30.4: Aplicaciones de la Física Nuclear

Ejemplo\(\PageIndex{1}\):

La gammagrafía ósea de cuerpo entero de medicina nuclear se usa generalmente en evaluaciones de diversas patologías relacionadas con el hueso, como para el dolor óseo, fractura por estrés, lesiones óseas no malignas, infecciones óseas o la diseminación del cáncer al hueso.

La radioterapia implica la aplicación de radiación ionizante para tratar afecciones como hipertiroidismo, cáncer de tiroides y trastornos sanguíneos. La radioterapia es particularmente efectiva como tratamiento de varios tipos de cáncer si se localizan en un área del cuerpo. También se puede utilizar como parte de la terapia curativa, para prevenir la recurrencia del tumor después de la cirugía, o para extirpar un tumor maligno primario. La radioterapia es sinérgica con la quimioterapia y se ha utilizado antes, durante y después de la quimioterapia en cánceres susceptibles.

La radiación ionizante funciona dañando el ADN del tejido expuesto, lo que lleva a la muerte celular. Cuando se usa terapia de haz externo, los haces de radiación conformados se dirigen desde varios ángulos de exposición para cruzarse con el tumor, proporcionando allí una dosis absorbida mucho mayor que en el tejido sano circundante.

Terapia de Haz Externo: Radioterapia de la pelvis. Los láseres y un molde debajo de las patas se utilizan para un posicionamiento preciso

La braquiterapia es otra forma de radioterapia, en la que se inyecta un radioisótopo terapéutico en el cuerpo para localizarlo químicamente en el tejido que requiere destrucción. Una característica clave de la braquiterapia es que la irradiación afecta solo a un área muy localizada alrededor de las fuentes de radiación. Por lo tanto, en esta técnica se reduce la exposición a la radiación de tejidos sanos más alejados de las fuentes.

La radioterapia es en sí misma indolora. Muchos tratamientos paliativos de dosis bajas (por ejemplo, radioterapia dirigida a metástasis óseas) causan efectos secundarios mínimos o nulos, aunque se pueden experimentar llamaradas de dolor a corto plazo en los días posteriores al tratamiento debido a edemas que comprimen los nervios en el área tratada. Las dosis más altas pueden causar efectos secundarios variables durante el tratamiento (agudo), en los meses o años posteriores al tratamiento (a largo plazo), o después del nuevo tratamiento (acumulativo). La naturaleza, gravedad y longevidad de los efectos secundarios dependen de los órganos que reciben la radiación, el tratamiento en sí (tipo de radiación, dosis, fraccionamiento, quimioterapia concurrente) y el paciente individual.

Dosimetría

La dosimetría de radiación es la medición y cálculo de la dosis absorbida resultante de la exposición a la radiación ionizante.

objetivos de aprendizaje

• Explicar la diferencia entre la dosis absorbida y la dosis equivalente.

La dosimetría de radiación es la medición y cálculo de la dosis absorbida en materia y tejido resultante de la exposición a radiación ionizante indirecta y directa.

Medición de Radiación

Existen varias formas de medir la dosis de radiación ionizante. Los trabajadores que entran en contacto con sustancias radiactivas o que pueden estar expuestos a la radiación llevan rutinariamente dosímetros personales. En Estados Unidos, estos dosímetros suelen contener materiales que pueden ser utilizados en dosimetría termoluminiscente o luminiscencia estimulada ópticamente. Fuera de Estados Unidos, el tipo de dosímetro personal más utilizado es el dosímetro de placa de película, que utiliza emulsiones fotográficas que son sensibles a la radiación ionizante. El equipo utilizado en radioterapia (un acelerador lineal de partículas en terapia de haz externo) se calibra rutinariamente mediante cámaras de ionización o la nueva y más precisa tecnología de diodos. La dosimetría interna se utiliza para evaluar la ingesta de partículas dentro de un ser humano.

Cámara de Ionización: Esta cámara de ionización se utilizó en el proyecto de sonda de anomalías del Atlántico Sur.

La dosis se reporta en grises (Gy) para dosis absorbidas o sieverts (Sv) para dosis equivalentes, donde 1 Gy o 1 Sv es igual a 1 julio por kilogramo. Las unidades no SI también son prevalentes: la dosis absorbida a menudo se reporta en rads y la dosis equivalente en rems. Por definición, 1 Gy = 100 rad, y 1 Sv = 100 rem.

Efectos Biológicos

La distinción entre la dosis absorbida (Gy/rad) y la dosis equivalente (SV/REM) se basa en los efectos biológicos. Se han establecido el factor de ponderación (wr) y el factor de ponderación de tejido/órgano (WT). Comparan los efectos biológicos relativos de diversos tipos de radiación y la susceptibilidad de diferentes órganos.

El factor de ponderación para todo el cuerpo es 1, de tal manera que 1 Gy de radiación entregada a todo el cuerpo es igual a un sievert. Por lo tanto, el WT para todos los órganos de todo el cuerpo debe sumar a 1.

Por definición, los rayos X y los rayos gamma tienen un wr de unidad, tal que 1 Gy = 1 Sv (para irradiación de todo el cuerpo). Los valores de wr son tan altos como 20 para partículas alfa y neutrones. Es decir, para la misma dosis absorbida en Gy, las partículas alfa son 20 veces más biológicamente potentes que los rayos X o los rayos gamma.

