FISICA DE LAS RADIACIONES CONTENIDO: 1 Átomo y partículas elementales 2 Radiación: Clasificación 3 Interacción de la radiación con la materia 4 Unidades y medidas 1. EL ATOMO Y PARTICULAS ELEMENTALES
Todo lo que existe en el universo, desde un palillo hasta una galaxia, está hecho de materia que se puede descomponer en una docena de partículas elementales. Toda la materia se mantiene unida, o incluso se aparta a veces, por acción de cuatro fuerzas fundamentales.
Según el diagrama que observamos arriba los constituyentes elementales de la materia se pueden dividir en dos grupos el primero relacionado con lo que clásicamente conocemos como materia o sustancia y la segunda con los denominados portadores de la fuerza o energía según la física clásica. Dentro del primer grupo se encuentran los quarks y leptones que a medida que se unen y forman estructuras más complejas darán origen al átomo. En el segundo grupo se encuentran los gluones, bosones, fotones y los supuestos gravitones (por el momento son predicciones teóricas). Estas últimas partículas fundamentales constituirán las fuerzas fundamentales de la naturaleza. 2. RADIACION: CLASIFICACION El término radiación se aplica a la emisión y propagación de la energía a través del espacio o de un medio material. Por la radiación de partículas, que significa, que tienen una masa y ondas electromagnéticas.
Según el diagrama que observamos arriba la radiación se puede dividir por la propiedad de ionizar la materia, es decir de producir pares iónicos a partir de átomos neutros por acción de partículas altamente energéticas. La radiación por lo tanto puede ser ionizante y no ionizante. Es evidente que la primer tipo de radiación es mucho más peligrosa que la segunda para los seres humanos. La radiación ionizante puede dividirse a su vez en corpuscular y electromagnética. La radiación corpuscular se caracteriza por presentar carga eléctrica y masa mientras que la radiación electromagnética es una forma de energía que se desplaza en forma de onda a través de la materia y del espacio vacío. A este último tipo de radiación también se le conoce como radiación indirectamente ionizante porque son sus efectos sobre la materia los que producirán la ionización de la materia. ONDAS ELECTROMAGNETICAS INDIRECTAMENTE IONIZANTES
En la imagen de arriba observamos el espectro de ondas electromagnéticas. Parte del espectro es visible, ubicada en la parte central del espectro, mientras que las no visibles por el ojo humano se ubican en los extremos. Observemos además que las ondas con mayor frecuencia tienen mayores energías. Los rayos x y los rayos gamma se ubican en un extremo del espectro electromagnético formando parte de las ondas de más alta energía. James Clerk Maxwell, describe que oscilaciones de corriente eléctrica (electrones) alterna crearía campos eléctricos y magnéticos de ondas de radiación electromagnética que tendrían las mismas características físicas de la luz. Estas ondas que son capaces de viajas a través del espacio vacío y tienen un comportamiento dual de partícula y de onda. Están constituidas por un campo eléctrico y magnético. La naturaleza ondulatoria de las ondas electromagnéticas permite realizar su descripción en base a elementos propios que la matemática ha podido establecer en sus modelos de ondas. Estos elementos constitutivos son principalmente la longitud de onda y la frecuencia.
λ es la longitud de onda , v es la frecuencia, el número de ondas que pasan por un punto fijo por segundo y c es la velocidad de la luz
La longitud de onda multiplicada por la frecuencia de la misma onda nos da como resultado una constante universal de la naturaleza que es la velocidad de la luz (c). La longitud de onda y la frecuencia de la onda son dos magnitudes físicas inversamente proporcionales. En este sentido si una onda posee una alta frecuencia se puede predecir que su longitud de onda sea más bien pequeña compara con la longitud de otras ondas cuya frecuencia sea menor a la frecuencia de la primera onda mencionada. Se
entiende que la velocidad de cualquier onda electromagnética del espectro de luz se propaga a la velocidad de la luz sin importar su frecuencia o su longitud de onda. Por otro lado se sabe que las ondas electromagnéticas constituyen una forma de energía y en tanto esto es así se dice que también tienen un comportamiento de partícula. Existe una forma de cuantificar esta energía basada en la constante de Plank. Según esta fórmula la energía de la onda es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda.
