Caracterización de las radiaciones y ondas (Unidad 1) - PDF

Caracterización de las radiaciones y ondas Unidad 1 El átomo El átomo es la menor porción de un elemento químico que puede ser considerada como tal. Su nombre proviene del griego y significa “no divisible”. 2 El atómo Pr...

Caracterización de las radiaciones y ondas Unidad 1 El átomo El átomo es la menor porción de un elemento químico que puede ser considerada como tal. Su nombre proviene del griego y significa “no divisible”. 2 El atómo Protones (p+): se encuentran en el núcleo del átomo y tienen una carga eléctrica posi- tiva. Neutrones (n): son partículas neutras que también se encuentran en el núcleo. Electrones (e-): son partículas cargadas negativamente que se mueven en unas órbitas circulares alrededor del núcleo. El átomo está compuesto por un núcleo atómico en el que se concentra casi toda su masa (99,9%), aunque representa un 0,0001% del átomo, rodeado de una nube de electrones. El diámetro de un átomo es de aproximadamente 10-10 m y la masa de alrededor 1,7 x 10-27 kg. 3 El núcleo atómico Protones. Con carga positiva equivalente a la carga elemental (+1,602 x 10-19 Coulomb). Neutrones. Son eléctricamente neutros. Permanecen ligados al núcleo mediante la fuerza electromagnética. El número de protones o número atómico Z determina sus propiedades y elemento químico El número de neutrones determina su isótopo. 4 El núcleo atómico La suma de los protones y neutrones representan el número másico A o de masa, siempre un número entero. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. 5 Isótopos Los átomos que tienen un mismo número atómico, pero distintos números de masa se llaman isótopos (este nombre proviene de los términos “iso” y “topos” en griego antiguo, que significan “igual” y “lugar” respectivamente). Distinguimos: Estables. No se desintegran nunca. Inestables. Son susceptibles de desintegrarse. Emiten radiaciones: son los isótopos radiactivos o radioisótopos. 6  La variación de estos tres números A,Z y N (número de neutrones) puede condicionar la estabilidad nuclear de un átomo. Según van cambiando podemos obtener: Isóbaros: Cuando tienen diferente Z, pero el mismo A. Isótonos: Cuando tienen diferente Z, pero el mismo N. Isómeros: Cuando tienen el mismo Z y el mismo A. La única diferencia se da en el estado enérgico de cada núcleo. Isótopos: Tienen el mismo Z, pero distinto A, es decir, el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones. 137m 137 Ba Ba 56 56  Los núcleos inestables se rompen o desintegran generando la radiactividad. Puede emitir tres tipos de radiaciones o desintegraciones: Radiación Alfa Radiación Beta Radiación Gamma 10  Radiación Alfa ▪ El elemento radiactivo de número atómico Z emite una partícula alfa o núcleo de helio (dos protones y dos neutrones), que son partículas cargadas muy pesadas. ▪ El número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la tabla periódica. ▪ Los isótopos o emisores α que generan este tipo de radiación suelen tener números másicos altos, por encima de 150. Esta radiación es poco penetrante pero muy ionizante. 11 12  Radiación Beta Radiaciones β- Se producen electrones β- y antineutrinos, procedentes de la transformación de un neutrón en un protón dentro del núcleo. El electrón y el antineutrino son expulsados con una energía variable. Como resultado tenemos un núcleo con el mismo número másico y número atómico Z+1. Radiaciones β+ Se producen positrones β+ y neutrinos procedentes de la transformación de un protón en un neutrón dentro del núcleo. El positrón y el neutrino son expulsados con una energía variable. Como resultado, tenemos un núcleo con el mismo número másico y número atómico Z-1. Todos los elementos de la tabla periódica pueden generar estas radiaciones. Son emisiones más penetrantes y menos ionizantes que las α. 13  Radiación Gamma Cuando un núcleo atómico se encuentra excitado (con más energía que en su estado fundamental), tiende a desprenderse de esta energía emitiendo radiación electromagnética de alta energía (rayos γ). La radiación que emiten es en torno a 1 millón de veces más energética que la de la luz que observamos. Esto hace que no podamos verla con nuestros ojos y que su poder de penetración en la materia sea mucho mayor. 14 15  Actividad La radiación va perdiendo fuerza de forma exponencial cada vez que avanza el proceso. Esta se cuantifica por la actividad. Actividad: número de desintegraciones por segundo de un cuerpo radioactivo. A0 es la actividad inicial de la sustancia. A = A 0 x e- λ t λ es la constante radiactiva dependiendo del isótopo que forma la muestra. t el tiempo transcurrido. Se expresa en Bq (Becquerel) y en Ci (Curie) 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq. 16 Periodo de semidesintegración La pérdida de la mitad de la actividad radiactiva se expresa como T1/2 y hace referencia al periodo de semidesintegración. Este parámetro es muy característico de cada isótopo radioactivo 17  La corteza atómica Saliendo del núcleo y adentrándonos en la corteza del átomo, nos encontramos los electrones. Electrones: partículas elementales con carga eléctrica negativa y que forman parte de la constitución atómica y nuclear. Su masa en reposo es de 9,11 x 10-31 Kg (1.836 veces inferior a la de los protones) Su carga corresponde al mismo valor de la carga elemental del protón pero en negativo: -1,6 x 10-19 Coulomb 18  Las órbitas Las órbitas son concéntricas al núcleo y es por donde circulan los electrones a gran velocidad. Estas órbitas se disponen por capas, siendo cada una de ellas correspondiente a un valor energético. Desde el núcleo y hacia fuera, se nombra cada capa con letras del abecedario, empezando por la K, después L, M, N... hasta llegar a la capa de valencia, que le da las características químicas al átomo. El tamaño de las órbitas es directamente proporcional a la energía potencial de estas, con lo cual, las capas más cercanas al núcleo serán las de menos energía y, según nos alejemos, esta energía irá incrementando. 