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La dosimetría de radiación en el ámbito de la física sanitaria y la protección radiológica es la medición, el cálculo y la evaluación de la dosis de radiación ionizante absorbida por un objeto, normalmente el cuerpo humano. Esto se aplica tanto internamente, debido a sustancias radiactivas ingeridas o inhaladas, como externamente, debido a la irradiación por fuentes de radiación.
La evaluación de la dosimetría interna se basa en una variedad de técnicas de monitoreo, bioensayo o imágenes de radiación, mientras que la dosimetría externa se basa en mediciones con un dosímetro o se infiere de mediciones realizadas con otros instrumentos de protección radiológica . [1]
La dosimetría de la radiación se utiliza ampliamente para la protección radiológica; se aplica de manera rutinaria para monitorear a los trabajadores expuestos a la radiación ocupacional, donde se espera la irradiación o donde la radiación es inesperada, como en las consecuencias contenidas de los incidentes de liberación radiológica de Three Mile Island , Chernobyl o Fukushima . La absorción de dosis pública se mide y calcula a partir de una variedad de indicadores, como mediciones ambientales de radiación gamma, monitoreo de partículas radiactivas y la medición de los niveles de contaminación radiactiva .
Otras áreas importantes de la dosimetría de radiación son la médica, donde se monitorea la dosis absorbida del tratamiento requerido y cualquier dosis absorbida colateral, y la ambiental, como el monitoreo del radón en edificios.
Existen varias formas de medir las dosis absorbidas de la radiación ionizante. Las personas en contacto ocupacional con sustancias radiactivas, o que pueden estar expuestas a la radiación, llevan habitualmente dosímetros personales . Estos están diseñados específicamente para registrar e indicar la dosis recibida. Tradicionalmente, se trataba de medallones sujetos a la ropa externa de la persona monitorizada, que contenían una película fotográfica conocida como dosímetros de placa de película . Estos han sido reemplazados en gran medida por otros dispositivos como la dosimetría termoluminiscente (TLD), la luminiscencia estimulada ópticamente (OSL) o las placas de detector de vías nucleares fluorescentes (FNTD). [2] [3]
Las directrices del Comité Internacional de Protección Radiológica (CIPR) establecen que si se lleva un dosímetro personal en una posición del cuerpo que sea representativa de la exposición, suponiendo que la exposición sea de todo el cuerpo, el valor de la dosis equivalente personal Hp(10) es suficiente para estimar un valor de dosis efectiva adecuado para la protección radiológica. La dosis equivalente personal es una cantidad de radiación diseñada específicamente para ser utilizada en mediciones de radiación mediante dosímetros personales. [4] Los dosímetros se conocen como "dosímetros legales" si han sido aprobados para su uso en el registro de dosis del personal con fines reglamentarios. En casos de irradiación no uniforme, dichos dosímetros personales pueden no ser representativos de ciertas áreas específicas del cuerpo, en cuyo caso se utilizan dosímetros adicionales en el área en cuestión.
Se han generalizado varios dispositivos electrónicos conocidos como dosímetros personales electrónicos (EPD) que utilizan tecnología de detección de semiconductores y procesador programable. Se llevan como distintivos, pero pueden indicar la tasa de dosis instantánea y emitir una alarma audible y visual si se supera una tasa de dosis o una dosis integrada total. El usuario puede disponer inmediatamente de gran cantidad de información sobre la dosis registrada y la tasa de dosis actual a través de una pantalla local. Se pueden utilizar como dosímetro principal independiente o como complemento de otros dispositivos. Los EPD son especialmente útiles para el control de la dosis en tiempo real cuando se espera una tasa de dosis alta que limitará en el tiempo la exposición del usuario.
En determinadas circunstancias, la dosis puede deducirse a partir de las lecturas tomadas con un instrumento fijo en una zona en la que la persona en cuestión ha estado trabajando. Por lo general, esto sólo se utilizaría si no se hubiera expedido un dosímetro personal o si se hubiera dañado o perdido. Estos cálculos adoptarían una visión pesimista de la dosis recibida probable.
La dosimetría interna se utiliza para evaluar la dosis comprometida debido a la ingesta de radionucleidos en el cuerpo humano.
