partículas son promovidas desde el estado basal hasta estados de mayor energía o estados excitados. Los átomos, iones o moléculas disponen de un número limitado de niveles energéticos, los cuales están cuantizados. Para que ocurra la absorción de un cierto tipo de radiación, cada fotón incidente deberá ser de una energía exactamente igual a la diferencia energética entre el estado basal y alguno de los estados excitados de la especie absorbente. Dado que esas diferencias en energía son únicas para cada especie, un estudio de las frecuencias de radiación que son absorbidas por un átomo, ion o molécula, proporcionará las características específicas de la entidad química en estudio. Para esto lo que generalmente se hace es graficar Absorbancia contra longitud de onda. Al gráfico obtenido de esta manera se le llama ESPECTRO DE ABSORCIÓN. Este espectro es único para cada elemento o entidad química y podemos decir que dicha gráfica es la huella dactilar de la especie considerada. La apariencia de un espectro depende de la complejidad, estado físico y entorno de la especie absorbente. Es importante conocer los mecanismos de absorción del cuerpo humano, porque esto nos permitirá tratar de una manera más eficaz y precisa a los pacientes; así como también podremos aplicar terapias con menos repercusiones para la parte sana del afectado. Existen dos tipos de espectros: el que está asociado a la absorción en átomos y el que resulta de la absorción por moléculas.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ABSORCIÓN
Intensidad de la Radiación: Si sobre un material incide una intensidad I 0 de radiación, al medir la radiación de salida, I x, comprobaremos que se habrá producido una reducción de la radiación y, por tanto, una absorción de ésta en una cantidad igual a la diferencia entre la intensidad incidente y la transmitida. Atención de la Radiación: El material actúa como atenuante. La atenuación de la radiación, que equivaldrá aproximadamente a la radiación absorbida por el material, depende de factores como el espesor y la naturaleza del material atenuante, así como del tipo y la energía de la radiación incidente. Espesor del Material: Cuanto mayor sea el espesor de un material (que podemos expresar en unidades de longitud) mayor será la absorción, y por tanto menor será la radiación emergente. Cuanto más denso sea el material (es usual expresar el espesor como masa por unidad de superficie) mayor será la absorción, o también podemos afirmar que cuanto mayor sea el número de átomos (número de átomos por superficie) o de electrones (expresado como densidad electrónica en número de electrones por unidad de superficie) por unidad de superficie mayor será también la absorción. La Naturaleza del Material: el efecto de la absorción viene dado por la interacción de la radiación con los electrones de los átomos del material y su energía de ligadura; por tanto, la naturaleza del material será otro factor importante en la absorción. Así, materiales diferentes presentarán distintas absorciones.
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Tipo de Radiación: la absorción será diferente para cada tipo de radiación incidente, ya sea radiación α, β, γ, de neutrones, etc. Y además, para el mismo tipo de radiación, la absorción dependerá crucialmente de su energía.
TIPOS DE COEFICIENTES DE ATENUACIÓN:
Existen coeficientes que expresan el porcentaje de la radiación incidente que es absorbida y se pueden expresar como el cociente entre la energía absorbida y la energía incidente por una superficie o sustancia. Normalmente, se expresa en Sabines dentro de una escala de 0 a 1. Para determinar estos coeficientes, supongamos que sobre un material incide una radiación monocromática (todos sus fotones de la misma energía/ frecuencia) formada por TV fotones y energía E. Al atravesar el material tendremos N-AN fotones de energía E; este número AN de fotones absorbidos nos proporciona la atenuación. La cantidad de energía absorbida por el material será igual a AN-E, pero no toda la energía habrá sido absorbida, sino que una parte se habrá empleado en producir nuevos fotones con distintas dirección y energía que los incidentes.
Coeficiente de atenuación lineal: es la proporción de fotones incidentes que interaccionan con el material absorbente por unidad de longitud. También se puede entender como la pérdida de la intensidad de la radiación sobre una distancia específica.
Coeficiente másico de atenuación: es la proporción de fotones incidentes que desaparecen por unidad de masa superficial del absorbente. La dependencia con el material de este
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coeficiente involucra la composición atómica pero no la densidad. Este coeficiente se expresa 2 en unidades de cm /g.
Coeficiente atómico de atenuación: es la proporción de fotones incidentes que desaparecen por unidad de masa atómica superficial del absorbente. El espesor del coeficiente se expresa en unidades de electrones/cm2.
Coeficiente electrónico de atenuación: es la proporción de fotones incidentes que desaparecen por unidad de masa electrónica superficial del absorbente.
De todos ellos, el más utilizado es el coeficiente lineal de atenuación, como veremos a continuación en la Ley de Lambert-Beer.
Coeficiente de atenuación aplicado en medicina en tomografías computarizadas:
La atenuación que sufre un haz de rayos X cuando atraviesa los tejidos era un fenómeno físico ya conocido en Radiología, pero al que no se había encontrado utilidad práctica hasta la aparición del EMI-ESCANNER., el coeficiente de atenuación, como magnitud física se considera una de las grandes aportaciones de Godfrey Newbold Hounsfield al Diagnóstico Radiológico. Desde el prototipo hasta los modelos actuales, todos los escáneres de Tomografía Computarizada son capaces de medir y expresar en cifras exactas el grado de atenuación que producen los tejidos corporales de una persona sobre el haz de rayos X cuando realiza un barrido circular en el transcurso de cualquier exploración. Es un parámetro específico y exclusivo de los aparatos de Tomografía Computarizada.
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El grado de atenuación, formulado en unidades HOUNSFIELD (UH) en honor a su descubridor, expresa de forma numérica, por cada centímetro y para cada tejido que atraviesa, la atenuación en la intensidad que experimenta el haz de rayos, desde que sale por la ranura del tubo hasta que llega atenuado a la bandeja de los detectores que se dispone en el polo opuesto. Siguiendo las directrices marcadas por las investigaciones previas de Cormack, Hounsfield comenzó a medir desde diversos puntos, la atenuación que se producía en la intensidad de un haz de rayos rotatorio cuando éste atravesaba los órganos que componen el cuerpo humano. Según las cifras que iba midiendo en cada proyección, elaboró una escala comparativa donde fue ordenando todos los tejidos según su mayor o menor capacidad de atenuación y les fue asignando un número, un coeficiente de atenuación. Los más densos, como los huesos absorbían más cantidad de rayos y por ese motivo tenían un coeficiente de atenuación elevado en la escala elaborada por Hounsfield. En cambio los órganos poco densos como los pulmones eran atravesados fácilmente por los rayos porque su coeficiente de atenuación era muy bajo. Tórax
Cráneo
Variación de la intensidad en el absorbente: A partir del coeficiente de atenuación (cualquiera de los cuatro anteriores) podemos calcular la variación de la intensidad de la radiación incidente con la profundidad del absorbente. Para ello debemos expresar el coeficiente de atenuación en función de la variación de la intensidad de la radiación incidente (I) con la profundidad (dx), de la forma:
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Esta forma al integrarse nos permite expresar la intensidad:
Que expresa la intensidad de la radiación a una profundidad x en función de la intensidad incidente inicial Io siendo µ el coeficiente de atenuación lineal. Esta expresión se conoce como ley de Lambert- Bert: la ley de Lambert-Beer afirma que la cantidad de luz absorbida por un cuerpo depende de la concentración en la solución. Por ejemplo, en un vaso de vidrio tenemos agua con azúcar disuelta y en otro vaso tenemos la misma cantidad de agua pero con mayor cantidad de azúcar en solución. El detector es una celda fotoeléctrica, y lo que se mide es la concentración de la solución de azúcar. Según la ley de Beer, si hiciéramos que un rayo de luz atravesara el primer vaso, la cantidad de luz que saldría del otro lado sería mayor que si repitiéramos esto en el segundo, ya que en este último las ondas electromagnéticas chocan contra un mayor número de átomos o/y moléculas y son absorbidos por estos. Podremos aplicarla a cualquier radiación que atraviese un determinado medio absorbente. Cuanto menor sea el valor del µ de un material o medio, más penetrante será la radiación y menor será la absorción.
CAPA HEMIRREDUCTORA
La capa Hemirreductora (CHR), que se define como el espesor necesario de un material de referencia para reducir la intensidad de la radiación incidente a la mitad:
La capa hemirreductora y el coeficiente de atenuación lineal son inversamente proporcionales, De manera análoga pueden definirse capas reductoras más elevadas, como la capa decarreductora (CDR, reduce a la décima parte) o la hexarreductora (reduce a la sexta parte). También podemos hablar de capa tri- rreductora, cuatrirreductora, pentarreductora y así sucesivamente. La relación entre estas capas y el coeficiente de atenuación lineal o la CHR es fácilmente deducible. Esto se conoce como la Ley de Lambert-Beer.
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La ley de BOUGUER-LAMBERT-BEER
Fue descubierta de formas diferentes e independientes en primer lugar por el matemático y astrónomo francés Pierre Bouguer en 1729, luego por el filósofo y matemático alemán, Johann Heinrich Lambert en 1760 y por último el físico y matemático también alemán, August Beer en el año 1852. Se puede decir que esta ley se trata de un medio o método matemático, el cual es utilizado para expresar de que modo la materia absorbe la luz. Podremos aplicarla a cualquier radiación que atraviese un determinado medio absorbente
La ley de Beer afirma que la totalidad de radiación que emana de una muestra puede disminuir debido a tres fenómenos de la física, que serían los siguientes: 1. El número de materiales de absorción en su trayectoria, lo cual se denomina concentración 2. Las distancias que la luz debe atravesar a través de las muestra. Denominamos a este fenómeno, distancia del trayecto óptico 3. Las probabilidades que hay de que el fotón de esa amplitud particular de onda pueda absorberse por el material. Esto es la absorbencia o también coeficiente de extinción.
