MAGNITUDES DOSIMÉTRICAS

Transcripción

1 2 capítulo MAGNIUDES DOSIMÉRICAS La definición precisa de conceptos y magnitudes utilizadas para cuantificar la exposición a las radiaciones ionizantes es esencial para evaluar los efectos de dicha exposición. Por esta razón, durante la realización del primer Congreso Internacional de Radiología (Londres 1925) se creó la ahora denominada Comisión Internacional de Mediciones y Unidades de Radiación (ICRU, sigla en inglés) cuya función ha sido definir unidades y magnitudes de radiación. Sus primeras recomendaciones datan del año 1927, oportunidad en que define una unidad para la cantidad de rayos x basada en la ionización del aire, el roentgen. Para la radioprotección, otro organismo internacional conocido actualmente como la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP, sigla en inglés) y creada en ocasión del segundo Congreso Internacional de Radiología (Estocolmo 1928) trabaja en estrecha relación con el ICRU. El contenido de este capítulo y el siguiente se basa en las recomendaciones de ambas comisiones (ICRU e ICRP). A continuación se especifican algunos términos que serán utilizados en las definiciones de las magnitudes dosimétricas básicas. IONIZACIÓN Proceso mediante el cual uno o más electrones son liberados de átomos, moléculas o cualquier otro estado ligado en que se encuentren. Si la energía impartida al electrón no es suficiente para arrancarlo del átomo, pero alcanza para que adquiera un estado de mayor energía, se dice que se ha producido un proceso de excitación. RADIACIÓN IONIZANE Partículas, con o sin carga eléctrica, capaces de causar ionización y excitación en los átomos de cualquier medio que atraviesan. RADIACIÓN DIRECAMENE IONIZANE Está constituida por partículas cargadas eléctricamente tales como electrones, protones, deuterones y partículas alfa. RADIACIÓN INDIRECAMENE IONIZANE Está constituida por partículas sin carga eléctrica, típicamente fotones y neutrones. Magnitudes dosimétricas - Capítulo 2 página 19

2 INERACCIÓN Proceso en el cual la energía o la dirección de la trayectoria de la partícula incidente, es alterada. La interacción puede ser seguida de la emisión de una o varias partículas secundarias. EVENO DE DEPOSICIÓN DE ENERGÍA Evento en el cual una partícula ionizante o el grupo de partículas ionizantes asociadas (secundarias a ella), imparten energía en un volumen dado de materia. PUNO DE INERÉS Es el volumen elemental de material expuesto a la radiación en el que se mide una dada magnitud. MAGNIUDES DOSIMÉRICAS BÁSICAS En la tabla siguiente se describen las magnitudes físicas que caracterizan un campo de radiación: Definición Símbolo Unidad Expresión Flujo de partículas Es el cociente de dn por, donde dn es el incremento del número de partículas en el intervalo de tiempo. Fluencia de partículas Es el cociente dn por da, donde dn es el número de partículas incidentes sobre una esfera cuya sección transversal tiene un área elemental da.* N s -1 N dn m -2 dn da asa de fluencia de partículas Es el cociente de d por, donde d es el incremento de partículas en un intervalo de tiempo. 2 d dn m -2.s -1 da. Flujo de energía Es el cociente de dr por, donde dr es el incremento de la energía radiante en un tiempo. R J.s -1 =W R dr Fluencia de energía Es el cociente de dr por da, donde dr es el incremento de la energía radiante incidente sobre una esfera cuya sección transversal tiene un área elemental da. J.m -2 dr da asa de fluencia de energía Es el cociente de d por, donde d es el incremento de la fluencia de energía en el intervalo de tiempo. 2 d dr J.m -2.s -1 = W.m -2 da. *Nota: El área da debe ser perpendicular a cada dirección de la radiación; para asegurar esta condición se considera que la radiación incide sobre una esfera de volumen elemental cuya sección transversal es da, la que puede adoptar cualquier orientación. página 20 Capítulo 2 - Magnitudes dosimétricas