19 Energía potencial eléctrica La energía potencial eléctrica de un electrón que gira a una distancia r de un núcleo, con número atómico Z, se calcula mediante la fórmula siguiente: 20 Estados del electrón Los electrones tienen capacidad de saltar de una a otra capa, aunque solamente cuando se perturba el átomo, si no, lo electrones tienden a ocupar las capas más internas y se encuentran en reposo o también llamado estado fundamental. Los electrones pueden pasar de una capa menor a una mayor. Para ese proceso, los electrones absorben energía del exterior. Al absorber energía, los electrones quedan excitados y a este fenómeno se le llama excitación. La energía necesaria para que un electrón salte de una capa inferior U 1 a una superior U2 y generar la excitación de un electrón es: E= U2 – U1 Cuando acaba el aporte de energía, se da la desexcitación, los electrones vuelven de niveles superiores más energéticos a otros con menos energía, así pues, el exceso de energía se irradia como energía electromagnética. 21 Ionización Si la energía recibida es suficientemente potente, puede arrancar un electrón del átomo, lo que generará una diferencia de carga eléctrica por el desajuste entre el número de protones y electrones, perdiendo la carga neutra. Cuando esto ocurre nos referimos al término de ionización. La radiación con suficiente energía como para producir esto se llaman radiaciones ionizantes 22  Radiaciones ionizantes Las radiaciones ionizantes son la energía necesaria para arrancar electrones de los átomos Cuando un átomo queda con un exceso de carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, se dice que se ha convertido en un ion (positivo o negativo). 23 La radiación cósmica (proveniente del Sol y del espacio interestelar) también es un tipo de radiación ionizante, pues está compuesta por radiaciones electromagnéticas y por partículas con gran cantidad de energía. 24 Cuando un electrón es expulsado del átomo su energía cinética se puede calcular de la siguiente manera: K= ½. m.v 2 m corresponde a la masa de la partícula. v a su velocidad. 1 eV = 1,602 x 10-19 J Esta energía se expresa en electronvoltios (eV) 25 Las radiaciones ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos con el material con el cual interaccionan. Son capaces de romper los enlaces químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células reproductoras. Esta acción puede ser: Directa, produciéndose en la propia molécula irradiada. Indirecta, si es producida por radicales libres generados, que extienden la acción a otras moléculas. 26 El daño sobre la salud de las personas tiene su origen a nivel macromolecular sobre las moléculas de ADN, que juegan una importante función en la vida celular. Esta acción puede producir: Fragmentaciones en las moléculas de ADN, dando origen a aberraciones cromosómicas e incluso a la muerte celular. Transformaciones en la estructura química de las moléculas de ADN, dando origen a mutaciones, que producen una incorrecta expresión del mensaje genético 27  Radiaciones no ionizantes Las radiaciones no ionizantes son aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de un material. Dos grandes grupos: Los campos de origen electromagnético por las líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos estáticos, las ondas de radiofrecuencia y las microondas. Las radiaciones ópticas: los rayos infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta. Hz 28 Actividad 1 Realiza un cuadro resumen con los distintos tipos de radiaciones, sus características, un dibujo o esquema de los procesos que ocurren en esas radiaciones y qué material puedo utilizar para pararlas. 29 Radiación electromagnética y de partículas La energía desprendida en la desexcitación de los electrones se transporta a distancia, a través de la radiación. Puede darse mediante: Ondas electromagnéticas. Sin transporte de materia, dando como resultado la radiación ondulatoria. A través de partículas subatómicas. Transportando materia y dando lugar a la radiación corpuscular. 30  Radiación ondulatoria La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan a través del espacio, transportando energía de un lugar a otro. La naturaleza de estas radiaciones electromagnéticas se caracteriza por la existencia, en cada punto del espacio en que se transmiten, de un campo eléctrico y un campo magnético relacionados entre sí. 31 Las ondas electromagnéticas presentan una variación periódica que se propaga en el vacío a una velocidad de 300.000 km/s, es decir, la velocidad de la luz La radiación electromagnética presenta características específicas, según la banda de frecuencias (o longitud de onda) en que se halle inscrita. Hz 32 Tipos de ondas Las ondas que necesitan un soporte material para propagarse se llaman ondas materiales. Ejemplos: el sonido o las olas del mar. Las ondas periódicas, reciben estímulos estables en el tiempo. Los ultrasonidos y las ondas electromagnéticas usadas en imagen para el diagnóstico y radioterapia son parte de este último grupo. Las ondas electromagnéticas pueden viajar por el vacío porque se propagan sin necesidad de un soporte material 33 34 ►Longitud de onda (λ). Distancia entre dos puntos iguales de la onda que se suele medir en unidades de longitud, normalmente en metros (m). 