Download 03. Efectos Biológicos de las radiaciones ionizantes - RPoP

OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN
RADIOTERAPIA
Parte 3
Efectos Biológicos
IAEA
International Atomic Energy Agency
Introducción
!Lo que finalmente importa es el efecto
biológico!
• La dosis al tumor determina la probabilidad de cura
(o la probabilidad de paliación)
• La dosis a estructuras normales determina la
probabilidad de efectos secundarios y
complicaciones
• La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes
determina el riesgo de detrimento por radiación a
estos grupos
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2
Introducción
!Lo que finalmente importa es el efecto biológico!
• La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la
probabilidad de paliación)
• La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de
efectos secundarios y complicaciones
• La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el
riesgo de detrimento por radiación a estos grupos.
Bajas dosis:
Efectos estocásticos
Altas dosis:
Efectos Deterministas
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3
Efectos deterministas
• Debido a muerte
Severidad del efecto
dosis
umbral
celular
• Tienen un umbral de
dosis – por lo general
varios Gy
• Específicos para los
diversos tejidos
• La severidad del daño
depende de la dosis
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4
Efectos estocásticos
• Debido a cambios celulares
(ADN) y su proliferación
hacia una enfermedad
Probabilidad de efecto
maligna
• Severidad (ejemplo; cáncer)
independiente de la dosis
• No hay umbral de dosis –
también aplicable a dosis
dosis
muy pequeñas
• Probabilidad de efectos
aumenta con la dosis
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5
Dos objetivos
• La radioterapia deliberadamente aplica
radiaciones a los pacientes para producir
efectos deterministas (matar células
tumorosas) – en este contexto se aceptan
ciertos efectos deterministas y estocásticos
(=efectos secundarios)
• La protección radiológica tiene el objetivo de
minimizar el riesgo de efectos radiológicos
‘inaceptables’ para el paciente
(= complicaciones) debido a errores o una
práctica de irradiación no optimizada; así como
minimizar el riesgo de efectos dañinos en
otros.
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6
… cierto margen de interpretación en la
práctica
• Algunas complicaciones son eventos que no
fueron ‘predichos’ para un determinado
paciente debido a variaciones biológicas
entre los pacientes – aparecen con baja
frecuencia (vea ICRP Report 86)
• La protección radiológica ha de referirse a la
irradiación no intencional (ej. dosis errónea,
paciente erróneo) y a la optimización de la
administración para minimizar el riesgo de
complicaciones
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7
Contenido de la Parte 3
Conferencia 1: Radiobiología de la
protección radiológica
• Efectos deterministas, estocásticos y genéticos
• Magnitudes de las radiaciones relevantes
• Riesgos
Conferencia 2: Radiobiología de la
radioterapia
• Efectos deterministas; muerte celular
• Modelos radiobiológicos; efectos en el tiempo
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8
Objetivos de la Parte 3
• Comprender los diversos efectos de las
radiaciones sobre los tejidos humanos
• Apreciar la diferencia entre altas y bajas
dosis; efectos deterministas y estocásticos
• Obtener nociones de los ordenes de
magnitud de las dosis y sus efectos
• Apreciar los riesgos asociados al empleo de
las radiaciones ionizantes como punto de
partida para un sistema de protección
radiológica
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9
OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
Parte 3
Efectos Biológicos
Conferencia 1: Protección radiológica
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International Atomic Energy Agency
Contenido
1. Efectos biológicos de las radiaciones
2. De Gray a Sievert
3. Evidencia epidemiológica
4. Riesgos y restricciones de dosis
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11
1. Efectos de las Radiaciones
La radiación ionizante
célula
interactúa a nivel
celular:
núcleo
• Ionización
• Cambios químicos
• Efectos biológicos
Radiación
incidente
cromosomas
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12
El blanco en la célula: El ADN
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14
Procesos de los efectos de las
radiaciones
Duración
Física
Físicoquímica
Química
Biológica
Etapa