Donde, A = Absorbencia ε = Coeficiente molar de extinción d = Recorrido (en cm) c = Concentración molar. La transmitancia se puede expresar como la intensidad de la radiación incidente, Io. Esto puede dividir a la luz que emerge de la muestra, I. Se refiere a la relación I/Io como transmitancia o como T. La transmitancia se puede trazar con relación a la concentración, pero esta relación no sería Lineal. Aunque el logaritmo negativo en base 10 de la transmitancia sí es lineal con la concentración. De esta forma, la absorción es medida como:
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EFECTOS DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: Ionización: Es importante saber que la radiación ionizante controlada no representa ningún riesgo para nuestra salud. De hecho, las radiaciones conviven con nosotros, ya que se encuentran en la naturaleza y además son utilizadas para el beneficio del hombre en muchas áreas como la medicina o la industria. Sin embargo, un mal uso de las radiaciones ionizantes puede producir efectos perjudiciales en la salud. Las radiaciones ionizantes, como su nombre indica, tienen la capacidad de producir ionizaciones en los átomos con los que interaccionan debido a su alta energía. Así, estas radiaciones pueden alterar las estructuras químicas de las moléculas que forman las células de nuestro organismo. Su poder ionizante tanto en la primaria, por la radiación incidente, como en la secundaria, producida por los electrones arrancados en la primaria, es muy interesante en estudios dosimétricos. Efectos químicos: de interés en la industria y la dosimetría. Sobre emulsiones fotográficas producen ennegrecimiento. Estudia las transformaciones químicas que experimentan los materiales expuestos a radiaciones de alta energía y utiliza la radiación como iniciadora de las reacciones químicas, como fuente de energía para romper el delicado equilibrio energético de los sistemas estables. En este sentido es hermana menor de la fotoquímica, que hace lo mismo, aunque utiliza otro tipo de energía electromagnética, la luz, como iniciadora. La química de las radiaciones no tiene que ver con los elementos radiactivos (como ocurre con la radioquímica) salvo para utilizarlos como fuente de radiación, siempre separada físicamente del sistema irradiado. Las aplicaciones prácticas de la química de las radiaciones en la actualidad se extienden a muchos campos, incluidas la atención de la salud, la alimentación y la agricultura, la industria y las telecomunicaciones. Son relativamente pocas las personas que conocen los diversos beneficios que aporta esta rama tan desconocida de la ciencia. Efectos biológicos: Si pensamos en un organismo pluricelular, como somos los humanos, la exposición generalizada a dosis muy altas de radiaciones ionizantes puede inducir la muerte de muchas células del organismo y como consecuencia la muerte de éste. Los síntomas iniciales pueden ser náuseas, vómitos, diarreas, hemorragias, marcas en la piel, fiebre, rápida pérdida de peso. Hemos mencionado que las radiaciones producen alteraciones en diferentes moléculas celulares. Si por ejemplo se altera una proteína que tiene una determinada función reguladora, esta proteína puede dejar de funcionar y, por tanto, la reacción que regula no se producirá correctamente. Pero la célula puede producir nuevas moléculas «correctas» de esta proteína y, por lo tanto, si la exposición a la radiación no continúa, las consecuencias pueden no ser 9
muy graves. La exposición a rayos X puede producir alteraciones patológicas o efectos terapéuticos. Su alto poder penetrante es muy útil, ya que permite el tratamiento en profundidad, lo que no es posible hacer con radiación infrarroja o ultravioleta, que es absorbida por las capas más superficiales.
MECANISMOS DE ABSORCIÓN Efecto fotoeléctrico: fue descubierto por Hertz (Heinrich Rudolf Hertz, Hamburgo, 22 de febrero de 1857-Bonn, 1 de enero de 1894) en 1887. A pesar de morir a los 36 años de edad, además del efecto fotoeléctrico también descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas y cómo producirlas y detectarlas, predichas 20 años antes por Maxwell. Lenard (Philipp Eduard Anton von Lenard, Presburgo, Hungría, 7 de enero de 1862-Messelhausen, Alemania, 20 de mayo de 1947) demostró que si se iluminan ciertos metales con radiación electromagnética (ultravioleta) se logra arrancar electrones de su superficie, que su número (intensidad) es proporcional a la intensidad de la luz incidente (número de fotones) para determinadas frecuencias y que su velocidad sólo depende de la frecuencia (energía) de esa radiación. Estos hechos contradecían los postulados de la Física clásica, pues no se sabía que la energía de una radiación dependía de la frecuencia, que a mayor intensidad significaba que un mayor número de fotones alcanzaban la superficie y podían arrancarse electrones si tenían una energía (frecuencia) suficiente, y por tanto, a mayor frecuencia/ energía se conseguía arrancar electrones que saldrían con mayor velocidad del material. Hipótesis de Planck en el efecto fotoeléctrico: En 1905 A. Einstein pudo explicar el efecto fotoeléctrico basándose en la hipótesis de Planck. Para esto Einstein suponía que la radiación electromagnética está formada de paquetes de energía, y que dicha energía depende de la frecuencia de la luz:
A estos paquetes de energía se les denominó posteriormente fotones. De esta manera se puede explicar perfectamente el efecto fotoeléctrico:
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Cuanto de energía = Energía Máxima del electrón + función de trabajo de la superficie. No todos los fotoelectrones tienen la misma energía ya que algunos se emiten desde sitios más profundos y el trabajo que hay que realizar para arrancarlos del metal (función de trabajo) es mayor. En la absorción de la radiación por efecto fotoeléctrico, un fotón de la radiación incidente interacciona con un electrón de un átomo del material y le cede toda su energía en forma de energía cinética, sacándolo o arrancándolo de su órbita; para ello, la energía del fotón deberá ser superior a la energía que lo mantiene en ese orbital. Por tanto, se habrá absorbido ese fotón y ahora tendremos un electrón con una energía cinética igual a la energía del fotón y un hueco en el orbital del átomo dejado por ese electrón. Así, por un lado, el hueco es rápidamente ocupado por otro electrón más externo. En esta transición desde una órbita más externa (de más energía) a una más interna (de menor energía), la diferencia de energías se emite en forma de radiación electromagnética (otro fotón). Esta radiación se emite como radiación difusa o secundaria, y dependiendo de las capas entre las que se produzca la transición tendrá una u otra longitud de onda (energía) dentro del espectro visible (menor energía que la del fotón inicial), y se producirá fluorescencia (que ya no tiene energía suficiente para arrancar más electrones de átomos adyacentes). Si, por ejemplo, la transición es de la capa L a la capa K:
Donde W y WK son las energías de ligadura de las capas L y K, respectivamente. Por otro lado, los electrones arrancados (fotoelectrones) en primera instancia, gracias a la energía cinética que adquieren pueden interaccionar con otros átomos antes de abandonar el material, producir radiación de frenado (al frenarse en presencia de otros átomos con cargas positivas y negativas pierden energía en forma de fotones) y aumentar la radiación difusa, contribuyendo al efecto de absorción de energía por el medio. Por tanto, el fotón original de energía determinada (energía cuantizada) arranca un electrón que es frenado por otros átomos adyacentes y emite radiación de menor frecuencia (energía) que la radiación original, y por otro lado, electrones de capas superiores caen a capas inferiores para ocupar el hueco del electrón arrancado, emitiendo fotones también de menor energía que los originales. En definitiva, parte de la radiación atravesará el material sin interaccionar con sus átomos, y aquellos que interaccionen se transformarán en fotones de menor energía (radiación difusa y de frenado) por los mecanismos descritos. Esto, como es de suponer, dependerá del propio material y de la energía de la radiación incidente. Según si el material es de un tipo u otro, la energía para arrancar electrones será una u otra. Si tenemos una radiación poli cromática 11
(varias frecuencias), algunos fotones interactuarán y otros no. De ahí que sea importante conocer este fenómeno, pues no será lo mismo irradiar a un paciente con una radiación u otra, ya que se absorberá de una forma u otra, o no se absorberá (dependiendo de lo que queramos, buscaremos un efecto u otro, más absorción o menos, más eficacia o menos).
Energía de un fotoelectrón y la radiación de frenado: pues la energía cinética que adquiere ese electrón arrancado (E) depende únicamente de la capa electrónica de la cual procede:
Siendo E la energía de la radiación incidente original y W. la energía de ligadura de la capa i (i = K, L, M, etc.). Suponiendo que la radiación incidente es monocromática (sólo una frecuencia), los fotoelectrones arrancados tendrán frecuencias discretas, esto es, presentarán un número de energías discreto (el de los electrones arrancados de la capa K, los de la L, etc.). La probabilidad de que un electrón sea arrancado es máxima cuando la energía de la radiación incidente es un poco superior a la de ligadura de la capa en que se encuentra. Si esta energía aumenta, la probabilidad decrece hasta que el valor es un poco superior al de ligadura de la capa siguiente, y así sucesivamente. El coeficiente de atenuación electrónico por efecto fotoeléctrico (t) puede expresarse mediante la Ecuación de Bragg-Pierce:
Donde hemos tenido en cuenta que E = h-c/X, siendo K una constante, X la longitud de onda de la radiación incidente y Z el número atómico del material absorbente. Por ello, podemos afirmar que:
Cuanto mayor sea la energía de la radiación incidente (es decir, cuanto menor sea su longitud de onda) menor es el coeficiente de atenuación y, por tanto, menor es la absorción por efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es una forma de absorción característica de las radiaciones de baja energía. Cuanto mayor sea el número atómico del absorbente, mayor será la absorción por efecto fotoeléctrico, y este aumento es considerable debido a que Z aparece elevado a la tercera potencia.