La dosis es una medida de la dosis depositada y por lo tanto nunca puede disminuir: la eliminación de una fuente radiactiva puede reducir solo la tasa de aumento de la dosis absorbida, nunca la dosis total absorbida.

Efectos Biológicos de la Radiación

La radiación ionizante es generalmente dañina, incluso potencialmente letal, para los organismos vivos.

objetivos de aprendizaje

• Describir los efectos de la radiación ionizante sobre organismos vivos.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\):

The Radium Girls eran trabajadoras de fábricas que contrajeron intoxicación por radiación al pintar esferas de relojes con pintura que brilla en la oscuridad en la fábrica de Radium de Estados Unidos en Orange, Nueva Jersey, alrededor de 1917. Las mujeres, a quienes se les había dicho que la pintura era inofensiva, ingirieron cantidades mortales de radio lamiendo sus pinceles para darles una punta fina; algunas también se pintaron las uñas y los dientes con la sustancia resplandeciente.

La radiación ionizante es generalmente dañina, incluso potencialmente letal, para los organismos vivos. Si bien la radiación fue descubierta a finales del siglo XIX, no se reconocieron de inmediato los peligros de la radiactividad y de la radiación. Los efectos agudos de la radiación se observaron por primera vez en el uso de rayos X cuando Wilhelm Röntgen sometió intencionalmente sus dedos a rayos X en 1895. Los efectos genéticos de la radiación, incluyendo los efectos sobre el riesgo de cáncer, fueron reconocidos mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó investigaciones que muestran efectos genéticos.

Algunos efectos de la radiación ionizante en la salud humana son estocásticos, lo que significa que su probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis, mientras que la gravedad es independiente de la dosis. El cáncer inducido por radiación, la teratogénesis, el deterioro cognitivo y las enfermedades cardíacas son ejemplos de efectos estocásticos. Otras afecciones, como quemaduras por radiación, síndrome de radiación aguda, síndrome de radiación crónica y tiroiditis inducida por radiación son deterministas, lo que significa que ocurren de manera confiable por encima de una dosis umbral y su gravedad aumenta con la dosis. Los efectos deterministas no son necesariamente más o menos graves que los efectos estocásticos; cualquiera de los dos puede conducir en última instancia a daños que van desde una molestia temporal hasta la muerte.

Radium Girls: Pintores de marcado de radio trabajando en una fábrica

Los datos cuantitativos sobre los efectos de la radiación ionizante en la salud humana son relativamente limitados en comparación con otros padecimientos médicos debido al bajo número de casos hasta la fecha y por la naturaleza estocástica de algunos de los efectos. Los efectos estocásticos solo se pueden medir a través de estudios epidemiológicos de gran tamaño en los que se han recopilado suficientes datos para eliminar factores de confusión como los hábitos de fumar y otros factores del estilo de vida. La fuente más rica de datos de alta calidad es el estudio de los sobrevivientes de bombas atómicas japonesas.

Existen dos vías de exposición a la radiación ionizante. En el caso de exposición externa, la fuente radiactiva se encuentra fuera (y permanece fuera) del organismo expuesto. Ejemplos de exposición externa incluyen a un trabajador nuclear cuyas manos se han ensuciado con polvo radiactivo o una persona que coloca una fuente radiactiva sellada en su bolsillo. La exposición externa es relativamente fácil de estimar, y el organismo irradiado no se vuelve radiactivo, excepto si la radiación es un haz de neutrones intenso que provoca activación. En el caso de la exposición interna, el material radiactivo ingresa al organismo, y los átomos radiactivos se incorporan al organismo. Esto puede ocurrir a través de la inhalación, ingestión o inyección. Ejemplos de exposición interna incluyen el potasio-40 presente dentro de una persona normal o la ingestión de una sustancia radiactiva soluble, como el estroncio-89 en la leche de vaca. Cuando los compuestos radiactivos ingresan al cuerpo humano, los efectos son diferentes de los que resultan de la exposición a una fuente de radiación externa. Especialmente en el caso de la radiación alfa, que normalmente no penetra en la piel, la exposición puede ser mucho más dañina después de la ingestión o inhalación.

Usos terapéuticos de la radiación

La radioterapia utiliza radiación ionizante para tratar afecciones como hipertiroidismo, cáncer y trastornos sanguíneos.

objetivos de aprendizaje

• Explicar la diferencia entre radioterapia de haz externo y braquiterapia.

La radioterapia implica la aplicación de radiación ionizante para tratar afecciones como hipertiroidismo, cáncer de tiroides y trastornos sanguíneos. La radioterapia es particularmente efectiva como tratamiento de varios tipos de cáncer si se localizan en un área del cuerpo. También se puede utilizar como parte de la terapia curativa, para prevenir la recurrencia del tumor después de la cirugía, o para extirpar un tumor maligno primario. La radioterapia es sinérgica con la quimioterapia y se ha utilizado antes, durante y después de la quimioterapia en cánceres susceptibles.

La radiación ionizante funciona dañando el ADN del tejido expuesto, lo que lleva a la muerte celular. Cuando se usa terapia de haz externo, los haces de radiación conformados se dirigen desde varios ángulos de exposición para cruzarse con el tumor, proporcionando allí una dosis absorbida mucho mayor que en el tejido sano circundante.

