Aplicaciones de la

Física de Partículas

Arturo Fernández Téllez

Fac. Ciencias Físico Matemáticas

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

De la Física de Particulas a

la Medicina Nuclear

Arturo Fernández Téllez

Fac. Ciencias Físico Matemáticas

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

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)

Investigaciones en la Física de Partículas:

Frontera en la Ciencia y la Tecnología

Physics

Otros usos: Diagnostico y terapia del cancer

Applications

Historia vieja!!

Detector

Reconocimiento de patrones

(ojo+cereblro)

Fuente de

Rayox X

Objeto de estudio

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

S. Myesr( ADAM)

Tecnologías usadas en

Física de Partículas

aplicada a la

Medicina

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

Pico de Bragg “extendido”

OBSERVACIONES SOBRE HADROTERAPIA:

Lorena Magallanes

(PhD at HIT)

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)

Producción de radionúclidos

Aceleración de IONES contra blancos

Ciclotrón Reactor Nuclear

Activación de blancos por NEUTRONES

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

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

Ciclotrón Carrusel de blancos

Fuente de iones blindajeElectrodos Ds

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)

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

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

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-

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

Laboratorio de producción

Ciclotrón 18/9 IBA Celdas calientes Radiofarmacia

Módulos de síntesis química HPLC

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

Técnica de imagen: PET

PET:

Se basa en la administración de

Radiofármacos emisores de positrones.

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

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

EL CENTRO DE EXCELENCIA EN FISICA

MEDICA NUCLEAR

APLICACIONES EN MEDICINA, QUÍMICA, FÍSICA MÉDICA Y

FÍSICA DE MATERIALES

ARTURO FERNÁNDEZ TÉLLEZ

FCFM-BUAP

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

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

+

+

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)

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

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)

TRATAMIENTO DEL CÁNCER CON PROTONES

46

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

• 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

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

TERAPIA DE PROTONESTRATAMIENTO DE CÁNCER

CICLOTRÓN

DE PROTONES

(230 MEV)

INSTALACIÓN CLÍNICA

Rayos-X vs. Protones

IMPACTO DEL CEFN EN MEDICINA NUCLEAR

MEDICINA NUCLEAR

RADIOFÁRMACOS EN LA MEDICINA

PET (Positron Emission Tomography)

SPECT (Singlephoton Emission ComputedTomography)

Y-Cammera (Gamma Photon Cammara)

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)

PET/CT PET MRI

PRODUCCIÓN DE

RADIO ISOTOPOS PARA

RADIO-FARMACIA

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)

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

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).

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.

CALENDARIO

COST:

75-80 M USD

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