35 Amplitud (A). La amplitud de una oscilación es la distancia vertical a lo largo del tiempo y determinará la cantidad de energía que contiene una onda. Estas se van debilitando en su amplitud, a medida que se alejan de su punto de origen (la longitud de onda y frecuencia permanecen invariables) El valor máximo positivo que toma la amplitud de una onda sinusoidal recibe el nombre de cresta El valor máximo negativo valle El Punto donde el valor de la onda se anula en pasar de positivo a negativo o viceversa se conoce como nodo, cero o punto de equilibrio. 36 Frecuencia (f). Número de ciclos en una unidad de tiempo (se expresa en unidades inversas de tiempo, normalmente en Hz o s-1). Periodo (T). Tiempo que tarda la onda en llegar a dos puntos idénticos del ciclo de la onda. Se mide en unidades de tiempo, normalmente segundos (s). El periodo y la frecuencia se pueden expresar como T = 1 / f. ia d e f recuenc dad la io ( H z). Uni acional. Es Hertz m a intern n d e a u n i s t e rre s p o del s que co uyo período es n c i a oc frecue p eriódic alencia ó m e n o e q u i v fen n la s e g u ndo, co un -1. = 1 s 1 Hz 37 Velocidad de la onda o de propagación (v). Relación entre la longitud de onda y el periodo (v = λ / T). Se suele expresar en m/s. La velocidad de una onda desplazándose en el vacío es de 300.000 km/s. La longitud de onda y la frecuencia se relacionan entre sí por la relación: f=v/λov=λ·f 38 Propagación de la onda. Existen ondas transversales, las cuales reciben el estímulo perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas sísmicas. Y ondas longitudinales, donde la perturbación llega en la misma dirección como la voz. 39 Energía de la onda. Se calcula como el producto entre la frecuencia y la constante de Plank (h= 6,62 x 10 -34 J · s). No debe confundirse energía de los fotones con su luminosidad o intensidad de la radiación. El número de fotones es proporcional a la luminosidad, pero la energía del fotón está relacionada con el color (longitud de onda) de este. Cuanto mayor es la frecuencia de una onda electromagnética, mayor es su energía asociada y menor su longitud de onda. 40 Actividad 2 Dibuja una onda y señala las características de la misma. Añade al dibujo mediante flechas o cuadros las definiciones de los conceptos señalados. 42  Comportamiento de las ondas Todas ellas pueden experimentar las siguientes situaciones: ► Difracción: es un fenómeno característico de las ondas, ya que solamente ellas presentan esta capacidad, que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una apertura. Dejan de propagarse en línea recta y rodean el obstáculo o se abren después de pasar por una rendija. La difracción tiene lugar en todo tipo de ondas como las sonoras, las de superficie en fluido y ondas electromagnéticas, como las ondas de radio y la luz visible. ► Reflexión: ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección, manteniéndose en el medio de donde procedía. ► Refracción: ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad, debido a cambios de la densidad o naturaleza del nuevo medio. ► Efecto Doppler: efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas. ► Interferencia: ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. El resultado es la suma de las dos oscilaciones en el tiempo. ► Onda de choque: ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono. ► Polarización: una onda es polarizada si solo puede oscilar en una dirección. La polarización de una onda transversal describe la dirección de la oscilación, en el plano perpendicular a la dirección del viaje. 43  El espectro de radiación electromagnética De mayor a menor longitud de onda y frecuencia El espectro de radiación Ondas de radiofrecuencia: se utilizan para propagar señales de radio y electromagnética se define como televisión. las diferentes formas en las que se Microondas: se utilizan en los radares y otros sistemas de puede expresar la luz. Las ondas comunicaciones. electromagnéticas cubren una Infrarrojo: son producidas por cuerpos calientes y tienen muchas amplia gama de frecuencias y aplicaciones en industria, medicina y astronomía. longitudes de onda. Luz o espectro visible: es una estrecha banda formada por las longitudes de onda, para la cual la retina humana es sensible. Las diferentes sensaciones que la luz produce en el ojo, que se denominan colores, dependen de la longitud de onda. Ultravioleta: su energía es del orden de magnitud de la energía involucrada en muchas reacciones químicas, lo que explica muchos de sus efectos químicos. Rayos X: tiene numerosas aplicaciones médicas. Rayos gamma (γ): estas ondas electromagnéticas son de origen nuclear y se superponen al límite superior del espectro de rayos X. 44 Hz 45 Radiación corpuscular 46 Dualidad onda- corpúsculo La energía electromagnética no se comporta como un flujo continuo de ondas, sino como pequeños paquetes de energía denominados fotones o cuantos. Cada fotón tiene una energía fija que depende de la frecuencia de onda descrita en la fórmula: E=h·v Donde h corresponde a la constante de Planck, que equivale a 6,62 x 10 -34 J · s. El fotón es una seudopartícula elemental que representa una cantidad discreta de energía electromagnética. Tiene carga cero y su masa en reposo es nula. 47 La teoría dual de la luz consiste en que la luz, aunque es una onda electromagnética, se considera también de naturaleza corpuscular y no solo como una onda continua, pues estos fragmentos de onda llamados fotones a veces se comportan como partículas. https://www.youtube.com/watch?v=-O9o4a-kt94&list=PLSe00cruiDj qIgp0UTCWT30unOXOpc1oE&index=1 48  Ondas materiales y ultrasonidos A diferencia de las radiaciones electromagnéticas y las partículas subatómicas, que se