La dosimetría médica es el cálculo de la dosis absorbida y la optimización de la administración de la dosis en radioterapia . A menudo la realiza un físico médico profesional con formación especializada en ese campo. Para planificar la administración de la radioterapia, la radiación producida por las fuentes suele caracterizarse con curvas de dosis de profundidad porcentual y perfiles de dosis medidos por un físico médico . [5]
En radioterapia, las distribuciones de dosis tridimensionales a menudo se evalúan utilizando una técnica conocida como dosimetría en gel . [6]
La dosimetría ambiental se utiliza cuando es probable que el medio ambiente genere una dosis de radiación significativa. Un ejemplo de esto es el control del radón . La mayor fuente de exposición a la radiación para el público en general es el gas radón natural, que representa aproximadamente el 55% de la dosis de fondo anual. Se estima que el radón es responsable del 10% de los cánceres de pulmón en los Estados Unidos. El radón es un gas radiactivo generado por la desintegración del uranio, que está presente en cantidades variables en la corteza terrestre. Ciertas áreas geográficas, debido a la geología subyacente, generan continuamente radón que se filtra hasta la superficie de la Tierra. En algunos casos, la dosis puede ser significativa en edificios donde el gas puede acumularse. Se utilizan varias técnicas de dosimetría especializadas para evaluar la dosis que pueden recibir los ocupantes de un edificio.
Los registros de los resultados de dosimetría legal generalmente se conservan durante un período de tiempo determinado, dependiendo de los requisitos legales del país en el que se utilizan.
El monitoreo de la exposición a la radiación médica es la práctica de recopilar información sobre las dosis de los equipos de radiología y utilizar los datos para ayudar a identificar oportunidades para reducir dosis innecesarias en situaciones médicas. [5]
Para permitir la consideración del riesgo estocástico para la salud, se realizan cálculos para convertir la cantidad física de dosis absorbida en dosis equivalentes y efectivas, cuyos detalles dependen del tipo de radiación y del contexto biológico. [7] Para aplicaciones en protección radiológica y evaluación dosimétrica, la ICRP (ICRP) y la Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU) han publicado recomendaciones y datos que se utilizan para calcularlas.
Existen diferentes medidas de dosis de radiación, incluida la dosis absorbida ( D ), medida en:
Cada medida se describe a menudo simplemente como "dosis", lo que puede dar lugar a confusión. Todavía se utilizan unidades que no pertenecen al SI , en particular en los EE. UU., donde la dosis se expresa a menudo en rads y la dosis equivalente en rems . Por definición, 1 Gy = 100 rad y 1 Sv = 100 rem.
La cantidad fundamental es la dosis absorbida ( D ), que se define como la energía media impartida [por la radiación ionizante] (dE) por unidad de masa (dm) de material (D = dE/dm) [8] La unidad SI de dosis absorbida es el gray (Gy) definido como un julio por kilogramo. La dosis absorbida, como medida puntual, es adecuada para describir exposiciones localizadas (es decir, de órganos parciales) como la dosis tumoral en radioterapia. Puede utilizarse para estimar el riesgo estocástico siempre que se indique la cantidad y el tipo de tejido involucrado. Los niveles de dosis diagnósticas localizadas suelen estar en el rango de 0 a 50 mGy. Con una dosis de 1 miligray (mGy) de radiación fotónica, cada núcleo celular es atravesado por un promedio de 1 pista de electrones liberados. [9]
La dosis absorbida necesaria para producir un determinado efecto biológico varía entre los distintos tipos de radiación, como fotones , neutrones o partículas alfa . Esto se tiene en cuenta mediante la dosis equivalente (H), que se define como la dosis media al órgano T por el tipo de radiación R ( D T,R ), multiplicada por un factor de ponderación W R . Esto está diseñado para tener en cuenta la eficacia biológica (RBE) del tipo de radiación, [8] Por ejemplo, para la misma dosis absorbida en Gy, las partículas alfa son 20 veces más potentes biológicamente que los rayos X o gamma. La medida de "dosis equivalente" no se promedia por órgano y ahora solo se utiliza para "cantidades operativas". La dosis equivalente está diseñada para la estimación de los riesgos estocásticos de las exposiciones a la radiación. El efecto estocástico se define para la evaluación de la dosis de radiación como la probabilidad de inducción de cáncer y daño genético. [10]
Como la dosis se promedia en todo el órgano, la dosis equivalente rara vez es adecuada para la evaluación de los efectos agudos de la radiación o la dosis tumoral en radioterapia. En el caso de la estimación de los efectos estocásticos, suponiendo una respuesta lineal a la dosis , este promedio no debería suponer ninguna diferencia, ya que la energía total impartida sigue siendo la misma.
La dosis efectiva es la cantidad de dosis central para la protección radiológica que se utiliza para especificar los límites de exposición con el fin de garantizar que la aparición de efectos estocásticos sobre la salud se mantenga por debajo de niveles inaceptables y que se eviten las reacciones tisulares. [12]
Es difícil comparar el riesgo estocástico de exposiciones localizadas en diferentes partes del cuerpo (por ejemplo, una radiografía de tórax en comparación con una tomografía computarizada de la cabeza) o comparar exposiciones de la misma parte del cuerpo pero con diferentes patrones de exposición (por ejemplo, una tomografía computarizada cardíaca con una tomografía computarizada cardíaca). Una forma de evitar este problema es simplemente promediar una dosis localizada en todo el cuerpo. El problema de este enfoque es que el riesgo estocástico de inducción de cáncer varía de un tejido a otro.