h: es la contaste de Plank Las ondas de más alta energía que se ubican a la derecha del espectro visible de ondas electromagnética son aquellas que poseen altas frecuencias. Es evidente que la energía de la onda depende de su frecuencia sin embargo todas las ondas del espectro se propagan a la velocidad de luz. Los rayos x y los rayos gamma se encuentran dentro del grupo de ondas de alta energía por sus altas frecuencias y son precisamente estas ondas las que pueden producir ionización en el momento en el que interactúan con la materia. Hemos dicho que las ondas electromagnéticas se comportan también como partículas y una manera de entenderlo es reparando en el efecto que las ondas de alta energía tienen sobre la materia al ionizarlas. Este tipo de ondas producen efectos importantes al comportarse como proyectiles sobre la materia y produciendo en muchos casos efectos destructivos arrancando electrones de las orbitas atómicas. ONDAS ELECTROMAGNETICAS INDIRECTAMENTE IONIZANTE
Observamos en la imagen de arriba que la radiación indirectamente ionizante, la no posee carga eléctrica y masa se puede dividir fundamentalmente en rayos x (este tipo de radiación incluye a los rayos x característicos u a los de Bremsstrahlung) y rayos gamma. Recordemos que los rayos x y los rayos gamma pueden adquirir energías muy altas y que ambas radiaciones pueden excederse mutuamente, es decir no se les denomina como tales por sus niveles de energía sino más bien por su origen. Fuera del átomo estos dos tipos de radiación no se pueden distinguir de ninguna forma. Para efectos prácticos tanto los rayos gamma como x son lo mismo fuera del átomo. El origen de los rayos x se encuentra en la nube electrónica mientras que el origen de los rayos gamma se encuentra en el núcleo atómico. Los mecanismos de producción de los rayos x por lo tato son diferentes de los mecanismos de producción de los rayos gamma.
RAYOS X CARACTISTICOS Los rayos x característicos son emitidos por los elementos pesados, cuando sus electrones realizan transiciones entre los niveles más bajos de energía atómica.
En la imagen de arriba observamos cómo se originan los rayos x característicos. Cuando un electrón acelerado a gran velocidad impacta con un electrón de la nube electrónica de un átomo este último sale despido producto del impacto. En seguida un electrón de una órbita vecina (más alejada del átomo con respecto a la órbita momentáneamente vacía) ocupa el lugar del electrón despedido por el impacto. Cuando esto acurre un poco de la energía del átomo de “reemplazo” se emite fuera del átomo. De esta forma se produce la radiación de tipo característica. La radiación emitida se debe a la diferencia de energías que existen entre las órbitas del átomo.
RADIACION BREMSSTRAHLUNG El proceso de la radiación de frenado es el resultado de "colisión" radiactiva entre un electrón de alta velocidad y el núcleo. El electrón al pasar cerca de un núcleo puede ser desviado de su trayectoria por la acción de fuerzas de Coulomb de atracción y perder energía como radiación de frenado.
RADIACIÓN GAMMA La radiactividad gamma está compuesta de rayos electromagnéticos. Se distingue de los rayos x solamente por el hecho de que provienen del núcleo.
Los rayos gamma se producen en el núcleo de átomos inestables. Los núcleos inestables se producen por una diferencia entre sus partículas constituyentes. Los núcleos estables normalmente tienen igual cantidad de protones y neutrones. RADIACIÓN CORPUSCULAR O DIRECTAMENTE IONIZANTE
Según la imagen que mostramos arriba las partículas cargadas se pueden clasificar en partículas cargadas pesadas y ligeras. Estas últimas se consideran ligeras si poseen 1/1840 veces la masa del protón. Las partículas cargadas pesadas son los protones, la radiación alfa y también los iones pesados acelerados a altas velocidades. Las partículas cargadas ligeras son fundamentalmente el electrón, positrón y la radiación beta. RADIACTIVIDAD La radiactividad es la transformación de un núcleo inestable en una entidad más estable que puede ser inestable y se desintegra aún más a través de una cadena de desintegración hasta alcanzar una configuración nuclear estable.
LEY DEL DECAIMIENTO La desintegración radiactiva se basa en el simple hecho del cambio en el número de átomos por unidad de tiempo.
λ: es la constante de decaimiento. La constante de decaimiento es la forma particular que posee un núcleo atómico de pasar de ser inestable a estable.
