Radiation Protection in Nuclear Medicine

IAEAInternational Atomic Energy Agency

OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear

PROTECCIÓN RADIOLÓGICA ENMEDICINA NUCLEAR

Parte 2.

Física de las Radiaciones

IAEAParte 2. Física de las radiaciones 2

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.

Contenidos

• Estructura atómica• Decaimiento radiactivo• Producción de radionucleidos• Interacción de la radiación ionizante con

la materia• Magnitudes y unidades de radiación• Detectores de radiación

Parte 2. Física de las Radiaciones

Módulo 2.1

Estructura atómica

El atomo

• La estructura del núcleo • Protones y neutrones = nucleones

– Z Protones con carga eléctrica positiva(1.6 ×10-19 C)

– Neutrones sin carga (neutral)– Número de nucleones = número másico A

• La estructura fuera del núcleo – Z Electrones (partículas ligeras con carga

eléctrica), carga de igual magnitud que el protón pero negativa

Particula SímboloMasa

Energía

(MeV)Carga

Protón p 1.672 × 10-27 938.2 +

Neutrón n 1.675 × 10-27 939.2 0

Electrón e 0.911 × 10-30 0.511 -

Identificación de un isótopo

Número Atómico

Número de

Neutrones

Atómica

Ernest Rutherford, 1871-1937

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, …

Ionización - excitación

Energía

Desexcitación

Radiación característica

electron- Auger

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

ENERGÍA

Emisión de partícula

Rayo gamma

DesexcitaciónExcitación

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 99mTc

EnergíaEnergía partículas y/ofotones

Excitación del núcleo

Partícula alfaPartícula beta

Radiación gamma

Desexcitación nuclear

Conversión interna

Electrón de conversión

Espectro de radiación gamma(características de los núcleos)

Energía del Fotón (keV)

Rayos X y IR UV

IR: infrarojo, UV: ultravioleta

Los fotones son parte del espectro electromagnético

Módulo 2.2

Decaimiento radiactivo

Núclidos estables

Fuerzas electrostáticas de largo alcance

Fuerzas nucleares de corto alcance

Linea de estabilidad

Número de Protones (Z)

Núclidos estables e inestables

Muchos neutrones para la estabilidad

Muchos protonespara la estabilidad

Número de Protones (Z)

FisiónEl 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

24Ra Rn+

Es imposible saber en que momento un determinado núcleo radiactivodecaerá. Sin embargo, es posible determinar la probabilidad de decaimientoen un momento en particular. En una muestra de N núcleos el número de decaimientos por unidad de tiempo es:

eN=N(t)

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

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

Múltiplos & prefijos (Actividad)

Múltiplo Prefijo Abreviatura

1 - Bq

1 000 000 mega (M) MBq

1 000 000 000 giga (G) GBq

1 000 000 000 000 tera (T) TBq

Henri Becquerel, 1852-1908

Marie Curie, 1867-1934

Decaimiento de padre a hijo

A CBλ1

eA=A(t)

Decaimiento padres - hijos

Equilibrio secularTB<<TA ≈ ∞

Actividad de Padres

Actividad de Hijos

Número de vidas medias del Hijo

Equilibrio transitorio TA ≈ 10 TB

Actividad de Padres

Actividad de Hijos

Sin equilibrioTA ≈ 1/10 TB

Actividad de Padres

Actividad de Hijos

Número de vidas medias del Hijo

Mo-99 → Tc-99m

Mo-9987.6% Tc-99m

140 keVT½ = 6.02 h

ß- 292 keVT½ = 2×105 y

Ru-99 estable

ß- 442 keV 739 keVT½ = 2.75 d

Irene Curie, 1897-1956Frederic Joliot, 1900-1958

Módulo 2.4

Interacción de la radiaciónionizante con la materia

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.

