Magnitudes Dosimétricas

Magnitudes Dosimétricas Septiembre - 2014 Lic. Leandro Urrutia -UNSAM-

Antecedentes Descubrimiento de los rayos X por Roentgen 1895. Como consecuencia del trabajo con radiaciones ionizantes algunos operadores en este campo comenzaron a manifestar efectos nocivos. En 1922, el análisis de síntomas patológicos en un conjunto de radiólogos, permitió establecer que la incidencia de cáncer en este grupo era significativamente más alta respecto a otros médicos. Se evidencia la necesidad de establecer normas específicas de radioprotección. Se hace necesario la definición de magnitudes y unidades radiológicas con el fin de cuantificar y establecer normativas. En 1925 se creó la Comisión Internacional de Medidas y Unidades Radiológicas (ICRU) cuya misión era recomendar sobre: Magnitudes y unidades de radiación y radiactividad Métodos de medida y campos de aplicación en radiobiología y radiología clínica Datos y constantes físicas requeridas para la aplicación de estos procedimientos

Antecedentes La ICRU se ocupa en conjunto con la ICRP (Comisión Internacional de Protección Radiológica) en la elaboración de recomendaciones de radioprotección. Entre 1953 y 1962 la ICRU definió diferentes magnitudes radiológicas: exposición, kerma, dosis absorbida, actividad, dosis equivalente. Junto con sus correspondientes unidades (roentgen,rad, curie, rem, etc.) En 1975 se modificaron estas unidades haciéndolas consistentes con el Sistema Internacional de Unidades (Bq, Gy). En 1979 se incorpora el Sv como unidad de dosis equivalente. Estas novedades junto con ligeras modificaciones en algunas definiciones fueron documentadas por ICRU en 1980. Posteriores actualizaciones se dieron hasta 1998

DOSIMETRÍA DE LA RADIACIÓN Determinación de los efectos de la radiación a partir del cálculo o medición de los nivel de dosis resultantes de la interacción de la radiación ionizante con la materia Con este objetivo se definen magnitudes descriptivas de los procesos involucrados Se pueden clasificar estas magnitudes según el siguiente criterio 1.Magnitudes de campo 2.Magnitudes de interacción 3.Magnitudes dosimétricas 4.Magnitudes de protección radiológica

Expresión general Se definen estas magnitudes en términos de la Energía de las partículas (E), la distribución geométrica (r, w) y su evolución temporal. Magnitud que representa el campo de radiación Magnitud que describe el proceso de interacción existente para el campo y el medio irradiado D es cualquier magnitud dosimétrica que se defina. La integral se resuelve sobre todo el espectro de energías y para toda posición y orientación en el espacio.

FUENTES DE RADIACION FUENTES NATURALES FUENTES ARTICIALES

Fuentes naturales Radiaciones cósmicas: Resultado de la interacción de la radiación cósmica primaria (partículas de muy alta energía originadas en diversos procesos energéticos del universo) con la atmósfera y campo magnético, que dá lugar a la radiación cósmica secundaria (diferente de la primaria) que es la percibida en la tierra.

Fuentes naturales Radiaciones terrestres: o Radiación primordial: radioisótopos que pertenecen a las cadenas de desintegración del U235 U238 Th232 entre otros. Radioisótopos en el suelo Radioisótopos en el cuerpo humano o Radón222: Cadena del U235, decaimiento del Radio226 período de semi desintegración de 1620 años fuente de Radon222 permanente. Emisor alfa. Responsable de la exposición humana a radiación alfa.