pueden propagar igualmente a través de un medio físico y por el vacío, las ondas materiales se propagan como una perturbación o vibración a través de un medio material. El sonido no es más que una onda material, es decir, únicamente se puede transmitir por un medio material, ya sea gas, líquido o sólido. Existen varias frecuencias de sonido, siendo audible por los humanos cuando está en un rango de frecuencias de 20 Hz a 20 kHz. 49 El sonido viaja y transmite energía a través de distintos medios, ya sean sólidos, líquidos o gases. Dependiendo del material por donde se propague, obtendremos diferente velocidad o intensidad de sonido de modo que, a más compresión de las moléculas del medio, mayor velocidad será la propagación del sonido. Las ondas del sonido se propagan mejor en sólidos, luego en líquidos y después en gases. La presión y la temperatura, que influyen en la densidad y proximidad de sus partículas. 50 La intensidad o potencia acústica mide energía transmitida en decibelios (dB). Es una escala logarítmica relativa referente al rango audible, 0 dB corresponde al rango mínimo audible. Este rango va de los 0 a los 150 dB. Entre los 80-90 dB ya podemos catalogar el sonido como ruido. A partir de los 140 dB llegamos al umbral del dolor auditivo. El Ruido es una magnitud que representa la energía que atraviesa un área por unidad de tiempo (W/m2 en valores absolutos), y se calcula así: B es el ruido en dB. I es la intensidad de este. B = 10·log(I/I0) I0 corresponde a la intensidad del umbral audible, ambas en W/m2. 51 Como depende del medio por el que se transmite, el sonido recibe variaciones cuando este cambia, además de interferencias y difracciones, como cualquier otra onda. Estos efectos son los siguientes: ►Reflexión: se trata de que una parte o la totalidad de las ondas chocan contra el medio u objeto y se reflejan, generando el fenómeno conocido como eco. ►Refracción: se trata de que una parte o la totalidad de las ondas atraviesan la interfase entre los dos medios y cambian de dirección. ►Efecto Doppler: es la variación de frecuencia del sonido que recibe un receptor a medida que el emisor se acerca o se aleja de él, siendo superior cuando se acerca (la intensidad aumenta) e inferior cuando se aleja. Se suele aprovechar este efecto en el cálculo de la velocidad y la dirección de la sangre mediante ultrasonidos. https://youtu.be/i2PbSzlFDxw 52 Ultrasonido Los ultrasonidos (US) son aquellos sonidos cuya frecuencia es muy alta, por lo que el oído humano no es capaz de detectarlos. En medicina se usan aquellos US de entre 1 MHz y 14 MHz. Además, se generan con el efecto piezoeléctrico (aparición de una diferencia de potencial eléctrico -voltaje- entre ciertas caras de un cristal cuando este se somete a una deformación mecánica). 53  Magnetismo y aplicaciones en la obtención de imágenes diagnósticas Campos y fuerzas magnéticas Un campo magnético se define como el espacio en el cual se dan lugar a fenómenos mag- néticos influenciados por un cuerpo que tiene propiedades magnéticas, como un imán o una corriente eléctrica. Faraday, describió el campo magnético como “un estado de tensión, A mayor intensidad del constituido por líneas de fuerza uniformemente repartidas”. El número campo magnético, más de dichas líneas de fuerza por unidad de superficie se denomina densidad de juntas se situarán las flujo. líneas de fuerza. 54 Campos y fuerzas magnéticas Las características que definen un campo magnético son: 55 Materiales Magnéticos Los materiales que poseen magnetismo y se atraen a sí mismos se denominan imanes Existen de distintos tipos: Los electroimanes son los imanes temporales más importantes que se encuentran en la actualidad. TIPOS La magnetita es el imán permanente natural usado más frecuentemente 56 En la naturaleza, existen tres tipos de comportamientos producidos por los imanes, que dependen de la naturaleza atómica de los materiales que se encuentren dentro del campo magnético que crean: Paramagnetismo Son aquellos en los que se produce un campo magnético interior cuando son sometidos a uno externo. El interior siempre será superior al externo, debido a que cada átomo del material actúa como un imán de manera individual. Cuando se deja de suministrar el campo externo, los átomos se desimantan y, en consecuencia, el material ya no se comporta como un imán. Ferromagnetismo Aumentan su campo interior al aplicarles un campo magnético exterior, llegando hasta 1.000 veces el valor de este. La diferencia con el paramagnetismo es que, al cesar el campo externo, algunos mantienen parte del magnetismo, por lo que se usan como base de los imanes permanentes. Diamagnetismo: se diferencia de los dos anteriores en que la imantación interna disminuye al aplicarles un campo magnético, siendo este inferior al externo. En todos los materiales existe este fenómeno, pero pasa desapercibido, por lo que solo se observa en los materiales diamagnéticos. 57 58  Magnetismo y electricidad Un solenoide o bobina es un hilo metálico cubierto y enrollado sobre un cilindro La corriente eléctrica y el magnetismo van de la mano en una interacción básica de la naturaleza, llamada interacción electromagnética. EM Los electroimanes, tal y como indica su nombre, usan un generador conectado a una bobina formada por un alambre enrollado en espiral sobre una armazón cilíndrica (solenoide), por la cual pasa corriente, de modo que se forma un campo magnético casi uniforme. Este se puede complementar con un material ferromagnético para incrementarlo, y modificando la intensidad de la corriente que pasa por el solenoide y se regula el campo magnético según la siguiente fórmula: B = k· n · I / r B es el campo magnético. k la constante de proporcionalidad, que depende del material del electroimán. n es el número de espiras de la bobina. I es la intensidad de la corriente eléctrica que circula por la misma. r es su radio. 