TIEMPO DE VIDA MEDIA
La actividad disminuye siguiendo una función exponencial del tiempo. Esto implica que si la actividad de una fuente disminuye al 50 % en un cierto periodo, en tiempo similar se reducirá al 25 %, y luego al 12.2 %, y luego al 6.25%, etc. El tiempo necesario para que una fuente de radiactividad disminuya su actividad a la mitad se llama tiempo de vida media, periodo de semidesintegración o tiempo medio radiactivo (T1/2R) Mario Parisi-137. CUANTIFICACION DE LA RADIACTIVIDAD La actividad de una fuente es el número de desintegraciones nucleares(N) que se producen en una unidad de tiempo. Esta actividad es evidentemente proporcional al número de átomos radiactivos presentes y nada nos dice sobre el tipo de radiación emitida en cada desintegración (Mario Parisi-137). Actividad (A) de una cantidad de un radionúclido es:
Unidades de actividad: 1 curie (Ci) = 3.7 x 10 10 desintegraciones / sec (dps) 1 Becquerel (Bq) = 1 desintegración / seg.., en el SI 1 Bq = 2.70 x 10-11 Ci MODOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO Al desintegrase, un átomo radiactivo, puede emitir diferentes tipos de radiaciones. Principalmente son las partículas alfa, y partículas beta y los rayos gamma. Decaimiento α Decaimiento β Emisión de negatrón (β–)
Emisión de positrones (β+1) Conversión Interna DECAIMIENTO ALFA Emisión de una partícula α: dos protones + dos neutrones Se da con mayor frecuencia en nucleídos radiactivos con Z >82 Como resultado: Z → Z-2 y A → A-4 ZHA ----> Z-2 HA-4 + 2He4 + Q Q: “energía desintegración”.
Las partículas alfa son emitidas con una energía característica del elemento, es decir son monoenergeticas( entre 2-8 MeV). Penetran muy poco, pero tienen gran poder de ionización. Si se mide su capacidad de ionización en función del camino de recorrido se ve que al final se produce una pequeña elevación. Es justamente en esta última porción donde la ionización es alta. Al finalizar su recorrido, las partículas captan del medio dos electrones y se convierten en átomos de helio (Mario parisi-138). DECAIMIENTO BETA De acuerdo con su carga las partículas beta se pueden clasificar en partículas beta negativas o en negatrones y partículas beta positivas o positrones. A Emisión de negatrón (β–) En núcleos con exceso de neutrones o alto (n/p). en este tipo de desintegración un neutrón dentro del núcleo se convierte en un protón con la emisión de una partícula beta negativa y de un antineutrino. Cuando un núcleo emite una partícula beta negativa pierde un neutrón y gana un protón, por lo tanto el número másico A permanece constante. El antineutrino es una partícula que no tiene masa, raramente interactúa con la materia y por eso no tiene ninguna significancia biológica (Mario Parisi-138). *Núcleo emite β– para reducir la proporción n/p y lograr la estabilidad. 0n1 ----> 1p1 + 0β–1 + ν
(decaimiento β–)
B Emisión de positrones (β+1): En nucleídos con déficit de neutrones o proporción de n/p menores a los de los núcleos estables del mismo número atómico o número de neutrones. Ocurre cuando un protón dentro del radionúclido se convierte en neutrón, una partícula beta positiva se emite y un neutrino. Un positrón es un electrón con carga unitaria positiva en vez de negativa. Tiene la misma masa del electrón periférico e interactúa con la materia de modo similar al mismo (Mario Parisi138). 1p1 ----> 0n1 + 0β+1 + ν (decaimiento β+) ZXA ---> Z-1YA + 0β+1 + v + Q
3. INTERACCION DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA A. INTERACCION DE LA RADIACION INDIRECTAMENTE IONIZANTE CON LA MATERIA La interacción de la radiación indirectamente ionizante (ondas electromagnéticas de altas energías) con la materia produce fundamentalmente iones de varios modos diferentes. EFECTO FOTOELECTRICO Se produce cuando un fotón choca con un electrón de las capas internas (capa k) de un átomo. El electrón es despedido de su órbita produciendo de esta forma dos iones un anión y un catión. El fotón sede totalmente su energía en el momento de la coalición con el electrón. Al producirse el efecto fotoeléctrico el hueco dejado por el electrón despedido es ocupado por otro electrón más externo, produciéndose la emisión de rayos x característicos (Mario Parisi-141).
Predomina para energías < 50 keV. Esto quiere decir que constituye el efecto predominante durante la obtención de una imagen de rayos x. normalmente ocurre para números atómicos altos. EFECTO COMPTON Se produce cuando un fotón choca con un electrón de las capas externas de un átomo. El electrón es despedido de su órbita produciendo de esta forma dos iones un anión y un catión. El fotón sede parcialmente su energía en el momento de la coalición con el electrón por lo que el fotón no desaparece.