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Efecto Compton: el efecto Compton (o dispersión Compton) consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotón cuando choca con un electrón libre y pierde parte de su energía. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende únicamente del ángulo de dispersión. El Efecto Compton fue estudiado por el físico Arthur Compton en 1923, quien pudo explicarlo utilizando la noción cuántica de la radiación electromagnética como cuantos de energía y la mecánica relativista de Einstein. El efecto Compton constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico. Compton descubrió este efecto al experimentar con rayos X, los cuales fueron dirigidos contra una de las caras de un bloque de carbón. Al chocar los rayos X con el bloque se difundieron en varias direcciones; a medida que el ángulo de los rayos difundidos aumentaba, también se incrementaba su longitud de onda. Con base en la teoría cuántica, Compton afirmó que el efecto se debía a que el cuanto de rayos X actúa como una partícula material al chocar contra el electrón, por lo cual la energía cinética que el cuanto le comunica al electrón le representa una pérdida en su energía original. Este efecto es de especial relevancia científica, ya que no puede ser explicado a través de la naturaleza ondulatoria de la luz. Ésta debe comportarse como partícula para poder explicar dichas observaciones, por lo que adquiere una dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica. La interpretación más sencilla del efecto Compton, aunque no es exactamente lo que ocurre en realidad, es suponer que el electrón y el fotón sufren una colisión elástica (como bolas de billar) y se conservan el momento lineal y la energía.
El fotón incidente tiene mayor energía que el difundido y por tanto tiene menor longitud de onda. Esta radiación puede interaccionar con otros átomos del material y producir otras ionizaciones en cadena.
Coeficiente electrónico de atenuación por efecto Compton: se definirá como la proporción de fotones incidentes que sufren absorción Compton por el espesor del absorbente para una sección de 1 cm2, y es independiente de la naturaleza del material. La diferencia con el efecto fotoeléctrico es
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que en este caso no existe una energía de ligadura, el Compton electrón es libre o prácticamente libre, y pertenece a las capas más externas de los átomos del absorbente.
Formación de pares: Proceso por el cual una partícula de energía suficiente crea dos o más partículas diferentes. Este proceso es característico de los aceleradores de partículas, donde se hacen colisionar partículas como electrones y positrones de muy alta energía apareciendo toda clase de partículas que desconocíamos anteriormente. También es característico en algunas reacciones nucleares de alta energía y en los rayos cósmicos, donde se generan fotones (o rayos gamma) de alta energía que pueden crear dos o más partículas de masa igual o menor a la energía del fotón. Es característica la reacción γ → e+ + e- , donde el fotón debe tener al menos una energía igual a la masa del electrón y el positrón (ambos tienen una energía en reposo de 511 keV), es decir, 1.022 keV ó 1,022 MeV, para poder generar las partículas. Generalmente este proceso viene seguido del inverso, en el que el positrón generado se aniquila con un electrón de la materia que existe alrededor. Para que se dé este proceso de creación de pares es imprescindible que exista en las cercanías del fotón inicial un núcleo, cuya presencia es la que permite que se cumplan las leyes de conservación de momento y energía. En esta transformación se han de conservar la energía, la carga y el momento lineal. La carga se conserva puesto que el fotón inicial tiene carga cero y el electrón y el positrón cargas iguales y de signo contrario. La energía del fotón se invertirá en la creación de la partícula y la antipartícula (de acuerdo con la famosa fórmula E = m-c 2, la energía mínima necesaria es la energía en reposo del electrón o del positrón, es decir, 0,51 MeV, y como son dos partículas, la energía mínima necesaria que ha de tener la radiación incidente será de 1,02 MeV), y la energía sobrante se empleará en la cesión de energía cinética a ambas en cualquier proporción. El positrón interaccionará rápidamente con algún electrón del material, aniquilándose y produciendo dos fotones de 0,51 MeV de energía cada uno. Estos dos fotones constituyen radiación difusa como consecuencia de la atenuación de la radiación incidente, pero sin ceder energía al medio. La energía que se absorbe es la de la primera interacción.
El coeficiente electrónico de atenuación por efecto de materialización µe aumenta con la energía de la radiación incidente y con el número atómico del material absorbente.
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APLICACIONES DE MECANISMOS APLICADAS A MEDICINA:
DE
ABSORCIÓN
1- Terapia Fotodinámica : La terapia fotodinámica es un procedimiento terapéutico que se utiliza en medicina, principalmente en dermatología, para el tratamiento de varias enfermedades de la piel, sobre todo cáncer de piel (carcinoma basocelular y carcinoma espinocelular), también en la enfermedad de Bowen, acné, rosácea, liquen y para tratamientos estéticos de fotorejuvenecimiento. La técnica se basa en la administración de un agente fotosensibilizante y en la posterior estimulación de la zona a tratar mediante luz de la longitud de onda adecuada. Ello induce la formación de radicales libres y la destrucción de las células malignas.1 La selectividad del tratamiento se basa en la mayor capacidad que tienen las células tumorales para concentrar la sustancia fotosensibilizante si se compara con las células sanas. Por otra parte la aplicación de la estimulación luminosa provoca la muerte de las bacterias, debido a que produce formas reactivas de oxígeno causadas por la estimulación de la luz sobre los agentes fotosensibilizantes. 2- Pulsioximetría: La pulsioximetría es un método no invasivo, que permite determinar el porcentaje de saturación de oxígeno de la hemoglobina en sangre de un paciente con ayuda de métodos fotoeléctricos. Para realizar esta técnica, se coloca el pulsioxímetro, en una parte del cuerpo que sea relativamente translúcida y tenga un buen flujo sanguíneo, por ejemplo, los dedos de la mano o del pie o el lóbulo de la oreja. El pulsioxímetro emite luces con longitudes de onda, roja e infrarroja que pasan secuencialmente desde un emisor hasta un fotodetector a través del paciente. Se mide la absorbancia de cada longitud de onda causada por la sangre arterial (componente pulsátil), excluyendo sangre venosa, piel, huesos, músculo, grasa. Con estos datos será posible calcular la saturación de oxígeno en sangre. Fundamentos físicos: El pulsioxímetro se sirve de diferentes longitudes de onda de la luz para diferenciar las moléculas de un fluido en función de sus propiedades; en nuestro caso, el objetivo es diferenciar la hemoglobina oxigenada (oxihemoglobina) de la desoxigenada (desoxihemoglobina) en sangre pulsátil.