59 Si la corriente que circula por el electroimán es alterna (varía con el tiempo), el campo magnético también varía, generando ondas electromagnéticas. Los equipos que funcionan mediante este principio se llaman antenas. Igual que se pueden generar campos magnéticos mediante corriente, también se puede realzar inversamente, de forma que se producen corrientes eléctricas con campos magnéticos. En este caso, se habla de inducción electromagnética En resonancia magnética nuclear también se generan corrientes por inducción electromagnética. INDUCCIÓN La fuerza magnética (F) es la fuerza que desvía una carga eléctrica cuando esta se encuentra en movimiento y atraviesa un campo magnético constante en el tiempo. Se cuantifica mediante la siguiente fórmula: F = B · senθ · Q · v Donde: B es el valor del campo magnético. θ es el ángulo entre la dirección de la partícula y la del campo magnético. Q es la carga de la partícula. v su velocidad. 60 4.4. Átomos y magnetismo Al aplicar un campo magnético sobre las partículas de un átomo, se producen distintos efectos, según su polaridad: Los electrones, al circular en sus órbitas se comportan como pequeños campos magnéticos, el resultado depende del tipo de material: En ferromagnéticos y paramagnéticos se genera un campo magnético apreciable. En los materiales diamagnéticos los campos se anulan entre sí, por lo que se anula el campo global. Los protones: su relación con el magnetismo se aprovecha sobre todo en la resonancia magnética(RM), para observar tejidos blandos. Los protones generan un campo magnético muy pequeño al girar sobre sí mismos. A este movimiento se le denomina espín. Los núcleos que tienen un número impar de protones y neutrones se comportan también como pequeños imanes en presencia de imanes y no pueden compensar sus cargas magnéticas. 61 4.4. Átomos y magnetismo En RM se usan los átomos de hidrógeno ya que tienen solamente un protón. Una modalidad distinta de resonancia magnética es la resonancia magnética funcional, que usa las propiedades magnéticas de moléculas en la sangre para conseguir imágenes neuronales. La hemoglobina combinada con oxígeno produce un aumento de la señal, es decir, cuando hay actividad en una región del cerebro específica, la concentración de oxígeno en la zona aumentará y se producirá una señal mayor. Además de en resonancia magnética, el magnetismo se usa en el estudio de las señales producidas en las sinapsis neuronales mediante magnetoencefalografía (MEG). 62 4.5. Dipolos magnéticos atómicos Los dipolos magnéticos atómicos o momentos magnéticos son el resultado de dos tipos de movimientos diferentes de electrones: ► Un movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico. ► Un movimiento electromagnético. Debido a las propiedades cuánticas denominadas momento de spin o espín Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos, se reduce la energía neta. En un átomo, los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital, y en momentos magnéticos de espín. De esta manera, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente y solo los átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético. Su fuerza depende del número de electrones impares. 63 5. Aplicaciones de las radiaciones ionizantes 5.1. Radioterapia La radioterapia consiste en Rayos X aplicar la dosis de radiación Fuentes necesaria en el tejido a tratar, de Radiación β, sin comprometer la salud de radiación los tejidos de alrededor. Radiación gamma Electrones de alta energía Haces de hadrones Fuentes de radiación internas al paciente. ¿Dónde aplicamos la radiación? Fuentes de radiación externas al paciente. 64  Fuentes de radiación externas al paciente: Teleterapia También se denomina EBRT (External Beam RadioTherapy). ¿De donde obtenemos la energía? Rayos X Tubos de rayos X o aceleradores lineales. Tipo de equipo Potencial Herramientas Distancia de Profundidad trabajo en el paciente Rayos Y Terapia de Conos o < 50 kV Fuentes radiactivas. contacto, mediante aplicadores aplicadores Pocos centímetros Pocos milímetros Electrones Baja energía, Aceleradores lineales. 50 kV - 150 kV - terapia superficial Hadrones (en algunos países, no España) Energía media, Conos o < 500 kV 50 cm 2 - 3 cm Colisión de iones pesados. terapia semi aplicadores profunda Para un mismo tipo de radiación, La RAYOS X profundidad del tratamiento será directamente proporcional a la energía aplicada. Terapias poco profundas y superficiales. Potencial: dependiendo de la profundidad a la cual se desea llegar. 65  Fuentes de radiación externas al paciente: Teleterapia Los equipos de radioterapia externa se encuentran a unos 100 cm del paciente para permitir la colimación y direccionamiento de los haces mediante la rotación del cabezal emisor. Usan colimadores para dar la forma deseada a los haces y poder delimitar el tumor, de modo que los tejidos de alrededor sufran el mínimo efecto posible. 