La dosis efectiva E está diseñada para tener en cuenta esta variación mediante la aplicación de factores de ponderación específicos para cada tejido ( W T ). La dosis efectiva proporciona la dosis corporal total equivalente que implica el mismo riesgo que la exposición localizada. Se define como la suma de las dosis equivalentes para cada órgano ( H T ), cada una multiplicada por su respectivo factor de ponderación tisular ( W T ).
La Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR) calcula los factores de ponderación basándose en el riesgo de inducción de cáncer para cada órgano y ajustándolos a la letalidad asociada, la calidad de vida y los años de vida perdidos. Los órganos que están alejados del sitio de irradiación solo recibirán una pequeña dosis equivalente (debido principalmente a la dispersión) y, por lo tanto, contribuirán poco a la dosis efectiva, incluso si el factor de ponderación para ese órgano es alto.
La dosis efectiva se utiliza para estimar los riesgos estocásticos para una persona de "referencia", que es un promedio de la población. No es adecuada para estimar el riesgo estocástico de exposiciones médicas individuales y no se utiliza para evaluar los efectos agudos de la radiación.
La dosis de radiación se refiere a la cantidad de energía depositada en la materia y/o los efectos biológicos de la radiación, y no debe confundirse con la unidad de actividad radiactiva ( becquerel , Bq) de la fuente de radiación, o la intensidad del campo de radiación (fluencia). El artículo sobre el sievert ofrece una descripción general de los tipos de dosis y cómo se calculan. La exposición a una fuente de radiación dará una dosis que depende de muchos factores, como la actividad, la duración de la exposición, la energía de la radiación emitida, la distancia desde la fuente y la cantidad de protección.
La dosis de fondo media mundial para un ser humano es de unos 3,5 mSv al año [1], procedente principalmente de la radiación cósmica y de los isótopos naturales de la Tierra. La mayor fuente de exposición a la radiación para el público en general es el gas radón de origen natural, que representa aproximadamente el 55% de la dosis de fondo anual. Se estima que el radón es responsable del 10% de los cánceres de pulmón en los Estados Unidos.
Debido a que el cuerpo humano está compuesto aproximadamente de un 70% de agua y tiene una densidad general cercana a 1 g/cm 3 , la medición de la dosis generalmente se calcula y calibra como dosis en agua.
Los laboratorios de normas nacionales, como el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL), proporcionan factores de calibración para cámaras de ionización y otros dispositivos de medición para convertir la lectura del instrumento en dosis absorbida. Los laboratorios de normas funcionan como un estándar primario , que normalmente se calibra mediante calorimetría absoluta (el calentamiento de las sustancias cuando absorben energía). Un usuario envía su estándar secundario al laboratorio, donde se expone a una cantidad conocida de radiación (derivada del estándar primario) y se emite un factor para convertir la lectura del instrumento a esa dosis. El usuario puede utilizar entonces su estándar secundario para derivar factores de calibración para otros instrumentos que utilice, que luego se convierten en estándares terciarios o instrumentos de campo.
El NPL utiliza un calorímetro de grafito para la dosimetría absoluta de fotones. Se utiliza grafito en lugar de agua, ya que su capacidad calorífica específica es una sexta parte de la del agua y, por lo tanto, el aumento de temperatura del grafito es seis veces mayor que el de su equivalente en agua y las mediciones son más precisas. Existen problemas importantes para aislar el grafito del entorno circundante para poder medir los pequeños cambios de temperatura. Una dosis letal de radiación para un ser humano es de aproximadamente 10-20 Gy, es decir, de 10 a 20 julios por kilogramo. Por lo tanto, un trozo de grafito de 1 cm3 que pesa 2 gramos absorbería alrededor de 20-40 mJ. Con una capacidad calorífica específica de alrededor de 700 J·kg −1 ·K −1 , esto equivale a un aumento de temperatura de solo 20 mK.
Los dosímetros en radioterapia ( acelerador lineal de partículas en terapia de haz externo) se calibran rutinariamente utilizando cámaras de ionización [14] o tecnología de diodos o dosímetros de gel. [6]
La siguiente tabla muestra las cantidades de radiación en unidades SI y no SI.
Aunque la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos permite el uso de las unidades curie , rad y rem junto con las unidades del SI, [15] las directivas de unidades de medida europeas de la Unión Europea exigieron que su uso para "fines de salud pública" se eliminara gradualmente antes del 31 de diciembre de 1985. [16]