Source: International Atomic Energy Agency
¿Cómo funciona un ciclotrón?
El proceso comienza cuando se inyectan partículas cargadas, como iones positivos o negativos, en el centro del ciclotrón, donde estas empiezan a desplazarse hacia fuera siguiendo una trayectoria en espiral.
Dentro del ciclotrón hay dos electrodos huecos de metal con forma de D que se llaman “des” y están situados entre los polos de un imán de gran tamaño. El campo magnético hace que las partículas giren en círculo, mientras que un campo eléctrico alterno incrementa la energía de las partículas cada vez que estas cruzan el espacio que se encuentra entre las des. A medida que aumenta su velocidad y energía, las partículas siguen desplazándose en espiral hacia fuera.
Una vez que llegan al borde exterior del ciclotrón, las partículas son dirigidas hacia un blanco. Cuando colisionan con el blanco, las partículas aceleradas pueden causar reacciones nucleares que producen radioisótopos.
A casi un siglo de la invención del ciclotrón, sigue habiendo mucha demanda de estos aceleradores por su fiabilidad, eficiencia y versatilidad.
Si bien el objetivo de todos los aceleradores de partículas es el mismo ―incrementar la energía de las partículas―, estos logran su cometido de distintas maneras.
Los ciclotrones aceleran las partículas en una trayectoria en espiral utilizando un campo magnético constante y un campo eléctrico alterno. El diseño en espiral, que es una de las ventajas principales que presenta el ciclotrón, permite la aceleración continua en un espacio relativamente reducido. Por ello, los ciclotrones, que por regla general tienen las dimensiones de una habitación, suelen ser más pequeños y más asequibles que otros aceleradores. Se pueden instalar en hospitales o laboratorios universitarios sin que sea necesario disponer de enormes instalaciones. También son adecuados para producir tipos específicos de radioisótopos necesarios para la imagenología médica y el tratamiento oncológico, así como para otras aplicaciones localizadas del ámbito de la investigación o la industria.
En cambio, los aceleradores lineares, o linac, propulsan las partículas en línea recta utilizando una serie de campos eléctricos. Si bien su diseño puede ser más sencillo, los linac requieren mucho más espacio para lograr los mismos niveles de energía que los ciclotrones. Se emplean con frecuencia en radioterapia, en la que se utilizan haces precisos de radiación focalizada para tratar tumores.
Otro tipo de acelerador es el sincrotrón, una máquina mucho más grande y más compleja que está disponible en centros nacionales de investigación. Los sincrotrones guían a las partículas a lo largo de una trayectoria circular al igual que los ciclotrones, pero utilizan aceleración de radiofrecuencia y campos magnéticos variables. Estas máquinas pueden alcanzar niveles extremadamente altos de energía, por lo que son adecuados para la investigación en materia de física de partículas, ciencia de los materiales e incluso desarrollo de fármacos. Sin embargo, debido a su tamaño y costo, por lo general no se utilizan en hospitales o laboratorios pequeños, sino en centros nacionales o internacionales de investigación.
Cada uno de ellos cumple una función importante, pero los ciclotrones siguen siendo los aceleradores de mayor despliegue y los más fáciles de usar para aplicaciones médicas rutinarias.
¿Cómo se utilizan los ciclotrones en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades?
Los ciclotrones hacen funcionar muchos de los instrumentos, tratamientos y descubrimientos que mejoran nuestra vida cotidiana. Son eficientes, de tamaño reducido y relativamente fáciles de usar, por lo que resultan ideales para producir radioisótopos médicos, átomos inestables que emiten radiación y se utilizan para diagnosticar y tratar el cáncer.
Respecto de la producción de radioisótopos, es importante tener en cuenta la vida útil efectiva de los isótopos, es decir, cuánto tiempo después de producidos siguen siendo radiactivos y adecuados para su uso médico.
Los radioisótopos que se utilizan para tratamientos suelen tener un período de semidesintegración de unos pocos días, motivo por el cual pueden destruir células cancerosas de forma eficaz. Además, pueden ser transportados desde los centros de producción hasta los hospitales y centros de tratamiento durante ese corto plazo.
En cambio, otros isótopos que se emplean con fines de diagnóstico tienen un período de semidesintegración extremadamente corto, es decir que se desintegran o pierden rápidamente eficacia en cuestión de horas, y no pueden ser transportados a largas distancias.
Los ciclotrones son valorados porque pueden producir isótopos in situ o cerca de donde se los necesita, gracias a lo cual los pacientes pueden recibir un diagnóstico rápido y exacto y un tratamiento oportuno.
Imagenología médica
Gracias a estos estudios, los médicos pueden detectar enfermedades como el cáncer, la enfermedad de Alzheimer y enfermedades cardiovasculares como cardiopatías en fase precoz con gran exactitud. La detección precoz mejora el diagnóstico y contribuye a una mejor planificación del tratamiento.
Tratamiento del cáncer
Los ciclotrones también ayudan a tratar el cáncer porque producen fármacos radiactivos especiales que se utilizan en la terapia dirigida con radionucleidos. En este tipo de tratamiento, se administra radiación directamente a las células cancerosas, lo que ayuda a destruirlas a la vez que se reduce al mínimo el daño causado a los tejidos sanos.
¿Cómo se utilizan los ciclotrones en la actualidad?
Los ciclotrones desempeñan una función esencial en la infraestructura, la atención médica y la investigación modernas.
Hoy en día hay miles de ciclotrones en funcionamiento en todo el mundo, en particular en hospitales, centros oncológicos e instalaciones de investigación. A medida que aumenta la demanda de instrumentos no invasivos de diagnóstico como las PET y las SPECT, también aumenta la necesidad de ciclotrones e instalaciones de investigación que deseen producir radioisótopos sin uranio.
Antes, muchos radioisótopos de uso médico se producían en reactores nucleares utilizando uranio, proceso que puede generar desechos radiactivos de período largo y suscita inquietudes en materia de seguridad tecnológica y física. En búsqueda de maneras más limpias y seguras de producir estos importantes materiales, los países están recurriendo a los ciclotrones, que pueden generar radioisótopos sin utilizar uranio.
Gracias a las generaciones más recientes de ciclotrones de tamaño reducido y baja energía, los hospitales y las instituciones de menor envergadura pueden acceder a la tecnología en cuestión. Los investigadores siguen estudiando usos nuevos de los radioisótopos en las ciencias ambientales, la ingeniería de materiales y la seguridad nacional.
Si bien el principio fundamental en el que se basa el ciclotrón no ha variado desde la década de 1930, esta tecnología vital sigue evolucionando y adaptándose a las necesidades del siglo XXI.