Unidad 9 Biofísica de las radiaciones

1. Unidad 9 Biofísica de las radiaciones Dr. Juan José Aranda Aboy Profesor e Investigador Titular

2. Contenido y Objetivos • Origen y clasificación de las radiaciones. • Interacción de las radiaciones con la materia. • Detección de las radiaciones ionizantes. Dosimetría • Radiaciones no ionizantes. • Explicar las principales causas de exposición a radiaciones con que nos encontramos los seres vivos. • Describir los efectos comprobados de las radiaciones a la salud. • Caracterizar y explicar las principales normas de seguridad para los seres humanos relativas al uso médico de radiaciones. Dr. Juan José Aranda Aboy

3. Origen y clasificación • Radiación es el proceso de emisión de energía atómica y su transmisión a través del espacio. • La energía puede transmitirse en el espacio en dos formas: como partículas o en forma de onda. • Las partículas pueden ser consideradas como pequeños paquetes de materia que viajan a una determinada velocidad que es menor en relación con la de la luz. • Su energía es: donde: E es la energía cinética, m es la masa de la partícula y v es su velocidad. Dr. Juan José Aranda Aboy

4. Onda electromagnética Dr. Juan José Aranda Aboy

5. Frecuencia y Longitud de Onda Dado que la radiación electromagnética es una onda compuesta de un campo eléctrico y un campo magnético, cada uno de ellos situado en un plano ortogonal al otro, y ambos ortogonales a la dirección de propagación de la onda, se llama longitud de onda () a la longitud de una oscilación completa, y frecuencia (), al número de oscilaciones por segundo. Ambos constituyen parámetros característicos del tipo de radiación, y su relación es inversa: donde la constante de proporcionalidad es precisamente la velocidad de la luz: c = 3 x 108 m /s (realmente: 2.99792 x 108 m / s). Dr. Juan José Aranda Aboy

6. Espectro electromagnético Dr. Juan José Aranda Aboy

7. Características duales: onda y partícula • La radiación electromagnética, en dependencia de cómo sea observada y / o medida, viaja formando paquetes discretos de energía llamados fotones. • La energía de un fotón depende de su frecuencia, o de su longitud de onda λ, según la fórmula: E = h *μ = h * c / λ donde h es la constante de Planck (6.62618 * 10-34Js). • A mayor frecuencia, o lo que es lo mismo, a menores longitudes de onda de vibración, la energía transportada es mayor. Dr. Juan José Aranda Aboy

8. Interacción de radiación electromagnética con la materia • Rotación molecular. • Vibración atómica. • Excitación. • Efecto fotoeléctrico. • Efecto Compton. • Formación de pares. Dr. Juan José Aranda Aboy

9. Primera Radiografía Humana en 1895 Rayos X • Descubiertos en 1895 por Roentgen. • Primer ejemplo conocido de radiación ionizante de naturaleza electromagnética. • Clave del descubrimiento: tubo de Crooke, ampolla de vidrio en la que se había hecho un fuerte vacío. • En un extremo, un electrodo formaba el cátodo. • En el otro extremo, una gruesa pieza de cobre formaba el ánodo. • Cuando se aplicaba a los electrodos un elevado voltaje, los electrones saltaban del ánodo hacia el cátodo de cobre. • La interacción entre los electrones negativos, y los núcleos de los átomos, cargados positivamente, producía desviaciones en los electrones, y por tanto, cambios en la energía de estos, que era emitida en forma de radiaciones electromagnéticas de corta longitud de onda que podían atravesar las substancias e impresionar placas fotográficas protegidas, radiaciones a las que Roentgen llamó Rayos X. • En los tubos de rayos X actuales se emplea tungsteno como cátodo y se ha conseguido una modulación muy fina de la energía de las radiaciones emitidas; y por tanto, de su penetración, a fin de conseguir imágenes más definidas. Dr. Juan José Aranda Aboy