Debido al impacto este fotón cambia de dirección e incluso si posee la suficiente energía puede producir un efecto sobre oros átomos. En este mecanismo el fotón incidente de energía interactúa con un electrón cuya energía de enlace es muy pequeña, en relación a la del fotón incidente, como consecuencia de la coalición, ele electrón es eyectado con una energía cinética, mientras que el fotón es desviado con energía menor, o sea con mayor longitud de onda (Mario Parisi-141). Predomina para 200 keV<ε<2MeV. Esto quiere decir que constituye el efecto predominante durante la radioterapia. Normalmente ocurre en átomos que poseen grandes cantidades de electrones.
PRODUCCIÓN DE PARES Se produce cuando un fotón choca contra el núcleo de un átomo. Produciendo de esta forma un positrón y un electrón. El fotón sede totalmente su energía en el momento de la coalición con el núcleo por lo que el fotón desaparece. Se produce cuando la energía del fotón incidente es mayor que 1,02 Mev. (Mario Parisi-141).
Recordemos que estos tres tipos de interacción de la radiación electromagnética se producen dependiendo de las energías que posean estas radiaciones. Es de esperar que durante un procedimiento radiológico se produzca uno de estos efectos de manera predominante pero los demás efectos se producirán de modo muy escaso.
ATENUACIÓN
La atenuación es el resultado de la absorción y la dispersión de la energía radiante cuando atraviesa un medio material como por ejemplo, en nuestro caso, los tejidos del cuerpo humano. La absorción significa fundamentalmente transferencia de energía, en este caso energía de radiación, al medio con el que interactúa. El efecto Compton y el efecto fotoeléctrico principalmente se presentan durante la absorción de la energía. Sabemos ya que a través de estos dos fenómenos el cuerpo irradiado es ionizado de tal forma la transferencia de energía se presenta como una consecuencia lógica. La dispersión de fotones se produce por el choque de estos con un medio material capaz de ofrecer oposición a la energía de radiación. Por lo tanto la atenuación dela radiación constituye el resultado de la absorción y la dispersión de la radiación cuando interactúa con un medio capaz de ofrecer resistencia al paso de la radiación.
µ: constante de atenuación x: espesor del medio I: intensidad de radiación al inicio Io: intensidad de radiación al final Por lo visto en las relaciones que se presentan en el estudio de la atenuación de la radiación diremos que la constante de atenuación depende de la intensidad de la radiación y del espesor del medio material. Por lo tanto cada tejido tendrá su propio coeficiente de atenuación pero en función de la intensidad de la radiación que interactúa con un tejido determinado.
CAPA HEMIREDUCTORA Es el espesor que se necesita para reducir a mitad la intensidad de radiación que traviesa un medio material.
µ: coeficiente de atenuación del medio material Determinar la capa hemireductora es muy importante para la protección radiológica. Por ejemplo el HLV para un haz de radiación de 1.5 MeV en plomo es de 1.1 cm.
Arriba se presenta un gráfico energía (en electronvoltios) vs la atenuación (µ) donde se observa varias curvas donde se quiere representar el comportamiento de los diferentes efectos de la interacción de la radiación con la materia (efecto fotoeléctrico, efecto Compton etc.). la curva roja representa al efecto fotoeléctrico y vemos que se produce a bajas energías comparado con otros efectos a medida que aumenta la energía de la radiación el efecto fotoeléctrico va desapareciendo. El efecto compton (C) también aparece desde anergias aun bajas pero a medida que aumentan las energías por sobre 10 MeV se extingue por completo. La curva de la producción de pares (PP) aparece por efecto de radiaciones que tienen energías mayores a un MeV y aumenta mucho más a medida que la energía aumenta.
Arriba se muestra un gráfico energía (en electronvoltios) vs numero atómico. Se observa claramente que el efecto fotoeléctrico, representado por la curva roja, aumenta con la energía hasta cerca de 1 MeV y a medida que asciende el número atómico. Por otro lado la curva de la producción de pares, representada por la curva azul, aparece por sobre 1 MeV. Y aumenta a medida que el número atómico desciende. Nota: recordemos que la radiación indirectamente ionizante, es decir la radiación electromagnética aparte de ionizar la materia con la cual interactúa puede excitar a sus átomos sin arrancarles ningún electrón. Evidentemente este evento es menos destructivo que la ionización B. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA DIRECTAMENTE IONIZANTE La radiación de este tipo, al igual que la radiación indirectamente ionizante es capaz de arrancar los electrones de átomos irradiados, con suma violencia. Cuando se trata de radiación de naturaleza electrónica estos además pueden producir rayos x al aproximarse al núcleo del átomo. Recordemos que los electrones al igual que los fotones pueden interactuar con el cuerpo irradiado o no lo pueden hacer. Son dos posibilidades que se presentan en un evento como este. La probabilidad de que los fotones interactúen con el cuerpo irradiado es mucho menor que la probabilidad de los electrones debido que los fotones presentan una longitud de onda muy pequeña. Cuando la radiación, del tipo que sea, interactúa con la materia trasfiere su energía al medio. La transferencia de energía al medio depende del grado de interacción el cual a su vez depende del tipo de radiación y de sus características propias como por ejemplo su longitud de onda y su masa. HAZ DE ELECTRONES La interacción de un haz de electrones en el medio se denomina colisión y supone una transferencia de energía a la materia.
