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Aplicaciones de la
Física de Partículas
Arturo Fernández Téllez
Fac. Ciencias Físico Matemáticas
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
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De la Física de Particulas a
la Medicina Nuclear
Arturo Fernández Téllez
Fac. Ciencias Físico Matemáticas
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
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Contenido
La Física de Partículas y la Tecnología
Situación del Cancer (México y el mundo)
Aceleradores de partículas y Radioterapia
Terapia del cancer con haces de protones/hadrones (Hadronterrápia)
Medicina Nuclear (PET, Imagenología)
Producción de radionúclidos
- Radionúclidos convencionales
Producción de radiotrazadores
Técnicas de imagen en Medicina Nuclear: PET y SPECT
Proyectos de Proton-terapía (CERN, Austría,…, México)
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Investigaciones en la Física de Partículas:
Frontera en la Ciencia y la Tecnología
Physics
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Otros usos: Diagnostico y terapia del cancer
Applications
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Historia vieja!!
Detector
Reconocimiento de patrones
(ojo+cereblro)
Fuente de
Rayox X
Objeto de estudio
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Trabajo Pionero
Roentgen descubre los rayos X en
1885
Henri Becquerel en 1886 descubre
la radiactividad
Marie Curie y Pierre Curie trabajan
sobre radiactividad y se descubren
el Po y el Ra.
Se empiezan a experimentar con la
radiación nuclear y buscar
aplicaciones
Uso de radionúclidos como
medicina y usos cotidianos
Rayos X para ver estructuras del
cuerpo y el ADN
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S. Myesr( ADAM)
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Tecnologías usadas en
Física de Partículas
aplicada a la
Medicina
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Mexico’s Top Ten Mortality Causes
1940 1970 1980 1990 2000 2008
1 Diarrhea and
enteritis
Peumonia and
influenza
Accidents Heart diseases Heart diseases Heart diseases
2 Peumonia and
influenza
Diarrhea and enteritis Intestinal infectuos
diseases
Malignant Tumor Malignant Tumor Mellitus diabetes
3 Malaria Accidents and
violence
Peumonia and
influenza
Accidents Mellitus diabetes Malignant Tumor
4 Measles Heart diseases Heart diseases Mellitus diabetes Accidents Accidents
5 Homicides Perinatal diseases Malignant Tumor Perinatal diseases Liver diseases Liver diseases
6 Bronchitis Malignant Tumor Cerebrovascular
diseases
Peumonia and
influenza
Cerebrovascular
diseases
Cerebrovascular
diseases
7 Liver diseases Cerebrovascular diseases Cirrhosis and liver
diseases
Intestinal infectuos
diseases
Perinatal diseases EPOC
8 Congenital
diseases
Measles Mellitus diabetes Cerebrovascular
diseases
Peumonia and
influenza
Perinatal diseases
9 Heart diseases Cirrhosis Homicides and
violence
Cirrhosis and liver
diseases
EPOC Homicides
10 Tuberculosis Tuberculosis Bronchitis asthma
enphysema
Homicides and
violence
Homicides Peumonia and
influenza
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Pico de Bragg “extendido”
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OBSERVACIONES SOBRE HADROTERAPIA:
Lorena Magallanes
(PhD at HIT)
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Otra Aplicación : PET en la Medicina nuclear
¿Qué es la Medicina Nuclear?
Especialidad medica con fines
asistenciales, docentes e investigadores
emplea fuentes radiactivas abiertas.
Aplicación: la radiación ionizante
(radiofármacos) se emplean para el
diagnóstico clínico, para terapia, o
ambos.
Proporciona información bioquímica y
fisiológica a nivel molecular.
(biodistribución del radiofármaco)
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Producción de radionúclidos
Aceleración de IONES contra blancos
Ciclotrón Reactor Nuclear
Activación de blancos por NEUTRONES
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Características principales: Ciclotrón
Acelera: iones negativos (H-), d, α
Campo magnético.
Radiofrecuencia.
