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IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN MEDICINA.

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1 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN MEDICINA NUCLEAR Parte 2. Física de las Radiaciones

2 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones2 Objetivo Familiarizarse con el conocimiento básico en física de las radiaciones; magnitudes dosimétricas y unidades para realizar cálculos relacionados; diferentes tipos de detectores de radiación y sus características, sus principios de operación y limitaciones.

3 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones3 Contenidos Estructura atómica Decaimiento radiactivo Producción de radionucleidos Interacción de la radiación ionizante con la materia Magnitudes y unidades de radiación Detectores de radiación

4 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.1 Estructura atómica

5 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones5 El atomo La estructura del núcleo Protones y neutrones = nucleones – Z Protones con carga eléctrica positiva (1.6 × C) – Neutrones sin carga (neutral) – Número de nucleones = número másico A La estructura fuera del núcleo – Z Electrones (partículas ligeras con carga eléctrica), c arga de igual magnitud que el protón pero negativa ParticulaSímbolo Masa (kg) Energía (MeV) Carga Protón p1.672 × Neutrónn1.675 × Electróne0.911 ×

6 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones6 Identificación de un isótopo Número Atómico Número de Neutrones Masa Atómica

7 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones7 Ernest Rutherford,

8 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones8 Energía de union del electron Los electrones del átomo pueden tener sólo niveles discretos de energía Para remover un electrón de su orbital E energía de unión del electrón Orbitales discretos alrededor del núcleo: K, L, M, … El orbital K tiene energía máxima (i.e. estabilidad) La energía de unión decrece cuando Z crece Número máximo de electrones en cada orbital: 2 en K, 8 en el orbital L, …

9 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones9 Ionización - excitación Energía

10 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones10 Desexcitación Radiación característica electron- Auger

11 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones11 Los niveles de energía del núcleo Los nucleones pueden ocupar diferentes niveles de energía y el núcleo puede estar presente en un estado de base o en estado de excitación. Un estado de excitación puede alcanzarse agregando energía al núcleo. Al desexcitarse el núcleo emitirá el exceso de energía por emisión de partículas o por radiación electromagnética. En este caso, la radiación electromagnética es llamada rayo gamma. La energía del rayo gamma será la diferencia en energías entre los diferentes niveles de energía del núcleo. Niveles ocupados ~8 MeV 0 MeV ENERGÍA Emisión de partícula Rayo gamma DesexcitaciónExcitación

12 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones12 Transición isomerica Normalmente el núcleo excitado atravesará una desexcitación en pico segundos. En algunos casos, sin embargo, se puede medir un tiempo medio de residencia en el nivel excitado. La desexcitación de tal nivel se llama transición isomérica (TI). Esta propiedad del núcleo se distingue en la etiqueta del nucleido agregando una letra m del siguiente modo: tecnecio-99m, Tc-99m o 99m Tc

13 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones13 Energía partículas y/o fotones Excitación del núcleo

14 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones14 Partícula alfa Partícula beta Radiación gamma Desexcitación nuclear

15 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones15 Conversión interna Radiación característica Electrón de conversión

16 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones16 Espectro de radiación gamma (características de los núcleos) Energía del Fotón (keV) Conteos por canal

17 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones17 Rayos X y IR UV IR: infrarojo, UV: ultravioleta Los fotones son parte del espectro electromagnético

18 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.2 Decaimiento radiactivo

19 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones19 Núclidos estables Fuerzas electrostáticas de largo alcance Fuerzas nucleares de corto alcance p p n Linea de estabilidad Número de Protones (Z) Número de Neutrones (N)

20 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones20 Núclidos estables e inestables Muchos neutrones para la estabilidad Muchos protones para la estabilidad Número de Protones (Z) Número de Neutrones (N)

21 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones21 Fisión El núcleo es dividido en dos partes, fragmentos de fisión, y 3 o 4 neutrones. Ejemplos: Cf-252 (expontáneo), U-235 (inducido) decaimiento - El núcleo emite un partícula (He-4). Ejemplos: Ra-226, Rn-222 decaimiento - Demasiados neutrones dan por resultado decaimiento n = >p + + e - + Ejemplo: H-3, C-14, I-131. Demasiados protones resultan en decaimiento p + = > n + e + + Ejemplos: O-16, F-18 O captura electrónica (EC) p + + e - = > n + Ejemplos: I-125, Tl-201 Decaimiento radiactivo

22 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones22 Es imposible saber en que momento un determinado núcleo radiactivo decaerá. Sin embargo, es posible determinar la probabilidad de decaimiento en un momento en particular. En una muestra de N núcleos el número de decaimientos por unidad de tiempo es: Decaimiento radiactivo

