En esta entrada del blog se examinan los principios y las aplicaciones que llevaron a la física nuclear (el estudio de los núcleos atómicos) a las tecnologías médicas modernas, como la radioterapia y las tomografías por emisión de positrones (TEP), pasando por los ciclotrones y los isótopos radiactivos.
¿Por qué la física nuclear condujo a la medicina y a la ciencia experimental?
La física nuclear es el estudio de los núcleos atómicos. Sin embargo, muchas personas tienden a percibirla únicamente como el campo que estudia los fenómenos de fisión nuclear que ocurren en las centrales nucleares. Contrariamente a esta percepción, diversos subproductos generados durante la investigación en física nuclear permitieron experimentos previamente imposibles en otras áreas de la química o la física, y también tienen valor práctico en el campo de la medicina.
Ciclotrón: ¿un simple acelerador de partículas?
Por ejemplo, considere el ciclotrón, un acelerador desarrollado para experimentos de física nuclear. Un ciclotrón es un acelerador de partículas que induce el movimiento circular de las partículas. Estructuralmente, es un dispositivo relativamente simple que consta de dos cámaras de vacío en forma de D hechas de placas de cobre. Este dispositivo utiliza voltaje de corriente alterna de alta frecuencia para acelerar el flujo de partículas cargadas.
Las características estructurales del ciclotrón se pueden dividir en dos características principales. La primera es que, a diferencia de los aceleradores lineales de partículas convencionales, el ciclotrón es un acelerador de partículas circular con dos placas semicirculares en forma de D separadas. La segunda característica es que, dentro del ciclotrón, la dirección de la frecuencia de la tensión alterna cambia cada vez que las partículas pasan a través de una de las placas semicirculares. Para acelerar el flujo de partículas, la tensión alterna fluye entre dos electrodos metálicos semicirculares dentro de la cámara de vacío. Estas placas semicirculares están separadas a un intervalo fijo para garantizar que las partículas, inyectadas en el centro de este espacio, tengan espacio para moverse libremente. Las placas semicirculares se colocan entre los polos de un electroimán que genera un campo electromagnético perpendicular a las placas de los electrodos. El campo magnético resultante hace que las trayectorias de las partículas se curven en una forma circular debido a la fuerza de Lorentz que actúa perpendicularmente a su dirección de movimiento. Además, cada vez que las partículas pasan a través del espacio entre las placas semicirculares, la dirección de la frecuencia del campo eléctrico cambia. Esta alteración garantiza la orientación adecuada del campo eléctrico para acelerar la velocidad de las partículas. En consecuencia, estas son guiadas a seguir órbitas circulares de radios cada vez mayores bajo la influencia de la fuerza eléctrica.
Las partículas aceleradas de esta manera pueden utilizarse en experimentos al salir del ciclotrón, como colisionarlas con diversos materiales o inducir reacciones nucleares para observar la creación de nuevas partículas. Sin embargo, las partículas generadas en un ciclotrón no solo sirven para la experimentación básica, sino que también desempeñan un papel crucial en el campo de la medicina. En otras palabras, el haz de iones expulsado de un ciclotrón puede utilizarse para el tratamiento del cáncer, en consonancia con el principio fundamental de una tecnología médica conocida como radioterapia. El método de irradiar la zona tumoral de un paciente con protones acelerados a aproximadamente el 60 % de la velocidad de la luz en un ciclotrón para destruir el ADN de las células cancerosas ofrece la ventaja de minimizar el impacto en el tejido sano durante su paso por el cuerpo, en comparación con la radioterapia convencional. Además, el proceso de tratamiento es relativamente rápido y causa menos molestias al paciente, lo cual constituye otra característica significativa. Por lo tanto, la aplicación de la física nuclear demuestra que no se limita al campo de la generación de electricidad, sino que puede extenderse a diversas áreas.
Física nuclear en la tecnología médica
Los isótopos radiactivos, comúnmente utilizados en experimentos de física nuclear, también se utilizan activamente en la tecnología médica. Se han desarrollado dispositivos médicos innovadores que utilizan isótopos radiactivos para obtener información más detallada sobre el funcionamiento interno del cuerpo humano. Más allá de las imágenes convencionales de rayos X, la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM), ha surgido una tecnología llamada tomografía por emisión de positrones (TEP), que permite visualizar la actividad funcional del cerebro. La TEP es un dispositivo que utiliza sustancias marcadas con isótopos radiactivos para obtener imágenes de diversas regiones del cerebro. El principio detrás de la obtención de imágenes TEP se basa en el fenómeno fisiológico de que el metabolismo de la glucosa aumenta en las regiones cerebrales activadas, lo que conlleva un aumento correspondiente del flujo sanguíneo. En este proceso, se utilizan moléculas de agua que contienen un isótopo con una vida media extremadamente corta de aproximadamente dos minutos para medir los cambios en el flujo sanguíneo. El examen compara la respuesta del cerebro en un estado sin estimulación específica con su estado de activación cuando se aplica estimulación, mediante un método de imagen tomográfica. Estos ejemplos demuestran claramente cómo la física nuclear puede influir positivamente en el avance de otros campos académicos.
La aplicabilidad de la física nuclear
Tanto la tecnología para generar electricidad mediante reacciones de fisión nuclear como la aplicación médica de los aceleradores de partículas, llamados ciclotrones, son resultado de la aplicación de principios científicos descubiertos durante la exploración de los núcleos atómicos. En este sentido, la física nuclear no es simplemente una disciplina centrada en elucidar las propiedades de las partículas; es un campo que impulsa el avance de otras disciplinas académicas gracias al conocimiento acumulado durante su investigación. En conclusión, la física nuclear puede resumirse como una disciplina versátil que no solo explora los núcleos atómicos, sino que también contribuye al progreso de la ciencia y la tecnología en su conjunto al aplicar los principios revelados en el proceso a diversos campos.