66 OTROS EQUIPOS Equipos de radioterapia intraoperatoria (IOTR): se usan en los quirófanos para eliminar los posibles restos de tumores extirpados. Para tratamientos EBRT de mayor profundidad se usan rayos X o gamma de muy alta energía (MeV), generados por aceleradores lineales y equipos de cobaltoterapia respectivamente. Aceleradores Lineales: Equipos de cobaltoterapia: En desuso en Europa por motivos de protección Generan Rayos X de alta energía (MeV) radiológica. Pueden ser usados como IORTs si son de pequeño Usan una fuente de radiación ionizante natural, el 60 tamaño y la aceleración de los electrones es de baja Co, en forma de tableta cilíndrica. Esta pastilla se energía. desplaza eléctrica o neumáticamente hacia una rendija que apunta al paciente, emitiendo radiación gamma muy penetrante de unos 1,25 MeV. 67 OTROS EQUIPOS Radioterapia tridimensional conformada (3DRT), que se adapta, como indica su nombre, a la forma tridimensional de los tumores. Radioterapia de intensidad modulada (IMRT), que consiste en la distribución de dosis no uniforme, para ajustarla a cada volumen a tratar. Radioterapia guiada por la imagen (IGRT), con ayuda de rayos X. Ultrasonidos, para observar la anatomía del paciente y enfocar el haz de rayos en la zona adecuada con la mayor precisión posible. Técnicas de irradiación volumétrica por arcos (VMAT), se usan las técnicas de IGRT, juntamente con haces dinámicos, de modo que la radiación se aplica mientras la fuente gira en torno al paciente. Estereotaxia, que consiste en aplicar, mediante aceleradores lineales, un gran número de haces muy pequeños desde distintos ángulos, o aplicarlos mediante un brazo robótico a una zona muy concreta del tumor. Permite una exactitud muy elevada. Usado en radiocirugía intracraneal o tumores (benignos o malignos) extracraneales Radioterapia con iones, partículas pesadas cargadas (los núcleos de helio o los iones de carbono) y protones, aunque su extensión se ve limitada por el alto coste económico de sus instalaciones. Los equipos usados para que adquieran energías de entre 70 y 250 MeV son los llamados ciclotrones o sincrotrones. 68  Fuentes de radiación internas al paciente: Braquiterapia Tipo de Zona de aplicación Forma de aplicación braquiterapia La braquiterapia consiste en la administración de Superficial Piel Aplicadores estándar o moldes personalizados. radiactividad desde el interior del propio cuerpo mediante Aplicadores vaginales, intrarectales o Endocavitaria Cavidades naturales endobronquial, entre otros. fuentes radiactivas encapsuladas. En cirugía, pueden ser temporales (tratamientos Intersticial Interior de la lesión de mama) o permanentes, mediante semillas (un tratamiento especial de próstata). Los equipos de carga diferida (AFLD) disminuyen el riesgo de contaminación con radiación por manipulación de semillas radiactivas Los implantes permanentes se usan semillas con los isótopos, por ejemplo, 125I, 103Pd y 198 Au, y se administran mediante agujas directamente al tumor o con dispositivos especializados, que las inserte en intervalos regulares de manera individual. 69 OTROS EQUIPOS Y TRATAMIENTOS Tipo de equipo de Isótopo de la fuente Características del tratamiento braquiterapia Aproximadamente se aplica una actividad 192 Ir, T= 74,2 días. de 10 Ci. Equipo de Alta Tasa (HDR) 60 Co, T = 5,26 años. Procedimiento ambulatorio. Paciente ingresado. La duración suele ser de Equipos de Baja tasa (LDR) 137 Cs, T= 30,23 años. más de 24 h. Alterna minutos de tratamiento con pausas Equipos de Tasa Pulsada (PDR) 192 Ir, T = 74,2 días. para reducir el efecto biológico. 70 Tratamientos con fuentes no encapsuladas Tratamiento de tumores de tiroides con 131I, Tratamiento de metástasis óseas con 89Sr y 153Sm Tratamiento de tumores hematológicos con 32P. 71 5.2. Radiación ionizante en diagnóstico Se descubrió que los isótopos radiactivos eran absorbidos por el cuerpo, según la naturaleza de sus tejidos. 1859 1956 1923 Descubrimiento de los Rayos X Invención de la gammacámara obtención de imágenes en medicina nuclear. 72 Para obtener la imagen se necesita que las radiaciones atraviesen el cuerpo para ser detectadas al otro lado y poder obtener la información sobre los tejidos que se encuentran, por lo que únicamente se puede realizar mediante rayos X y rayos gamma. Rayos X: Para poder diferenciar los tejidos blandos se pueden usar contrastes ingeridos o intravenosos, que absorben los rayos X con más intensidad que el resto de los tejidos. Las imágenes que se obtienen con los rayos X son de dos tipos: Radiología convencional. Sirve para obtener imágenes planas mediante un único haz que atraviesa al paciente y llega a un detector (placa radiográfica, intensificador de imagen, para tiempo real, o una matriz de detectores para digitalizar la imagen). Tomografía computarizada. Consiste en el uso de rayos X para obtener reconstrucciones 3D de la estructura anatómica del paciente, para conocer la localización de las mismas dentro de su cuerpo. Consiste en un tubo de rayos X que gira alrededor del paciente y, aunque se estudiará en mayor profundidad más adelante, es importante tener en cuenta que, mientras el tubo gira, se obtienen imágenes sucesivas del cuerpo mediante detectores que digitalizan la señal, enviándola a un ordenador que le otorga un valor de densidad en la escala Hounsfield, con el cual se aplica un nivel de gris. 73  Isótopos radiactivos en diagnóstico La medicina nuclear usa isótopos radiactivos para obtener imágenes de diagnóstico a partir de la absorción selectiva de cada órgano o tejido patológico. Cuando ya se ha absorbido, se introduce al paciente en el equipo captador de imágenes, gammacámara, equipo parecido a una TC, pero con la diferencia que no tiene tubo de rayos X y los detectores son más grandes y lentos, ya que la radiación a detectar es inferior. Una vez realizado el estudio, el paciente elimina el componente radiactivo a través de la desintegración radiactiva y la eliminación por los fluidos corporales, por ejemplo, la orina. El proceso se denomina gammagrafía y se usa para detectar tumores y enfermedades benignas, como procesos inflamatorios, hipertiroidismos, etc. 74  Isótopos radiactivos en diagnóstico La tomografía por emisión