Colisión elástica Sólo se produce una desviación de la trayectoria del electrón incidente y una pequeña cesión de energía.
Colisión inelástica El electrón invierte parte o toda su energía en excitar una átomo que luego retornara a su estado basal o en ionizar.
Colisión radiativa Si el electrón incidente pasa lo suficientemente cerca núcleo del átomo, sufrirá una gran pérdida de energía cinética que se emite en forma de radiación electromagnética.
La radiación directamente ionizante, es decir que posee carga y masa posee además una importante característica que define su comportamiento: su energía. Este tipo de radiación hará un recorrido a través del medio irradiado en función de la energía.
El poder de frenado S(E): La pérdida de energía que experimenta una partícula de energía E en un material determinado por unidad de recorrido.
El alcanze (cm) de una partícula en un medio se define como el recorrido total de la partícula en el material, supuesto el recorrido rectilíneo
Arriba se muestra un gráfico alcance (en centímetros) vs dosis de absorción (Gy). Las curvas de colores indican los comportamientos de radiaciones de diferentes energías (en electronvoltios). Por
ejemplo la curva roja de la derecha que posee una energía de 10 MeV deja una dosis de absorción de 100 gy a 1.7 cm, mientras que la curva verde de 6.5 Mev deja 100 Gy a tan solo 0.5 cm. Esto quiere decir que a mayor energía mayor será la dosis de radiación en regiones más profundas (deposito mayor de dosis). HAZ DE PARTICULAS PESADAS Los protones transfieren energía a un medio de la misma manera como los electrones. Sin embargo, siendo alrededor de 2000 veces más pesados, no son fácilmente desviados de su trayectoria y así presentan un pico distintivo Bragg en profundidad. El deposito de dosis muy localizada con un mínimo la irradiación de los tejidos normales es una condición muy apreciada de estos haces para radioterapia.
Variación de la pérdida de energía de las partículas cargadas en función a la distancia. Observamos claramente en esta imagen como al principio el haz de protones penetra en el medio sin dejar mayor radiación durante un trayecto considerable luego repentinamente el depósito mayor de dosis se dispara, presentado un pico bastante llamativo. Después de la aparición de este pico la dosis de absorción disminuye considerablemente hasta hacerse cero casi inmediatamente.
Arriba se muestra una gráfica alcance (en centímetros) vs dosis de absorción (en Gy). Las curvas representan el comportamiento de la radiación según la naturaleza de la que esté constituida. En este gráfico se desea comparar la curva del fotón con la del protón, el primero posee una curva bastante parecida a la del electrón en la que en depósito mayor de dosis se ubica a pocos
milímetros de haber penetrado en el medio y después va dejado la dosis paulatinamente sin hacerse cero en ningún momento. En el segundo caso, la curva del protón, como ya vimos presenta un depósito de dosis en el interior del medio radiado, presentado un pico y luego extinguiéndose completamente la dosis de absorción. 4. UNIDADES DE MEDIDA EXPOSICION Exposición (X): representa la cantidad de iones producidos en aire por la radiación electromagnética. Su unidad es el Coulomb/kg. La Tasa de Exposición es la variación de la exposición en un intervalo de tiempo.
En la figura de arriba se trata de representar el momento en el que un dispositivo es capaz de medir la ionización en el aire producida por una radiación.
En la imagen de arriba observamos una cámara de ionización que puede contabilizar los iones formados.
DOSIS ABSORBIDA Es la cantidad de energía media impartida por unidad de masa de material irradiado en un campo.