Terapia de Haz Externo: Radioterapia de la pelvis. Los láseres y un molde debajo de las patas se utilizan para un posicionamiento preciso

La braquiterapia es otra forma de radioterapia, en la que se inyecta un radioisótopo terapéutico en el cuerpo para localizarlo químicamente en el tejido que requiere destrucción. Una característica clave de la braquiterapia es que la irradiación afecta solo a un área muy localizada alrededor de las fuentes de radiación. Por lo tanto, en esta técnica se reduce la exposición a la radiación de tejidos sanos más alejados de las fuentes.

Aplicaciones clínicas de la braquiterapia: Sitios corporales en los que la braquiterapia puede usarse para tratar el cáncer

La radioterapia es en sí misma indolora. Muchos tratamientos paliativos de dosis bajas (por ejemplo, radioterapia dirigida a metástasis óseas) causan efectos secundarios mínimos o nulos, aunque se pueden experimentar llamaradas de dolor a corto plazo en los días posteriores al tratamiento debido a edemas que comprimen los nervios en el área tratada. Las dosis más altas pueden causar efectos secundarios variables durante el tratamiento (agudo), en los meses o años posteriores al tratamiento (a largo plazo), o después del nuevo tratamiento (acumulativo). La naturaleza, gravedad y longevidad de los efectos secundarios dependen de los órganos que reciben la radiación, el tratamiento en sí (tipo de radiación, dosis, fraccionamiento, quimioterapia concurrente) y el paciente individual.

Radiación de los alimentos

La irradiación de alimentos es un proceso de tratamiento de un alimento a una dosis específica de radiación ionizante durante un período de tiempo predefinido.

objetivos de aprendizaje

• Explicar cómo se realiza la irradiación de los alimentos, comentando su propósito e inocuidad

La irradiación de alimentos es un proceso de tratamiento de un alimento a una dosis específica de radiación ionizante durante un período de tiempo predefinido. Este proceso ralentiza o detiene el deterioro que se debe al crecimiento de patógenos. Actualmente, más de 50 países permiten la irradiación de alimentos, y se estima que el volumen de alimentos tratados supera las 500,000 toneladas métricas anuales en todo el mundo. Los alimentos irradiados se venden en tiendas regulares, a menudo en paquetes especialmente marcados.

Logotipo de Radura: El logotipo de Radura, requerido por las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos para mostrar que un alimento ha sido tratado con radiación ionizante

Al irradiar los alimentos, dependiendo de la dosis, se matan algunos o todos los microorganismos, bacterias, virus e insectos presentes. Esto prolonga la vida útil de los alimentos en los casos en que el deterioro patogénico es el factor limitante. Algunos alimentos, por ejemplo, hierbas y especias, se irradian a dosis suficientes (cinco kilogrises o más) para reducir los recuentos microbianos en varios órdenes de magnitud. Dichos ingredientes no transportan microorganismos de deterioro o patógenos en el producto final. También se ha demostrado que la irradiación puede retrasar la maduración de los frutos y la brotación de las verduras.

La irradiación de alimentos con cobalto-60 es el método preferido por la mayoría de los procesadores. Esto se debe a que la penetración profunda de los rayos gamma permite el tratamiento de paletas o bolsas industriales enteras a la vez, lo que reduce la necesidad de manejo de materiales. Un palé o tote generalmente se expone de varios minutos a varias horas, dependiendo de la dosis. El material radiactivo debe ser monitoreado y almacenado cuidadosamente para proteger a los trabajadores y al medio ambiente de sus rayos gamma. Durante la operación esto se logra utilizando escudos de concreto. Con la mayoría de los diseños, el radioisótopo se puede bajar a una piscina de almacenamiento de fuente llena de agua para permitir que el personal de mantenimiento ingrese al escudo de radiación. En este modo el agua de la piscina absorbe la radiación.

Los irradiadores de rayos X se consideran una alternativa a los sistemas de irradiación basados en isótopos. Los rayos X se generan colisionando electrones acelerados con un material denso (el objetivo), como tántalo o tungsteno, en un proceso conocido como conversión bremsstrahlung. Los irradiadores de rayos X son escalables y tienen una penetración profunda comparable a la Co-60, con el beneficio adicional de que la fuente electrónica deja de irradiar cuando se apaga. También permiten uniformidad de dosis, pero estos sistemas generalmente tienen baja eficiencia energética durante la conversión de energía electrónica en radiación fotónica, por lo que requieren mucha más energía eléctrica que otros sistemas. Los sistemas de rayos X también dependen de escudos de concreto para proteger el medio ambiente y los trabajadores de la radiación.

Los alimentos irradiados no se vuelven radiactivos, ya que las partículas que transmiten la radiación no son radiactivas en sí mismas. Aún así, existe cierta controversia en la aplicación de la irradiación por su novedad, la asociación con la industria nuclear y el potencial de que los cambios químicos sean diferentes a los cambios químicos debidos al calentamiento de los alimentos (ya que la radiación ionizante produce una mayor transferencia de energía por colisión que calor radiante convencional).

Trazadores

Un trazador radiactivo es un compuesto químico en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radioisótopo.

objetivos de aprendizaje

• Explicar la estructura y el uso de trazadores radiactivos

Un trazador radiactivo es un compuesto químico en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radioisótopo. En virtud de su consecuente desintegración radiactiva, este compuesto puede ser utilizado para explorar el mecanismo de las reacciones químicas trazando el camino que sigue el radioisótopo desde los reactivos hasta los productos.