Fuentes naturales Radiaciones terrestres NORM: Natural Ocurring Radioactive Material. Proceso tecnológicos que aumentan la concentración de radioisótopos de origen natural. Ejemplo: Restos de minería del uranio, extracción de gas y petroleo (RADON)

Fuentes Artificiales Utilización de radioisótipos y producción de campos de radiación en diversas aplicaciones: Medicina Industria Agricultura Investigación Energía Usos bélicos

Radiaciones Ionizantes Radiaciones directamente ionizantes: Partículas cargadas rápidas que transfieren directamente su energía a la materia a través de numerosas y pequeñas interacciones culombianas a lo largo de su recorrido. Ejemplos: electrones, positrones, protones, partículas alfa, iones pesados. Radiaciones indirectamente ionizantes: Partículas sin carga eléctrica que transfieren su energía a partículas cargadas del medio que atraviesan en unas pocas interacciones grandes. Las partículas cargadas generadas son directamente ionizantes y por tanto transfieren su energía al medio como se ha descrito en el punto anterior. Ejemplos: fotones (rayos X, radiación gamma) y neutrones

MAGNITUDES DE CAMPO Especificación del campo de radiación: Tipo de partículas Distribución energética Distribución geométrica Intensidad DEFINICIONES: N Número de partículas R Energía de las partículas ( Radiante )

Magnitudes de campo Flujo de partículas Incremento del número de partículas en el tiempo Fluencia de partículas Número de partículas incidentes en una sección transversal elemental Tasa de fluencia de partículas Número de partículas incidentes en una sección transversal en un intervalo de tiempo

Magnitudes de campo Flujo de energía Incremento de energía radiante en el tiempo Fluencia de energía Incremento de energía radiante en una sección transversal elemental Tasa de fluencia de energía Incremento de energía radiante en una sección transversal elemental en un intervalo de tiempo

Magnitudes de campo Espectro de energía de las partículas que componen el campo Fluencia de partículas en función de E Fluencia de partículas en un intervalo de energías de Total de partículas por sección de área

MAGNITUDES DE INTERACCIÓN -CARACTERIZACIÓN DE LA INTERACCIÓN CON LA MATERIA- Sección Eficaz Coeficientes específicos según: Tipo de radiación Energía de radiación Material irradiado Forma de interacción Área representativa de la probabilidad de interacción para un determinado blanco

Magnitudes de interacción- Partículas sin carga Coeficiente de atenuación másico Fracción de partículas que experimentan interacciones al atravesar un material en un recorrido elemental dl Coeficiente de transferencia másico de energía Coeficiente de absorción másico de energía Fracción de energía transferida como energía cinética de partículas cargadas, consecuencia de las interacciones en un recorrido elemental dl Fracción de energía transferida como energía cinética de partículas cargadas, consecuencia de las interacciones en un recorrido elemental dl, que no es perdida como radiación de frenado por las partículas cargadas secundarias (g)

Magnitudes de interacción- Partículas con carga Poder frenador másico Energía perdida por una partícula al atravesar un recorrido dl en un material. Descomposición de la pérdida de energía por colisiones y por frenamiento (interacciones nucleares despreciables)

MAGNITUDES DOSIMETRICAS Proveen mediciones físicas que correlacionan la exposición a campos de radiación, con energías, distribución e interacción determinas, con la deposición de energía en la materia o los tejidos.

Magnitudes dosimétricas ENERGÍA IMPARTIDA La correlación entre la energía de radiación que es recibida por la materia y los efectos que produce en esta, dependen del balance de la energía transportada por las partículas que ingresan y las que egresan (considerando pérdida de masa en reposo) Esta energía se define para un volumen de materia Ein: inluye partículas cargadas y sin carga (sin masa en reposo) Eout: idem Q= Sumatoria de energía de masa en reposo generadas o destruidas durante las interacciones Q = 0 Sin cambios en la materia Q<0 Perdida en la energía de masa en reposo del campo de radiación Q>0 Aumento en la energía de masa en reposo del campo de radiación

Magnitudes dosimétricas Energía impartida específica: Relación entre energía impartida y masa irradiada Magnitud estocástica (impartida e impartida específica): Deposición de energía carácter discreto Responde a una descripción probabilística para cada tipo de interacción Sucesivas mediciones de z permitirán conocer su valor medio

Magnitudes dosimétricas Energía impartida específica media Dosis absorbida f(z) es la función de densidad de distribución de z. En la integral pondera la probabilidad de que se importa una energía específica z Donde es la energía impartida media. La unidad J.Kg -1 recibe el nombre de Gray [Gy]. Tasa de dosis absorbida