Radio de extracción
Energía: Biomédico 11, 18/9, 25-
Corriente (μA)
Bombardeo dual
Auto-blindaje contra lo neutrones
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Marca Nombre E (MeV) Imax (µA) Haz dual Puertos
para
blancos
Auto-
blindaje
CTI RDS 112/111
Eclipse
11(p) 50-120 Si 4-8 Si
IBA Cyclone 10/5
Cyclone
18/9
10(p) 5(d)
18(p) 9(d)
60-100
80-100
Si
Si
8
8
opcional
No
GE PETtrace
MINItrace
16.5 (p)
8.5 (d)
9.6 (9)
75-100 Opcional 3-6 Opcional
Si
EBCO TR14/19 14-19 (p)
Opción 9 (d)
˃150 Si 2-8 Opcional
JSW BC2010N 20 (p) 10 (d) 70 Si - No
NKK-
Oxford
OSCAR 12 (p) 50-100 No - No
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Ciclotrón Carrusel de blancos
Fuente de iones blindajeElectrodos Ds
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18F (t1/2=110 min, +: 97%, Eβmax = 630 keV)
• Reacción: 18O(p,n)18F
• Blanco: [18O]H2O
• Volumen: 2.4 ml
• 1h a 40 μA
CO3-
H218O + 18F-
H218O18F-
(K/K222)+/18F-K2CO3/K 222
1
2
Haz de protonesBlanco Intercambio iónico (QMA)
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Secuencia principal de PET
11C 13N 15O 18F
Reacción 14N(p,α11C 16O(p,α)13N 15N(p,n)15O 18O(p,n)18F
Blanco Gas, natN2 H2O Gas, [15N]N2 [18O]H2O
Abundancia 99.6% 99.7% 0.4% 0.2%
Vida media 20 min 10 min 2 min 110 min
p 18O 18F n+ +
nYpX A
Z
A
Z 1
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Alternativa: Producción de radio-
isotopos con reactores nucleares (ININ)
1.- Boquilla de salida de vapor
2.- Secador de vapor
3.- Separador de vapor
4.- Llegada de agua de alimentación
5.- Líneas de agua de recirculación
6.- Ensambles de combustible
7.- Barras de control
8.- Mecanismos de barras de
control
9.- Canales para instrumentación
nuclear
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Producción de Radionúclidos
Ciclotrón vs. Reactor
Cargada Partícula Neutrones
≈1014 p/s-cm2 ϕ ≈1012-15 n/s-cm2
mb σ b
mg/cm2 ndx g/cm2
mCi A kCi
Emisor β+ Producto típico Emisor β-
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Radiofármacos
Un radiofármaco es toda sustancia que contiene un átomo radiactivo en su
estructura, y que por su forma farmacéutica, calidad y cantidad de
radiación puede ser administrado en los seres humanos con fines
diagnósticos o terapéuticos.
Propiedades:
No tóxico
Sin efecto farmacológico
(diagnóstico)
Estéril
Apirógeno18F
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Laboratorio de producción
Ciclotrón 18/9 IBA Celdas calientes Radiofarmacia
Módulos de síntesis química HPLC
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Pruebas de Control de Calidad
Pureza Química
Pureza Radioquímica
Pureza Radionúclida
Prueba de pirógenos
pH
Kriptofix 2.2.2.
Integridad de filtro
Pruebas:
Físicas (vida media del radionúclido)
Químicas (residuos y solventes)
Biológicas (bacterias y pirógenos
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Técnica de imagen: PET
PET:
Se basa en la administración de
Radiofármacos emisores de positrones.