El principio subyacente en la creación de un trazador radiactivo es que un átomo en un compuesto químico es reemplazado por otro átomo del mismo elemento químico. En un trazador, este átomo sustitutivo es un isótopo radiactivo. A este proceso se le suele llamar etiquetado radiactivo. La desintegración radiactiva es mucho más energética que las reacciones químicas. Por lo tanto, el isótopo radiactivo puede estar presente en baja concentración y su presencia aún detectada por detectores de radiación sensibles como contadores Geiger y contadores de centelleo.

Contador Geiger: Imagen de un contador Geiger con sonda tipo panqueque

Hay dos formas principales en las que se utilizan los trazadores radiactivos:

Cuando un compuesto químico marcado sufre reacciones químicas, uno o más de los productos contendrán la etiqueta radiactiva. El análisis de lo que sucede con el isótopo radiactivo proporciona información detallada sobre el mecanismo de la reacción química.
Un compuesto radiactivo se puede introducir en un organismo vivo. El radioisótopo proporciona una manera de construir una imagen que muestre cómo ese compuesto y sus productos de reacción se distribuyen alrededor del organismo.
Todos los radioisótopos de uso común (Tritio\(\mathrm{(^3H), ^{11}C, ^{13}N, ^{15}O, ^{18}F, ^{32}P, ^{35}S, ^{99m}Tc,}\) y\(\mathrm{^{123}I}\)) tienen semividas cortas. No ocurren en la naturaleza y se producen a través de reacciones nucleares.

Yodo; 123 Radioisótopo: Contenedor de plomo que contiene radioisótopo yodo-123

Fusión Nuclear

En la fusión nuclear dos o más núcleos atómicos chocan a muy alta velocidad y se unen, formando un nuevo núcleo.

objetivos de aprendizaje

• Analizar posibilidad del uso de la fusión nuclear para la producción de electricidad.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\):

El sol es una estrella de secuencia principal y, por lo tanto, genera su energía a través de la fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo.

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos o más núcleos atómicos chocan a muy alta velocidad y se unen para formar un nuevo tipo de núcleo atómico. Durante este proceso, la materia no se conserva debido a que parte de la masa de los núcleos fusionantes se convierte en energía.

Fusión de Deuterio con Tritio: Fusión de deuterio con tritio creando helio-4, liberando un neutrón y liberando 17.59 MeV de energía; algunos cambios de masa se forman para aparecer como la energía cinética de los productos

Fsión y Fusión

Describe la diferencia entre fisión y fusión

Las reacciones de fusión de los elementos de luz alimentan las estrellas y producen prácticamente todos los elementos en un proceso llamado nucleosíntesis. La fusión de elementos más ligeros en las estrellas libera energía y masa. Por ejemplo, en la fusión de dos núcleos de hidrógeno para formar helio, 0.7 por ciento de la masa es arrastrada del sistema en forma de energía cinética u otras formas de energía (como la radiación electromagnética).

Se necesita una energía considerable para obligar a los núcleos a fusionarse, incluso los núcleos del elemento más ligero, el hidrógeno. Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva debido a sus protones, y como las cargas similares se repelen, los núcleos resisten fuertemente a ser unidos de cerca. Acelerados a altas velocidades, pueden superar esta repulsión electrostática y ser forzados lo suficientemente cerca para que la fuerza nuclear atractiva sea lo suficientemente fuerte como para lograr la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y a menudo un neutrón o protón libre, generalmente libera más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos juntos. Se trata de un proceso exotérmico que puede producir reacciones autosostenibles.

La investigación sobre fusión controlada, con el objetivo de producir energía de fusión para la producción de electricidad, se lleva a cabo desde hace más de 60 años. Se ha acompañado de dificultades científicas y tecnológicas extremas, pero ha dado como resultado avances. En la actualidad, las reacciones de fusión controlada no han podido producir reacciones de fusión controladas autosostenibles. Los investigadores están trabajando en un reactor que teóricamente entregará 10 veces más energía de fusión que la cantidad necesaria para calentar el plasma a las temperaturas requeridas. Los diseños realizables de este reactor originalmente estaban programados para estar operativos en 2018; sin embargo, esto se ha retrasado y no se ha dado a conocer una nueva fecha.

Fsión nuclear en reactores

Los reactores nucleares convierten la energía térmica liberada de la fisión nuclear en electricidad.

objetivos de aprendizaje

• Explique cómo se pueden controlar las reacciones nucleares en cadena.

Ejemplo\(\PageIndex{4}\):

Se han producido algunos accidentes nucleares y radiológicos graves. En 2011, tres de los reactores de Fukushima I se sobrecalentaron, provocando fusiones que finalmente llevaron a explosiones, que liberaron grandes cantidades de material radiactivo al aire.

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo se divide en núcleos más pequeños (más ligeros). Esta reacción a menudo produce neutrones y fotones libres (en forma de rayos gamma) y libera una cantidad muy grande de energía, incluso para los estándares de desintegración radiactiva. Los dos núcleos producidos suelen ser de tamaños comparables pero ligeramente diferentes, típicamente con una relación de masa de productos de aproximadamente 3 a 2, para nucleidos fisionables comunes.

Reacción de fisión nuclear: Un evento de fisión nuclear inducido. Un neutrón es absorbido por el núcleo de un átomo de uranio-235, que a su vez se divide en elementos más ligeros de rápido movimiento (productos de fisión) y neutrones libres

Por ejemplo, cuando un gran núcleo atómico fisionable como el uranio-235 o el plutonio-239 absorbe un neutrón, puede sufrir fisión nuclear. El núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros (los productos de fisión), liberando energía cinética, radiación gamma y neutrones libres. Una porción de estos neutrones puede ser absorbida posteriormente por otros átomos fisionables y desencadenar más eventos de fisión, que liberan más neutrones, y así sucesivamente. Esto se conoce como reacción en cadena nuclear.

