Siempre que escuchamos hablar de aceleradores de partículas vienen a nuestro pensamiento palabras como el bosón de Higgs, el gran colisionador de hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), CERN, radiación, entre otras. O también, nos imaginamos a cientos de partículas circulando por una vía larguísima. No se puede imaginar un acelerador sin concebir un aparato de grandes dimensiones y, por ende, de grandes inversiones. Pero ¿qué pensarías si supieras que cabe en un cuarto de hospital y, además, es ocupado para el tratamiento de algunas enfermedades? Antes de adentrarnos en más detalles es preciso describir qué es y cómo funciona un acelerador.
Los aceleradores de partículas son aparatos que con arreglo de campos eléctricos y magnéticos transmiten energía a un haz de partículas cargadas (que llamaremos proyectiles) con la finalidad de que colisionen con otras partículas (blancos) que bien pueden ser compuestos orgánicos e inorgánicos. A partir de la energía transmitida a las partículas, estos instrumentos se clasifican en aceleradores de altas energías o de bajas energías. Esto es de suma relevancia porque así se determina su utilidad ya que los primeros son capaces de fragmentar partículas atómicas y los segundos las estructuras atómicas y moleculares, nada más. Aunque existen varios de aceleradores como el ciclotrón, el Van de Graaff o aceleradores lineales, todos poseen la misma estructura. El haz de iones, cuya finalidad es generar el tipo de partículas a acelerar o bien, los proyectiles que se ocuparán; la cámara de reacción y los detectores.
Las partículas que más se utilizan son electrones, protones (núcleos de H), deuterones (núcleos de deuterio), partículas (núcleos de He) e iones pesados. Aquí nos detendremos a explicar cómo se generan algunas de estas partículas.
Las partículas más sencillas de obtener son los electrones. Hay un fenómeno llamado emisión termoiónica. Este fenómeno ocurre cuando se calienta un metal por el que pasa una corriente eléctrica. Cuando está lo suficientemente caliente, el metal empieza a emitir electrones, es decir, partículas con cargas negativas. Para producir partículas de carga positiva se sigue un proceso distinto. Antes que nada, recordemos que un átomo está compuesto por un núcleo donde tenemos protones y alrededor, electrones. El núcleo tiene carga positiva y los electrones negativa, ambas en la misma proporción, es decir, por cada protón tenemos un electrón. Esto origina que los átomos tengan carga nula. Por eso, basta con que quitemos electrones o protones para que el átomo tenga una carga u otra. Por cuestiones que tienen que ver con la estructura de la materia, lo más recomendable y sencillo es quitar electrones. Así, la carga de nuestro átomo será positiva, porque tendrá más protones que electrones.
Para quitar estos electrones del átomo es necesario ocupar más electrones libres, los cuales son acelerados por una diferencia de potencial y son dirigidos hacia los átomos. Para entender cómo funciona ese proceso, imaginemos que los electrones son canicas. Los electrones del átomo serán canicas que están colocadas en un agujero no muy profundo, así que lanzaremos canicas (electrones) para moverlas de su lugar. Si las canicas que lanzamos no tienen suficiente velocidad, no podremos mover la que está en el agujero, pero si van con suficiente velocidad, la canica se moverá del agujero. Este fenómeno se conoce como ionización.
La cámara de reacción es una cámara de vacío, es decir, una cámara a la que se le extrajo la mayor cantidad de partículas de aire. Como son escalas muy pequeñas, la única manera de garantizar que nuestro proyectil choque con el blanco es eliminando todo aquello que no sean las partículas que queremos colisionar. Y, por último, los detectores nos permiten conocer el resultado de la colisión realizada.
Ahora que entendimos cómo funciona un acelerador de partículas, lo siguiente es preguntar ¿cómo se ocupan estos aparatos en la medicina?, ¿qué partículas se ocupan como proyectiles?, ¿cuáles son los blancos?, ¿cómo se conocen los resultados?
Dando respuesta a algunas de esas incógnitas, diremos que el tipo de aceleradores que se ocupan en la medicina son del orden de unas pocas decenas de MeV (unidad de energía), de no ser así no quedaría rastro alguno de materia orgánica viva. A estas energías algunas de las aplicaciones que se tienen son radiografía, la esterilización de materiales biológicos y la irradiación. Nos centraremos en esta última, que es un método ocupado en el tratamiento del cáncer.
En este tipo de tratamientos, lo peligroso es el blanco, porque al tratarse de materia viva, cualquier mal cálculo tendría repercusiones en la salud del paciente. El objetivo que se persigue con el tratamiento radio-terapéutico es el de conseguir una irradiación homogénea del volumen a tratar, con dosis suficiente, procurando reducir al mínimo la dosis absorbida por órganos y tejidos sanos.
Para realizar la planificación de un buen tratamiento es necesario conocer las propiedades, el tamaño, la localización del blanco y de los órganos críticos circundantes. Este proceso es conocido como localización y simulación. Se debe elegir qué tipo de radiación es la más adecuada, es decir, el tipo de proyectiles o partículas que utilizaremos, así como la energía de éstas. A partir de un contorno del paciente y de la situación de las secciones del blanco se obtiene un mapa de distribución de dosis (curvas de isodosis) en las condiciones de tratamiento establecido y se calcula el tiempo de radiación de ésta.
Cuando la lesión es superficial este proceso es más sencillo ya que basta una dosis baja de radiación. Sin embargo, conforme aumenta la profundidad. Para tener la dosis deseada a una cierta profundidad, la dosis de entrada debe ser superior, ya que en la trayectoria mucha de la dosis de dispersa. Aquí, a diferencia de los laboratorios de Física donde tenemos una cámara de vacío para deshacernos de aquellas partículas que no necesitamos, no podemos abrirnos paso hasta la lesión. Por eso, el desarrollo técnico de los proyectiles se ha dirigido a conseguir haces de fotones de alta energía y de electrones de energía variable.
A pesar de la utilización de estos aceleradores en la medicina, sigue en desarrollo las técnicas que se utilizan. Los problemas que se tienen se pueden resumir de la manera siguiente: 1. Alta dosis en superficie. 2. Relación dosis-profundidad inversamente proporcional. 3. Penumbra ancha en los bordes del campo.
El resultado de este tratamiento eran lesiones dermatológicas considerables. No era factible irradiar volúmenes profundos y presentar grandes dificultades a la hora de definir los límites del campo de irradiación. Sin embargo, una aportación exitosa en la radioterapia fue la utilización de fuentes encapsuladas de radioisótopos emisores gamma tales como Cs 137 y el Co-60, ubicados en máquinas denominadas Unidades de Telegammaterapia.
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