Interacción de partículas cargadas con la materia

pesada

ligera

Macroscópico Microscópico

Partículas beta Partículas alfa

Transmisión de particulas cargadas

Alcance medio departículas -

0,16 1 5 10 50 100 500 1000 5000

Mean range (mg/cm2)

Alcance medio

RadionucleidoMax energía

Alcance (cm) en

aire agua aluminio

H-3 18.6 4.6 0.0005 0.00022

C-14 156 22.4 0.029 0.011

P-32 1700 610 0.79 0.29

Radiación de frenado

Fotón

Electrón

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

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

(10-400 keV)

Alta energía > 1MeV

Tubo de rayos X para una producción media y baja de rayos X

Fuente de Alto Voltaje

Cátodo

ElectronesTubo al vacioBlanco de Tugsteno

Ánodo de cobre

Rayos X

Mega voltaje rayos X (linac)

Blanco

Electrones

Rayos X

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.

Unfiltered radiation (in vacuum)

20 40 60 80 100 120

INTENSITY

PHOTON ENERGY (keV)

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

absorción

dispersión

transmisión

Deposición de energía

Interacción de los fotones con la materia

Efecto fotoelectrico

Fotón

Electrón

Fotón

Electrón

Fotón disperso

Proceso Compton

Producción de pares

Fotón

Positrón

Electrón

Aniquilación

+ + e-(511 keV)(511 keV)

+ (1-3 mm)

Radionucleido

Interacción del foton

0,01 0,1 1 10 100

Photon energy (MeV)

Photoelectric effect

Compton process

Pair production

Energía del fotón(MeV)

Número atómico(Z)

Efecto fotoeléctrico

Efecto Compton

Producción de pares

Transmisión - fotones

HVL: espesor hemi-reductor TVL: espesor deca-reductor

Número de Fotones

Espesor

N N e d 0

d: espesor del material coeficiente de atenuación

EnergíaHVL (mm)

Concreto Plomo

50 kV 43 0.06

100 kV 10.6 0.27

200 kV 25 0.52

500 kV 36 3.6

1 MV 44 7.9

2 MV 64 12.5

5 MV 96 16.5

10 MV 119 16.6

20 MV 137 16.3

Espesor hemi-reductor vs energía del fotón, para plomo y concreto (HVL)

Módulo 2.5

Magnitudes y unidadesde radiación

Absorción de energía

Riesgo creciente por daño biológico

Muchas ionizaciones por unidad de masa

Alta energía absorbida por unidad de masa

Dosis absorbida

Energía absorbida por unidad de masa

1 Gy (gray) = 1 J/kg

Harold Gray, 1905-1965

1 Gy es una cantidad relativamente grande

• Dosis de radioterapia >1Gy

• Dosis proveniente de exámenes típicos de medicina nuclear 0.05 - 0.001Gy

• Radiación de fondo anual debido a radiación natural (terrestre, cósmica, debido a radioactividad interna, radón,…) alrededor de 0.002 - 0.004 Gy

Fracciones & prefijos (dosis)

Fracciones Prefijos Abreviatura

1 - Sv

1/1000 mili (m) mSv

1/1,000,000 micro () Sv

La deposición de energía en la materia es un evento aleatorio y la definición dedosis 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

Unidad: 1 Sv (sievert)

Dosis equivalente, dosis efectiva

Dosis equivalente (tejido u órgano):

donde:wR : factor de ponderación de la radiación (1-20),DT : dosis absorbida en tejido (Gy)

TRT DwH

Dosis efectiva:

donde:HT: dosis equivalente (Sv),wT: factor de ponderación del tejido (0.05-0.20)

Dosis efectiva E w HTT

Tejido u órgano Factor de ponderación

Gónadas 0.20

Médula ósea (red) 0.12

Colon 0.12

Pulmón 0.12

Estómago 0.12

Vejiga 0.05

Pecho 0.05

Hígado 0.05

Esófago 0.05

Tiroides 0.01

Superficie ósea 0.01

Resto (suprarrenales, riñones, músculos, intestino grueso, intestino delgado, páncreas, bazo, timo, útero, cerebro)

