Transcript Biofísica de las Radiaciones

Unidad 9
Biofísica de las radiaciones
Dr. Juan José Aranda Aboy
Profesor e Investigador Titular
Contenido y Objetivos
1.
2.
3.
4.
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
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
Onda electromagnética
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
Espectro electromagnético
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
Interacción de radiación
electromagnética con la materia
I.
Rotación
molecular.
II. Vibración atómica.
III. Excitación.
IV. Efecto fotoeléctrico.
V. Efecto Compton.
VI. Formación de
pares.
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
Primera Radiografía
Humana en 1895
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:
1.
2.
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
Características
•
Las dos, que determinan su gran utilidad
en aplicaciones biomédicas, son
1. su gran capacidad de penetración en la
materia,
2. así como su capacidad de interacción con
material biológico (capacidad de ionización).
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
Espectro de la radiación  de un
nuclido
Dr. Juan José Aranda Aboy
Producción por Excitación 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
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
Características
•
Las características de esta radiación que
la hacen útil para aplicaciones en la
medicina son fundamentalmente:
1. su alta capacidad de penetración; y que
2. su nivel de interacción con materiales
biológicos esta en función de su energía.
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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
Interacción de las partículas  con
la materia
Dr. Juan José Aranda Aboy
Espectro de radiación  de un nuclido
Dr. Juan José Aranda Aboy
Interacción de los neutrones con la
materia
Colisión elástica.
Captura radiactiva.
Colisión elástica con el núcleo de
un átomo de hidrógeno.
Dr. Juan José Aranda Aboy
Transmutación.
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
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
Degradación de proteína
Dr. Juan José Aranda Aboy
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.
Relación entre el efecto biológico relativo y
la absorción de radiación del DNA
Dr. Juan José Aranda Aboy
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
Escalas de dosificación de las
radiaciones ionizantes
•
En estas condiciones es indispensable extremar las medidas de seguridad radiológica para 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
Tipo de radiación
rayos X y gamma
partículas 
neutrones
protones
partículas 
Factor de calidad
1
1
10
10
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
Efectos biológicos en función de la
dosis de radiación
Dr. Juan José Aranda Aboy
•
•
•
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
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
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
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
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
•
•
•
•
•
•
•
•
Avendaño Cervantes,G.E. “Fundamentos técnicos de Radiología y
Tomografía Axial Computarizada” Ed. Diana, 1993, ISBN 968-132392-0
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