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La oxihemoglobina y la desoxihemoglobina son dos moléculas distintas que absorben y reflejan distintas longitudes de onda de luz. La oxihemoglobina absorbe la luz del espectro infrarrojo, y transmite las longitudes de onda del espectro rojo a través de ella; por el contrario, la desoxihemoglobina absorbe la luz del espectro rojo, y deja pasar la del infrarrojo. El espectrofotómetro del pulsioxímetro emite luz en el espectro rojo (660 nanómetros) y en el infrarrojo (920 nanómetros). Los dos tipos de ondas se transmiten a través de un lecho vascular pulsátil y se detectan en el extremo opuesto con un fotodetector (que también podría captar la luz reflejada y no la recibida, en cuyo caso se situaría en el mismo extremo de emisión), midiendo la cantidad de luz de cada longitud de onda recibida y transmitiendo la información a un ordenador mediante un impulso eléctrico. El procesador calcula, para cada longitud de onda, la diferencia entre la luz emitida y la recibida, indicándonos la cantidad de luz que ha absorbido la sangre pulsátil. Este dato nos sirve para calcular el ratio de oxihemoglobina y desoxihemoglobina en circulación o, lo que es lo mismo, la saturación de la hemoglobina, mediante la siguiente fórmula: SaO2 = HbO2 / (HbO2 + Hb) Donde HbO2 es la hemoglobina oxigenada, y Hb es la desoxigenada. Por otra parte, cabe mencionar que estos fundamentos físicos (basados en la ley de BeerLambert, según la cual la intensidad de luz transmitida por un cuerpo es igual a la intensidad de luz que incide multiplicada por una variable específica) no son estrictamente aplicables en el medio clínico. Los instrumentos de pulsioximetría requieren de correcciones empíricas a las que se llega mediante aplicación de la técnica a grandes poblaciones de individuos sanos, lo que permite conseguir un algoritmo mediante el cual el procesador interpreta la información obtenida a través de la medición. 3- Termogramas: la termografía es una técnica que permite calcular y determinar temperaturas a distancia, con exactitud y sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar. La termografía permite captar la radiación infrarroja del espectro electromagnético, utilizando cámaras termográficas o de termovisión. Conociendo los datos de las condiciones del entorno (humedad y temperatura del aire, distancia a objeto termografiado, temperatura reflejada, radiación incidente,...) y de las características de las superficies termografiadas como la emisividad se puede convertir la energía radiada detectada por la cámara termográfica en valores de
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temperaturas. En la termografía, cada pixel corresponde con un valor de medición de la radiación; con un valor de temperatura. A esa imagen se le puede definir como radiométrica. 30 años de uso clínico y más de 8,000 estudios arbitrados en publicaciones médicas respaldan a la TERMOGRAFÍA infrarroja como una alternativa segura y efectiva de exanimación del cuerpo humano. Al ser no invasiva no requiere de radiación u otros procedimientos dañinos. La investigación médica ha comprobado que la termografía es una herramienta útil en la investigación y eficaz en el diagnóstico del cáncer de mama, trastornos en el sistema nervioso, en el metabolismo, problemas de cuello y espalda, síndromes de dolor, artritis, trastornos vasculares y lesiones en tejidos blandos, entre otros. Se han llevado a cabo muchos estudios termográficos que demuestran el patrón normal anticipado de temperatura en una imagen térmica en estado estacionario así como en movimiento, como por ejemplo durante el calentamiento y enfriamiento de la piel. Los cambios característicos en los patrones normales se asocian a diferentes fenómenos patológicos. Dichos cambios dan la pauta para llevar a cabo investigaciones no invasivas que resulten valiosas para el diagnóstico. 4- Luz azul para el tratamiento de la ictericia: Para tratarla se utiliza la fototerapia, también llamada terapia con bililuces o luces azules. Consiste en la exposición de la piel del bebé a luces fluorescentes azules con los ojos cubiertos para no dañarlos y se voltea al niño para que reciba la luz en todo su cuerpo. También existen bilichalecos que se les colocan a los bebés sin necesidad de taparle los ojos. Las ondas de luz no producen ningún daño en la piel del bebé, sino que actúan modificando la estructura molecular de la bilirrubina descomponiéndola en sustancias no tóxicas que son eliminadas por el cuerpo a través de la orina y las heces. Durante el tratamiento se controlan en todo momento las constantes vitales del bebé, su temperatura y respuestas. Se hacen regularmente análisis de sangre para verificar el nivel de bilirrubina. Cuando alcance las cifras normales, se suspende la terapia. El tratamiento de los recién nacidos con ictericia puede requerir terapia de luz. El bebé se coloca bajo una luz azul que emite a los rayos del espectro de color verde. La luz azul cambia la forma y la estructura de las moléculas de bilirrubina amarillas, ayudándoles a ser excretada del cuerpo a través de las heces y la orina.
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5- Rayos x: La propiedad más importante de lo Rx es su poder de penetración de la materia. Los Rx son atenuados por absorción y dispersión en diferentes grados al atravesar el cuerpo humano, dependiendo de la densidad, composición atómica y espesor de la materia atravesada por los Rx. Al atravesar el cuerpo humano con un haz de Rx, la radiación emergente será como un negativo. Esta imagen de radiación es invisible y hay que convertirla en imagen visible mediante una película radiográfica. La formación varía en diferentes aspectos como lo son: La absorción es mayor a mayor densidad de la estructura atravesada. Hay mayor absorción de rayos X a mayor número atómico de la estructura atravesada. Los Rayos X forman parte del espectro de radiaciones electromagnéticas, al igual que las ondas eléctricas y las de radio,(éstos en un extremo), y los rayos infrarrojos, los visibles, y los ultravioleta (en la zona media), situándose, junto a los rayos cósmicos, al otro extremo del espectro. Los Rayos X se originan cuando los electrones inciden con muy alta velocidad sobre la materia y son frenados repentinamente. Se produce así la radiación X, de muy distintas longitudes de onda ("espectro continuo"), debido a la diferente velocidad de los electrones al chocar. Si la energía del bombardeo de electrones es mayor todavía, se producirá otro tipo de radiación, cuyas características dependerán del material del blanco ("radiación característica"). La diferente longitud de onda de la radiación determina la calidad o dureza de los rayos X: cuanto menor es la longitud de onda, la radiación se dice más dura, que tiene mayor poder de penetración. A lo contrario se denomina "radiación blanda". Los rayos X son una forma de radiación electromagnética que puede penetrar a través del cuerpo humano y producir sombra. Cuando nos vamos a hacer una radiografía, se suele poner detrás de nosotros una placa sensible a los rayos X, y estos se disparan a través de uno. Los dientes y huesos se ven con mayor claridad porque absorben mayor cantidad de rayos X, al ser más densos. La radiografía es algo similar a una fotografía pero realizada con rayos X; el fluoroscopio, el mamógrafo y la tomografía computarizada son algunos de los aparatos que utilizan rayos X para el diagnóstico médico.
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COEFICIENTES GENERALES DE ATENUACIÓN, ABSORCIÓN Y DIFUSIÓN
Los distintos tipos de mecanismos de atenuación que se han estudiado poseen efectos en cuanto a las capas de electrones de los átomos del material absorbente. Estos pueden eliminar electrones de las capas de la misma formando ya sea fotoelectrones, compton electrones, fotones de menor energía que los incidentes o positrones. Cada uno de estos afectan la atenuación de los rayos incidentes debido a que al absorber una cierta cantidad de energía de la radiación incidente, otra cierta se difunde como radiación difusa. Para cada caso entonces se consideran sus mecanismos para determinar la atenuación que se tendrá en un material absorbente. Para el caso de la atenuación por efecto fotoeléctrico la energía de atenuación de la misma será igual a la suma de la energía absorbida, por el material absorbente, más la energía difusa creada en el material absorbente. Representándose de manera matemática como:
= + Donde “ ” es la atenuación de la energía por efecto fotoeléctrico, “ ” es la energía absorbida por el material y “ ” la energía difusa. Estas también pueden interpretarse de manera que “ ” sea la cantidad de energía cedida a los electrones “Ee”, mientras “ ” es igual a la difusión por la energía de extracción del electrón (W).
La atenuación mediante el método de Compton se da por los coeficientes eléctricos de atenuación. Para poder obtener el mismo se debe cumplir la siguiente expresión:
= + Donde la energía de atenuación electrónica ( ) es igual a la suma de la energía cedida a los comptonelectrones por parte de la energía de radiación incidente ( ) y la energía cedida a los fotones difundidos en relación a la energía incidente ( ). Como sabemos en el mecanismo de atenuación por efecto de compton, un foton puede golpear un electron de la capa más exterior transfiriendole una cierta cantida de energía pero no toda. Esto causa que el electrón sea retirado de su órbita teniendo como resultado un fotón con menor energía ya que se la transfirió al electrón en forma de energía cinética. Cabe destacar que como el electrón afectado estaba en la capa más exterior del átomo este no poseía una energía de ligadura permitiendo que el fotón a pesar de tener una energía bastante pequeña, pueda sacarse fuera de su órbita. Todos estos conceptos que forman parte de dicho mecanismo se pueden expresar en la siguiente ecuación:
̅ ̅ ) Δ · = Δ · (
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Donde “Δ” son los fotones que sufren interacción compton con los átomos del material, “ ” es la energía incidente de la radiación, “ ̅ ” es la energía promedio de los fotones difundidos y “ ̅ ” es el promedio de la energía de los comptonelectrones. Para la materialización o formación de pares, la energía inicial del fotón se reparte de manera que la energía del fotón se recupera luego de la aniquilación del positrón y la interacción de un electrón con el medio. Esta energía se dice que es absorbida por el átomo así creando un positrón y un electrón que posee cada uno 0.51 MeV que al interactuar con el medio devuelven al sistema dicha energía. Matemáticamente se dice que la energía incidente se reparte de manera que:
= 1,02 + Donde “ ” es la energía incidente, los 1.02 son la energía invertida en el sistema al pasar el fotón incidente y “ ” es la energía total cedida al par electrón- positrón. Debido a las interacciones electrón-positrón se puede decir que de igual manera que el coeficiente de atenuación sería igual a la suma de la energía absorbida más la energía difundida cumpliendo la expresión:
= + En circunstancias reales al inducir un rayo de fotones sobre un material absorbente se tendrán los tres mecanismos (compton, efecto fotoeléctrico y formación de pares). Entonces mediante esta afirmación podemos relacionar los coeficientes de cada uno de los mecanismos, resultando con la siguiente expresión matemática:
= + ≅ + + + + + En la medicina y otras áreas que involucren sistemas biológicos el estudio se centra en los efectos producidos por la energía absorbida. Esto debido a que diferentes tipos de radiación junto con formas de intensidad y frecuencia pueden crear múltiples efectos en diversos tejidos en el organismo de estudio; además en el tratamiento de sistemas biológicos se evita a toda costa las energías de difusión pues pueden crear complicaciones en los pacientes. De acuerdo a la forma en que los tejidos absorben la radiación, en el caso del cuerpo humano se puede observar como la absorción de radiación varía entre un tipo de tejido y otro. Por ejemplo, en el caso de los rayos X los tejidos blandos son fácilmente atravesados por dicha radiación sin tener una absorción significante mientras los tejidos óseos llegan a absorber una gran cantidad de este tipo de radiación. Estas diferencias en absorción en los diferentes tejidos permiten la observación de estructuras específicas dependiendo de sus propiedades físicas o la profundidad de los mismos. Recordemos entonces un fenómeno que se da al utilizar la radiación para tratamientos. Esta consiste en que luego de un rango de 0.1-20MeV los diferentes coeficientes de absorción se van igualando. Basados en este fenómeno se pueden utilizar estas intensidades para 20
poder eliminar cualquier tipo de célula cancerígena al mantener una radiación que sea absorbida de manera equitativa en todo el cuerpo. ¿Por qué solo se destruyen las células cancerígenas y no el resto del tejido? Esto es debido a que las células están expuestas a daños cuando estas están en fases mitóticas o de división. Gracias a que las células cancerígenas se dividen incontrolablemente, estas son un blanco fácil para las radiaciones incidentes las cuales son a su vez inofensivas para las células somáticas sin dividirse. Otra aplicación que se les da a las energías o coeficientes de absorción es a la radiología armada. Esta se basa en la inserción de objetos dentro del cuerpo de una persona mientras el médico encargado desplaza dicho objeto al área donde se necesite. Para este tipo de radiología se aplican los coeficientes de absorción por el hecho de que todos los objetos absorben la energía irradiante de manera distinta, haciendo que los objetos sólidos o semisólidos sean visibles utilizando formas de radiación como los rayos X. El que tanto un tejido pueda absorber una determinada radiación, estos dependen de los siguientes factores:
Masa molecular: Entre mayor sea la masa molecular del tejido más será el coeficiente de absorción del mismo. La masa molecular se define como la cantidad mesurable de materia de un cuerpo cuyo valor depende de la resistencia que opone dicho cuerpo a modificar su estado de reposo. Es decir, que entre mayor masa molecular, las fuerzas de interacción entre los componentes del átomo junto con las fuerzas de interacción entre un átomo y otro son más fuertes haciendo que se necesite una mayor energía para poder atravesar y alterar la capa de electrones de dicho material. Por lo tanto este material absorberá la radiación con mayor facilidad y a una mayor proporción que los demás. Este concepto se puede relacionar con la
energía incidente mediante la ecuación de Bragg-Pierce la cual se expresa como = ≈ . Donde entre mayor es “Z” o la masa molecular mayor sera “ ” al ser directamente proporcional a esta. A la vez cada valor en Z sera significante por el hecho de estar elevado a la tercera potencia.