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MEXICOCANCER CENTERS
ESTADO INSTITUCIONAL PRIVADO
AGUASCALIENTES 1 1
BCN 2 2
BCS 1
CAMPECHE 1
COAHUILA 1
CHIAPAS 1
CHIHUAHUA 1 2
DISTRITO FEDERAL 9 8
DURANGO 2
ESTADO DE MEXICO 1 2
GUANAJUATO 2
GUERRERO 1
JALISCO 2 3
MICHOACAN 1 1
MORELOS 1
NAYARIT 1
NUEVO LEON 2 3
OAXACA 1 1
PUEBLA 3 2
QUERETARO 1
SAN LUIS POTOSI 1
SINALOA 1 2
SONORA 2 1
TABASCO 1
TAMAULIPAS 3
VERACRUZ 2 3
YUCATAN 1 1
ZACATECAS
T O T A L 41 38
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PROYECTOS DE MÉDICINA NUCLEAR EN CERN Y EL MUNDO:
- MEDICIS (MEDical Isotopes Collected from Isolde)
MEDICIS.PROMED HORIZON 2020 PROJECT
(MEDICIS-PROduced radioisotope beams for MEDicine)
https://medicis-promed.web.cern.ch
- MEDAUStron Austria Center for Ion Therapy and research
https://www.medaustron.at/en
- HIMAC Heavy-Ion Medical Accelerator in Chiba, Japan
http://www.hirt-japan.info/en/medical/index.html
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EL CENTRO DE EXCELENCIA EN FISICA
MEDICA NUCLEAR
APLICACIONES EN MEDICINA, QUÍMICA, FÍSICA MÉDICA Y
FÍSICA DE MATERIALES
ARTURO FERNÁNDEZ TÉLLEZ
FCFM-BUAP
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41
EL USO DE ACELERADORES DE PARTÍCULAS PARA PRODUCCIÓN DE RADIOISOTOPOS Y PROTON-
TERÁPIA:
1. CICLOTRÓN ISOCRONICO DE IONES CON ENERGÍA DEL HAZ
CIRCULANTE DE 30-70 MEV CON MÚLTIPLES APLICACIONES EN
FÍSICAY MEDICINA.
2. TERAPIA CONTRA EL CÁNCER CON PROTONTERAPIA- CON UN
CICLOTRÓN DE 230 MEV PARA TRATAR TUMORES PROFUNDOS.
CENTRO DE EXCELENCIA EN FÍSICA MÉDICA NUCLEAR
Protonterapia
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CENTRO DE EXCELENCIA EN FÍSICA MEDICA NUCLEAR
PROTONTERAPIA
PARA TRATAMIENTO
DEL CÁNCER
CICLOTRÓN
DE IONES
(30-70 MEV)
CICLOTRÓN
DE PROTONES
(230 MEV)
PRODUCCIÓN DE
RADIOFÁRMACOSDesarrollos tecnológicos:
• FÍSICA DE MATERIALES
• BIOLOGÍA
MOLECULAR
• BIOQUIMICA,
• INSTRUMENTACIÓN DE
SENSORES PARA FÍSICA
MÉDICA, ETC.
42
IMAGENOLÓGIA
NUCLEAR
+
+
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GRUPOS DE TRABAJO
GRUPO DE EXPERIMENTALES
CLÍNICA
TECNÓLOGOS
INVESTIGACIÓN BÁSICA TEÓRICA-EXPERIMENTAL
CENTRO DE CÓMPUTO DE ALTO RENDIMIENTO
ÁREA DE CIENCIAS TRANSLACIONALES
EDUCACIÓN (ESPECIALIDADES MÉDICAS)
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NUEVA GENERACIÓN DE FÍSICOS DE ACELERADORES:
Humberto Maury Cuna
Alejandro Castilla Loeza
Bruce Yee Rendón
Salvador Sosa Güitrón
Cristhian Valerio Lizarraga
Karim Gibran Hernández Chaín
Luis Eduardo Medina Medrano
Gerardo Guillermo
Abraham Joseph Pinedo Lopez
Christian Mauricio López Sánchez
Ana Selene Cuevas Zuñiga
Daniel Chavez Valenzuela
David Pavel Juárez López
Marvin Mellado Muñoz
Juan Reyes Herrera
Alain Flores Tlalpa
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FOROS: PRODUCCION DE RADIO ISOPTOPOS CON ACELERADORES DE PARTÍCULAS Y SUS APLICACIONES
EN MEDICINA NUCLEAR, PROCESOS BIOLÓGICOS, QUIMICA Y FÍSICA MATERIALES
FEBRERO 16: BUAP 2015, OCTUBRE 20 : MCTP
Presentacion General
El ciclotrón (B. Yee, P. Mandrillon, H. Maury)
Impactos en la Medicina Nuclear (A. Adel, A. Beltran, E. Medel, R. Portillo S.
