Ciclotrón

Qué es un ciclotrón

El nombre deriva del griego κύκλος (kýklos, «círculo»), por la trayectoria circular que describen las partículas en su interior, combinado con el sufijo -trón, empleado en física para designar instrumentos (como el electrón, del que toma la convención). La invención del ciclotrón se debe al físico estadounidense Ernest Orlando Lawrence, que concibió la idea en 1929 mientras leía un artículo del ingeniero noruego Rolf Widerøe sobre aceleración lineal de iones. Lawrence advirtió que, en lugar de usar un tubo lineal larguísimo, podía curvar la trayectoria con un imán y reacelerar la partícula cada vez que cruzara un hueco entre dos electrodos semicirculares (llamados «des» por su forma de D). La patente se solicitó en enero de 1932.

M. Stanley Livingston, alumno de Lawrence en la Universidad de California en Berkeley, construyó el primer prototipo operativo. Medía unos 10 centímetros de diámetro. Pocos años después, Lawrence disponía de ciclotrones de varios metros capaces de producir haces de protones con energía suficiente para provocar reacciones nucleares. En 1939 recibió el Premio Nobel de Física por su invención. El elemento 103 de la tabla periódica, el laurencio, lleva su nombre.

Funcionamiento del ciclotrón

Dentro de la cámara de vacío del ciclotrón, un haz de iones parte del centro. Un campo magnético perpendicular obliga a los iones a describir arcos de circunferencia. Cada vez que una partícula cruza el espacio entre los dos electrodos en D, el campo eléctrico alterno le comunica un impulso de energía que aumenta su velocidad y, con ella, el radio de la siguiente semicircunferencia. El resultado es una espiral que se abre hacia fuera.

Cuando la partícula alcanza la energía deseada (en los ciclotrones de uso médico, típicamente entre 10 y 20 MeV), se extrae del haz y se dirige contra un material diana (blanco). El choque con los núcleos del blanco provoca reacciones nucleares que generan los radionúclidos de interés. Esos radionúclidos se incorporan después a moléculas trazadoras para formar radiofármacos.

Aplicaciones en medicina nuclear

La aplicación clínica más visible del ciclotrón es la producción de flúor-18, el radioisótopo que marca la fluorodesoxiglucosa (FDG), el trazador más empleado en PET. La vida media del flúor-18 es de 110 minutos, lo que significa que debe producirse in situ o en instalaciones próximas al centro hospitalario. Sin un ciclotrón cercano, la realización de estudios PET con FDG se vuelve logísticamente muy difícil.

Otros radionúclidos producidos habitualmente en ciclotrones incluyen el carbono-11 (vida media de 20 minutos), el nitrógeno-13 (10 minutos) y el oxígeno-15 (apenas 2 minutos). Todos ellos emiten positrones al desintegrarse, que se aniquilan con electrones del tejido y generan los dos fotones gamma que detecta el anillo del escáner PET. El galio-68, utilizado en el marcaje de péptidos para tumores neuroendocrinos, puede obtenerse también mediante generadores, aunque el ciclotrón amplía las posibilidades de producción a gran escala.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra ciclotrón?

Del griego κύκλος (kýklos, «círculo»), porque las partículas describen trayectorias circulares dentro del aparato. El sufijo -trón sigue la convención de la física de partículas para nombrar dispositivos e instrumentos.

¿Todos los hospitales tienen un ciclotrón?

No. Un ciclotrón requiere instalaciones específicas con blindaje radiológico, personal especializado en radiofarmacia y física médica, y una inversión considerable. Muchos hospitales que realizan estudios PET reciben los radiofármacos de centros de producción externos que sí disponen de ciclotrón propio. La cercanía entre el punto de producción y el hospital es obligada por la brevedad de la vida media de los radioisótopos.

¿Es peligroso un ciclotrón para los pacientes?

El paciente no tiene contacto con el ciclotrón. Su exposición radiológica procede del radiofármaco inyectado, no del acelerador. El ciclotrón opera en un búnker blindado, y el personal que trabaja con él sigue protocolos de protección radiológica estrictos.

¿Quién inventó el ciclotrón?

Ernest O. Lawrence, en la Universidad de California en Berkeley. Concibió la idea en 1929, solicitó la patente en 1932 y recibió el Premio Nobel de Física en 1939 por su invención y sus aplicaciones a la investigación nuclear.

Referencias

1. Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). ¿Qué es un ciclotrón?
2. Foro Nuclear. El ciclotrón: un acelerador de partículas para la ciencia, la medicina y la industria nuclear.
3. Clínica Universidad de Navarra. Tecnología ciclotrón.
4. Institut de Recerca contra la Leucèmia Josep Carreras (IRAB). Producción de radionúclidos.