La profundidad a la que se encuentre el tejido: Entre más profundidad, mayor será la absorción en esa área. Esto se da gracias a que la radiación aplicada a un organismo consiste en el desplazamiento de electrones fuera de sus órbitas haciendo que estas interactúen con los átomos adyacentes difundiendo esta energía en vez de absorberla. Sin embargo, a medida que la radiación se difunde de átomo en átomo este va reduciendo de manera exponencial la energía de la radiación teniendo una energía menor a la energía incidente. Así entre más profundo se observa mayor energía se absorbe en dichas áreas. Por esto los tipos de radiación utilizados en el campo de la medicina no se detienen o absorben al nivel de la piel si no que estos se ven absorbidos en áreas más profundas del cuerpo como los huesos, órganos o masas 21
benignas como el cáncer. Basados en este principio se pueden crear sistemas para diagnosticar o tratar ciertas condiciones. Por ejemplo, mediante ciertos tipos de r adiación se puede localizar una cierta área del cuerpo a una cierta profundidad mostrando así la estructura mediante aparatos que detectan la radiación absorbida. Al igual que puede ser utilizada para tratar enfermedades como tumores al enviar radiación que será absorbida solamente en esa área específica eliminando sistemáticamente el tumor.
Tipo de radiación: Nos referimos al tipo de radiación a las radiaciones alfa, beta y gamma. Como sabemos cada una de estas poseen energías y frecuencias distintas, las cuales pueden interactuar de distintas maneras con las estructuras orgánicas. Se deben tener claros entonces los términos de frecuencia (energía), intensidad (cantidad de fotones que se irradian) y longitud de onda (relacionado inversamente con la frecuencia).
Absorción de electrones: Pico de Braggs
Como se mencionó anteriormente, distintos materiales absorben la radiación de distinta manera, a su vez se afirma que la radiación tiene efectos distintos en dichos materiales. Para el estudio de la de la radiación de los electrones se realizan excitaciones a los electrones atómicos, ionización de los átomos o transferencia térmica de electrones libres. Aumentando así la energía cinética de los átomos del material. Para el estudio de cómo se da la absorción de la energía de electrones se debe dominar el concepto de LET o transferencia lineal de energía que se define como la energía perdida por un has de radiación entre el espesor del material. Este concepto de LET nos permite saber que tanta energía se va perdiendo a medida que la radiación va viajando a travez de un material. Esta energía “perdida” también se puede considerar la energía absorbida por el material. La expresión matemática de la misma se representa de la siguiente manera:
∆ ∆ Donde “∆” es la cantidad de energía perdida por el haz de luz y absorbida por el material y “ ∆” es el la profundiad del material. Este valor se puede utilizar para el calculo de la profundidad a la que penetra la radiación antes de ser completamente absorbida. Para esto se divide la energía en MeV entre 3 para así poder obtener la penetración eficaz en centímetros. Teniendo así la expresión:
ó =
í 3
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Esta expresión surge de la relación entre la energía incidente de un haz de radiación y su LET. El 3 por el cual se divide la energía incidente se utiliza ya que para la radiación aplicada a actividades clínicas se utilizan aquellas entre 5-50MeV los cuales tienen un L.E.T entre 2-3 MeV/cm. Este valor de 3MeV/cm es el L.E.T del agua inducida a los rangos de radiación mencionados anteriormente. El mismo se utiliza en el cuerpo humano ya que el agua representa el 70% de la composición de los tejidos. Las propiedades de los iones de peso igual o mayor que el protón son completamente distintas de las de los fotones o electrones, también empleados en la radioterapia. La diferencia reside en la distribución espacial del depósito de energía, mucho más localizada. Cualquier radiación incidente sobre un cuerpo se ve atenuada por la interacción de las partículas que la forman con los átomos del cuerpo que la recibe. La desaceleración debida a las colisiones con átomos y núcleos provoca una pérdida de energía de las partículas incidentes, energía que se deposita en el material receptor. Esa transferencia energética libera electrones que a su vez depositan su energía cinética en el medio. Todo ese proceso comienza en la superficie de entrada y continúa en profundidad.
En el caso de los fotones y electrones, hay deposición de energía en un amplio rango de profundidad (varios centímetros, en el caso de energías de MeV), por lo que todo el recorrido del haz se ve afectado muy significativamente por la radiación. Eso hace que la entrada y salida de los haces en el cuerpo humano deba planificarse teniendo en cuenta que se administra radiación en toda la proyección del recorrido.
Para las partículas más pesadas, como protones, la atenuación del haz es diferente: las partículas se desaceleran poco a poco en su recorrido, depositando una pequeña cantidad de energía hasta que se frenan por completo y entonces se produce un depósito de energía más alto y muy localizado. El lugar del medio donde se deposita esa energía será la profundidad del recorrido promedio de las partículas. La representación de las curvas de penetración de las partículas cargadas pesadas presenta por tanto un máximo en una zona que dependerá de la energía de la radiación. Ese máximo es conocido como Pico de Bragg y es la gran diferencia frente a fotones y electrones. En la gráfica podemos apreciar la gran acumulación de dosis en un máximo en el pico de Bragg y también la rápida caída a cero inmediatamente después. Eso hace que, por un lado, los tejidos previos al volumen blanco sean poco irradiados, y por otro que los posteriores no reciban apenas nada de radiación de salida. Las curvas de diferentes tipos de radiación empleadas en radioterapia se muestran superpuestas. Por supuesto, la forma de esas curvas depende también del medio que atraviesan y de la energía de la radiación.
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Como se mencionó anteriormente la absorción total de la energía irradiada se da una cierta profundidad del cuerpo. La reducción de la energía de manera exponencial del haz de radiación causa que la energía de difusión sea menor, así aumentando la absorción a una cierta profundidad. El pico de Bragg se basa en este concepto, siendo este un máximo registrado de absorción a una cierta profundidad. El pico de Bragg demuestra que a una cierta profundidad se da la absorción completa de la energía irradiante pues las profundidades posteriores a la cual se registra el mismo no presentan radiación alguna. En aparatos radiológicos se cuenta con una pequeña rueda que puede regular la anchura del pico de Bragg para así ajustar la
radiación al punto específico al que queremos tratar o irradiar en el cuerpo.
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Es importante saber que en la radioterapia se utiliza este principio para tratar tejidos neoplásicos como tumores y cáncer. Recordemos que el tratamiento consiste principalmente en la destrucción de las células mediante la alteración de su ciclo de vida o reproducción induciéndolas a daño grave al material genético y estructural de las células. Esto quiere decir que la radiación que se absorbe en estas áreas induce daño al tejido. Dicho esto, al inducir a un organismo a una radiación con la suficiente energía para poder penetrar la piel y viajar una cierta distancia, da la ventaja de poder tratar áreas afectadas dentro del cuerpo sin causar daños ni quemaduras en la piel. Una aplicación es la radioterapia utilizando haces de protones el cual es un tipo de radioterapia con haces de partículas. Los protones depositan su energía sobre una zona muy pequeña siendo esta el pico de Bragg. El pico de Bragg puede usarse para dirigir dosis altas de radiación con haces de protones a un tumor, mientras se causa menos daño a los tejidos normales que se encuentran enfrente y detrás del tumor.