Así como las centrales eléctricas convencionales generan electricidad aprovechando la energía térmica liberada por la quema de combustibles fósiles, la energía térmica liberada de la fisión nuclear puede ser convertida en electricidad por reactores nucleares. Una reacción nuclear en cadena se puede controlar mediante el uso de venenos de neutrones y moderadores de neutrones para cambiar el porcentaje de neutrones que van a causar más fisiones. Los reactores nucleares generalmente tienen sistemas automáticos y manuales para detener la reacción de fisión si se detectan condiciones inseguras.

El núcleo del reactor genera calor de varias maneras. La energía cinética de los productos de fisión se convierte en energía térmica cuando estos núcleos chocan con átomos cercanos. Algunos de los rayos gamma producidos durante la fisión son absorbidos por el reactor, y su energía se convierte en calor. El calor es producido por la desintegración radiactiva de los productos de fisión y materiales que han sido activados por la absorción de neutrones. Esta fuente de calor de decaimiento permanecerá durante algún tiempo incluso después de que se apague el reactor.

Un refrigerante de reactor nuclear, generalmente agua, pero a veces un gas, metal líquido o sal fundida, circula más allá del núcleo del reactor para absorber el calor que genera. El calor es arrastrado fuera del reactor y luego se utiliza para generar vapor.

La potencia de salida del reactor se ajusta controlando cuántos neutrones son capaces de crear más fisiones. Las barras de control que están hechas de un veneno de neutrones se utilizan para absorber neutrones. Absorber más neutrones en una barra de control significa que hay menos neutrones disponibles para causar fisión, por lo que empujar la varilla de control más profundamente en el reactor reducirá la salida de potencia del reactor y la extracción de la varilla de control la aumentará.

Conjunto de barra de control: conjunto de barra de control, encima del elemento combustible

Se han producido algunos accidentes nucleares y radiológicos graves. Los accidentes en centrales nucleares incluyen el desastre de Chernobyl (1986), el desastre nuclear de Fukushima Daiichi (2011), el accidente de Three Mile Island (1979) y el accidente SL-1 (1961).

La seguridad nuclear implica las acciones que se realizan para prevenir accidentes nucleares y radiológicos o para limitar sus consecuencias. La industria de energía nuclear ha mejorado la seguridad y el rendimiento de los reactores y ha propuesto nuevos diseños de reactores más seguros (pero generalmente no probados). Sin embargo, no hay garantía de que estos reactores sean diseñados, construidos y operados correctamente.

Desastre nuclear de Fukushima Daiichi: Imagen satelital tomada el 16 de marzo de 2011 de los cuatro edificios del reactor dañados

Topografía de emisión

La tomografía por emisión de positrones es una técnica de imagen médica nuclear que produce una imagen tridimensional de los procesos en el cuerpo.

objetivos de aprendizaje

• Discutir la posibilidad de usos de la tomografía por emisión de positrones con otras técnicas de diagnóstico.

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen médica nuclear que produce una imagen tridimensional o imagen de procesos funcionales en el cuerpo. El sistema detecta pares de rayos gamma emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), que se introduce en el cuerpo sobre una molécula biológicamente activa. Luego se construyen imágenes tridimensionales de concentración de trazador dentro del cuerpo mediante análisis por computadora.

El proceso de adquisición de PET se produce a medida que el radioisótopo sufre decaimiento de emisión de positrones (también conocido como decaimiento beta positivo), emite un positrón, una antipartícula del electrón con carga opuesta. El positrón emitido viaja en el tejido por una corta distancia (típicamente menos de 1 mm, pero dependiente del isótopo), tiempo durante el cual pierde energía cinética, hasta que desacelera hasta un punto en el que puede interactuar con un electrón. El encuentro aniquila tanto electrones como positrones, produciendo un par de fotones de aniquilación (gamma) que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas. Estos se detectan cuando alcanzan un centelleador en el dispositivo de escaneo, creando una ráfaga de luz que es detectada por tubos fotomultiplicadores o fotodiodos de avalancha de silicio. La técnica depende de la detección simultánea o coincidente del par de fotones que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas (sería exactamente opuesta en su marco de centro de masa, pero el escáner no tiene forma de saberlo, y por lo tanto tiene incorporada una ligera tolerancia de error de dirección). Se ignoran los fotones que no llegan en “pares” temporales (es decir, dentro de una ventana de tiempo de unos pocos nanosegundos).

Proceso de adquisición de tomografía por emisión de positrones: esquema de un proceso de adquisición de PET.

Una técnica muy parecida a los datos de reconstrucción de tomografía computarizada (TC) y tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT) es más comúnmente utilizada, aunque el conjunto de datos recolectados en PET es mucho más pobre que el CT, por lo que las técnicas de reconstrucción son más difíciles.