Proceso
Absorción de energía,
ionización
10-15 s
Interacción de iones con
moléculas, formación de
radicales libres
10-6 s
segundos
Interacción de radicales
libres con moléculas, células
y ADN
decenas de minutos Muerte celular, cambio de la
información genética en las
a decenas de años células, mutaciones
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15
Observaciones tempranas de los efectos
de las radiaciones ionizantes
•
•
•
•
•
•
•
1895
1896
1896
1896
1897
1902
Rayos X descubiertos por Roentgen
Primeros reportes de quemaduras en piel
Primer empleo de rayos X para tratamiento del cáncer
Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad
Primeros casos reportados de daño en la piel
Primer reporte de cáncer inducido por rayos X
1911
Primer reporte de leucemia en humanos y cáncer de
pulmón por exposición ocupacional
• 1911
Reportados en Alemania 94 casos de tumores
(50 eran radiólogos)
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16
Monumento a los pioneros de las radiaciones
que murieron a causa de su exposición
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17
Efectos de las radiaciones
Tres tipos básicos
• Estocásticos - probabilidad de efecto relacionado
con la dosis, disminuye al disminuir ésta
• Deterministas - umbral para efecto – por debajo,
no hay efecto; por encima, hay certeza, y la
severidad aumentan con la dosis
• Hereditarios - (genéticos) – incidencia
estocástica asumida, sin embargo, se manifiesta
en las generaciones futuras
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18
Efectos deterministas
• Debido a muerte
celular
• Tienen un umbral de
dosis
• Específicos para
determinados tejidos
• Severidad del daño
depende de la dosis
Heridas por radiación desde una fuente
industrial
IAEA
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19
Ejemplos de efectos deterministas
•
•
•
•
•
Descamado de la piel
Cataratas del cristalino del ojo
Esterilidad
Fallo renal
Síndrome agudo de radiación
(cuerpo entero)
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20
Reacciones de la piel
Afección
Eritema transiente
temprano
Depilación temporal
Eritema principal
Depilación permanente
Descamado seco (piel)
Fibrosis invasiva
Atrofia dérmica
Telangiectasis
Descamado húmedo
Eritema tardío
Necrosis dérmica
Ulceración secundaria
Umbral de dosis
a la piel (Sv)
Semanas para
manifestarse
2
<<1
3
6
7
10
10
11
12
15
15
18
20
3
1.5
3
4
Daño a la
piel por
exposición
prolongada
a rayos X
>14
>52
4
6-10
>10
>6
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21
Dosis umbrales para efectos deterministas
• Cataratas del cristalino del ojo 2-10 Gy
• Esterilidad permanente
– varones
– hembras
3.5-6 Gy
2.5-6 Gy
Severidad del efecto
• Esterilidad temporal
– varones
– hembras
0.15 Gy
0.6 Gy
dosis
umbral
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22
Notas sobre los valores umbrales
• Dependen del modo de administrar la dosis:
– el más efectivo; una dosis única elevada
– el fraccionamiento incrementa el umbral de dosis, en
la mayoría de los casos, de forma significativa
– disminuir la tasa de dosis incrementa el umbral en la
mayoría de los casos
• El umbral puede ser diferente para los diferentes
individuos
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23
Efectos estocásticos
• Debido a cambios celulares (ADN) y proliferación
hacia una enfermedad maligna
• Severidad (ej. cáncer) independiente de la dosis
• No hay umbral de dosis (se presume que ocurren
a cualquier dosis no importa cuan baja sea)
• La probabilidad de efecto se incrementa con la
dosis
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24
Efectos biológicos
A bajas dosis el daño a una célula es un
efecto fortuito – haya o no habido
transferencia de energía.
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25
… ordenes de magnitud
• 1cm3 de tejido = 109 células
• 1 mGy --> 1 en 1000 o impacto en106
células
• 999 de 1000 lesiones son reparadas –
quedando 103 células dañadas
• 999 de 1000 células dañadas mueren
(nada serio puesto que millones de células
mueren diariamente en toda persona)
• 1 célula puede vivir con daño (puede
mutar)
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26
Inducción del cáncer
• El efecto estocástico más importante
desde el punto de vista de la seguridad
radiológica
• Es un proceso de múltiples etapas –
generalmente tres: cada una requiere
un evento…
• Es un proceso complejo que involucra
células, la comunicación entre ellas y el
sistema inmunológico...