Magnitudes dosimétricas Definición de dosis según cociente diferencial: vs masa Masa grande Campo de irradiación no uniforme. En la medida que disminuimos la masa se incrementa el cociente. Disminución de masa Campo de irradiación uniforme, el cociente permanece constante para cambios de masa dm. Este valor de cociente corresponde a la definición de dosis. Si se reduce aún más la masa se verifica el carácter estocástico de la interacción entre campo de radiación y materia irradiada. Observando variaciones abruptas en el cociente desde cero a valores muy altos Dosis absorbida: Proporciona el valor medio de la dosis impartida en un volumen y por tanto no refleja las variaciones aleatorias de los sucesos de interacción en dicho volumen

Magnitudes dosimétricas Kerma y Tasa de Kerma Energía cinética iniciales de todas las partículas ionizantes cargadas, liberadas por partículas ionizantes sin carga, en una masa dm. Equilibrio de partículas cargadas Radiación indirectamente ionizante deposición de energía en dos procesos 1-Transferencia de energía a partículas cargadas secundarias 2- Entrega de energía a la materia por interacción de partículas secundarias La fracción de energía de las partículas secundarias que escapen a la masa evaluada, no contribuirán a la dosis absorbida. El equilibrio electrónico se alcanza si ingresan a la masa dm evaluada, partículas secundarias cargadas producidas por interacción fuera de la masa dm. Con lo que se compensa la pérdida de energía.

Magnitudes dosimétricas Relación Kerma y Dosis Condición de equilibrio electrónico (r o ). Despreciando perdida de energía por frenamiento (fotones de algunos MeV) Kerma y Dosis son numéricamente iguales Transferencia Lineal de energía Energía perdida por una partícula cargada al atravesar un recorrido dl en un material. Se define para pérdidas de energía que no superen un dado umbral La definición irrestricta del LET es igual al poder de frenamiento.

MAGNITUDES DE PROTECCIÓN RADIOLOGICA La dosis absorbida no es suficiente para caracterizar el efecto o el daño que produce. El riesgo radiológico no depende solo de la energía depositada sino también de la forma en que se deposita (distribución microscópica) Estas magnitudes se definen para especificar los límites de la exposición a las radiaciones ionizantes. Magnitudes limitantes Dosis absorbida media en órgano Energía impartida total en un órgano de masa mt

Magnitudes de protección radiológica Factor de calidad de la radiación Q: Cuantifica la mayor o menor eficacia biológica de las distintas radiaciones ionizantes, dependiente de la densidad de ionización. Este factor no pondera adecuadamente para un amplio espectro de energías y partículas. Se ha optado por introducir un nuevo factor basado en el tipo de radiación incidente (no en la trasferencia de energía) No se requiere el conocimiento del tipo radiación en el punto de interés, sino el tipo que incide sobre el cuerpo (desde el exterior o del interior)

Magnitudes de protección radiológica Factor de ponderación de la radiación Wr

Magnitudes de protección radiológica La ocurrencia de efectos de carácter estocásticos no solo depende del tipo de radiación Distintos órganos y tejidos muestran diferente sensibilidad La ponderación de este efecto implica la utilización de otro factor para modular el efecto según el tipo de tejido irradiado. Este factor de ponderación de los tejidos Wt, afectará a la dosis equivalente en órgano Dosis equivalente en un órgano o tejido Campos de radiación compuestos Dosis recibida en un órgano ponderada por la calidad de radiación.

Magnitudes de protección radiológica Factor de ponderación de los tejidos Wt Resto: glándulas suprarrenales, cerebro, intestino grueso superior, intestino delgado, riñón, músculo, páncreas, bazo, timo, útero. Dosis equivalente en cualquier órgano del resto que supere a cualquier dosis de los doce que se especifican, modifican el factor de ese órgano a 0,025, y el resto a 0,025

Magnitudes de protección radiológica Dosis efectiva Sumatoria de las dosis media absorbida por cada tipo de radiación en cada órgano, ponderadas por los factores correspondientes. La radiación, que define el wr a utilizar, es la incidente sobre el cuerpo por una fuente externa o la emitida desde un radionucleído incorporado al cuerpo.