3 ENERGÍA IMPARIDA Los eventos de deposición de energía son de carácter discreto y su ocurrencia en un punto de la materia irradiada responde a una descripción probabilística para los diferentes modos posibles de interacción. La correlación entre la energía de radiación que es recibida por la materia expuesta y el efecto observado se obtiene como un balance entre la energía transportada por las partículas que ingresan y las que egresan de esa masa incluyendo los cambios producidos en la masa en reposo. La energía impartida por la radiación ionizante a la materia contenida en un volumen dado se define como: Unidad: joule (J) donde, in, es la suma de las energías, excluyendo energías de masas en reposo, de todas las partículas directa o indirectamente ionizantes que hayan entrado al volumen considerado. in out Q out, es la suma de las energías, excluyendo energías de masas en reposo, de todas las partículas directa o indirectamente ionizantes que hayan abandonado el volumen considerado. Q, es la suma de las energías equivalentes a las masas en reposo generadas o destruidas durante las transformaciones de núcleos y de partículas elementales que hayan ocurrido dentro del volumen considerado. Las magnitudes asociadas con la deposición de energía que las radiaciones ionizantes entregan al atravesar un medio material, se describen en la siguiente tabla: Definición Símbolo Unidad Expresión Energía impartida específica Se define como el cociente entre la energía impartida y la masa irradiada, contenida en el volumen considerado. Dosis absorbida Es el cociente entre d y dm, donde d es la energía impartida media por la radiación ionizante a una masa dm de materia. asa de dosis absorbida La tasa de dosis es el cociente entre dd y, donde dd es el incremento de la dosis absorbida en el intervalo de tiempo. Kerma Es el cociente entre de tr y dm, donde de tr es la suma de las energías cinéticas iniciales de todas las partículas ionizantes cargadas, liberadas por partículas ionizantes sin carga en la masa dm. asa de kerma Es el cociente entre dk y, donde dk es el incremento de kerma producido en el intervalo. z J.kg -1 z m D J.kg -1 ó gray (Gy) D d dm D J.kg -1.s -1 o Gy.s -1 D dd de K J.kg -1 tr K dm K dk J.kg -1.s -1 o Gy. s -1 K Magnitudes dosimétricas - Capítulo 2 página 21

4 Definición Símbolo Unidad Expresión ransferencia lineal de energía La transferencia lineal de energía L, también llamada poder frenador lineal restringido, de un material para partículas cargadas es el cociente entre de y dl, donde de es la energía perdida por la partícula cargada al atravesar una distancia dl, debido a todas las colisiones con electrones cuya pérdida de energía es menor o igual que. L J.m -1 o kev.m 1 de L dl Cuando no se pone restricción al intervalo de energía se habla de transferencia lineal de energía no restringida. En ese caso, se tiene L L. EXPOSICIÓN La magnitud exposición X, se define como el cociente: Unidad: C.kg -1 dq X dm donde dq es el valor absoluto de la carga total de los iones de un signo producidos en aire cuando todos los electrones liberados por fotones, en un volumen elemental de aire cuya masa es dm, son completamente frenados en aire. La carga se mide en coulomb (C). La unidad práctica adoptada originalmente para esta magnitud, posee el nombre especial de roentgen (R), con una equivalencia: 1 R = 2, C.kg -1. En la actualidad se recomienda abandonar el uso la magnitud exposición empleando, en su lugar, la magnitud kerma en aire y su correspondiente unidad, el Gy. FACOR DE CALIDAD DE LA RADIACIÓN, Q El factor de calidad Q es un coeficiente adimensional definido en función de la transferencia lineal de energía no restringida L en agua. La relación funcional Q(L) propuesta por la publicación 60 del ICRP, se muestra en la abla 1. Las radiaciones xy se consideran radiaciones de baja L (en la práctica suele decirse de baja LE). Por su parte, las partículas, los núcleos atómicos y los neutrones son radiaciones de alta L o, equivalentemente, de alta LE. abla 1. Relación funcional Q(L) L (kev/m) en agua Q(L) < a 100 0,32L - 2,2 > / L La dosis absorbida multiplicada por dicho factor se denomina equivalente de dosis, conforme a la publicación 60 del ICRP y se utiliza solamente con fines de calibración. página 22 Capítulo 2 - Magnitudes dosimétricas