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27
2. De Gy a Sv: Magnitudes y unidades
de las radiaciones
Exposición
Dosis Absorbida
Dosis Equivalente
Dosis Efectiva
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28
Magnitudes de las radiaciones
Dosis absorbida D
• La cantidad de energía transferida por
unidad de masa en un material blanco
• Aplicable a cualquier radiación
• Se mide en gray (Gy) = 1 joule/kg
• La antigua unidad rad = 0.01 Gy
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29
Magnitudes de las radiaciones
Dosis Equivalente H
• Tiene en consideración el efecto de las
radiaciones sobre el tejido empleando un
coeficiente de ponderación de las
radiaciones WR
• Se mide en sievert (Sv)
• La antigua unidad rem = 0.01 Sv
• H = D  wR
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30
Coeficientes de ponderación por tipo de
radiación (ICRP 60)
Tipo de radiacion
WR
Beta
1
Alpha
20
Rayos X
1
Rayos gamma
1
Neutrones <10 keV
5
Neutrones (10 keV – 100 keV)
10
Neutrones (100 keV – 2 MeV)
20
Neutrones (2 meV – 20 MeV)
10
Neutrones >2 MeV
5
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31
Nota:
La ‘efectividad radiobiológica’ para diferentes
tipos de radiaciones depende del último
aspecto visto. Los valores del ICRP dados en
la diapositiva anterior aplican solo para
efectos estocásticos.
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32
Magnitudes de las radiaciones
Dosis Efectiva E
• Toma en cuenta las diversas sensibilidades de
los diferentes tejidos ante las radiaciones
empleando Factores de Ponderación para
Tejido wT
• Se mide en sievert (Sv)
• Se emplea cuando se irradian varios órganos a
dosis diferentes, o a veces cuando un órgano
se irradia por separado
• E = Sum all organs (wT H) = Sumall organs (wT wR D)
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33
Coeficientes de ponderación por tejido
(ICRP 60)
Tejido
WT
Gónadas
0.2
Médula ósea (roja)
0.12
Colon
0.12
Pulmón
0.12
Estómago
0.12
Vejiga
0.05
Mama
0.05
Hígado
0.05
Esófago
0.05
Tiroides
0.05
Piel
0.01
Superficies óseas
0.01
Resto
0.05
TOTAL
1.00
IAEA
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34
Coeficientes de ponderación por tejido
(ICRP 60)
Tejido
WT
Gónadas
0.2
Médula ósea (roja)
0.12
Colon
0.12
Pulmón
0.12
Estómago
0.12
Los
riesgos genéticos son
0.05
considerados,
aprox. 4 veces,
0.05
de menor importancia
0.05
0.05 la inducción de cáncer
que
Vejiga
Mama
Hígado
Esófago
Tiroides
0.05
Piel
0.01
Superficies óseas
0.01
Resto
0.05
TOTAL
1.00
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35
Magnitudes de las radiaciones
• La dosis efectiva se emplea para describir la
relevancia biológica de una exposición a las
radiaciones en que diferentes tejidos/órganos
reciben diversas dosis absorbidas,
potencialmente a partir de diversas fuentes
de radiación
• Los conceptos dados de dosis efectiva y de
coeficientes de ponderación por tejido son
solo de aplicación a los efectos estocásticos.
• La dosis efectiva es una cuantificación de
riesgo
IAEA
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36
Magnitudes de las radiaciones
Dosis colectiva
• Se emplea para medir el impacto total de una
práctica con radiaciones, o de una fuente, sobre
todas las personas expuestas
• Por ejemplo radiología diagnóstico
• Se mide en hombre-sievert (hombre-Sv)
IAEA
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37
Cuantificación de los efectos estocásticos
• Riesgo total de cáncer fatal para la
población general en su vida = 5% / Sv
• Riesgo de cáncer fatal en la vida por
cáncer de:
– Médula ósea
0.5 % / Sv
– Superficie ósea
0.05
– Mama
0.2 %
– Pulmón
0.85
– Tiroides
0.08
IAEA
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38
¿Cómo es que se conocen estas cosas?
