IX. MEDICINA NUCLEAR
LA RADIACTIVIDAD es uno de los fenómenos físicos que presenta
más aplicaciones en la medicina moderna; esto se conoce como medicina nuclear.
Debemos comenzar por entender que la estructura de los átomos, sobre todo de los más complejos, generados probablemente en el interior de formaciones estelares y por reacciones nucleares sucesivas, no es una estructura estable; su composición puede alterarse por medio de la emisión espontánea de una partícula a (alfa), una b+(beta positiva), una b- (beta negativa) o una g (gamma), liberándose de esta manera una cantidad de energía que le permite lograr una configuración de mayor estabilidad.
Una partícula a es un átomo de helio doblemente ionizado, es decir, es un núcleo de helio, su carga es 2+. Una partícula b+ es un positrón, una partícula igual al electrón pero de carga positiva, mientras que la b- es un electrón, cuya carga eléctrica es 1-. Finalmente, una partícula g es un fotón, esto es, energía electromagnética.
La actividad de una muestra de material radiactivo es la proporción en la que los núcleos de sus átomos constituyentes se desintegran. Si N es el número total de núcleos de la muestra radiactiva en un determinado instante, la actividad R de la muestra está dada por:
R se mide en Curies (Ci), un Ci equivale a 3.70 X 1010 desintegraciones por segundo. Frecuentemente se prefiere usar submúltiplos: mCi o mCi
Otra unidad muy usada es el Becquerel (Bq), que corresponde a una desintegración por segundo, o sus múltiplos KBq (10ñ Bq ), MBq (106Bq) y el GBq (109Bq).
La actividad disminuye exponencialmente con el tiempo. Cuando la actividad se reduce a la mitad de la que tenía en un cierto instante de tiempo, hablamos de la vida media del material, que para el ejemplo ilustrado es de 6 horas. Los isótopos radiactivos o radioisótopos (núcleos de un elemento con igual número de protones y diferente número de neutrones) tienen vidas medias que van desde millonésimas de segundo hasta miles de millones de años; la vida media es una característica que los distingue.
Si la actividad al tiempo cero (tiempo inicial) es R0, la variación de ella respecto al tiempo queda expresada por:
donde l es la constante de desintegración característica para cada radioisótopo.
Considerando que para t = T 1/2 (vida media) se cumple que R = R0/2 llegamos a:
El tiempo de vida media 
,
está definido como el recíproco de la probabilidad de desintegración por unidad
de tiempo, es decir:
Si la vida media era de 6 horas, el tiempo de vida media es de 8.65 horas.
Es importante comprender que si tenemos N átomos radiactivos, cada núcleo tiene cierta probabilidad de desintegrarse, pero no hay forma de conocer por adelantado cuáles se desintegrarán en un cierto intervalo de tiempo: algunos permanecerán sin desintegrarse por largo tiempo mientras que otros lo harán en segundos, de manera que la vida media es un promedio.
La mayor parte de los elementos radiactivos encontrados en la naturaleza son miembros de cuatro series radiactivas, cada una formada por una sucesión de productos o hijos que proceden de un solo elemento al cual se conoce como padre. Así los núcleos radiactivos cuyos números de masa son múltiplos enteros de 4 forman la serie del torio al desintegrarse y disminuir su número de masa.
En el cuadro II se muestran las cuatro series radiactivas.
La vida media el Neptunio es tan corta comparada con la edad del Universo, que actualmente los miembros de esta serie no se encuentran en la naturaleza, se conocen porque se ha logrado producirlos en el laboratorio bombardeando con neutrones de núcleos más pesados.
Los núcleos radiactivos más usados en medicina nuclear, así como sus características, se muestran en el cuadro III, los elementos de este cuadro se usan tanto en investigación como en diagnosis y terapia.
Existen aproximadamente mil radionúclidos, la mayor parte hechos por el hombre.
Los elementos pesados tienen más radioisótopos que los ligeros; por ejemplo,
el yodo tiene 15 radioisótopos conocidos mientras que el hidrógeno tiene sólo
uno (ñH). Un radionúclido puede identificarse por su radiactividad, por el tipo
y por la cantidad de energía de sus partículas o rayos emitidos.
Los símbolos para los radionúclidos han variado en el tiempo, ahora la convención
es que el índice superior izquierdo es el peso atómico, mientras que el inferior
es el número atómico, por ejemplo, 
es un átomo de yodo radiactivo con 131 protones y neutrones, mientras que el
es el
yodo estable, con 4 neutrones menos.