Las TEP se leen cada vez más junto con las tomografías computarizadas o las imágenes por resonancia magnética (MRI), y la combinación brinda información anatómica y metabólica Debido a que las imágenes PET son más útiles en combinación con imágenes anatómicas, como la TC, los modernos escáneres PET ahora están disponibles con escáneres CT integrados de gama alta de múltiples filas de detectores. Debido a que las dos exploraciones se pueden realizar en secuencia inmediata durante la misma sesión, sin que el paciente cambie de posición entre los dos tipos de exploraciones, los dos conjuntos de imágenes se registran con mayor precisión, de manera que las áreas de anormalidad en la imagen PET pueden correlacionarse más perfectamente con la anatomía en la TC imágenes. Esto es muy útil para mostrar vistas detalladas de órganos o estructuras en movimiento con mayor variación anatómica, que es más común fuera del cerebro.

Sistema PET/CT: sistema PET/CT con TC de 16 cortes; el dispositivo montado en el techo es una bomba de inyección para agente de contraste CT.

La exploración por PET no es invasiva, pero implica exposición a radiación ionizante. La dosis total de radiación es significativa, generalmente alrededor de 5—7 mSv. Sin embargo, en la práctica moderna, casi siempre se realiza una exploración combinada de PET/TC, y para la exploración PET/TC, la exposición a la radiación puede ser sustancial, alrededor de 23—26 mSv (para una persona de 70 kg, es probable que la dosis sea mayor para pesos corporales más altos). Cuando se compara con el nivel de clasificación para los trabajadores de radiación en el Reino Unido de 6 mSv, se puede observar que el uso de una exploración PET necesita una justificación adecuada.

Armas Nucleares

Un arma nuclear es un dispositivo explosivo que deriva su fuerza destructiva de las reacciones nucleares, ya sea de fisión, fusión o una combinación.

objetivos de aprendizaje

• Explicar la diferencia entre una bomba “atómica” y una bomba de “hidrógeno”, discutiendo su historia

Un arma nuclear es un artefacto explosivo que deriva su fuerza destructiva de reacciones nucleares, ya sea de fisión o de una combinación de fisión y fusión. Ambas reacciones liberan grandes cantidades de energía de cantidades relativamente pequeñas de materia. La primera prueba de bomba de fisión (es decir, “atómica”) liberó la misma cantidad de energía que aproximadamente 20,000 toneladas de trinitrotolueno (TNT). La primera prueba de bomba de fusión (es decir, “hidrógeno” termonuclear) liberó la misma cantidad de energía que aproximadamente 10,000,000 toneladas de TNT.

Un arma termonuclear moderna que pese poco más de 2,400 libras (1,100 kg) puede producir una fuerza explosiva comparable a la detonación de más de 1.2 millones de toneladas (1.1 millones de toneladas) de TNT. Así, incluso un pequeño dispositivo nuclear no más grande que las bombas tradicionales puede devastar una ciudad entera por explosión, fuego y radiación. Las armas nucleares se consideran armas de destrucción masiva, y su uso y control han sido un foco importante de la política de relaciones internacionales desde sus inicios.

Sólo se han utilizado dos armas nucleares en el curso de la guerra, ambas por Estados Unidos cerca del final de la Segunda Guerra Mundial. El 6 de agosto de 1945, una bomba de fisión tipo pistola de uranio llamada en código “Little Boy” fue detonada sobre la ciudad japonesa de Hiroshima. Solo tres días después, una bomba de fisión de tipo implosión de plutonio llamada en código “Fat Man” (como se ilustra en) explotó sobre Nagasaki, Japón. La nube de hongos resultante se muestra en. El número de muertos por los dos bombardeos se estimó en aproximadamente 200 mil personas, en su mayoría civiles, y principalmente por las heridas agudas sufridas por las explosiones. El papel de los bombardeos en la rendición de Japón, y sus implicaciones éticas, siguen siendo objeto de debate académico y popular.

Bombardeo atómico de Nagasaki: La nube de hongos del bombardeo atómico de Nagasaki, Japón (9 de agosto de 1945) se elevó unos 18 kilómetros (11 millas) por encima del hipocentro de la bomba.

Bomba atómica de Fat Man: Las primeras armas nucleares fueron bombas de gravedad, como esta arma de “Fat Man” lanzada sobre Nagasaki, Japón. Eran muy grandes y sólo podían ser entregados por aviones bombarderos pesados.

Desde los bombardeos de Hiroshima y Nagasaki, las armas nucleares han sido detonadas en más de dos mil ocasiones con fines de ensayo y manifestaciones. Sólo un pequeño número de naciones o poseen tales armas, o se sospecha que intentan adquirirlas y/o desarrollarlas. Los únicos países que se sabe que han detonado armas nucleares (y que reconocen poseer tales armas) son, según se enumera cronológicamente por fecha de la primera prueba: Estados Unidos, la Unión Soviética (sucedida como potencia nuclear por Rusia), el Reino Unido, Francia, la República Popular China, India, Pakistán, y Corea del Norte. Además, también se cree ampliamente que Israel posee armas nucleares (aunque no lo han admitido).

La Federación de Científicos Americanos estima que a partir de 2012, hay más de 17 mil ojivas nucleares en el mundo, con alrededor de 4 mil 300 consideradas “operativas” —como listas para su uso.

RMN y MRI

La resonancia magnética es una técnica de imagen médica utilizada en radiología para visualizar en detalle las estructuras internas del cuerpo.

objetivos de aprendizaje

• Explicar la diferencia entre la resonancia magnética y la tomografía computarizada.