La unidad en el SI de dosis absorbida es el gray (Gy) y se define como: 1Gy=1J/kg Para entender mejor este concepto diremos que el responsable directo de la dosis absorbida son los electrones desorbitados que se produjeron por el impacto de los fotones contra estos últimos (transferencia de energía de los fotones a los electrones). Los electrones desorbitados crean una “casada de electrones” que a medida que avanza a través del medio irradiado sede su energía cinética ganada . Es evidente que estos electrones desorbitados provocaran nuevas ionizaciones y determinados perjuicios sobre el cuerpo irradiado a niveles atómicos y moleculares.
En las imágenes de arriba se observa una secuencia de ionización de un cuerpo. Se trata de dar una idea de lo que ocurre durante el momento del depósito de dosis. KERMA (kinetic energy released in the medium) Cantidad de energía transferida en el medio.
En el diagrama mostrado arriba se trata de dar a entender como la energía del fotón es transferida hacia el medio material que es irradiado. En el momento exacto de la coalición entre el fotón y un electrón se transfiere la energía cinética del fotón hacia el electrón. Este último hecho es cuantificado por la magnitud
denomina kerma. Cuanta más coaliciones entre fotones y electrones se produzcan y por lo tanto una mayor transferencia de energía al medio se produzca mayor será el kerma. Es evidente que a mayor kerma mayor será la dosis de absorción. Como vemos el kerma y la dosis absorbida miden dos momentos de la interacción de la radiación con la materia. El primero mide la energía transferida desde los fotones hacia los electrones mientras que el segundo mide la energía transferida de los electrones hacia el medio material irradiado. Debido a que en estos dos procesos se cuantifica la transferencia de energía se miden en Gy. LEY INVERSA DEL CUADRADO DE LA DISTANCIA
Exposición, dosis en el medio, dosis en el aire son inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
RADIOBIOLOGÍA PARADIGMA DEL DAÑO BIOLOGICO
Según el paradigma del daño biológico el trastorno de las funciones biológicas es significativa cuando se ve afectada el ADN de la célula. Dicho de otro modo si la molécula que codifica la información bilógica de la célula se ve afectada sensiblemente entonces es muy probable que este daño a nivel molecular se evidencie por un fallo en las funciones de los tejidos, órganos e incluso a nivel sistémico según sea la gravedad de la irradiación. La radiación ionizante produce precisamente iones en los tejidos irradiados. Pensemos en la formación del clásico par iónico: un anión que es un electrón desorbitado y un catión que es el átomo que perdió el electrón. Los electrones por su tamaño y por la energía que adquirieron al ser impactados por la radiación desencadenan dos vías diferentes que terminan afectando la estructura del ADN. Un electrón en este tipo de situación puede ejercer una acción directa o indirecta sobre la estructura del ADN, veamos esto con más detalle. ACCIÓN DIRECTA: el electrón desorbitado coaliciona con la molécula del ADN rompiéndola. Puede romper una o las dos hebras de ADN según sean las energías y condiciones del choque. En este tipo de acción un ion en este caso el electrón descarga su energía rompiendo las moléculas que encuentra en su camino. El electrón acelerado posee un marguen de probabilidades de romper una molécula de ADN aunque es bastante bajo, cuando se trata de una fuerte irradiación se producen millones de ionizaciones con lo cual la probabilidad de que un electrón desorbitado choque contra una hebra de ADN aumenta considerablemente. La acción directa se puede establecer ya sea como consecuencia de la ionización de radiación electromagnética de altas energías(al desencadenar una cascada de electrones) o debido a una radiación corpuscular por ejemplo una radiación electrónica.
ACCIÓN INDIRECTA: el electrón desorbitado puede provocar la radiolisis del agua de modo que se producen abundante cantidad de radicales libres(moléculas altamente inestables). Los radicales libres son diferentes tipos de moléculas entre ellas las que se forman por desprendimiento de un electrón de la molécula de agua. Estos radicales libres pueden ocasionar graves daños sobre las estructuras moleculares de la célula. Los radicales libres afectan principalmente a la membrana celular y a la molécula de ADN. La acción directa e indirecta de los iones formados durante la irradiación lesiona ligera o gravemente a la molécula de ADN. La célula afectada inicia diferentes mecanismos de respuesta frente a esta situación que dependen de la gravedad de la lesión en la molécula de ADN. Existen fundamentalmente tres tipos diferentes de respuesta celular frente al daño de la molécula de ADN: No existe reparación: ocurre cuando el efecto es letal y desencadena la necrosis de la célula afectada macroscópicamente se presenta una patología celular. Reparación defectuosa: ocurre cuando los mecanismos de reparación no han corregido adecuadamente los trastornos causados por la irradiación. Aunque la célula no muere esta sufre cambios constitucionales que la hacen diferente que las de más células del tejido afectado. Puede presentarse dos posibilidades:
Mutación no letal: la célula sobrevive y presenta cambios importantes en su estructura molecular. Este tipo de cambios provocan anomalías hereditarias o cáncer. Apoptosis: la célula afectada sobrevive una mitosis pero cuando el sistema de mantenimiento de la célula detecta anomalías peligrosas acciona un mecanismo para destruir la célula al cual denominamos apoptosis
Reparación correcta: la célula es capaz de reparar adecuadamente el ADN y sigue viviendo normalmente e incluso puede llevar a cabo la mitosis sin ningún problema. Por lo explicado más arriba podemos dividir a todo el proceso del daño biológico en tres etapas:
Etapa física: se consideran en esta etapa a la irradiación, el depósito de dosis, la producción de iones y la radiolisis del agua. Etapa química: se considera en esta etapa a la producción de radicales libres y al daño molecular al ADN Etapa biológica: se considera en esta etapa a todos los mecanismos celulares que se presentan como una respuesta al daño del ADN.