• Epidemiología (observaciones en
humanos)
• Radiobiología experimental
(estudios en animales)
• Biología de las radiaciones a nivel
celular y molecular
IAEA
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39
3. Evidencia epidemiológica
Muertes por cáncer/año/1M personas
10000
1000
100
natural cancer mortality
10
additional cancer
deaths due to radiation
1
0,1
1
10
100
1000
10000
Dosis (mGy)
IAEA
Title of Lecture
40
3. Evidencia epidemiológica
Muertes por cáncer/año/1M personas
10000
1000
100
Rayos-X
10de Tórax
Fondo
Anual
Escáner CTnatural cancer mortality
Fracción
additional cancer
Típica de la
deaths due toRadioterapia
radiation
1
0,1
1
10
100
1000
10000
Dosis (mGy)
IAEA
Title of Lecture
41
Fuentes de radiación de fondo
IAEA
Title of Lecture
42
Contribuyentes a la exposición a las
radiaciones en GB
Total: 2-3 mSv/año
IAEA
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43
Epidemiología de los riesgos de cáncer
• ESTUDIO DE
DURACIÓN DE VIDA
(Hiroshima y Nagasaki):
Solo ~5% de 7,800
muertes de cáncer o
leucemia se debieron a
las radiaciones
• Otras evidencias (ejemplos)
– Exposiciones de tiroides
–
–
–
–
con I-131 en
Escandinavia
Pintores de esferas con
Radio
Chernobil
Tripulaciones de aviones
Muchos otros estudios
IAEA
Title of Lecture
44
Ejemplo de exposición a las radiaciones de una
tripulación aérea a la radiación cósmica
Exposición de tripulación de Nueva Zelanda
• Rutas Internacionales
– 1000 horas por año, con 90% del tiempo a una altitud de
12 km
– dosis anual de 6.5 mSv a partir de radiación cósmica
• Rutas Nacionales
– 1000 horas por año, con 70% del tiempo a una altitud de
11 km
– dosis anual de 3.5 mSv a partir de radiación cósmica
Adaptado de L Collins 2000
IAEA
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45
Evidencias epidemiológicas
Cancer deaths /year/1M people
10000
Datos de los Estudios
de Tiroides 131-I de
Hiroshima y Nagasaki
1000
100
natural cancer
mortality
additional cancer
deaths due to radiation
?
10
1
0.1
1
10
100
1000
10000
Dose (mGy)
IAEA
Title of Lecture
46
Problemas con los datos a bajas dosis
• Los datos de cultivos celulares y de animales
son de difícil extrapolación para humanos
• Experiencia en humanos
– De no ser fortuita sino controlada
 Sería extremadamente antiético
– Muchas suposiciones en el Estudio de duración
de vida
 Pobre información de dosis (a parte o a todo el cuerpo)
 Condiciones existentes en paralelo desconocidas
 Estadísticas deficientes (pequeñas cantidades)
IAEA
Title of Lecture
47
¿Qué pasa en el extremo de las bajas
dosis del gráfico, por debajo de 100 mSv?
IAEA
Title of Lecture
48
Evidencias epidemiológicas
Cancer deaths /year/1M people
10000
1000
La hipótesis lineal de
no umbral, reducida a
bajas dosis y bajas tasas
de dosis por un factor
de 2; se corresponde en
general con los datos
100
10
natural cancer
mortality
additional cancer
deaths due to radiation
1
0.1
1
10
100
1000
10000
Dose (mGy)
IAEA
Title of Lecture
49
4. Estimados de riesgo
• Riesgo = probabilidad de efecto
• Se pueden examinar diferentes efectos – se
necesita observar cuidadosamente el efecto
a considerar: ej. ¡Mortalidad por cáncer de
tiroides NO es igual a incidencia de cáncer
de tiroides!!!