La resonancia magnética (MRI), también llamada resonancia magnética nuclear (NMRI) o tomografía por resonancia magnética (MRT), es una técnica de imagen médica utilizada en radiología para visualizar en detalle las estructuras internas del cuerpo. La resonancia magnética utilizó la propiedad de la resonancia magnética nuclear (RMN) para obtener imágenes de los núcleos de los átomos dentro del cuerpo.

Las máquinas de resonancia magnética (como se muestra en la imagen) hacen uso del hecho de que el tejido corporal contiene una gran cantidad de agua y por lo tanto protones (núcleos 1H), que se alinean en un gran campo magnético. Cada molécula de agua tiene dos núcleos de hidrógeno o protones. Cuando una persona se encuentra dentro del poderoso campo magnético del escáner, los protones de hidrógeno en su cuerpo se alinean con la dirección del campo. Una corriente de radiofrecuencia se activa brevemente, produciendo un campo electromagnético variable. Este campo electromagnético tiene la frecuencia justa (conocida como la frecuencia de resonancia) para ser absorbido y luego invertir la rotación de los protones de hidrógeno en el campo magnético.

Escáner de resonancia magnética: escáner de resonancia magnética Phillips en Gotemburgo, Suecia.

Después de apagar el campo electromagnético, las rotaciones de los protones de hidrógeno vuelven al equilibrio termodinámico, para luego realinearse con el campo magnético estático. Durante esta relajación, se genera una señal de radiofrecuencia (radiación electromagnética en el rango de RF); esta señal se puede medir con bobinas receptoras. Los protones de hidrógeno en diferentes tejidos regresan a su estado de equilibrio a diferentes velocidades de relajación. Luego se construyen las imágenes realizando un análisis matemático complejo de las señales emitidas por los protones de hidrógeno.

La resonancia magnética muestra un marcado contraste entre los diferentes tejidos blandos del cuerpo, lo que lo hace especialmente útil en la obtención de imágenes del cerebro, los músculos, el corazón y el tejido canceroso, en comparación con otras técnicas de imagen médica como la tomografía computarizada (TC) o los rayos X. Los agentes de contraste de MRI pueden inyectarse por vía intravenosa para mejorar la apariencia de los vasos sanguíneos, tumores o inflamación.

A diferencia de la TC, la resonancia magnética no utiliza radiación ionizante y generalmente es un procedimiento muy seguro. Sin embargo, los fuertes campos magnéticos y los pulsos de radio pueden afectar a los implantes metálicos (incluidos los implantes cocleares y los marcapasos cardíacos).

Puntos Clave

• La radiación ionizante funciona dañando el ADN del tejido expuesto, lo que lleva a la muerte celular.
• En la radioterapia de haz externo, los haces de radiación conformados se dirigen desde varios ángulos de exposición para cruzarse con el tumor, proporcionando allí una dosis absorbida mucho mayor que en el tejido sano circundante.
• En braquiterapia, se inyecta un radioisótopo terapéutico en el cuerpo para localizarlo químicamente en el tejido que requiere destrucción.
• Existen varias formas de medir dosis de radiación ionizante: dosímetros personales, cámaras de ionización y dosimetría interna.
• La distinción entre la dosis absorbida (Gy/rad) y la dosis equivalente (SV/REM) se basa en los efectos biológicos.
• La dosis es una medida de la dosis depositada y por lo tanto nunca puede disminuir: la eliminación de una fuente radiactiva puede reducir solo la tasa de aumento de la dosis absorbida, nunca la dosis total absorbida.
• Los efectos de la radiación ionizante en la salud humana se separan en efectos estocásticos (la probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis) y efectos deterministas (ocurren de manera confiable por encima de una dosis umbral, y su gravedad aumenta con la dosis).
• Los datos cuantitativos sobre los efectos de la radiación ionizante en la salud humana son relativamente limitados en comparación con otros padecimientos médicos debido al bajo número de casos hasta la fecha y por la naturaleza estocástica de algunos de los efectos.
• Existen dos vías (externas e internas) de exposición a la radiación ionizante.
• La radiación ionizante funciona dañando el ADN del tejido expuesto, lo que lleva a la muerte celular.
• En la radioterapia de haz externo, los haces de radiación conformados se dirigen desde varios ángulos de exposición para cruzarse con el tumor, proporcionando allí una dosis absorbida mucho mayor que en el tejido sano circundante.
• En braquiterapia, se inyecta un radioisótopo terapéutico en el cuerpo para localizarlo químicamente en el tejido que requiere destrucción.
• La irradiación de los alimentos mata algunos de los microorganismos, bacterias, virus e insectos que se encuentran en los alimentos. Prolonga la vida útil en los casos en los que el deterioro patogénico es el factor limitante.
• La irradiación de alimentos con cobalto-60 es el método preferido por la mayoría de los procesadores.
• Los alimentos irradiados no se vuelven radiactivos, ya que las partículas que transmiten la radiación no son radiactivas en sí mismas.
• Los trazadores radiactivos se utilizan para explorar el mecanismo de las reacciones químicas trazando el camino que el radioisótopo sigue desde los reactivos hasta los productos.
• El isótopo radiactivo puede estar presente en baja concentración y su presencia aún detectada por detectores de radiación sensibles.
• Todos los radioisótopos de uso común tienen semividas cortas, no ocurren en la naturaleza y se producen a través de reacciones nucleares.
• La fusión de elementos más ligeros libera energía.
• La materia no se conserva durante las reacciones de fusión.
• Las reacciones de fusión alimentan las estrellas y producen prácticamente todos los elementos en un proceso llamado nucleosíntesis.
• La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, liberando una cantidad muy grande de energía.
• Las reacciones nucleares en cadena se pueden controlar usando venenos de neutrones y moderadores de neutrones.
• Si bien la industria de energía nuclear ha mejorado la seguridad y el rendimiento de los reactores y ha propuesto nuevos diseños de reactores más seguros, no hay garantía de que no se produzcan accidentes nucleares graves.
• El escaneo PET utiliza la detección de rayos gamma emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), que se introduce en el cuerpo sobre una molécula biológicamente activa.
• Las TEP se leen cada vez más junto con las tomografías computarizadas o las imágenes por resonancia magnética (MRI), y la combinación brinda información anatómica y metabólica
• La exploración por PET no es invasiva, pero implica exposición a radiación ionizante.
• Las armas nucleares utilizan fisión (bomba “atómica”) o combinación de fisión y fusión (bomba de “hidrógeno”).
• Las armas nucleares se consideran armas de destrucción masiva.
• El uso y control de las armas nucleares es uno de los principales focos de la política de relaciones internacionales desde su primer uso.
• La resonancia magnética hace uso de la propiedad de la resonancia magnética nuclear para obtener imágenes de núcleos de átomos dentro del cuerpo.
• La resonancia magnética proporciona un buen contraste entre los diferentes tejidos blandos del cuerpo (lo que lo hace especialmente útil para obtener imágenes del cerebro, los músculos, el corazón y el tejido canceroso).
• Aunque la resonancia magnética utiliza radiación no ionizante, los fuertes campos magnéticos y los pulsos de radio pueden afectar los implantes metálicos, incluidos los implantes cocleares y los marcapasos cardíacos.