En la imagen que se muestra arriba se observa como los efectos físicos y químicos ocurren en periodos de tiempo muy cortos mientras que algunos efectos biológicos pueden durar horas e incluso días y años. Debemos recordar que los efectos de la radiación van a depender de la dosis recibida por el tejido. Según el nivel de dosis absorbida se evidenciaran los efectos biológicos a nivel macroscópico. Estos efectos incluyen por ejemplo la fibrosis o daño medular entre muchos otros. Los daños de la radiación según la dosis que reciba el organismo se pueden dividir en dos categorías: EFECTOS BIOLOGICOS DETERMINISTICOS: solo se presentan con una determinada cantidad de dosis. En otras palabras cuando se puede determinar la cantidad de dosis a la que se presenta un efecto “determinado” entonces se dice que es un efecto biológico determinístico. Un ejemplo de ello es la alopecia que se presenta cuando el paciente es irradiado con una determinada cantidad de radiación (20 Gy). EFECTOS BIOLOGICOS ESTOCASTICOS: no se puede determinar la cantidad de dosis para producir un efecto. En este caso se habla de efectos probabilísticos. Debemos señalar que en cualquier procedimiento radiológico de carácter medico la dosis suministrada no es capaz en ningún momento de producir un efecto determinístico. Se ha establecido actualmente que el punto de corte entre los efectos determinístico y estocásticos en dosis es 100 mSv (dosis equivalente). Esto quiere decir que a partir de 100 mSv las radiaciones tienes un efecto marcadamente determinístico mientras que radiaciones que dejas dosis menores a este valor solo producen efectos probabilísticos tales como por ejemplo el cáncer. A propósito del cáncer producido por radiación ionizante diremos que una de las formas de aparición con la que se relaciona la radiación ionizante es el daño a los genes que producen proteínas implicadas en el control del ciclo celular. Recordemos que existen proteínas responsables de la reproducción celular. Si estos mecanismos fallan entonces la célula se reproduciría por mitosis descontroladamente desencadenando así el cáncer. Según las normas vigentes la máxima radiación que puede recibir el personal ocupacionalmente expuesto es de 20 mSv al mes.
ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNETICA Y SUS EFECTOS EN EL MEDIO BIOLOGICO La atenuación es el resultado de la absorción y la dispersión de la energía radiante cuando atraviesa un medio material como por ejemplo, en nuestro caso, los tejidos del cuerpo humano. La absorción significa fundamentalmente transferencia de energía, en este caso energía de radiación, al medio con el que interactúa esta energía. El efecto Copmton y el efecto fotoeléctrico principalmente se presentan durante la absorción de la energía. Sabemos ya que a través de estos dos fenómenos el cuerpo irradiado es ionizado de tal forma la transferencia de energía se presenta como una consecuencia lógica. La dispersión de fotones se produce por el choque de estos con un medio material capaz de ofrecer oposición a la energía de radiación. Por lo tanto la atenuación dela radiación constituye el resultado de la absorción y la dispersión de la radiación cuando interactúa con un medio capaz de ofrecer resistencia al paso de la radiación.