Dosis efectiva (mSv)

Cardio angiografía Tiroides I-131TC pelvis Miocardio Tl-201Intestino gruesoTC abdomen CBF Tc-99mUrografía Tiroides I-123Espina lumbar Hueso Tc-99m

Tiroides Tc-99mHígado Tc-99mPulmón Tc-99m

Pecho Renografía I-131

ExtremidadesVolumen de sangre I-125

Dental Aclaramiento Cr-51

Rayos X Medicina Nuclear

Rolf Sievert (1896-1966)

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

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

20,000

Técnica

Planta nuclear

Pruebas de armas nucleares

Médicas

Radiología diagnóstica

Radiología dental

Medicina Nuclear

Laborales

Radiología diagnóstica

Medicina nuclear

Radioterapia

Radiología dental

Industria, investigación

Planta nuclear

Total 34852 1790

Módulo 2.6

Detectores de radiación

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.

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 cambioDetectores pasivos: procesamiento antes de leer

Material del detector

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)

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)

Detectores gaseosos

Cámara de ionización

Ion negativo

Ion positivo

Electrómetro

La respuesta es proporcional a latasa de ionización (actividad, tasa de exposiciòn)

• Calibradores de dosis

• Instrumentos de monitoreo

Cámaras de ionización Aplicaciones en medicina nuclear

Propiedades generales de las cámaras de ionización

• Gran precisión• Estabilidad • Sensibilidad relativamente baja

(Amplitud del pulso de salida )

Cámara de Ionización

Detectores proporcionales

Geiger Muller

Regiones de operación para detectores llenados con gas

Contador proporcional

Instrumentos de monitoreo

Contador proporcionalAplicaciones en medicina nuclear

Propiedades como monitor de contadores porporcionales

• Sensibilidad un mayor que la cámara de ionización

• Usado para partículas y fotones de baja energía

Principio del tubo de Geiger Müller

Una sola partícula incidente causa una ionización completa

Cátodo

Ánodo

Avalanchasindividuales

Fotón UV

• Monitor de contaminación

• Dosímetro (si está calibrado)

Tubo Geiger Müller Aplicaciones en medicina nuclear

• Alta sensibilidad

• Menor precisión

Propiedades generales de los tubos Geiger Müller

Detectores por centelleo

Detector por centelleo

Amplificador

Analizador de altura de pulsos

Escala

Detector

FotocátodoCátodo

Dínodos

Ánodo

Analizador de altura de pulsos (PHA)

Tiempo

Altura del pulso (V)

El analizador de altura de pulsos permite contar sólo pulsos de una determinada altura (energía)

contados no contados

Ventana

Distribución de la altura de pulsos NaI(Tl)

Altura de pulso (energía)

Tasa de cuentas

Energía del fotopico

Radiación dispersa

Muestra mezclada con solución para el centelleo

Detector de centelleo líquido

• Contadores de muestras• Sistemas de sonda simple o múltiple• Cámara gamma• Instrumentos de vigilancia radiológica

Detector de centelleoaplicaciones en medicina nuclear

Otros detectores

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

Comparación del espectro de un detector de centelleoNa (I) y de un detector semi-conductor Ge (Li)

• Identificación de radionucleidos

• Control de pureza del radionucleido

Detector semi-conductor Aplicaciones en medicina nuclear

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

• 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

Termoluminiscencia: Principio del TLD

Materialtermoluminiscente

Filamentode calentamiento

Luz emitida

Fotomultiplicador

Esquema simplificado del proceso del TLD

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

Aplicaciones en medicina nuclear

• Dosímetros personales (cuerpo, dedos…)

• Mediciones especiales

Desventajas

• Consume tiempo

• No hay registro permanente

Preguntas?

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%.

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?

Discusión

Un laboratorio está realizando un trabajo con tritio (H3). Discuta el tipo de detector conveniente para detectar contaminación del equipamiento y áreas de trabajo.

¿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

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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