Además de la radioterapia, estos conceptos tienen aplicación en la medicina nuclear la cual se encarga de obtener imágenes de ciertas áreas del cuerpo de interés utilizando sustancias llamadas radiofármacos o radiosondas. Estas sustancias son materiales radiactivos que emiten rayos gama que pueden ser detectados por cámaras especiales e interpretadas por programas. Estas técnicas dependen fuertemente de la profundidad que puede atravesar la radiación de dicho radiofármaco para que pueda ser percibido por la cámara especializada aplicándose así el principio de absorción de la radiación por parte de los tejidos circundantes. Ejemplo de esto es la evaluación del sistema nervioso central y pulmonar a base de radiofármacos. La evaluación del sistema nervioso consta de la observación y estudio del estado fisiológico del sistema nervioso central. El mecanismo se basa en la utilización de sustancias radiactivas que emiten rayos gama (con gran cantidad de energía) que pueden atravesar las capas de tejido vivo para así ser captados por cámaras especializadas que producen imágenes precisas de estas estructuras. Para este método de evaluación de enfermedades se pueden clasificar las mismas en dos tipos, directa o indirecta. La evaluación del sistema nervioso central de manera indirecta se da con radiofármacos que no pueden atravesar la barrera hematoencefálica. Esta barrera es una barrera de permeabilidad altamente selectiva que separa la sangre que circula del fluido extracelular cerebral en el sistema nervioso central (SNC). La barrera hematoencefálica está formada por células cerebrales endoteliales que están conectadas por uniones estrechas con una resistividad eléctrica muy alta. Esta barrera permite el paso del agua, algunos gases, y moléculas solubles en lípidos por medio de difusión pasiva, así como el transporte selectivo de moléculas tales como glucosa y aminoácidos que son cruciales para la función neuronal. Sin embargo los radiofármacos convencionales no pueden traspasar esta membrana ni permanecen el tiempo suficiente para brindar información significativa. 25
En el caso de la evaluación directa del sistema nervioso se utilizan radiofármacos como lo son e l 127 Xe y 33Xe. Estos al pasar la barrera hematoencefálica mantienen una distribución fija (hablando estructuralmente) así permaneciendo una gran cantidad del tiempo en las estructuras. Este tiempo de permanencia en la estructura permite la recolección minuciosa de datos del mismo. Otros radiofármacos no pueden mantener una distribución fija, pero pueden tardar la cantidad de tiempo suficiente para hacer los estudios pertinentes. El tipo de parámetros que se pueden estudiar en estas evaluaciones incluyen la perfusión del cerebro la cual se refiere al paso de la linfa y/o sangre hacia los tejidos del mismo. También se puede estudiar el metabolismo del cerebro al introducir un agente emisor de positrones al torrente sanguíneo. En la evaluación de la función pulmonar se busca estudiar la perfusión del pulmón y la ventilación pulmonar. Para el estudio de la perfusión pulmonar se utilizan dos radiofármacos siendo estos los macroagregados de albúmina marcados con tecnecio (99m Tc-MAA) y las 99mTc-microesferas de albúmina. En cuanto a la centellografía de la ventilación pulmonar es posible mediante la inhalación de gases o aerosoles radiactivos bioquímicamente inertes. El más empleado en la actualidad, por sus características físicas es el 133Xe. Estos radiofármacos generalmente se obtienen por nebulización o por agitación ultrasónica. En este caso, el paciente debe realizar una ventilación normal, de modo que las partículas de aerosol accedan hasta los alvéolos más alejados de los grandes bronquios. Otro acercamiento de la radiofarmácia es la utilización de radiofármacos para la terapia paliativa. Esta es un tipo de terapia que se usa en pacientes en estados terminales. Estas terapias buscan aumentar la calidad de vida de los pacientes y sus familias al reducir el dolor de dicho paciente junto con otros efectos que le brindan comodidad. Para esto se le aplica ciertos materiales radiactivos que les ofrecen una dosis especifica de radiación a puntos donde se encuentren tumores o metástasis para así reducir el crecimiento del mismo por consiguiente reduciendo el malestar y dolor en esas áreas.
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DOSIMETRÍA
DOSIMETRÍA La dosimetría se puede considerar como una subespecialidad de la salud y la física medica la cual se enfoca en realizar cálculos para determinar las dosis internas y externas de la radiación catódica. Esta también se refiere a la cantidad de radiación absorbida que causan un efecto determinado en organismos vivos. Esta tiene una aplicación de gran importancia en la protección del personal encargado de realizar los tratamientos o estudios usando estos tipos de radiaciones y para la calibración de dichos aparatos al ofrecer rangos con los cuales se puede trabajar de manera óptima sin causar daños a corto o largo plazo. Para esto es necesario conocer como calcular la calidad de la radiación (relacionado con la energía del mismo) y su cantidad (referente a la cantidad de energía absorbida). Para determinar la cantidad de radiación se evalúan los efectos que dicha radiación producen en circunstancias específicas. Los efectos de la radiación evaluados incluyen:
Efecto fotoquímico: Constituye de efectos que debido a su energía, su radiación ya es capaz de extraer electrones de las órbitas externas de los átomos, puede redistribuir los átomos componentes de las moléculas en nuevas moléculas o puede facilitar diversas reacciones químicas. La más importante de estas reacciones químicas, es la producida al actuar sobre las provitaminas D3 (ergosterina y dehidrocolesterina) transformándola en vitamina D3. Efectivamente las provitaminas D se ingieren con los alimentos y las que se concentran en las capas superficiales de la piel quedan sometidas a la acción de la radiación ultravioleta, produciendo la vitamina D3. Otro punto de ataque de la radiación ultravioleta son las proteínas y los ácidos nucleicos, pudiendo originar mutaciones celulares, cancerización y muerte celular. Este efecto se puede utilizar con fines antiséptico, aunque con el inconveniente que representa su escasa capacidad de penetración. Este efecto se observa también al darse el cambio de color de diversas sustancias. Luminiscencia: Es cuando un material absorbe la radiación incidente sobre el mismo y producen luz posteriormente. La luminiscencia puede presentarse de dos maneras siendo esta fluorescencia y esta fosforescencia. La diferencia entre una y otra es que tanto dura el efecto de luminiscencia. La duración del mismo depende de dos etapas por las cuales se da dicho efecto siendo la primera la incidencia de la radiación excitando a los electrones del material haciendo que los electrones de orbitas internas salten a otras más 27
externas y la segunda etapa consiste entonces en el retorno de estos electrones a capas más bajas causando la emisión de fotones. Esta segunda etapa como mencionamos anteriormente es la cual determina el tipo de luminiscencia. Otros tipos de luminiscencia son la quimioluminiscencia la cual se produce por reacciones como la del fosforo amarillo cuando se oxida al aire, triboluminiscencia que se produce cuando se da la ruptura o rozamiento de materiales, electroluminiscencia que se da por un estímulo de corriente eléctrica, fotoluminiscencia que se trata de la luminiscencia producida por la fotones con una cierta energía y la sonoluminiscencia que se observa en los fluidos de los organismos vivos. Termoluminiscencia: Se conoce por termoluminiscencia a toda emisión de luz, independiente de aquella provocada por la incandescencia, que emite un sólido aislante o semiconductor cuando es calentado. Se trata de la emisión de una energía previamente absorbida como resultado de un estímulo térmico. Esta propiedad física, presente en muchos minerales, es utilizada como técnica de datación absoluta. En general, los principios que gobiernan la termoluminiscencia son esencialmente los mismos de aquellos responsables de todos los procesos luminiscentes y, de esta forma, la termoluminiscencia es uno de los procesos que componen el fenómeno de la luminiscencia. Variaciones de la conductividad eléctrica: La radiación puede ser tan energética que puede cambiar la conductividad eléctrica de materiales. Este efecto está ligado con las radiaciones ionizantes. Efecto térmico: Ya se ha visto que las radiaciones que dan lugar a efectos térmicos en su interacción con la materia están en la banda de 10 -7<< x10-4m (ultravioleta, visible e infrarrojo). La termodinámica del equilibrio enseña que si una radiación (gas fotónico) queda completamente caracterizada por su energía total, y está en equilibrio termodinámico, la distribución espectral de la energía que fluye por unidad de área, llamada emitancia espectral, viene dada por la ley de Planck. A este tipo de radiación se le llama radiación de cuerpo negro. en la práctica se distingue la radiación térmica de las demás radiaciones en que su intensidad y frecuencia varían con la temperatura de forma similar a como lo hace un cuerpo negro, en la radiación producida con descarga eléctrica en gases enrarecidos, la temperatura no tiene relación directa ni con la potencia emitida ni con su espectro). Sin embargo, no hay