Términos Clave

• terapia de haz externo: Radioterapia que dirige la radiación al tumor desde fuera del cuerpo.
• radiación ionizante: radiación de alta energía que es capaz de causar ionización en sustancias a través de las cuales pasa; también incluye partículas de alta energía
• braquiterapia: Radioterapia utilizando fuentes radiactivas posicionadas dentro (o cerca) del volumen de tratamiento.
• diodo: un dispositivo electrónico que permite que la corriente fluya en una sola dirección; una válvula
• dosímetro: Un dosímetro es un dispositivo utilizado para medir una dosis de radiación ionizante. Estos normalmente toman la forma de luminiscencia estimulada ópticamente (OSL), película fotográfica, termoluminiscente (TLD) o dosímetros personales electrónicos (PDM).
• rayos gamma: Una radiación electromagnética de muy alta frecuencia (y por lo tanto de muy alta energía) emitida como consecuencia de la radiactividad.
• rayos X: Radiación electromagnética de longitud de onda corta generalmente producida bombardeando un objetivo metálico al vacío. Se utiliza para crear imágenes de la estructura interna de los objetos; esto es posible porque los rayos X pasan a través de la mayoría de los objetos y pueden exponer películas fotográficas
• trazador radiactivo: un isótopo radiactivo que, cuando se inyecta en una sustancia químicamente similar, o se une artificialmente a un sistema biológico o físico, puede ser rastreado por dispositivos de detección de radiación
• isótopo: cualquiera de dos o más formas de un elemento donde los átomos tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones dentro de sus núcleos. Como consecuencia, los átomos para el mismo isótopo tendrán el mismo número atómico pero diferentes números másicos (pesos atómicos)
• desintegración radiactiva: cualquiera de varios procesos por los cuales los núcleos inestables emiten partículas subatómicas y/o radiación ionizante y se desintegran en uno o más núcleos más pequeños
• nucleosíntesis: cualquiera de varios procesos que conducen a la síntesis de núcleos atómicos más pesados
• fusión: Una reacción nuclear en la que los núcleos se combinan para formar núcleos más masivos con la liberación concomitante de energía.
• varilla de control: cualquiera de una serie de tubos de acero, que contienen boro u otro absorbedor de neutrones, que se inserta en el núcleo de un reactor nuclear para controlar su velocidad de reacción
• reactor nuclear: cualquier dispositivo en el que se mantenga una reacción en cadena controlada con el propósito de crear calor (para la generación de energía) o para crear neutrones y otros productos de fisión para fines experimentales, médicos o de otro tipo
• fisión: El proceso de dividir el núcleo de un átomo en partículas más pequeñas; fisión nuclear.
• trazador: Un químico utilizado para rastrear el progreso o la historia de un proceso natural.
• positrón: El equivalente de antimateria de un electrón, que tiene la misma masa pero una carga positiva.
• tomografía: Imagenología por secciones o seccionamiento.
• guerra: La realización de una guerra o conflicto armado contra un enemigo.
• tomografía computarizada: (TC) — Una forma de radiografía que utiliza software de computadora para crear imágenes, o cortes, en varios planos de profundidad a partir de imágenes tomadas alrededor de un cuerpo o volumen de interés.
• resonancia magnética nuclear: (NMRI) — La absorción de radiación electromagnética (ondas de radio), a una frecuencia específica, por un núcleo atómico colocado en un campo magnético fuerte; utilizada en espectroscopia y en resonancia magnética.
• resonancia magnética: comúnmente conocida como MRI; una técnica que utiliza resonancia magnética nuclear para formar imágenes de sección transversal del cuerpo humano con fines diagnósticos.

LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

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• Radioterapia de haz externo. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/externa... m_radioterapia. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
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