Interacción de la radiación ionizante con los tejidos: fundamentos y aplicaciones en radiología
Clasificación de la radiación ionizante
La radiación puede clasificarse en ionizante directa o indirecta, dependiendo de cómo interactúa con la materia y genera cambios biológicos y químicos.
Las partículas cargadas, como electrones, protones y partículas alfa, son radiación ionizante directa, ya que poseen suficiente energía cinética para interrumpir directamente la estructura atómica del material que atraviesan.
Por otro lado, las radiaciones electromagnéticas, como los rayos X y los rayos gamma, son ionizantes indirectas.
No generan daño biológico por sí mismas, sino que transfieren su energía a los materiales que absorben la radiación, generando partículas cargadas de alta velocidad que, a su vez, pueden provocar ionización y alteraciones químicas en las estructuras celulares.
Mecanismos de absorción de la radiación en los tejidos
La absorción de fotones de rayos X en los tejidos depende de la energía de los fotones y de la composición química del material absorbente.
En este contexto, los procesos fundamentales de interacción son el efecto Compton y la absorción fotoeléctrica, ambos de gran importancia en radiología diagnóstica y terapéutica.
Efecto Compton: dispersión y absorción parcial
El efecto Compton predomina cuando se utilizan energías altas, como las de los equipos de radioterapia con fuentes de cobalto-60 o aceleradores lineales. En este proceso:
- Un fotón de rayos X interactúa con un electrón “libre” (con una energía de enlace muy baja en comparación con la energía del fotón).
- Parte de la energía del fotón se transfiere al electrón como energía cinética, lo que permite su expulsión del átomo.
- El fotón, con la energía restante, sigue su trayectoria en una dirección diferente a la original.
Dado que múltiples fotones interactúan con diversos átomos en los tejidos, el resultado es la producción de varios electrones rápidos, capaces de ionizar otras moléculas y desencadenar alteraciones químicas que pueden derivar en daño biológico.
Efecto fotoeléctrico: absorción completa de energía
El efecto fotoeléctrico es más predominante en energías más bajas, típicas de la radiología diagnóstica. En este caso:
- Un fotón de rayos X interactúa con un electrón ligado a un átomo en una capa específica (K, L o M).
- Toda la energía del fotón se transfiere al electrón, lo que permite que escape de su órbita.
- La energía del electrón expulsado se calcula mediante la ecuación: KE = h – EB – donde h es la energía del fotón incidente y EB la energía de enlace del electrón en su órbita.
- La vacante dejada por el electrón es ocupada por otro electrón de una capa más externa, lo que genera la emisión de un fotón característico de baja energía.
En los tejidos blandos, esta radiación característica tiene una energía baja (~0.5 kV) y no suele tener consecuencias biológicas significativas.
Aplicaciones clínicas del efecto Compton y el efecto fotoeléctrico
Los dos procesos de absorción presentan diferencias clave que impactan en la radiología diagnóstica y terapéutica:
- El coeficiente de absorción del efecto Compton no depende del número atómico (Z) del tejido, lo que implica que la absorción es relativamente uniforme en tejidos blandos y hueso.
- El coeficiente de absorción del efecto fotoeléctrico depende del número atómico, siguiendo aproximadamente la relación Z³. Esto significa que materiales con elementos de alto número atómico, como el calcio en los huesos, absorben más radiación que los tejidos blandos, permitiendo la diferenciación estructural en las radiografías.
En radiología diagnóstica, los fotones utilizados se encuentran en un rango de energía en el que ambos procesos ocurren, aunque el efecto fotoeléctrico es clave para la diferenciación entre estructuras óseas y tejidos blandos.
En radioterapia, se prefieren fotones de alta energía (megavoltaje) donde el efecto Compton es predominante.
Esto garantiza una distribución más homogénea de la dosis en tejidos blandos y hueso, evitando la absorción diferencial en estructuras óseas, que podía ser un problema cuando se usaban energías más bajas en las primeras etapas del desarrollo de la radioterapia.
Implicaciones radiobiológicas de la absorción de fotones
Aunque los mecanismos de absorción de la radiación son distintos, sus efectos radiobiológicos son similares.
Tanto el efecto Compton como el fotoeléctrico generan electrones rápidos que pueden:
- Ionizar átomos en la célula, afectando moléculas críticas como el ADN.
- Romper enlaces químicos esenciales, alterando proteínas y estructuras celulares.
- Inducir radicales libres, que amplifican el daño molecular y pueden desencadenar efectos biológicos significativos, como la muerte celular o mutaciones que favorecen el desarrollo de cáncer.
El papel de la absorción de la radiación en la práctica clínica
El conocimiento detallado de los procesos de absorción de la radiación es fundamental para optimizar la obtención de imágenes en radiología diagnóstica y maximizar la efectividad de los tratamientos en radioterapia.
La elección de la energía de los fotones y su interacción con los tejidos permite ajustar la técnica según el objetivo clínico, minimizando la dosis innecesaria y mejorando la calidad diagnóstica.
Comprender cómo la radiación interactúa con el organismo es clave para mejorar las estrategias de protección radiológica y garantizar que los beneficios del uso de rayos X y radiación terapéutica superen los posibles riesgos biológicos asociados.
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