10. Producción Tipo de radiación electromagnética de origen orbital, cuya longitud de onda se encuentra entre 1.5 x 10-10 m y 120 x 10-10m, esta radiación es generada en dos formas diferentes: • Rayos X de frenado (bremsstmhlung): Cuando un electrón acelerado choca con un blanco, generándose una perdida de velocidad (frenado), y liberándose energía en forma de fotones de esta longitud de onda: conversión de energía cinética en energía cuántica, según la teoría electromagnética. El espectro es continuo, como se observa en la figura. • Rayos X característicos: Cuando un átomo es excitado por un fotón: absorbe energía, y expulsa un fotoelectrón cercano al núcleo con nivel de energía bajo. En estas circunstancias se ha generado un hueco en este nivel que debe ser cubierto por un electrón de un nivel mas alto, al efectuarse esta transición se libera la diferencia energética en forma de un fotón de rayos X. El espectro en este caso es discontinuo. Dr. Juan José Aranda Aboy

11. Características • Las dos, que determinan su gran utilidad en aplicaciones biomédicas, son • su gran capacidad de penetración en la materia, • así como su capacidad de interacción con material biológico (capacidad de ionización). Dr. Juan José Aranda Aboy

12. Radiaciones gamma (Rayos ) • Tienen su origen en el núcleo excitado. • A menudo, tras emitir una partícula  o , el núcleo tiene todavía un exceso de energía, que elimina en forma de ondas electromagnéticas de elevada frecuencia. • Como todas las demás formas de radiación electromagnética, estas ondas no tienen masa ni carga, e interaccionan con la materia colisionando con las capas electrónicas de los átomos con los que se cruzan, perdiendo muy lentamente su energía, por lo que pueden atravesar grandes distancias. • Su energía es variable, pero en general pueden atravesar cientos de metros en el aire, y son detenidas solamente por capas grandes de hormigón, plomo o agua. • Aunque no hay átomos radiactivos que sean emisores gamma puros, algunos son emisores muy importantes, como el Tecnecio 99, utilizado en Medicina Nuclear, y el Cesio 137, que se usa sobre todo para la calibración de los instrumentos de medición de radiactividad. Dr. Juan José Aranda Aboy

13. Espectro de la radiación  de un nuclido Dr. Juan José Aranda Aboy

14. Producción porExcitación nuclear Cuando un núcleo hijo absorbe energía pierde su estado de equilibrio (excitación provocada por un núcleo radiactivo padre) y se inicia un proceso de recombinaci6n nuclear cuya finalidad es recuperar la estabilidad. • Algunos de estos núcleos liberan energía de inmediato y emiten radiación gamma (decaimiento instantáneo); en otros, esta emisión es prolongada y propicia la estabilización del núcleo hijo (transición isomérica). • Si el núcleo hijo excitado “captura” partículas subatómicas tales como electrones o neutrones por ejemplo, se incrementa su inestabilidad y se repite el esquema de producción de rayos . Dr. Juan José Aranda Aboy

15. Producción por Reacción de aniquilación Cuando se combinan un positrón (+) y un negatrón (-). Esto genera energía (E = mc2 ) suficiente para producir dos cuantos de rayos gamma, liberándolos en direcciones opuestas. Dr. Juan José Aranda Aboy

16. Características • Las características de esta radiación que la hacen útil para aplicaciones en la medicina son fundamentalmente: • su alta capacidad de penetración; y que • su nivel de interacción con materiales biológicos esta en función de su energía. Dr. Juan José Aranda Aboy

17. Partículas • El otro gran grupo de radiaciones ionizantes es el representado por la energía ligada a partículas subatómicas que están dotadas de gran velocidad, y por tanto, energía; unas veces cargadas y otras neutras. • La ecuación de De Broglie asimila a cada una de estas partículas una longitud de onda determinada:  = h / p donde p es el momento cinético de la partícula. Dr. Juan José Aranda Aboy