Reyes, A. Erazo, A. Mendoza)
Terapia de protones (P. Mandrillon, A. Cernier )
Producción de radio-isotopos, Radio-Medicina, uso de material radiativo, radio-
medicina (J. Galvez, D. Pérez, G. Cilia)
Física Médica (B. de Celis, E. Medel, M. I. Martínez),
Biología Nuclear (E. Brambila)
Vinculación con diversos sectores, desarrollo tecnológicos (P. H. Hernández, J.
Kadi, M. Rodriguez, M. I.Martínez, J. Castillo, )
Instrumentacion y análisis de datos para Física Médica (H. Salazar, M. Rodriguez,
M. I. Martínez, G. Tejeda, B. De Celis, E. Medel)
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TRATAMIENTO DEL CÁNCER CON PROTONES
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Radioterapia
convencional Protonterapia
Fotones y
electrones de alta
energía
Protones
CARCINOMA NASOFARÍNGEO, TRATAMIENTOS COMPARATIVOS
FOTONES IMRT vs PROTONES
• Distribuciones de dosis de radiación
más precisas y localizadas.
• Tratamiento de tumores
radioresistentes e inoperables.
• Mejor respuesta radiobiológica
• Tratamiento de tumores pediátricos con
sobrevidas mayores.
• Técnicas de tratamiento modernas a
costo relativamente bajo capaces de
tratar a un porcentaje importante de
pacientes con cáncer.
• Instalaciones accesibles a la mayoría
de los pacientes oncológicos.
TRATAMIENTO DE CÁNCER CON PROTONES
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• CA DE PRÓSTATA
• CA DE PULMÓN
• CA DE PÁNCREAS
• CA DE MAMA*
• HEPATOCARCINOMAS
• TUMORES DE CABEZA Y CUELLO
• SARCOMAS
• LINFOMAS
• ENFERMEDAD DE HODGKIN
• MELANOMA UVEAL
• TUMORES CEREBRALES
• GLIOBLASTOMA MULTIFORME
• GLIOMAS
• TUMORES DE LA BASE DE CRANEO
• MENINGIOMAS
• CORDOMAS
• TUMORES PEDIÁTRICOS
• CRANIOFARINGEOMA
• MEDULOBLASTOMA
• RETINOBLASTOMA
• RABDOMIOSARCOMA EMBRIONARIO
• NEUROBLASTOMA
OPCIONES DE TRATAMIENTO CON PROTONES
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El centro de protonterapia contra el cáncer responde a dos
necesidades urgentes de nuestro país:
A) Por un lado, tratar el cáncer y mejorar la calidad de vida de
los pacientes después del tratamiento, y
B) Por el otro, desarrollar tecnología propia en el sector salud
que reduzca la dependencia del exterior para tener acceso a
los avances en el área médica.
TRATAMIENTO DE CÁNCER CON PROTONES
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TERAPIA DE PROTONESTRATAMIENTO DE CÁNCER
CICLOTRÓN
DE PROTONES
(230 MEV)
INSTALACIÓN CLÍNICA
Rayos-X vs. Protones
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IMPACTO DEL CEFN EN MEDICINA NUCLEAR
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MEDICINA NUCLEAR
RADIOFÁRMACOS EN LA MEDICINA
PET (Positron Emission Tomography)
SPECT (Singlephoton Emission ComputedTomography)
Y-Cammera (Gamma Photon Cammara)
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Sistema de diagnóstico
Imágenes para detección, tratamiento y
evolución del cáncer
Actividad cerebral
Enfermedades del corazón
Investigación de nuevos radiofármacos
(Ciclotrón)
INTRODUCCIÓNTOMOGRAFÍA POR EMISIÓN DE POSITRONES (PET)
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PET/CT PET MRI
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PRODUCCIÓN DE
RADIO ISOTOPOS PARA
RADIO-FARMACIA
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CENTRO DE EXCELENCIA EN MEDICINA NUCLEAR PLANTA DE RADIO-ISOTOPOS
CICLOTRÓN DE IONES (H-, D-, He++, 4H2-) Haz de Iones Ligeros
30 MeV/ 70 MeV
LINEAS DE HAZ PARA:
www.cyclotron-nantes.fr
PRODUCCIÓN DE
RADIOISOTOPOS
ESTUDIOS QUIMICOS DE
RADIOISOTOPOS
ESTUDIOS EN FÍSICA DE
MATERIALES
TRATAMIENTOS ONCOLÓGICOS
(BOMBARDEO DE PROTONES)
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CICLOTRÓN
CICLOTRÓN ISOCRONICO DE IONES CON ENERGÍA DEL HAZ CIRCULANTE DE 30-70MEV
PARA PRODUCIR RADIO-ISÓTOPOS
Parámetro Valor
Energía (MeV) 30-70
Radio Frecuencia (MHz) 30.45
Voltaje (kV) 65
Corriente ( μA) 750
Campo Magnético (T) 1.6
Diámetro ( m) 4
CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL CICLOTRÓN
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CICLOTRÓNLÍNEAS
Magnetos externos de conmutación.