La m en 
significa "metaestable", es decir "medio estable". Un radionúclido metaestable
decae emitiendo sólo radiación gamma, y sus hijos difieren de los padres sólo
por la energía de radiación emitida. Por ejemplo, el
decae para formar el 
emitiendo un rayo gamma de 140 KeV, energía muy usada en la medicina nuclear.
En medicina, las sustancias radiactivas se utilizan en cantidades muy pequeñas (del orden de microgramos), para no afectar el funcionamiento fisiológico normal del cuerpo. Se introducen en el organismo ya sea en forma oral o por medio de inyecciones. Se prefieren los radionúclidos emisores de radiación gamma ya que debido a su penetrabilidad pueden detectarse desde fuera del cuerpo.
La mayor parte de las emisiones de elementos radiactivos son partículas beta y rayos gamma. Como las partículas beta no son muy penetrantes, el cuerpo las absorbe fácilmente y en general su uso en diagnosis es reducido. Sin embargo, algunos radionúclidos emisores de partículas, tales como 3H y 14C son importantes en la investigación médica.
32P se usa en el diagnóstico de tumores en el ojo, porque algunas de sus partículas beta tienen suficiente energía para salir de este órgano. La mayoría de los procedimientos de diagnóstico clínico usa fotones de alguna clase, generalmente conocidos como rayos gamma.
Un tipo de desintegración que ocurre sólo en los radionúclidos hechos por el hombre es la emisión de un positrón o partícula+. Asociada a esta emisión existe la radiación de aniquilación: después de que el electrón se ha detenido, se aniquila con un positrón. La energía equivalente de sus masas (511 KeV de cada uno) en general se emite como dos fotones de 511 KeV. La radiación de aniquilación viaja en direcciones opuestas.
Para determinar la cantidad de radiación en el cuerpo se usan diferentes tipos de detectores de acuerdo con el tipo de radiación emitida.
Un tubo fotomultiplicador (PMT por sus siglas en inglés) es el
detector adecuado para medir radiación gamma, que es la más usada en medicina
nuclear. El principio de la operación del PMT se muestra en la figura 26. Al
incidir un fotón en el fotocátodo, que es un cristal de yoduro de sodio dopado
con talio, por ejemplo, desprende un electrón que es acelerado a una placa llamada
dinodo, provocando el desprendimiento de más electrones, los cuales son acelerados
a un segundo dinodo que se encuentra a un potencial eléctrico más positivo que
el primero. Para lo anterior se requiere una fuente de poder. Este proceso se
repite varias veces, de modo que ocurre una multiplicación de electrones de
106 veces desde el fotocátodo hasta el ánodo. Casi toda la radiación
gamma emitida por el 
es absorbida por un cristal de Nal:Tl con un espesor del orden de 1 cm.
Figura 26. Sección transversal de un tubo fotomultiplicador.
El detector de centelleo, que se muestra diagramáticamente en la figura 27,
es usado con frecuencia en medicina nuclear. Como el detector de Nal:T1 es muy
sensible, debe ser protegido de la radiación ambiental o radiación de fondo,
por lo que está cubierto por una armadura de plomo de 5 cm o más de espesor
por todos lados, excepto por una abertura que es la colimadora por donde recolecta
información. La intensidad de centelleo producida en el cristal es proporcional
a la energía de la radiación gamma detectada. Los electrones emitidos en el
fotocátodo del PMT producen un pulso eléctrico a la salida, que
es amplificado y medido en un analizador de altura de pulsos (PHA) donde
se determina la energía del rayo gamma que lo causó. El analizador de altura
de pulsos consta de dos discriminadores, uno para pulsos más altos que un cierto
límite y otro para aquellos más pequeños que una cierta medida dada. La diferencia
de energía entre el límite superior y el inferior es llamada la "ventana" del
analizador. Todos los pulsos en la ventana son pasados a un contador; esto se
ilustra en la figura 28.
Algunas veces resulta de interés conocer la distribución de la altura de los
pulsos, lo cual puede hacerse con un analizador multicanal (MCA) el cual separa
los pulsos de acuerdo con su altura en 256 o 512 grupos. La figura 29 es un
espectro típico de un detector de centelleo obtenido con un analizador multicanal,
y corresponde a una fuente de radiación gamma 
que emite principalmente a 140 KeV.
Otro detector de radiación gamma muy usado, es el detector de estado sólido.
Su principio es muy simple: el semiconductor actúa como un aislante, no permite
que fluya la corriente hasta que la ionización se lleva a cabo en todo su volumen,
y en general se mantiene a baja temperatura para minimizar la corriente producida
por la activación térmica de los electrones. Cuando un rayo gamma se absorbe
produce un gran número de pares iónicos, haciendo la resolución de este detector
mucho mayor que la del tubo fotomultiplicador.