Magnitudes de protección radiológica INCORPORACIÓN Se definen magnitudes que evalúen el comportamiento fisicoquímico y metabólicos de los radionucleidos incorporados Se incorpora una descripción de la evolución de la fuente en el tiempo, en cuanto a su distribución y actividad Se establece una función de tasa de dosis equivalente en un órgano dependiente del tiempo

Magnitudes de protección radiológica Dosis equivalente comprometida Dosis equivalente en un órgano que será recibida al cabo de un tiempo dado luego de la incorporación (T) Dosis efectiva comprometida Dosis efectiva (sumatoria sobre todos los órganos de las dosis equivalentes) que será recibida al cabo de un tiempo dado luego de la incorporación (T)

Magnitudes de protección radiológica CONSIDERACIONES DE GRUPO Dosis equivalente colectiva Sumatoria de la dosis equivalente recibida por un grupo de sujetos para un dado órgano Dosis efectiva colectiva Sumatoria de las dosis efectivas. Se pondera cada dosis efectiva media por el número de individuos que en promedio recibió esa magnitud.

DOSIS DE IRRADIACIÓN EXTERNA Fluencia de energía Fuente monoenergética Fluencia de energía Fluencia de partículas

Dosis de irradiación externa CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS Emisión isotrópica de partículas Fluencia de partículas en el punto de interés es la relación entre el número de partículas del campo de irradiación y la superficie de una esfera del radio igual a la distancia entre fuente y punto.

Dosis de irradiación externa Ley inversa del cuadrado de la distancia Si se interpone un medio entre la fuente y el punto, se modifica el cálculo de fluencia de partículas considerando el coeficiente de atenuación lineal del médio para esa energía y el espesor interpuesto Distintos medios atenuantes

Dosis de irradiación externa Dosis absorbida Se calcula el Kerma en el punto de interés, a partir de la fluencia de energía y el coeficiente de transferencia Equilibrio electrónico

Dosis de irradiación externa Consideraciones para el cálculo de la tasa de fluencia de partículas: Fuente monoenergética E Probabilidad de emisión en cada decaimiento e Actividad de la fuente A Punto de interés ubicado a una distancia r de la fuente Tasa de fluencia de energía

Dosis de irradiación externa Tasa dosis absorbida (medio Z) Si se estima la tasa de dosis absorbida en un medio, se puede estimar la tasa de dosis para otro medio a partir de los coeficientes de absorción: Misma fluencia de energía Equilibrio electrónico

Dosis de irradiación externa Dosis total absorbida Una vez establecida la tasa de dosis absorbida se puede calcular la dosis total absorbida. Es necesario definir la dependencia temporal de la tasa de dosis Esta depende de la actividad de la fuente caracterizada por el período de semi desintegración

Dosis de irradiación externa Exposición dq es la carga total de un solo signo producidos en el aire, cuando todos los electrones liberados por fotones son frenados en el aire, en una volumen elemental de masa dm Roentgen = 2,58 x 10-4 C.Kg-1

Dosis de irradiación externa RELACIÓN EXPOSICIÓN - DOSIS Cálculo de la dosis en aire Waire: energía necesaria para generar un par iónico en el aire Expresión de la exposición en términos de la dosis Waire= 33,97 ev q= 1,6 x 10-19 C En condiciones de equilibio electrónico la dosis absorbida y la exposición son directamente proporcionales

Dosis de irradiación externa Cálculo para diferentes medios A partir de la exposición se obtine directamente la dosis absorbida en aire Puede calcularse la dosis absorbida para cualquier medio Para materiales de número atómico parecido al del aire, la variación del coeficiente de absorción con la energía es muy pequeña Para el agua es posible calcular la dosis absorbida a partir de la medición de la exposición sin conocer la energía de los fotones (dentro del rango de 10keV a 10 MeV)