• Estimados de riesgo; generalmente
obtenidos para altas dosis y extrapolados
para bajas dosis
IAEA
Title of Lecture
50
La influencia de la tasa de dosis en los
efectos estocásticos
• Estudios en ratones, comparando irradiación aguda
con exposición crónica, muestran un factor de
reducción de tasa de dosis entre 2 y 5 para
acortamiento de la vida, y entre 1 y 10 para
inducción de tumores.
• En humanos, los datos de los sobrevivientes de las
bombas atómicas sugieren un Factor de eficacia de
Dosis y Tasa de Dosis (DDREF) de 2.0 para
leucemia y 1.4 para los restantes tipos de cáncer.
• Se debe aplicar un DDREF ya sea si la dosis total
es < 200 mGy o si la tasa de dosis es menor de 0.1
mGy/min.
IAEA
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51
Estimados de riesgo
• ICRP 60, resumen de riesgos de mortalidad por cáncer en
la vida
Alta dosis
Alta tasa de dosis
Baja dosis (0.2 Gy)
Baja tasa de dosis
(<0.1 Gy/h)
Población trabajadora
0.08 por Sv
0.04 por Sv
Población general
(incluye adolesc. y niños)
0.10 por Sv
0.05 por Sv
• Estudios de muchos pacientes de RT muestran un riesgo
de segunda aparición del cáncer de 5%
• Riesgo genético (ICRP 60): 0.006 por Sv
IAEA
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52
Comparación de los riesgos del trabajador con
radiaciones respecto a otros trabajadores
Comercio
Producción
Servicios
Gobierno
Transporte
Construcción
Minas/canteras
tasa media de muertes 1989
(10-6/a)
40
60
Industrias seguras
40
 2 mSv/a
90
240
320  exposición máx. permisible
430
una vez en la vida
Agricultura
400
IAEA
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53
Fundamentos de los límites de exposición
Los límites han cambiado con el tiempo
• Información biológica
– Los límites son más restrictivos, los riesgos de
cáncer son mayores a lo considerado en los años
1950s
• Filosofía social
• Capacidad para controlar las exposiciones
IAEA
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54
Comentarios sobre el feto/embrión
• El feto/embrión es más sensible a la radiación
ionizante que el adulto humano
• Evidencias en aumento de abortos espontáneos
pocos días después de la concepción
• Incidencia en aumento
– Retraso mental
– Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza)
especialmente de 8-15 semanas después de la concepción
– Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento,
genitales
• Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia)
– Tanto en la infancia como posteriormente
IAEA
Title of Lecture
55
Comentarios sobre el feto/embrión
• El feto/embrión es más sensible a la radiación
ionizante que el adulto humano
• Evidencias en aumento de abortos espontáneos
pocos días después de la concepción
• Incidencia en aumento Efecto determinista
– Retraso mental
– Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza)
especialmente de 8-15 semanas después de la concepción
– Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento,
genitales
• Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia)
– Tanto en la infancia como posteriormente
Efecto estocástico
IAEA
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56
Tipos de efectos después de irradiación
intrauterina
Tiempo después de
la concepción
Efecto
Primeras 3 semanas
No efectos determ. o
estoc. en los nac. vivos
3ra a 8va semanas
Probab. de malformación
de órganosa
0.06
(1 en 17)
8va a 25va semanas
Probab. de retraso mental
severob
5 x 10-3
(1 en 200)
4ta sem. – resto de
per. gestación
Cáncer en la infancia o en
la adultezc
1 x 10-3
(1 en 1000)
a
b
c
Incidencia normal
en nac. vivos
-
Efecto determinista. Umbral ~ 0.1 Gy
Afect. 30 udes IQ: 8-15ta sem.; <afect. 30 udes IQ: 16 - 25ta sem.