18. Radiactividad • Mientras que la mayor parte de la radiación electromagnética tiene su origen en los cambios en el estado de excitación de las capas electrónicas de los átomos, y solamente la radiación más energética proviene del núcleo, la radiación ligada a partículas suele tener su origen en la inestabilidad de los núcleos de determinados átomos. • Un núcleo inestable tiene un exceso de energía interna, y, de forma espontánea, tiende a convertirse en otro átomo más estable, expulsando la energía sobrante en forma de partículas de velocidad cercana a la de la luz, o de radiación electromagnética tipo gamma. • A este tipo de átomos naturalmente inestables se les denomina radiactivos. • Los cambios que suceden en estos átomos de forma espontánea para convertirse en otros más estables son llamados desintegración radiactiva. • Se llama pues radiactividad a la característica de algunos materiales de emitir de forma espontánea radiación ionizante. • Se llama vida media de una sustancia radiactiva al tiempo requerido para que la cantidad original de materia radiactiva se reduzca a la mitad. • Todas las substancias radiactivas tienen una vida media característica, algunas muy larga, y otras extremadamente corta. Así, mientras el Uranio 238 tiene una vida media de 4.5 x 109 años, el Carbono 11 tiene una vida media de tan solo 11 minutos. • La cantidad de material radiactivo presente en un momento dado, se mide en Curies (Ci), unidad equivalente a 3.7 x 1010 desintegraciones por segundo (dps), o bien en Becquerels (Bq), unidad equivalente a 1 dps. • El Curie recibe su nombre en honor a Pierre y Marie Curie, descubridores del Radio, y el Becquerel en honor a Henry Becquerel, a quien se atribuye el descubrimiento de la radiactividad. • El Curie es una elevada cantidad de radiactividad, mientras que el Becquerel es extremadamente pequeña, por lo que habitualmente se utilizan unidades múltiplos o submúltiplos de ellas, como el mili o micro Ci, o el megaBq. • Ejemplos de este tipo de radiación son las partículas , , protones, neutrones, neutrinos, entre otros. Sólo se revisaran las dos primeras partículas. Dr. Juan José Aranda Aboy

19. Interacción de las partículas  con la materia Dr. Juan José Aranda Aboy

20. Espectro de radiación  de un nuclido Dr. Juan José Aranda Aboy

21. Colisión elástica con el núcleo de un átomo de hidrógeno. Colisión elástica. Transmutación. Captura radiactiva. Interacción de los neutrones con la materia Dr. Juan José Aranda Aboy

22. Rayos cósmicos • Partículas altamente energéticas que bombardean la superficie de la Tierra procedentes del espacio profundo. • Son más intensas a altitudes elevadas que a nivel del mar, ya que la atmósfera provee de una cierta protección, sobre todo debida a la capa de ozono de sus capas exteriores. Dr. Juan José Aranda Aboy

23. Efectos bioquímicos de las radiaciones ionizantes • Al destruir las moléculas se generan fragmentos denominados radicales libres, responsables de buena parte de los efectos químicos de las radiaciones. • Un radical libre es un átomo ó grupo de átomos eléctricamente neutro pero que tiene un octeto electrónico incompleto y, por lo tanto, posee electrones no apareados, por lo que poseen una gran reactividad química, lo que les confiere una vida muy efímera en un medio acuoso. Dr. Juan José Aranda Aboy

24. Degradación de proteína Dr. Juan José Aranda Aboy

25. Relación entre el efecto biológico relativo y la absorción de radiación del DNA Ley de Radiosensibilidad La sensibilidad de un tejido a la irradiación es directamente proporcional a su capacidad reproductiva e inversamente proporcional a su grado de diferenciación. Dr. Juan José Aranda Aboy