Dosis de irradiación externa De esta forma es posible generar constantes que indique la tasa de exposición a un metro por unidad de actividad que son de utilidad para el cálculo de dosis absorbida en el cuerpo

Dosis de irradiación externa Con el propósito de unificar magnitudes y unidades se han generado estas tablas de constante de tasa de kerma en aire o dosis absorbida en aire Estas constantes permiten caracterizar el campo de radiación producido en un punto debido a la contribución de diferentes fuentes bajo diferentes configuraciones geométricas Esto facilita el cálculo de la dosis absorbida.

DOSIS DE IRRADIACIÓN INTERNA Manipulación de material radioactivo como fuentes abiertas. Contaminación interna por incorporación de radionucleidos. Fuente de ionización depositada en los propios tejidos.

Dosis de irradiación interna Distribución METODOLOGÍA DE CÁCLCULO Procesos biológicos modifican la distribución y tiempo de permanencia de las fuentes en el organismo Es necesario determinar la distribución temporal del radionucleído Dosimetría Una vez caracterizada la fuente, es posible conocer la actividad total en el tiempo de evaluación y aplicar los procedimientos de cálculo de dosis absorbida

Dosis de irradiación interna PROCESO DE CONTAMINACIÓN INTERNA Deposito a nivel de vía de entrada: Inhalación Ingestión Incorporación por piel Transferencia a sangre y líquido extracelular. Distribución en el organismo Retención en órganos o tejidos Excreción

Dosis de irradiación interna CÁLCULO Dosis equivalente comprometida Dosis equivalente en un órgano que será recibida al cabo de un tiempo dado luego de la incorporación (t) Conociendo la función temporal de la tasa de dosis equivalente, se calcula la dosis equivalente comprometida en un tiempo t. Para trabajadores se suele calcular t= 50años

Dosis de irradiación interna Fuente y blanco La incorporación genera depósitos en órganos o tejidos Cada uno de estos se comporta como una fuente de radiación Esta radiación afecta al propio órgano y a los circundantes Órgano fuente S Órgano blanco T

Dosis de irradiación interna Dosis equivalente comprometida a 50 años La dosis equivalenete comprometida a 50 años en un órgano blanco por irradiación desde un órgano fuente depende de: El número de desintegraciones desde S en los 50 años: Actividad integrada Us La energía absorbida por unidad de masa en T, aplicando el factor Wr corespondiente: Energía específica efectiva (SEE)

Dosis de irradiación interna Cálculo de Us Actividad integrada La actividad disminuye por decaimiento físico o por eliminación biológica Constante de decaimiento efectiva Esta constante se define para cada órgano y radionucleído presente Su integración en 50 años permite el calculo de Us

Dosis de irradiación interna Cálculo de SEE Energía específica efectiva Las emisiones alfa y beta son completamente absorbidas en el órgano S, en este caso el S y T son el mismo órgano Para emisiones gamma, todos los órganos resultan irradiados

Dosis de irradiación interna Fracción de energía absorbida (T S) Están tabuladas todas las combinaciones S y T para diferentes rangos de energía Dosis equivalente comprometida a 50 años

Dosis de irradiación interna Dosis efectiva comprometida Dosis efectiva (sumatoria sobre todos los órganos de las dosis equivalentes) que será recibida al cabo de un tiempo dado luego de la incorporación (T) Órganos considerados en el cálculo de la dosis efectiva

Dosis de irradiación interna Dosis efectiva comprometida 50 años Modificación de los Wr cuando algún órgano del resto supera en dosis equivalente a cualquiera de los 12 órganos considerados específicamente: El coeficiente e(50) es la dosis efectiva comprometida E(50) que resulta de la incorporación de un Bq