Figura 28. Pulsos de un sistema detector de centelleo. La "ventana" está
definida por los discriminadores superior e inferior, sólo los pulsos que caen
dentro de ella son tomados en cuenta.
Figura 29. Espectro de altura de pulsos obtenido con un analizador multicanal
a partir de un detector de centelleo. La fuente es 
que emite rayos gamma de 140 KeV. El ancho del pico de energía total es del
orden de 30 KeV.
En la mayoría de los estudios clínicos es importante detectar la radiación de una parte limitada del cuerpo, para esto se usan protectores de plomo que cubren aquellas partes que no se desea registrar; en algunos casos se cubre todo el cuerpo, excepto por algún agujero o rendija, aquello que presenta interés para el médico.
Han sido desarrolladas varias pruebas con material radiactivo, in vitro e in vivo. Las pruebas in vitro no ocasionan ningún riesgo para el paciente, mientras que las in vivo sí. Por ejemplo, una de las medidas más simples en clínica es la medida del volumen de sangre que tiene el paciente, sobre todo si éste ha sufrido una pérdida debido a un accidente o una intervención quirúrgica; para esto se inyecta en una vena un volumen V de albúmina marcada con 131I y se toma el número de cuentas por segundo que emite el material, transcurridos unos 15 minutos se mide la radiactividad existente en un volumen V igual de sangre extraída; el volumen total de sangre está dado por el volumen V multiplicado por la diferencia del número de cuentas por segundo. Si a un paciente se le administran 5 ml de albúmina marcada con 131I con una actividad de 105 cuentas por segundo y 15 min después en 5 ml de sangre se leen 102 cuentas por segundo, el volumen total de sangre es de 5 ml (103), es decir 5 000 ml.
La mayor parte de los estudios hechos in vivo involucran imágenes. Los dispositivos más usados para producirlas son el scanner (dispositivo de barrido) y la cámara gamma. El scanner cuenta con un detector de radiactividad que es un cristal de NaI:Tl, el cual se mueve en línea recta sobre el área de interés, haciendo un registro constante de la cantidad de radiactividad, con esto se va formando un mapa de la distribución de la radiación en el cuerpo que se lleva a una placa fotográfica o se imprime en papel con ayuda de un dispositivo electrónico diseñado para ello (el diagrama se muestra en la figura 30). La intensidad de radiación detectada se traduce ya sea en color o en intensidad de las marcas producidas; los datos producidos también pueden ser registrados en una cinta magnética disco y ser analizados por una computadora; el tiempo de barrido para producir la imagen es del orden de 30 minutos, lo cual en algunos casos representa una ventaja para el paciente.
El diagrama de la cámara gamma se muestra en la figura 31; al igual que el
scanner, consta de un cristal detector de Nal:Tl, pero de un diámetro
muy grande, entre 30 y 45 cm. Los centelleos registrados pasan por cables de
luz y son electrónicamente procesados para determinar las coordenadas (x, y)
del centelleo. Los circuitos electrónicos deflectan un haz de electrones en
un tubo de rayos catódicos para provocar que una luz brillante aparezca en el
tubo en una localización correspondiente a (x, y). Esta información puede quedar
grabada en una placa fotográfica o en una cinta de computadora y ser procesada
por ella. El tiempo en el que una cámara gamma construye una imagen o gammagrama
es del orden de 1 a 2 minutos, por lo que resulta ser de gran utilidad para
obtener información sobre procesos dinámicos.
Figura 30. Principio del scanner rectilíneo, los circuitos electrónicos están configurados por las componentes usadas generalmente con el detector de centelleo además de los controles para el scanner mecánico y para ajustar la intensidad de la lámpara.
Lo que puede ser detectado, depende del tipo de material radiactivo que se use. Para huesos deben usarse iones que puedan introducirse y queden atrapados en ellos. Si el problema es en riñones o cerebro, deben utilizarse los iones radiactivos adecuados para cada caso.
También en terapéutica se usa la radiactividad. Para cáncer de tiroides o para tiroides hiperactiva se puede suministrar 131I por vía oral, para cicatrices queloides la radiación con 66Co evita el crecimiento de la cicatriz, en caso de sobreproducción de glóbulos rojos puede usarse 32P etcétera.
Sin embargo, sabemos que el uso de la radiactividad también presenta riesgos
para la salud, es un arma de dos filos, y mal administrada puede ocasionar problemas
irreversibles como cáncer, esterilidad, mal funcionamiento, etcétera.
Figura 31. Componentes de una cámara gamma. El procesador de señales determina
la localización (x, y) del centelleo y provoca que aparezca un haz de luz en
la localización correspondiente (x, y) registrada sobre la placa fotográfica.