5 MAGNIUDES UILIZADAS EN PROECCIÓN RADIOLÓGICA Antes de introducir los conceptos de dosis equivalente y dosis efectiva veamos brevemente que tipos de efectos biológicos producen las radiaciones. La radiación puede afectar al organismo humano dañando o destruyendo células. Dosis grandes de radiación pueden destruir muchas células produciendo irritación superficial, quemaduras, otros daños serios o aun, la muerte. Estos efectos, conocidos como deterministas, no se manifiestan, en general, a dosis menores de 1Gy. Si la radiación daña al ADN de una célula, es posible que durante la reproducción de la misma se manifiesten anomalías que puedan iniciar el desarrollo de un cáncer. Los efectos debidos al daño causado a las células de ovarios o testículos sólo se pondrían de manifiesto en la progenie del individuo expuesto. A mayor dosis, es más probable que el daño pueda originar un cáncer o un defecto genético. Estos efectos se denominan estocásticos ya que la probabilidad del daño, no su gravedad, aumenta con la dosis. Estos conceptos aplicarán en algunas de las magnitudes definidas a continuación. DOSIS ABSORBIDA EN UN ÓRGANO, D La dosis absorbida está definida de forma tal que se puede especificar en un punto determinado del cuerpo. Sin embargo, con fines de protección radiológica, resulta conveniente definir la dosis media en un órgano o tejido a través del cociente, D m donde es la energía total impartida a un tejido u órgano de masa m. La masa m puede variar desde menos de 10 g como en el caso de ovarios hasta más de 70 kg para todo el cuerpo. Unidad: J.kg -1 =Gy FACORES DE PONDERACIÓN DE LA RADIACIÓN,W R Con el fin de evaluar los efectos biológicos de una determinada radiación, la dosis absorbida en un órgano resulta insuficiente debido, principalmente, a que no tiene en cuenta la distribución de energía en el órgano considerado. Diferentes factores han sido utilizados históricamente para cuantificar dicho fenómeno, en particular la eficiencia biológica relativa y el factor de calidad de la radiación. En este mismo sentido, desde 1990 se utilizan con fines de protección radiólogica, los factores de ponderación de la radiación w R. Estos factores dependen del tipo y energía del campo de radiación incidente sobre la persona expuesta o del radioisótopo depositado internamente. En la abla 2 se muestran los valores para los factores de ponderación de la radiación w R para distintos tipos de radiaciones, recomendados en la publicación ICRP 60. Magnitudes dosimétricas - Capítulo 2 página 23

6 abla 2. Factores de ponderación de la radiación, w R ipo de radiación w R Fotones de todas las energías 1 Electrones y muones, todas las energías 1 Neutrones con energías, <10 kev 10 kev a 100 kev >100 keva2mev >2 MeV a 20 MeV >20 MeV Protones, salvo los de retroceso, de energías mayores que 2 MeV 5 Partículas alfa, fragmentos de fisión y núcleos pesados 20 DOSIS EQUIVALENE EN UN ÓRGANO O EJIDO, H En protección radiológica interesa ponderar la dosis absorbida en un órgano mediante la calidad de la radiación incidente. A tal efecto se define la dosis equivalente media en un órgano o tejido como el producto entre la dosis absorbida media en el órgano o tejido yel factor de ponderación de la radiación, Unidad: J.kg -1 La unidad de la magnitud dosis equivalente recibe el nombre de sievert (Sv). H wr. D, R Para el caso de campos de radiación compuestos por diferentes tipos de partículas y energías, la expresión más general de la dosis equivalente en un órgano H es, H w D R R, R FACOR DE PONDERACIÓN DE LOS EJIDOS U ÓRGANOS, w Se ha observado que la relación existente entre la probabilidad de aparición de efectos estocásticos y la dosis equivalente depende también del órgano o tejido irradiado. Resulta por tanto apropiado definir otra magnitud, derivada de la dosis equivalente, para expresar el efecto estocástico total debido a una combinación arbitraria de las dosis recibidas en los diferentes óganos y tejidos del cuerpo. El factor utilizado para ponderar la dosis equivalente en un tejido u órgano se denomina factor de ponderación del tejido, w. Los valores de w, indicados en la abla 3, se han elegido de tal forma que una dosis equivalente uniforme en todo el cuerpo dé lugar a una dosis efectiva numéricamente igual a dicha dosis uniforme. La suma de los factores de ponderación de las distintos tejidos es, entonces, igual a la unidad. página 24 Capítulo 2 - Magnitudes dosimétricas