23 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones23 El número de núcleos radiactivos que decaen por unidad de tiempo 1 Bq (becquerel) = 1 desintegración por segundo El número de núcleos radiactivos que decaen por unidad de tiempo 1 Bq (becquerel) = 1 desintegración por segundo Actividad

24 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones24 1 Bq es una magnitud pequeña 3000 Bq en el cuerpo provenientes de fuentes naturales 20,000,000 a 1,000,000,000 Bq en exámenes de medicina nuclear

25 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones25 Múltiplos & prefijos (Actividad) MúltiploPrefijoAbreviatura 1-Bq mega (M)MBq giga (G)GBq tera (T)TBq

26 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones26 Henri Becquerel,

27 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones27 Marie Curie,

28 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones28 Decaimiento de padre a hijo ACB λ1λ1 λ2λ2

29 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones29 Decaimiento padres - hijos Equilibrio secular T B <

30 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones30 Mo-99 Tc-99m Mo % Tc-99m 140 keV T½ = 6.02 h Tc-99 ß keV T½ = 2×10 5 y Ru-99 estable 12.4% ß keV 739 keV T½ = 2.75 d

31 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones31 Irene Curie, Frederic Joliot,

32 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.4 Interacción de la radiación ionizante con la materia

33 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones33 Radiación ionizante Partículas cargadas Partículas alfa Partículas beta Protones Partículas sin carga Fotones (gamma - rayos X) Neutrones Cada partícula individual puede causar ionización, directa o indirectamente.

34 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones34 Interacción de partículas cargadas con la materia pesada ligera Macroscópico Microscópico

35 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones35 Partículas beta Partículas alfa Transmisión de particulas cargadas

36 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones36 Alcance medio de partículas - Alcance medio Energía (MeV) Radionucleido Max energía (keV) Alcance (cm) en aireaguaaluminio H C P

37 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones37 Radiación de frenado Fotón Electrón

38 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones38 Producción de radiación de frenado Cuanto mayor es el número atómico del blanco de rayos X, mayor es el rendimiento Cuanto mayor es la energía del electrón incidente, mayor la probabilidad de la producción de rayos X A cualquier energía del electrón, la probabilidad de generar rayos X decrece con el incremento de la energía de los rayos X

39 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones39 Producción de rayos X Electrones de alta energía impactan un blanco (metálico) donde parte de su energía se convierte en radiación. Blanco Electrones Rayos X Energía baja a media ( keV) Alta energía > 1MeV

40 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones40 Tubo de rayos X para una producción media y baja de rayos X Fuente de Alto Voltaje Cátodo Electrones Tubo al vacioBlanco de Tugsteno Ánodo de cobre Rayos X

41 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones41 Mega voltaje rayos X (linac) Blanco Electrones Rayos X

42 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones42 Aspectos relativos a la producción de rayos X Distribución angular: los rayos X de alta energía son dirigidos principalmente hacia adelante, mientras que los rayos X de baja energía son emitidos principalmente en dirección perpendicular a la emisión incidente del electrón. Eficiencia de la producción: En general, a mayor energía, más eficiente es la producción de rayos X, esto significa que a bajas energías la mayor parte de la energía del electrón (>98%) es convertida en calor. El enfriamiento del blanco es esencial.

43 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones43 Radiación sin filtrado (al vacío) Energía fotónica (MeV) Intensidad Rayos X característicos Radiación de frenado Espectro tras la filtración Energía máxima del electrón El espectro resultante de los rayos X

44 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones44 absorción dispersión transmisión Deposición de energía Interacción de los fotones con la materia

45 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones45 Efecto fotoelectrico Fotón Radiación característica Electrón

46 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones46 Fotón Electrón Fotón disperso Proceso Compton

47 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones47 Producción de pares Fotón Positrón Electrón

48 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones48 Aniquilación + + e - (511 keV) + (1-3 mm) Radionucleido

49 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones49 Interacción del foton Energía del fotón(MeV) Número atómico(Z) Efecto fotoeléctrico Efecto Compton Producción de pares

50 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones50 Transmisión - fotones HVL: espesor hemi-reductor TVL: espesor deca-reductor Número de Fotones Espesor d: espesor del material coeficiente de atenuación

51 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones51 HVL Energía HVL (mm) ConcretoPlomo 50 kV kV kV kV MV MV MV MV MV Espesor hemi-reductor vs energía del fotón, para plomo y concreto (HVL)

52 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.5 Magnitudes y unidades de radiación