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que olvidar que, independientemente de si la fuente de radiación es de tipo térmico o no, todas las radiaciones con longitud de onda comprendida entre 10 -7<< x10-4m (ultravioleta, visible e infrarrojo) puede dar lugar a efectos térmicos en su interacción con la materia y por tanto son de interés en ingeniería energética, mientras que las de 10 -7< m lo son en ingeniería nuclear y las de b 10 -4 m lo son en ingeniería eléctrica. Ionizaciones: A un haz de radiación ser muy ionizante el mismo puede ionizar el medio atreves del cual viaja o el material que irradia. Un ejemplo es que algunas radiaciones hacen que el aire sea conductor de la electricidad por el efecto de la ionización de las moléculas de aire. Estos tienen efectos sobre la materia alterando su estructura química al liberar partículas cargadas como electrones que interactúan con las moléculas circundantes. Este fenómeno es altamente destructivo pues altera la identidad química de la sustancia que atraviesa teniendo aplicaciones directas en la eliminación estructuras dañinas al cuerpo. Efectos químicos: La radiación produce cambios químicos en reactivos e inclusive puede aumentar la velocidad en la que se dan reacciones. Viendolo desde un punto de vista biológico los iones formados pueden reaccionar con otras estructuras químicas cercanas de la célula, ocasionando daños. Aun así, muchas células pueden morir sin que el organismo en sí sufra graves consecuencias, ya que pueden ser reemplazadas. Si las células que sufren cambios permanentes logran dividirse, pueden dar lugar a células hijas anormales. En el peor de los casos, si estas células no son eliminadas por los mecanismos de reconocimiento de proteínas extrañas, pueden dar lugar a un cáncer. A dosis más elevadas, las células deterioradas no pueden ser reemplazadas a velocidad suficiente como para que los tejidos y órganos ejerzan su función de forma adecuada, apareciendo los distintos grados de la enfermedad por radiación que describiremos más adelante. Esta tiene un amplio espectro de manifestaciones, en dependencia fundamentalmente de las dosis de radiación recibidas, aunque también del estado previo del individuo, y de los cuidados que pueda este recibir. Ya que la radiación produce daños en sistemas orgánicos estos pueden llegar a presentar afectaciones a la salud dependiendo de la manera en que el organismo este expuesto a la radiación. Efectos Biológicos: El efecto principal de la radiación en organismos biológicos es daño a estructuras químicas dentro de las células. Otros efectos biológicos pueden incluir la producción de sustancias como la vitamina D que son necesarias para el funcionamiento óptimo del cuerpo como se mencionó anteriormente. Dentro de efectos biológicos producidas por la radiación se pueden mencionar la enfermedad por radicales libres y la apoptosis de células. En el caso de las
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enfermedades producidas por radicales la mayor parte de los iones formados por el efecto de la radiación, lo son a partir de moléculas de agua, pues no en vano el agua es la molécula más abundante del organismo. Un radical libre es cualquier átomo o molécula capaz de existencia independiente, que posee en su capa electrónica externa un electrón no pareado. En virtud de ello, se trata de substancias con una gran capacidad para reaccionar con las moléculas cercanas, a las que pueden causar cambios químicos y estructurales que lleguen a traducirse en la pérdida de su función. En el caso de la apoptosis en muchas células, la radiación daña directamente el ADN al comunicar directamente su energía a la cadena de ácido nucléico, o por la producción previa de radicales libres, según describimos anteriormente, y ello es el mecanismo inicial que desencadena la apoptosis. La presencia de radicales libres daña las membranas celulares y activa entre otras a la fosfolipasa C-g que, mediante la movilización de Ca ++ de los depósitos intracelulares, y también permitiendo la entrada de este desde el exterior de la célula, activa una endonucleasa de ADN dependiente de Ca ++ y Mg++ , y sensible al Zn ++, que rompe el ADN en fragmentos de aproximadamente 180 pares de bases. De todos estos fenómenos uno de los más convenientes para la evaluación de la cantidad de radiación que emite un aparato u objeto es la de ionización, pues no necesita laboratorios especializados y es bastante preciso. Este evalúa la conductividad de la corriente que tiene el aire por donde está viajando dicha radiación. Como se mencionó anteriormente el aire no es un conductor de electricidad pero la radicación puede ionizar las moléculas creando pares de iones que permiten la conducción eléctrica atreves de las mismas. A pesar de ser la más conveniente no descarta los otros métodos para evaluar la cantidad de radiación emitida. Es entonces criterio del encargado de la creación de estándares y calibración de aparatos irradiantes, elegir el efecto más conveniente y preciso disponible para dicha evaluación. Ejemplo de esto es la National Physics Laboratory en el Reino Unido la cual es un laboratorio de estándares nacionales la cual opera bajo el efecto de la calorimetría del grafito para determinar la dosimetría absoluta de los fotones emitidos por una fuente. El grafito es usado en vez del agua debido a que su capacidad calorífica específica es un sexto de la del agua y, por lo tanto, el aumento en la temperatura del grafito se incrementa seis veces más que la equivalente en el agua y las mediciones son más precisas. Problemas significativos existen en el aislamiento del grafito del laboratorio para medir los mínimos cambios de temperatura. Una dosis letal de radiación a un humano es aproximadamente 1020 Gy. Esto es 10- 20 joule por kilogramo. Un pedazo de grafito de 1 cm3 pesando 2 gramos absorbería alrededor de 20- 40 mJ. Con una capacidad calorífica específica de alrededor de 700 J•kg−1•K−1, la temperatura se adecuaría a un aumento de apenas 20 mK.
En el ámbito de la dosimetría existen varios instrumentos que se utilizan para la medida de la dosis siendo los más utilizados aquellos que evalúan el efecto ionizante de la radiación sobre el aire. Sin embargo se pueden encontrar muchos más instrumentos que evalúan la dosis de radiación mediante otros fenómenos. A continuación se mencionarán algunos instrumentos utilizados para la dosimetría:
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Cámara de Ionización: Son la base de los detectores gaseosos. Consisten en dispositivos en los que el gas que contienen es ionizado por radiación (originalmente rayos X), los iones producidos son colectados por placas opuestas (catodo y anodo), de manera que se registra una corriente con un miliamperímetro. La intensidad de corriente aumenta con el voltaje, hasta llegarse a una meseta al producirse la máxima ionización. Aumentando el voltaje se llega a un punto en el cual la producción de iones aumenta nuevamente, es la ionización secundaria causada por la energía cinética de los iones. Las cámaras de ionización se usan ampliamente en la industria nuclear, pues proporcionan un valor proporcional a la dosis recibida y tienen una vida útil mayor que los tubos Geiger estándar. Las cámaras de ionización se usan en medicina nuclear para determinar la actividad exacta de los tratamientos radiactivos terapéuticos. Contadores proporcionales: Los impulsos producidos por una sola interacción en un detector de gas que funcione en régimen proporcional son detectables, pero muy pequeños, y necesitan ser amplificados. El nombre de contadores es debido a que pueden distinguir las interacciones ocurridas en el detector de forma individual y de esta manera proceder a su recuento. Son obviamente más sensibles que las cámaras de ionización. Este tipo de detector permite realizar espectrometría para los rayos x o γ de baja energía, ya que la señal detectada es proporcional a la energía liberada por la partícula incidente. La pared de la ventana de entrada suele estar hecha de latón o cobre. El popular detector de contaminación portátil Berthold, es un contador proporcional, usualmente relleno con Xenón. Presenta una buena sensibilidad para las betas y las gammas de la mayoría de los radionucleidos utilizados con fines sanitarios. Está provisto de teclas que activan las calibraciones internas para medir Bq/cm 2. Los modelos para medir partículas alfa y beta utilizan como gas de relleno el butano. Detector de Geiger-Müller: Son detectores de ionización, que funcionan a una alta tensión, en una región donde por un solo evento se produce un pulso de avalancha. En general, estos contadores se prevén para la detección de radiación beta o fotónica. Dado el gran poder de penetración de los fotones, las paredes del tubo pueden ser de vidrio o metal relativamente gruesos, no así en el caso de las partículas beta (pues son rápidamente frenadas en un material denso). Para que el detector resulte sensible a estas partículas, es necesario que disponga de una ventana fina que permita el ingreso de las partículas beta. Para que tenga lugar la detección de un fotón X y gamma, debe por lo menos liberarse un electrón secundario, lo cual puede realizarse por interacción tanto con el gas de llenado como con el material de las paredes (cátodo) o del ánodo. El electrón liberado debe a su vez, alcanzar el volumen sensible del contador (volumen delimitado por el campo eléctrico, donde tiene lugar la multiplicación de iones) e iniciar una avalancha. La eficiencia intrínseca (relación entre el número de las partículas contadas y de las que llegan al detector) de un contador Geiger-Müller para radiación fotónica en general no pasa del 1 ó 2%. En el caso de la radiación beta, dado su elevado poder de ionización, si el espesor de la ventana es
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suficientemente delgado, el valor de la eficiencia intrínseca del detector puede llegar hasta el 90%. Cuando se emplea un contador Geiger-Müller para medir intensidad del campo de radiación fotónica a través de la magnitud Exposición, debe considerarse la variación de la sensibilidad de respuesta (expresada en cuentas por unidad de exposición) en función de la energía de la radiación. La variación de sensibilidad con la energía representa un inconveniente cuando se desea medir exposición en un campo de fotones multienergéticos. En estos casos se recurre a la utilización de contadores Geiger-Müller ecualizados en energía. La ecualización consiste en revestir el contador con blindajes de bajo número atómico (tal como aluminio o lucite), que aplanan la curva de sensibilidad. Dosímetros Químicos: Dosímetros basados en la acción de catalizadora de la radiación en reacciones químicas. Ejemplo de este es el dosímetro Fricke que es parte de la familia dosímetros químicos. Se compone de una solución acuosa de sulfato ferroso y ácido sulfúrico a alta pureza, encerrado en un contenedor que no alterará el campo de radiación dentro de la misma. La solución consiste principalmente de: : 1mol/m3 : 400mol/m3 : 1mol/m3, que tiene el propósito de minimizar los efectos debidos a las impurezas de compuestos orgánicos. Se requiere la solución de alta pureza, ya que las impurezas alterarían los presupuestos de las reacciones químicas. En el paso de la radiación ionizante en la solución es la formación de radicales libres que, mediante la interacción con iones ferrosos disueltos en el agua, dan lugar a la formación de iones férricos
.