7 abla 3. Factores de ponderación de los tejidos, w ejido u órgano Gonadas Médula ósea (roja) Colon Pulmón Estómago Vejiga Mamas Hígado Esófago iroides Piel Superficie ósea Resto w 0,20 0,12 0,12 0,12 0,12 0,01 0,01 El resto está compuesto, a los efectos del cálculo, de los tejidos u órganos adicionales siguientes: glándulas suprarrenales, cerebro, intestino grueso superior, intestino delgado, riñones, músculo, páncreas, bazo, timo y útero. DOSIS EFECIVA, E La dosis efectiva, E, es la suma de las dosis equivalentes ponderadas en todos los órganos y tejidos del cuerpo. Está dada por la siguiente expresión:. E w H Unidad: J.kg -1 =Sv donde H es la dosis equivalente en el tejido u órgano y w es el factor de ponderación para el tejido. Notar que expresando H en función de la dosis absorbida en el órgano resulta: E w. wr. D, R R En la expresión obtenida puede observarse la dependencia que presenta la dosis efectiva, tanto de los factores de ponderación de la radiación como de los factores de ponderación de cada órgano. DOSIS EQUIVALENE COMPROMEIDA EN UN ÓRGANO O EJIDO, H () La exposición a un campo externo de radiación tiene como resultado inmediato una deposición de energía en cada órgano o tejido. Sin embargo, la irradiación interna de un tejido causada por la incorporación de un dado radionucleido se extiende en el tiempo, produciéndose el depósito de energía a medida que el nucleido decae en el interior del organismo. Para tener en cuenta este comportamiento se recomienda el uso de la dosis equivalente comprometida, definida como la integral, en un dado período de tiempo, de la tasa de dosis equivalente en un determinado tejido que será recibida por un individuo tras una incorporación de material radiactivo. Magnitudes dosimétricas - Capítulo 2 página 25

8 La dosis equivalente comprometida se define, entonces, mediante la siguiente expresión: Unidad: J.kg -1 =Sv H ( ) H t t o. t o La integral corresponde a una sola incorporación al tiempo t o y donde, H es la tasa de dosis equivalente en un tejido u órgano, al tiempo t,y es el período de tiempo sobre el cual se efectúa la integración. Cuando no está especificado, se toma igual a 50 años para adultos y en el caso de niños, se integra hasta la edad de 70 años. En la Figura 1 se esquematiza la relación entre la dosis absorbida, la dosis equivalente y la dosis efectiva. Figura 1. Relación entre las dosis en el cuerpo humano FUENE Externa o Interna Emisión ÓRGANOS Dosis absorbida [Gy] Factores de ponderación de la radiación W R ÓRGANOS Dosis equivalente [Sv] Factores de ponderación de los tejidos W CUERPO ENERO Dosis efectiva [Sv] D H E DOSIS EFECIVA COMPROMEIDA, E() Si las dosis equivalentes comprometidas en cada tejido u órgano debidas a una dada incorporación se multiplican por los correspondientes factores de ponderación w, y se suman dichos productos, se obtiene la dosis efectiva comprometida, E( ) w. H Unidad: J.kg -1 =Sv MAGNIUDES PARA GRUPOS DE INDIVIDUOS EXPUESOS DOSIS EQUIVALENE COLECIVA, S Esta magnitud expresa la exposición total a la radiación de un órgano determinado, en un grupo de individuos y se define mediante la integral siguiente, donde, (dn/dh )dh es el número de individuos que reciben una dosis equivalente comprendida en el intervalo H yh +dh. S 0 H dn dh dh página 26 Capítulo 2 - Magnitudes dosimétricas

9 La forma discretizada de expresar esta magnitud es mediante la sumatoria siguiente, donde, N i es el número de individuos en el subgrupo i- ésimo de la población, que reciben una dosis equivalente media en el órgano igual a H i,. S H N,. i i i Unidad: Sv.hombre DOSIS EFECIVA COLECIVA, S Si se desea dar una medida de la exposición a la radiación en una población, se puede calcular la dosis efectiva colectiva, mediante la siguiente expresión: S 0 E dn de de donde ahora (dn/de)de indica el número de individuos expuestos por intervalo diferencial de dosis efectiva. BIBLIOGRAFÍA AIX, F.H. Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry. New York, J. Wiley, INERNAIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROECION. Limits for Intakes of Radionuclides by Workers. ICRP Publication 30. Part. Annals of the ICRP 4 Nº 3/4, Oxford, Pergamon, INERNAIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROECION Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60. Oxford, Pergamon, INERNAIONAL COMMISSION ON RADIAION UNIS AND MEASUREMENS. Measurements of Dose Equivalents from External Photon and Electron Radiations. ICRU Report Nº 47. Bethesda, Maryland, USA, ICRU, INERNAIONAL COMMISSION ON RADIAION UNIS AND MEASUREMENS. Fundamental Quantities and Units for Ionizing Radiation. ICRU Report Nº 60. Bethesda, Maryland, USA, ICRU, Magnitudes dosimétricas - Capítulo 2 página 27