53 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones53 Absorción de energía Riesgo creciente por daño biológico Muchas ionizaciones por unidad de masa Alta energía absorbida por unidad de masa

54 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones54 Dosis absorbida Energía absorbida por unidad de masa 1 Gy (gray) = 1 J/kg

55 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones55 Harold Gray,

56 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones56 1 Gy es una cantidad relativamente grande Dosis de radioterapia >1Gy Dosis proveniente de exámenes típicos de medicina nuclear Gy Radiación de fondo anual debido a radiación natural (terrestre, cósmica, debido a radioactividad interna, radón,…) alrededor de Gy

57 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones57 Fracciones & prefijos (dosis) FraccionesPrefijosAbreviatura 1-Sv 1/1000mili (m) mSv 1/1,000,000 micro ( ) Sv

58 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones58 La deposición de energía en la materia es un evento aleatorio y la definición de dosis la divide en volúmenes pequeños (ej. Una simple célula). La disciplina de la micro-dosimetría tiene como objeto este tema. Adaptado de Zaider 2000 Rayos γ Neutrones Una nota de precaución

59 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones59 Unidad: 1 Sv (sievert) Dosis equivalente, dosis efectiva Dosis equivalente (tejido u órgano): donde: w R : factor de ponderación de la radiación (1-20), D T : dosis absorbida en tejido (Gy) Dosis efectiva: donde: H T : dosis equivalente (Sv), w T : factor de ponderación del tejido ( )

60 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones60 Dosis efectiva Tejido u órganoFactor de ponderación Gónadas0.20 Médula ósea (red)0.12 Colon0.12 Pulmón0.12 Estómago0.12 Vejiga0.05 Pecho0.05 Hígado0.05 Esófago0.05 Tiroides0.01 Superficie ósea0.01 Resto (suprarrenales, riñones, músculos, intestino grueso, intestino delgado, páncreas, bazo, timo, útero, cerebro) 0.05

61 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones61 Dosis efectiva (mSv) Cardio angiografía Tiroides I-131 TC pelvisMiocardioTl-201 Intestino grueso TC abdomenCBFTc-99m UrografíaTiroidesI-123 Espina lumbarHuesoTc-99m TiroidesTc-99m HígadoTc-99m PulmónTc-99m PechoRenografíaI-131 Extremidades Volumen de sangreI-125 DentalAclaramiento Cr-51 Rayos X Medicina Nuclear

62 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones62 Rolf Sievert ( )

63 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones63 Dosis colectiva La dosis efectiva a una determinada población, tal como todos los pacientes en un departamento de medicina nuclear, todo el personal del departamento, la población de un país, etc. La unidad es 1 Sv·hombre

64 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones64 Dosis colectiva efectiva en Suecia Fuente Tasa de dosis colectiva (Sv·hombre/año) Número de cáncer fatal /año Natural Radiación cósmica Externa Interna Construcción Radiación gamma Radon , Técnica Planta nuclear Pruebas de armas nucleares Otros < < Médicas Radiología diagnóstica Radiología dental Medicina Nuclear Laborales Radiología diagnóstica Medicina nuclear Radioterapia Radiología dental Industria, investigación Planta nuclear Minas < 1 5 Total

65 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Módulo 2.6 Detectores de radiación Parte 2. Física de las Radiaciones

66 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones66 El detector es base fundamental en toda práctica con radiación ionizante. El conocimiento del potencial de los instrumentos así como sus limitaciones es esencial para una interpretación adecuada de las mediciones.

67 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones67 Cualquier material que exhiba cambios por radiación medibles, puede ser usado como detector de radiación ionizante. Cambio de colores Cambios químicos Emisión de una luz visible Carga eléctrica ….. Detectores activos: medición inmediata del cambio Detectores pasivos: procesamiento antes de leer Material del detector

68 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones68 Principios del detector Detectores gaseosos Cámaras de ionización Contadores proporcionales Tubos Geiger Müller (GM) Detectores por centelleo Sólido Líquido Otros detectores Detectores semi-conductores Detectores de película Detectores de termolumini- sencia (TLD)

69 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones69 Tipos de detectores Contadores Detectores gaseosos Detectores de centelleo Espectrómetros Detectores de centelleo Detectores de estado sólido Dosímetros Detectores gaseosos Detectores de estado sólido Detectores de centelleo Detectores termoluminiscentes Detectores fílmicos (o de película)

70 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Detectores gaseosos

71 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones71 Cámara de ionización HV + - Ion negativo Ion positivo Electrómetro La respuesta es proporcional a la tasa de ionización (actividad, tasa de exposiciòn)