Riesgo intrauterino ~ riesgo < 10 años de edad
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57
Incidencia de muertes y anomalías
prenatales y neonatales
Hall, Radiobiología para el Radiólogo pág. 365
IAEA
Title of Lecture
58
Riesgos genéticos
• Se sabe que las radiaciones ionizantes
provocan mutaciones hereditarias en
muchas plantas y animales
PERO
• Estudios intensivos a 70 000
descendientes de sobrevivientes de las
bombas atómicas no han logrado
identificar ningún incremento de anomalías
congénitas, cáncer, aberraciones
cromosómicas en linfocitos circulantes, ni
mutaciones en proteínas de la sangre.
Neel y colab., Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:1053-1072
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Title of Lecture
59
Efectos estocásticos no cancerígenos de
las radiaciones
• Los datos del LSS han sido analizados
para determinar la mortalidad no
cancerígena de los fallecidos entre 1950 y
1990.
• Se detectó un incremento estadístico
significativo en función de la dosis de
radiación para:
– Accidentes cerebrovasculares
– Enfermedades cardiacas
– Enfermedades respiratorias
– Enfermedades digestivas
Shimizu T y colab., Radiation Research, 1999; 152:374-389
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60
Riesgo de muerte promedio anual en GB debido a accidentes
industriales y a cáncer debido al trabajo con radiaciones
Minería de carbón
1 in 7,000
Extracción de petróleo y gas
1 in 8,000
Construcción
1 in 16,000
Trabajo con radiaciones (1.5 mSv/año)
1 in 17,000
Metalurgia
1 in 34,000
Todos los tipos de fabricación
1 in 90,000
Producción química
1 in 100,000
Todos los servicios
1 in 220,000
Tomado de L Collins 2000
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61
Resumen
• La inducción de cáncer constituye el
riesgo más significativo de la exposición
a radiaciones ionizantes a bajas dosis
• La inducción de cáncer es un efecto
estocástico
• A elevadas dosis de radiación también
influyen los efectos deterministas
IAEA
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62
Resumen: Magnitudes de las dosis
Dosis absorbida (Gy “gray”)
Energía transferida al tejido
Dosis equivalente (Sv “sievert”)
Dosis absorbida modificada por un factor de
ponderación de las radiaciones
Dosis Efectiva (Sv “sievert”)
Dosis de radiación de cuerpo completo – una
medida del riesgo
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Title of Lecture
63
Resumen (3)
• Los riesgos se pueden calcular
• Sin embargo:
– Sus valores numéricos son generalmente
pequeños y pueden no ser comprendidos
– Las medidas a aplicar para evitar o minimizar los
riesgos dependen de interpretación y de los
beneficios que se perciben – esto puede variar
significativamente de persona a persona así como
entre sociedades
• Las restricciones de dosis se pueden
seleccionar de modo que se igualen los
niveles de riesgo de otras profesiones
IAEA
Title of Lecture
64
¿Dónde obtener más información?
• De las partes 2 y 4 del curso
• International Commission on Radiological
Protection (ICRP) Reports.
– En especial: “The 1990 recommendations if the
International Commission on Radiological
Protection, ICRP report 60. Oxford: Pergamon
Press; 1991.”
• International Commission on Radiation Units
and Measurements (ICRU) Reports
IAEA
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65
¿Preguntas?
IAEA
Title of Lecture
66
Pregunta
¿Por qué es limitada nuestra
información sobre los efectos de las
radiaciones a bajas dosis de radiación
(ej. < 20mSv)?
IAEA
Title of Lecture
67
La respuesta debe incluir pero no limitarse a:
• La dosimetría es difícil a niveles próximos al
•
•
•
•
valor del fondo
Evidencia epidemiológica limitada
La investigación y experimentación en
humanos son éticamente imposibles
Los efectos (de haberlos) son pocos
Probablemente existe un efecto de la dosis y
de la tasa de dosis – a bajas dosis y tasas
de dosis los efectos de las radiaciones
tienden a ser menores que a altas dosis.
IAEA
Title of Lecture
68