Dosímetros fotográficos: Muestran la dosis mediante el oscurecimiento de películas de bromuro de plata. Estos dosímetros poseen una serie de filtros absorbentes de diversos materiales (plástico, aluminio, cobre, cadmio, plomo, etc.,) que permiten la identificación de las características físicas de la radiación. Un ejemplo de estos tipos de dosímetros son los dosímetros personales tipo film monitores. El dosímetro personal es un detector de radiaciones de tipo ionizante – tales como las provenientes de los equipos de radiodiagnóstico o fuentes radiactivas – cuyo principal objetivo es integrar las dosis de radiación recibidas por el personal expuesto a dicho agente de riesgo en razón de su ocupación, durante un determinado periodo. Los resultados provenientes del análisis de los dosímetros personales permiten evaluar cuantitativamente el grado de exposición ocupacional del personal que se desempeña en los distintos servicios. Esta información es fundamental a la hora de determinar si las dosis de radiación recibidas por el personal están dentro de los límites establecidos como razonablemente seguros en las legislaciones vigentes.
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Si se tiene en cuenta además que los efectos clínicamente observables de las radiaciones ionizantes comienzan a manifestarse a niveles de dosis muy por encima de los límites establecidos en la reglamentación nacional, se puede inferir que la manera más eficiente de desarrollar un programa de vigilancia epidemiológica del personal expuesto es a través del análisis de los resultados dosimétricos. Este criterio es importantísimo, si se considera además que el agente físico en cuestión no presenta umbral, vale decir, si se establece una correlación entre la dosis versus la probabilidad de ocurrencia de daño, la curva que representa el fenómeno pasa por el origen del plano coordenado. De acuerdo a lo anterior, y a otras consideraciones más específicas, es que la Autoridad Sanitaria ha establecido el uso del Dosímetro Personal de Radiaciones, como obligatorio para toda persona expuesta en razón de su ocupación. Dosímetros de termoluminiscencia: Se llama termoluminiscencia a la emisión de luz que exhiben ciertas sustancias al ser calentadas, si previamente han sido expuestas a la acción de las radiaciones ionizantes. La radiación ionizante al atravesar ciertos materiales, ceden parte de su energía produciendo fenómenos de excitación. En los materiales utilizados en la dosimetría por termoluminiscencia, también llamada TLD, la des excitación no se produce de forma inmediata, sino que necesita un aporte energético en forma de calor para que tenga lugar, pues los electrones excitados quedan atrapados y no pueden recombinarse espontáneamente. La intensidad de luz emitida en la des excitación está directamente relacionada con la dosis de radiación recibida por el material, lo que constituye la base de la dosimetría TLD Los materiales más adecuados para TLD son ciertos cristales entre los que se encuentran el fluoruro de litio (LiF) y el fluoruro de calcio (CaF2). Estos cristales, prensados, suelen ir alojados en un portadosímetros que se sujeta a la ropa de trabajo o se coloca en la zona de la que se desee obtener información dosimétrica. Los dosímetros de termoluminiscencia son más precisos que los de película fotográfica, además pueden ser borrados y utilizados de nuevo repetidas veces, por lo que su uso está muy extendido.
MAGNITUDES Y UNIDADES R ADIOLÓGICAS
Es importante conocer las magnitudes radiológicas referentes a la actividad radiactiva, exposición, dosis absorbida y dosis equivalente. Para la actividad radiactiva se cuenta con las unidades de becquerel (Bq), Curie (Ci) y la constante de Marinelli. El becquerel equivale a una desintegración por segundo la cual es la unidad de la actividad de una muestra. El Curie equivale al número de desintegraciones que sufre un gramo de radio. Es importante conocer también que un Curie es equivalente a 3.7x10 10 Bq. En el caso de la constante de Marinelli la cual se dice que es la cantidad de unidades Roentgen que emite una fuente puntual radiactiva de 1mCurie durante una hora a 1 cm de distancia. Esta puede ser utilizada para determinar la dosis de radiación al multiplicar la constante 33
por la actividad en curíes y la cantidad de horas en las cuales se emiten dicho tipo de radiación dividido entre la distancia a la cual se aplica la radiación al cuadrado. La expresión matemática del mismo seria entonces:
=·
ó ó
En cuanto a la exposición la misma se refiere a la cantidad de radiación que incide sobre un cuerpo. Esta se da en unidades de Columbio/Kilogramo y se daba con anterioridad en unidades de röntgen. Es de importancia conocer que en 1C/Kg hay 3.8x10 3 R y 1R es igual a 2.58x10-4. Para la absorción la misma se da en gray la cual es la cantidad de radiación ionizante que produce la absorción de 1J/Kg. Anteriormente se utilizaba la unidad de rad la cual se define como la cantidad de radiación ionizante que produce una absorción de energía de 100 ergios/g. La relación entre ambas unidades dice que por cada gray hay 100 rad. La dosis equivalente se refiere a una magnitud física que describe el efecto relativo de los distintos tipos de radiaciones ionizantes sobre los tejidos vivos. Esta se da en unidades de sievert la cual es la radiación determinada que produce el mismo efecto biológico que la absorción de 1gray. Matemáticamente la dosis equivalente(H) puede determinarse multiplicando la dosis absorbida(D) por un factor de calidad(Q) y un número que contiene el ritmo de las diferentes dosis, la posible existencia de dosis fraccionarias, etc.(N). A este número se le ha asignado un valor de 1 por la International Comission on Radiological Protection. La expresión matemática del mismo es:
=·· Esta última fórmula es ampliamente utilizada en la radiología y en los tratamientos de la medicina nuclear ya que nos permite saber la cantidad de radiación que está recibiendo un paciente en función del efecto biológico que está causando sobre este. De esta manera se tienen valores de dosis indicados para cada paciente dependiendo de su afectación y la gravedad de este. Además proporciona al personal encargado de la administración de dichos tratamientos un valor de dosis de radiación a la que ellos pueden estar expuestos sin presentar efectos adversos. Por ultimo existe una magnitud relativa llamada EBR o eficacia biológica relativa la cual es la división entre la dosis de rayos X con una energía de 200KeV que producen un efecto biológico determinado y la dosis de la radiación estudiada que produce el mismo efecto. Esta puede expresarse matemáticamente como:
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ANEXOS
PROBLEMAS APLICADOS
1.
2.
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3.
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4.
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Ejemplos de Absorción 1. El Efecto Fotoeléctrico El trabajo de extracción del sodio es 2,5 eV, lo iluminamos con luz monocromática de longitud de onda 2,0 × 10−7 . Determinar la frecuencia umbral del sodio y la energía cinética de los electrones emitidos. h= 6,63 × 10−4 J.s; c= 3,00 × 108 m/s; 1 eV= 1,60 × 10−9 J
2. El efecto Compton Se dispersan rayos X de longitud de onda = 0,200 nm de un bloque de material. Los rayos X dispersados se observan a un angulo de 45° en relación con el haz incidente. Calcule su longitud de onda.
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CONCLUSIÓN
Después de haber realizado la investigación sobre la absorción y dosimetría de las radiaciones electromagnéticas hemos llegado a las siguientes conclusiones:
Es posible utilizar la radiación electromagnética en la medicina porque esta aumenta el nivel energético basal de los átomos posibilitando así la destrucción de las células cancerígenas. Los coeficientes generales de absorción, atenuación y difusión nos permiten predecir el comportamiento de la radiación electromagnética en un determinado material, por ejemplo los rayos x que atraviesan la masa muscular, pero se detienen en los huesos; por las propiedades que estos poseen. Es imprescindible tomar las precauciones necesarias al administrar radiaciones ionizantes, pues si no se tiene el debido cuidado, estas pueden producir efectos perjudiciales en la salud del paciente. La dosimetría tiene una aplicación de gran importancia en la protección del personal encargado de realizar los tratamientos o estudios usando estos tipos de radiaciones y para la calibración de dichos aparatos al ofrecer rangos con los cuales se puede trabajar de manera óptima sin causar daños a corto o largo plazo. Cuando la radiación electromagnética incide sobre un cuerpo, parte de esta energía tiende a ser absorbida por el material, por lo que la intensidad de la energía incidente, no es igual a la emergencia. La capacidad de absorción de un cuerpo, depende de las partículas que se interpongan en el recorrido de la onda (concentración del material), de la longitud que la onda debe recorrer a través del material y la probabilidad de que el fotón de esa amplitud pueda absorberse por el material. Para disminuir el daño a los tejidos humanos al tratar tumores con ondas electromagnéticas se introduce el concepto físico conocido como el Pico de Braggs. Este permite determinar el alcance máximo de la radiación a través de un determinado tejido, de esta manera es posible aplicar la radiación solo sobre el área afectada, de tal manera que los tejidos adyacentes a esta no se vean afectados; es decir, la energía se deposita con mayor intensidad sobre un área específica.
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