72 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones72 Calibradores de dosis Instrumentos de monitoreo Cámaras de ionización Aplicaciones en medicina nuclear

73 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones73 Propiedades generales de las cámaras de ionización Gran precisión Estabilidad Sensibilidad relativamente baja

74 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones74 (Amplitud del pulso de salida ) Cámara de Ionización Detectores proporcionales Geiger Muller Knoll Regiones de operación para detectores llenados con gas

75 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones75 Contador proporcional

76 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones76 Instrumentos de monitoreo Contador proporcional Aplicaciones en medicina nuclear

77 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones77 Propiedades como monitor de contadores porporcionales Sensibilidad un mayor que la cámara de ionización Usado para partículas y fotones de baja energía

78 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones78 Principio del tubo de Geiger Müller Knoll Una sola partícula incidente causa una ionización completa Cátodo Ánodo Avalanchas individuales Fotón UV

79 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones79 Monitor de contaminación Dosímetro (si está calibrado) Tubo Geiger Müller Aplicaciones en medicina nuclear

80 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones80 Alta sensibilidad Menor precisión Propiedades generales de los tubos Geiger Müller

81 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Detectores por centelleo

82 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones82 Detector por centelleo Amplificador Analizador de altura de pulsos Escala Detector Fotocátodo Cátodo Dínodos Ánodo

83 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones83 Analizador de altura de pulsos (PHA) NS NI Tiempo Altura del pulso (V) El analizador de altura de pulsos permite contar sólo pulsos de una determinada altura (energía) contadosno contados Ventana

84 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones84 Distribución de la altura de pulsos NaI(Tl) Altura de pulso (energía) Tasa de cuentas Energía del fotopico Radiación dispersa

85 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones85 PM Muestra mezclada con solución para el centelleo Detector de centelleo líquido

86 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones86 Contadores de muestras Sistemas de sonda simple o múltiple Cámara gamma Instrumentos de vigilancia radiológica Detector de centelleo aplicaciones en medicina nuclear

87 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Otros detectores

88 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones88 Detector semi-conductor como espectrómetro Detectores de germanio sólido o Ge(Li) Principio: electrón – pares huecos (análogos a los pares de iones en los detectores gaseosos) Excelente resolución de energía

89 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones89 Knoll Comparación del espectro de un detector de centelleo Na (I) y de un detector semi-conductor Ge (Li)

90 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones90 Identificación de radionucleidos Control de pureza del radionucleido Detector semi-conductor Aplicaciones en medicina nuclear

91 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones91 Principio: El de una película fotográfica normal (film) Granos de haluro de plata, por cambios debidos a la irradiación desarrollan plata metálica Aplicación en medicina nuclear: Dosímetro personal Película

92 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones92 Película Requiere procesamiento problemas con la reproducibilidad Dosímetro de dos dimensiones Alta resolución espacial Alto número atómico variaciones de respuesta con la calidad de la radiación

93 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones93 Termoluminiscencia: Principio del TLD Material termoluminiscente Filamento de calentamiento Luz emitida Fotomultiplicador

94 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones94 Esquema simplificado del proceso del TLD

95 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones95 Dosímetro de termoluminiscencia (TLD) Cristales pequeños Tejido equivalente Dosímetro pasivo – no se requieren cables Rango amplio de dosimetría ( Gy a 100s de Gy) Varias aplicaciones distintas

96 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones96 Aplicaciones en medicina nuclear Dosímetros personales (cuerpo, dedos…) Mediciones especiales TLD

97 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones97 Desventajas Consume tiempo No hay registro permanente TLD

98 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones98 Preguntas?

99 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones99 Discusión Un generador Mo/Tc contiene 15 GBq de Mo-99 a un tiempo dado. ¿Qué concentración de actividad de Tc-99m se obtendrá 15h después si el volumen de elusión es 3 ml? Asuma una eficiencia de elusión de 75%.

100 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones100 Discusión Se realizó un tratamiento usando yodo radiactivo (I-131). ¿Cuáles son los modos dominantes de interacción entre los tipos de radiación emitidos y el tejido humano blando?

101 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones101 Discusión Un laboratorio está realizando un trabajo con tritio (H 3 ). Discuta el tipo de detector conveniente para detectar contaminación del equipamiento y áreas de trabajo.

102 IAEA Parte 2. Física de las radiaciones102 ¿Dónde obtener más información? Lecturas complementarias OMS. Manual de protección radiológica en el hospital y práctica general. Volumen 1. Requisitos Básicos Sorensen JA & Phelps ME. Física en medicina nuclear. Grune & Stratton, 1987


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