de positrones (PET) utiliza la generación de un par de fotones gamma debido a la aniquilación del positrón (emitidos por un radioisótopo β+) con un electrón. Este par de fotones Y es detectado por el equipo, y como los radioisótopos usados se asocian a una molécula de glucosa, se obtienen imágenes funcionales del cuerpo. La aplicación en oncología es básica, ya que los tumores consumen una alta cantidad de glucosa. Si se utilizan los equipos PET-TC con las mismas coordenadas, se obtiene una imagen anatómica conjuntamente con una funcional, por lo que permiten una superposición perfecta y consisten en una gran utilidad en radioterapia EBRT y para técnicas de IGRT. 75 76  6. Aplicación de las radiaciones 6.1. Radiaciones no ionizantes y ondas materiales en radioterapia El papel de las radiaciones Ultrasonidos: las imágenes ecográficas no se no ionizantes en pueden fusionar con las de TC ya que no radioterapia es el de asistir tienen coordenadas fijas por lo que el en la diferenciación de las radioterapeuta debe ser el que compara La asistencia en la delimitación de los estructuras que se quieren volúmenes diana se realiza RM y ambas imágenes para la localización de la observar y su localización ultrasonidos, que proporcionan información estructura de interés. en tiempo real. sobre los tejidos blandos que no se puede detectar mediante la TC (no siempre tienen contraste suficiente para detectar patologías) Resonancia magnética: sirve para delinear los tumores en muchos tejidos blandos, de modo que, si el paciente se coloca de la misma forma para la RM y para la TC, las imágenes de ambos se pueden fusionar y obtener un Las ondas electromagnéticas se usan en contorno de las estructuras mucho más claro. radioterapia para acelerar los electrones en los aceleradores lineales, en cuyo caso se llaman microondas. 77  La radioterapia se puede complementar mediante rayos X, pero estos presentan limitaciones en cuanto a la visualización de los tejidos blandos por lo que, de la misma forma, se usan US y rayos infrarrojos (IR). En este caso, la RM no es compatible, aún con los componentes metálicos de los equipos de radioterapia, ya que funciona con imanes. Ultrasonidos en IGRT Ultrasonidos en braquiterapia Rayos infrarrojos Se usan un sistema de Se usan en la implantación de No se obtienen imágenes. referencia externo juntamente semillas radiactivas en tiempo Únicamente se detecta el con la TC de simulación y la real para poder realizar posicionamiento del paciente, unidad de tratamiento, de correcciones en la posición de así como el momento del ciclo modo que se producen las fuentes de radiación si es respiratorio en el que se imágenes 3D en EBRT de necesario, como en encuentra, lo que es muy útil en mama, ginecología y próstata. braquiterapia ginecológica. la radioterapia de órganos que Este proceso, por tanto, recibe padecen desplazamientos y el nombre de braquiterapia órganos que deben ser evitados. guiada por imagen (IGBT). 78 6.2. Radiaciones no ionizantes y ondas materiales en diagnóstico por la imagen Las principales aplicaciones de las radiaciones no ionizantes en diagnóstico por la imagen se realizan mediante resonancia magnética y ultrasonidos. Ambos proporcionan imágenes muy diferentes que se suelen complementar para realizar un diagnóstico completo. También se usan infrarrojos y, obviamente, la luz visible (aunque no se la considera herramienta de diagnóstico), que ambos son radiaciones electromagnéticas. Resonancia magnética (RM) Ultrasonidos (US) Se obtienen imágenes de gran resolución Permite la exploración en tiempo real Es la mejor técnica para visualizar el contraste entre tejidos Ofrece muchas posibilidades de planos a observar blandos, como el abdomen, el corazón y el cerebro, entre Tiene una buena relación coste-beneficio. otros. El inconveniente que presenta es la gran cantidad de Está limitada por los objetos metálicos artefactos que presentan sus imágenes. Desconocimiento de posibles efectos adversos que pueda conllevar. Largo tiempo que supone una exploración con este método. 79  7. Unidades y magnitudes de uso en radioterapia e imagen para el diagnóstico La mayoría de las magnitudes usadas en radioterapia tienen dos características clave: El valor total de la magnitud, es decir, la cantidad total de radiación recibida por una persona. La tasa, que es la variación temporal de una magnitud en función del tiempo. En radiaciones ionizantes la tasa está relacionada con los efectos biológicos, y se simboliza añadiendo un punto encima de su símbolo. 80  7. Unidades y magnitudes de uso en radioterapia e imagen para el diagnóstico La transferencia lineal de energía (LET) de las radiaciones ionizantes cuantifica su capacidad de ionización, por lo que se relaciona directamente con los efectos biológicos de estas. Se mide por MeV/cm, es decir, la energía transferida por unidad de longitud en su recorrido. Tipo de LET Capacidad de Tipo de radiación Comportamiento ionización Especialmente α, también β, Pierden su energía con rapidez, Alta LET Muy ionizante aunque menos. se usan superficialmente. Radiaciones electromagnéticas, Tardan en perder la energía, Baja LET Poco ionizante rayos X y rayos gamma de alta llegan a más profundidad. energía. 