Límite anual de incorporación Se define un límite de incorporación para el control ocupacional de la contaminación interna Es la actividad para un dado radionucleido, que incorporado durante un año, resulta en una dosis efectiva comprometida a 50 años igual al límite anual propuesto. Límite derivado de concentración en aire DAC- Concentración de radionucleído en aire tal que respirado durante las 2000hs laborales anuales, dan la incorporación de un ALI. Asumiendo 1,2 m3 respirados por hora. DAC=ALI/2400 [Bq/m3]

Cálculo de la dosis comprometida en tiroides por incorporación de I-131 - Ejemplo 30% es retenido en tiroides T 1/2 biológico: 80 días T 1/2 físico: 8 días

Cálculo de la dosis comprometida en tiroides por incorporación de I-131 - Ejemplo

Cálculo de la dosis comprometida en tiroides por incorporación de I-131 - Ejemplo

FACTORES DE RIESGO Se busca estimar el riesgo asociado a la exposición a la radiación en la carcinogenesis No existe ningún indicador que permita demostrar con certeza que un cancer determinado ha sido o no inducido por la radiación La cuantificación del riesgo de cancer radioinducido en humanos se basa en los estudios epidemiológicos, comparando riesgos entre poblaciones expuestas y no expuestas.

Factores de riesgo Principales estudios epidemiológicos Cohorte de Hiroshima y Nagasaki. Exposiciones médicas. Exposiciones ocupacionales (industria nuclear, área médica). Exposición del público (fondo en zonas de alto background, etc.) Exposición interna a bajo LET (tratamiento con Yodo-131). Exposición interna a alto LET. Recomendaciones ICRP 60 Factor de riesgo de cáncer fatal en toda la vida Para público: 5x10-2 Sv-1 (0-90 años) Para trabajador: 4x10-2 Sv-1 (18-65 años)

Factores de riesgo Column Wt: Contribución relativa de cada órgano al riesgo total de cáncer fatal

Factores de riesgo Consideraciones colectivas Se considera una fuente que da lugar a que un número de personas reciban una dosis efectiva determinada, el detrimento individual se define como:

Factores de riesgo Dosis efectiva colectiva Sumatoria de las dosis efectivas. Se pondera cada dosis efectiva media por el número de individuos que en promedio recibió esa magnitud. Detrimento colectivo Esperanza matemática que en el grupo de población considerado se produzca el efecto cuya gravedad es g (1=muerte) y cuya probabilidad de ocurrencia por unidad de dosis colectiva es k Detrimento colectivo

Factores de riesgo - Ejemplo

Factores de riesgo

MAGNITUDES OPERACIONALES Magnitudes de aplicación práctica en protección por irradiación externa. La dosis equivalente en órgano y las magnitudes derivadas de esta, no pueden cuantificarse por medición directa. Se han desarrollado magnitudes medibles, llamadas magnitudes operacionales Dan una aproximación de las dosis efectiva y equivalente en piel. Se pueden medir experimentalmente, están relacionadas con las magnitudes físicas fundamentales y proporcionan una estimación razonablemente conservadora de la dosis equivalente y de la dosis efectiva.

Magnitudes operacionales MONITOREO INDIVIDUAL Dosis equivalente personal Hp(d): Dosis equivalente en tejido blando, por debajo de un punto especificado del cuerpo y a una profundidad apropiada, d. El valor obtenido de esta medida se considera como una estimación de la dosis efectiva bajo la suposición de la exposición se realiza de forma uniforme en todo el cuerpo. La unidad del SI es el J kg-1, y nombre especial es el Sievert. Para radiación débilmente penetrante se emplea una profundidad de 0,07mm para la piel y de 3mm para el cristalino. Para radiación fuertemente penetrante se utiliza una profundidad de 10mm.

Magnitudes operacionales MONITOREO AMBIENTAL Dosis equivalente ambiental H*(d): Radiación fuertemente penetrante Dosis equivalente direccional H'(d,Ω): Radiación débilmente penetrante

Magnitudes operacionales Relación ente magnitudes radiológicas

MUCHAS GRACIAS Universidad Nacional de San Martín Área de Física Médica - ECyT