26. Radiaciones infrarrojas, de la luz visible y ultravioletas • Las ondas electromagnéticas de la región baja del espectro no tienen energía suficiente para ionizar átomos, aunque ello no quiere decir que, en determinadas circunstancias no puedan causar lesiones. Aunque la radiación ultravioleta dista mucho de tener la penetración de las ondas de regiones más elevadas del espectro, puede, tras la exposición aguda prolongada, dar lugar a lesiones cutáneas en forma de quemaduras, y es capaz de causar lesiones fotoquímicas celulares acumulativas y cambios degenerativos celulares que pueden aparecer largo tiempo después en forma de melanomas o carcinomas baso celulares, o de alteraciones de la inmunidad de las células de la piel. Otras ondas de aún mayor longitud, como los infrarrojos o las microondas, son capaces de depositar su energía en el interior de los tejidos, y una exposición prolongada puede dar lugar a quemaduras. Existe también desde hace tiempo una polémica acerca de los efectos de ondas de energía todavía inferior, como las ondas de radio o la exposición a campos eléctricos, que serían capaces de modificar los flujos iónicos a través de las membranas celulares, y por tanto, alterar su función. • Las únicas acciones biológicas que los rayos infrarrojos son capaces de producir son, por ejemplo, vaso dilatación como resultado del calor que pueden generar en los tejidos. La piel absorbe ó refleja la mayor parte de los rayos infrarrojos, y sólo es relativamente transparente para las longitudes de onda comprendidas entre los 700 y 1500 nm, las cuales no llegan a sobrepasar 3 mm de profundidad. • Los efectos mas importantes de la luz visible son los relacionados con la fotosíntesis y la visión. • La radiación ultravioleta proveniente del sol es absorbida en su mayoría por la atmósfera, de modo que sólo se reciben longitudes de onda de 295 nm en adelante. Estas radiaciones son absorbidas por el agua de manera muy fuerte. Sus efectos mas importantes son su acción fotoquímica (280 nm) y bactericida (265 nm). En ambos casos existe alta coincidencia entre el espectro de acción y los de absorción de las proteínas y ácidos nucleicos. • Los rayos ultravioleta son parcialmente reflejados por la piel. La parte que penetra es absorbida completamente por ella sin llegar a mas de 2 mm de profundidad. Dr. Juan José Aranda Aboy

27. Escalas de dosificación de las radiaciones ionizantes • En estas condiciones es indispensable extremar las medidas de seguridad radiológicapara los seres vivos. Paradójicamente, esta característica de afectación de la estructura de los ácidos nucleicos, entre otras biomoléculas, es aprovechada en la aplicación de radiación como un recurso terapéutico, precisamente para provocar la muerte celular o inhibir al menos su reproducción. Es importante señalar que en el caso de radiación X y gamma es la energía de las emisiones primarias la que tiene un efecto biológico. • La primera unidad de dosificación de la radiación utilizada fue el roentgen (R), que se define en términos del numero de pares iónicos que se producían en el aire seco: 1 R = 2.083 x 109 pares iónicos /cm3 de aire en condiciones normales de temperatura y presión. • La dosis de radiación absorbida, el Rad., se define como la cantidad de radiación absorbida por unidad de masa: 1 Rad. = 10-5J / Kg. • Actualmente la unidad de dosis absorbida (DA) definida en el sistema internacional de unidades es el Gray: 1 Gray = 100 Rad. • Una misma dosis absorbida de radiación puede generar diferentes efectos en un mismo tejido, a partir de la naturaleza de dicha radiación, de aquí se ha definido una unidad de absorción de dosis equivalente en el hombre (rem); esto es, la dosis equivalente de absorción se define como la dosis de absorción multiplicada por un "factor de calidad", la Eficacia Biológica Relativa, que esta en función del tipo de radiación, por ejemplo: Dr. Juan José Aranda Aboy

28. Tipo de radiación Factor de calidad rayos X y gamma 1 partículas  1 neutrones 10 protones 10 partículas 20 una dosis de absorción de 1 cGy (centi Gray) de partículas alfa equivale a una dosis equivalente absorbida de 20 rems. El efecto biológico de las partículas  es 20 veces mayor que el efecto biológico producido por rayos X. Dr. Juan José Aranda Aboy

29. Efectos biológicos en función de la dosis de radiación Dr. Juan José Aranda Aboy

30. Dosimetría • La radiación, al interaccionar con la materia, le cede energía. • La dosis es una medida de la energía absorbida por parte de un medio expuesto a una radiación determinada. • Se clasifica como: • de exposición ó irradiación: toma como referencia a la magnitud de la ionización producida en el aire por una radiación electromagnética. • de absorción: cociente entre la energía absorbida y la masa de la sustancia absorbente. • De acuerdo con la fuente, puede hablarse de: 1.- externa: aquella fuente radiactiva localizada fuera del organismo. 2.- interna: la que se encuentra dentro del organismo. Dr. Juan José Aranda Aboy