81 7.1. Exposición (X) La exposición (X) es la carga eléctrica total de los iones generados cuando los fotones (Rayos X o gamma) liberan electrones en una cierta masa de aire, ya que estos electrones interactúan con las partículas y las ionizan. La exposición es proporcional al número de ionizaciones producidas por la radiación en una unidad de masa del aire, y se calcula mediante C/kg o R (röentgen) y se calcula así: X=Q/m 1R=2,58 x 10 -4 C/Kg Un R se define como: “la radiación producida por una unidad electrostática de carga en La tasa de exposición es la variación de la exposición por unidad de tiempo, y en 1 cm3 de aire en condiciones normales” protección radiológica se suele representar mediante R/h.. X=dX/dt 82 7.2. Dosis recibida La dosis recibida se puede representar mediante dos vertientes: dosis absorbida (D) y dosis equivalente (H). Dosis absorbida Es una forma de medir la exposición a cualquier tipo de radiación, pues la exposición solo sirve en el caso de los rayos X y los gamma en el aire. Se define por la energía absorbida por unidad de masa, y se mide el Gray (Gy = 1 J / kg). También existe su propia tasa, medida en Gy/s. Este tipo de dosis se usa para controlar los posibles efectos biológicos que recibirá el paciente, por lo que se usa en la prescripción de los tratamientos. 83  7.2. Dosis recibida Se puede relacionar con la exposición en rayos X y gamma con la siguiente fórmula: La carga ionizada y D=f·X la energía absorbida son En la cual f es un factor de proporcionalidad, que depende de la proporcionales. energía de la radiación y del material en el que incide. 84 7.2. Dosis recibida Dosis Media en un órgano La dosis media absorbida por un órgano o tejido, DT, es la energía total absorbida por el mismo dividida por su masa. Es muy importante para determinar el riesgo de efectos adversos causados por la propia prueba. La dosis glandular media DG, es la dosis usada en las mamografías, ya que el valor de la DT, en ese caso, es de vital importancia. DG No se puede medir directamente, por lo que se realiza un maniquí estándar para su cálculo. Se utiliza la magnitud kerma-aire en el seno de aire en la superficie de entrada (ESAK). En los casos en los que se produce retrodispersión, sobre todo, en los tejidos más profundos, se usa otra magnitud, llamada dosis en aire en la superficie de entrada (DSE). 85 7.2. Dosis recibida KERMA (K) En el caso de radiaciones de partículas no cargadas, es decir, fotones y neutrones, la magnitud relacionada con la dosis absorbida es el kerma (K), es decir, la suma de todas las energías cinéticas iniciales de todas las partículas ionizantes cargadas que se liberan debido a la radiación por unidad de masa 86 7.2. Dosis recibida Producto dosis área Otra medida de la dosis usada se denomina producto dosis área (PDA). Se define como la dosis que hay en un plano en el aire, y se calcula en cualquier punto entre la fuente de rayos X y el paciente, siempre y cuando los efectos de absorción y dispersión del aire sean despreciables. Se mide en Gy · cm2 87 En tomografía computarizada se deben utilizar magnitudes características, pues la fuente de radiación es giratoria entorno al paciente y este se desplaza longitudinalmente: Magnitud Descripción Se calcula mediante el área bajo el perfil de la dosis dividido por la anchura del corte. Se mide el Gy. Índice de dosis en tomografía computarizada (CTDI). Esta medida se puede normalizar dividiendo por el número de mAs (miliamperios-segundo) del corte, conocemos así el valor de CTDI según los mAs aplicados. Se trata de la dosis media en el corte del medio de una serie de N cortes del mismo espesor T, cuando, Dosis promedio en multicorte (MSAD) entre cortes sucesivos, hay un incremento constante de la dosis. Producto dosis - longitud (PDL) Se obtiene multiplicando el CTDI por el número de cortes y su anchura. Se mide en mGy·cm. 88 Dosis equivalente Existen distintos factores influyentes para cada tipo de radiación, por lo que para conocer los efectos biológicos, no vale con la dosis absorbida, ya que la misma cantidad produce efectos diversos. Estos factores son: Influencia de los mecanismos de interacción radiación - materia. Diferencia en la capacidad de ionización según el tipo de radiación, ya que, en general, las partículas ionizantes producen más efectos a las radiaciones electromagnéticas. 89 Dosis equivalente Por esta razón, se utiliza la dosis equivalente H, que tiene en cuenta los efectos biológicos de la radiación mediante Q, un factor de calidad que depende de cada tipo de radiactividad: H = D· Q El factor de calidad Q varía en función de la naturaleza de la radiactividad, y cuanto más alto es, más bajas deben ser las dosis prescritas para mantener el efecto: Tipo de radiación Factor de calidad Q Rayos X, rayos gamma, y electrones. 1 Neutrones de energía desconocida, protones, 10 partículas de una sola carga. Partículas α y de varias cargas, de energía 20 desconocida. 0,025 - 0,1 eV 2,3 (térmicos) 2 0,005 MeV 5 0,02 MeV 7,4 Neutrones según su 0,1 MeV 11 energía 0,5 MeV 10,6 1,0 MeV 7,8 5 MeV 6,8 10 MeV 90  Dosis equivalente La dosis equivalente se mide en Sievert (Sv), y se usa mucho en protección radiológica como mSv, para limitar las dosis recibidas por las personas que no son pacientes (trabajadores y visitantes), así como para conocer la dosis equivalente media en un tejido u órgano, HT, ya que se usa para conocer la dosis efectiva (E) y comparar la irradiación individual de cada órgano, en presencia de irradiación general en todo el cuerpo. Tejido u órgano Factor WT En cada órgano existe un riesgo distinto frente a radiación, por lo que a cada uno se Resto del cuerpo 0,05 le asigna un factor de ponderación WT que, junto con la dosis equivalente recibida Superficie de los huesos 0,01 por cada órgano (HT), sirve para calcular la dosis efectiva de todos los órganos Piel irradiados (E): Tiroides Esófago Hígado 0,05 E (Sv) = ΣWT · HT Mama Vejiga Los valores de WT de los distintos órganos se muestran en la siguiente Estómago tabla y nos servirán para calcular las dosis. Pulmón 0,12 Colon Médula ósea Gónadas 0,20 91 FIN 92