Producción de radionúclidos.Investigación y desarrollo.
Menor intensidad.
El ciclotrón entrega el haz a las seis
diferentes líneas del haz, estas líneas
se obtiene a través de dos puertos y
usando dos magnetos externos de
conmutación.
Esquema de las líneas del haz del ciclotrón Arronax. El número total de líneas del haz son 8: 5 de ellas
usan en promedio alta corriente (P1, P2, P3,A1 y A2) y 3 dedicas a baja o muy baja corriente (AX).
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PRODUCCIÓN DE RADIO ISOTOPOS PARA RADIO-FARMACIAPET RADIOISOTOPES
1 C-11 20.3m TO STUDY NORMAL/ABNORMAL BRAIN FUNCTIONS
2 Cu-64 12.7hPET SCANNING , PLANAR IMAGING , SPECT IMAGING DOSIMETRY STUDIES , CEREBRAL AND MYOCARDIAL BLOOD
FLOW , USED WITH CU-62 , TREATING OF COLORECTAL CANCER.
3 F-18 110m BRAIN STUDIES, PET IMAGING
4 Ga-68 68.1mSTUDY THROMBOSIS AND ATHEROSCLEROSIS, PET IMAGING, DETECTION OF PANCREATIC CANCER, ATTENUATION
CORRECTION.
5 I-124 4.17d RADIOTRACER USED TO CREATE IMAGES OF HUMAN THYROID, PET IMAGING.
6 N-13 9.97m PET IMAGING, MYOCARDIAL PERFUSION.
7 O-15 122s WATER USED FOR TOMOGRAPHIC MEASURING OF CEREBRAL BLOOD FLOW, PET IMAGING, SPECT IMAGING.
8 Rb-82 1.27mMYOCARDIAL IMAGING AGENT, EARLY DETECTION OF CORONARY ARTERY DISEASE, PET IMAGING, BLOOD FLOW
TRACERS. FROM 82SR.
9 Y-86 14.7hCAN BE IMAGED BY POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY AND USED AS AN ISOTOPICALLY MATCHED SURROGATE
RADIONUCLIDE FOR (90)Y RADIATION DOSES ESTIMATIONS.
10 Zr-89 78.4h
THE 89ZR RADIOISOTOPE IS USED IN THE FIELD OF TUMOR DIAGNOSTICS, TUMOR THERAPY AND THE
INVESTIGATION OF THE BIO-KINETIC (UDDIN ET AL., 2005). ALSO, ZIRCONIUM-89 HAS BEEN SUGGESTED AS A
SUITABLE POSITRON EMITTER FOR LABELING ANTIBODIES.
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CALENDARIO
COST:
75-80 M USD
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COMENTARIOS FINALES
El concepto de uso de ciclotrones para producir radio-isotopos y terapia de protones esta probado y
funcionando
El Centro de Excelencia en Medicina Nuclear sería el primero de su clase en Latinoamérica.
México tiene la capacidad de llevar con éxito este proyecto.
Existen instituciones mexicanas con mucho interés en participar/competir por ser sede del
laboratorio.
Se requiere apoyo gubernamental a Federal.
Costo total: 75-80 millones de dólares (tres etapas).
Primera etapa: 20-25 millones de dólares
Inicio de producción de radio-farmacos: 3años