31. Relación dosis – distancia • De acuerdo con la ley del valor medio, la dosis recibida decrece con el cuadrado de la distancia. • La distribución de la dosis en el cuerpo ante el ingreso de un elemento radiactivo dependerá de: • La naturaleza química del elemento radiactivo. Influye en su concentración en tejidos específicos del cuerpo. • El tipo de radiación empleada. • El tiempo medio de vida del isótopo considerado. • El tiempo medio de vida del elemento considerado. • Las dosis máximas permisibles están reguladas por la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP). El límite para una dosis en todo el cuerpo es 5 rem / año. Dr. Juan José Aranda Aboy

32. Exposición natural • Existe exposición natural a: • Radiación cósmica proveniente del sol y del espacio exterior, • Radionúclidos cosmogénicos, principalmente Carbono 14, producido por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera, y • Radionúclidos naturales como el K40, la serie del Uranio y la de Torio • Esta radiación natural ó de fondo llega en forma uniforme a toda la población, y representa aproximadamente 0,1 rem / año. Dr. Juan José Aranda Aboy

33. Detección • por Ionización de un gas – Contador de “Geiger – Muller”: • Es una cámara de ionización: cilindro metálico al vacío que contiene un gas ionizable (por ejemplo: Argón) y dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial entre 400 y 1500 voltios. • En condiciones de “reposo” no pasa corriente por el sistema, ya que el gas es no conductor. La entrada de radiación ioniza al gas que se transforma en conductor y el sistema detecta el paso de corriente. • Al cabo de un intervalo de tiempo el gas pierde su estado ionizado, por lo que el sistema está listo para detectar una nueva radiación. • La actividad detectada se expresa en “cuentas por minuto” registradas. • Es óptimo para detectar radiación , aunque también se le utiliza para la detección de radiaciones X ó . • por Centelleo: Se utiliza fundamentalmente para detección de radiación . Parte del fenómeno que se produce en algunos cristales al incidir radiación sobre ellos. • fotográfica: Las radiaciones ionizantes, fundamentalmente los rayos X y  tienen la propiedad de ennegrecer una película fotográfica de manera proporcional a la dosis de radiación recibida. Los detectores por ionización y por centelleo requieren de un equipamiento electrónico formado, entre otras partes, por: Fuente de alta tensión, Amplificadores y preamplificadotes, Discriminadores y Escalímetro. Dr. Juan José Aranda Aboy

34. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Avendaño Cervantes,G.E. “Fundamentos técnicos de Radiología y Tomografía Axial Computarizada” Ed. Diana, 1993, ISBN 968-13-2392-0 • Davidovits,P. “Physics in Biology and Medicine” 2nd Ed. Academic Press, 2001 (ISBN 0-12-204840-7) Cap. 16, pp 224-251 • Franco García, A. “Física con ordenador. Curso Interactivo de Física en Internet”, 2002, http://www.sc.ehu.es/sbweb/index.htm • Frumento S.A. “Biofísica” 3ra edición. Ed. Mosby / Doyma Libros, 1995, (ISBN 84-8174-073-X) Caps. 24 al 29, pp 449-562 • Hobbie,R.K. “Intermediate Physics for Medicine and Biology” 3rd Ed. Springer-Verlag, 1997 (ISBN 1-56396-458-9) Cap. 12 al 17, pp 322-517 • Jou,D.; Llebot,J.E. y Pérez García,C. “Física para Ciencias de la Vida” McGrawHill / Interamericana, 1994 (ISBN 84-481-1817-0) Cap. 8, pp 489-515 • Parisi,M. “Temas de Biofísica”. McGrawHill /Interamericana, 2001 (ISBN 956-278-144-5) Cap. 7, pp 133-171 • Valdés,R.; Azpiroz,J.; Hernández,M. y Cadena,M. “Imagenología Médica” Ed. UNAM, 1995, ISBN 970-620-598-5 Dr. Juan José Aranda Aboy