En la imagen de arriba observamos como la energía electromagnética de altas frecuencias ioniza la materia provocando una cascada de electrones. Durante todo este fenómeno físico se produce la atenuación de la radiación ionizante. En consecuencia diremos que la atenuación es el fenómeno físico al cual debemos dirigir toda nuestra atención ya que es el responsable de los efectos ionizantes de la radiación y por lo tanto de posible daño que pueda producir al tejido biológico. Si se presenta el daño en el tejido biológico esto quiere decir que a niveles moleculares las células han sufrido un trastorno importante. Estos cambios se presentan fundamentalmente en la macromolécula que contiene la información de nuestras células. El ADN es por lo tanto el principal afectado cuando todas nuestras estructuras biológicas se ven obligadas a atenuar la energía radiante con capacidad de ionizar la materia.
En la imagen que observamos arriba podemos apreciar las acciones directa e indirecta de la radiación. La acción indirecta es la principal fuente de alteraciones en el ADN por parte de la radiación electromagnética. ACCION DIRECTA
Observamos arriba como el fotón le imprime energía al electrón y este último coaliciona con los átomos de la molécula del ADN rompiendo una de sus hebras.
ACCIÓN INDIRECTA Proceso dominante en radiaciones de alta transferencia lineal de energía (LET), tales como α-partículas, protones y electrones. Observamos arriba como el fotón le imprime una energía al electrón de forma que este sobre otras moléculas formando radicales libres. Estos últimos son los responsables directos del rompimiento de la molécula de ADN. RADIOLISIS DEL AGUA OH• y H• son los llamados radicales libres, moléculas pequeñas con gran capacidad de difusión, vida media muy corta y gran avidez para interactuar con cualquier material biológico, son ellos los que dañan el ADN.
El radical hidroxilo (OH-) es el más abundante que se produce. Es el más activo y por lo tanto el que ocasiona más perjuicios al ADN. Arriba se mientras una lista de los principales radicales libres que se pueden formar producto de la irradiación de los tejidos.
ABSORCION DE LA RADIACION CORPUSCULAR INDIRECTAMENTE IONIZANTE Los neutrones son partículas cuya ionización es indirecta. Ellos interactúan con los núcleos (elástica e inelástica, reacciones nucleares, captura), que producen la emisión de partículas cargadas secundarias (como protones, partículas alfa, fragmentos nucleares más pesados que el carbono, oxígeno, nitrógeno o hidrógeno) que son responsables de ionización de tejido y el efecto biológico. “SPURS, BLOBS Y SHORT-TRACKS” El número de pares de iones formado dentro de una región.
La ionización de los tejidos depende del tipo de radiación y se puede clasificar tal ionización según la energía, cantidad de ionización y la forma en que se agrupan los iones formados. -spur: tienen energías de 0-100 eV, se forman por efecto de la radiación electromagnética, por ejemplo los rayos x. Fueron los primeros en descubrirse. -Blob: tienen energías de 100-500 eV, se forman por efecto de la radiación electromagnética. -Short track: tienen energías de 500-5000 eV. Se forman por efecto de la radiación corpuscular. Observamos que la radiación corpuscular produce una mayor ionización que la radiación electromagnética. Esto se debe a que la radiación corpuscular además de poseer una gran velocidad tiene masa y un gran tamaño comparado con los fotones de manera que puede interactuar con las estructuras celulares con mucha mayor probabilidad. Recordemos que a mayor probabilidad de interacción mayor es la ionización producida porque la radiación puede transmitir su energía en mayor medida. Para ejemplificar mejor este concepto analicemos la siguiente situación: Se irradia en dos regiones diferentes de un tejido con rayos x en el lado A y con radiación alfa en el lado B. la radiación es de 25 MeV para ambos casos. ¿En qué lado del tejido irradiado se producirán más iones o es que se producirá la misma cantidad de iones en los dos lados del tejido irradiado? Según lo expuesto más arriba el tejido con mayor cantidad de iones será el la B, ya que fue irradiado con partículas alfa.
Un alto número de pares de iones aumentada considerablemente la posibilidad para la recombinación y la formación de determinados estados excitados. TRANSFERENCIA LINEAL DE NERGIA (LED) En radiobiología se clasifica a la radiación según su capacidad de transmitir su energía al medio con el que interactúa la radiación, es decir los tejidos biológicos. Radiación de baja transferencia lineal de energía: este tipo de radiación tiene posee una menor interacción con el medio irradiado es por ello que solo puede transmitir la energía que posee en grandes recorridos a través del medio irradiado. La radiación electromagnética es el mejor ejemplo de radiación de bajo LED (por sus siglas en ingles). Radiación de alta transferencia lineal de energía: este tipo de radiación posee una mayor interacción con el medio irradiado es por ello que puede transmitir la energía que posee en pequeños recorridos a través del medio irradiado. La radiación alfa es el mejor ejemplo de radiación de alto LED.