CIENCIAS APLICADAS CIENCIAS

El fotón de Asclepio

j u a n p a b l oc r u z b a s t i d a

d i a n ag a r c í a h e r n á n d e z

El ser humano ha empleado la ciencia no sólo para conocer

y comprender su entorno, sino que también ha hecho de ella

una aliada valiosa en el combate contra las enfermedades

que lo aquejan. En El fotón de Asclepio se expone uno de los

ejemplos más ilustrativos de esta alianza: la aplicación del fotón

—una partícula elemental— en la prevención, diagnóstico

y tratamiento a través de la radiología, la imagen

molecular y la radioterapia.

Al embarcarse en el descubrimiento y la domesticación

del fotón a lo largo de más de un siglo, en estas páginas el lector

no sólo emprenderá un recorrido por la historia de la ciencia y la de la

medicina, sino también por la de las creencias, mitos y errores

que marcaron el desarrollo y aplicación de este nuevo conocimiento.

Juan Pablo Cruz Bastida es físico por la unam y actualmente estudia

el doctorado en física médica en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Ha colaborado como investigador en los institutos de Física de la unam

y Nacional de Cancerología, de México.

Diana García Hernández obtuvo la maestría en física médica

en la unam y la licenciatura en física en la Universidad Autónoma

de Zacatecas. Fue merecedora del Premio Internacional

Leon M. Lederman en 2008.

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Primera edición 2015 / Refine 13.5 x 21 cm / 144 pp / Lomo 1 cm / Interiores papel bond /Tamaño final del documento 28 cm x 21 cm / Diseño Teresa Guzmán

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CIENCIASAPL ICADAS

El ojo y el arma de la medicina moderna

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EL FOTÓN DE ASCLEPIO


La Ciencia para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científi ca del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científi cos siempre han aportado material, con lo que han su-mado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científi ca.

A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océa-no, a la península ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científi cos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la cien-cia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y conti-nuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradi-ción humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fi n. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científi co en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desde-ñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.


Comité de selección de obras

Dr. Antonio AlonsoDr. Francisco Bolívar ZapataDr. Javier BrachoDr. Juan Luis CifuentesDra. Rosalinda ContrerasDra. Julieta FierroDr. Jorge Flores ValdésDr. Juan Ramón de la FuenteDr. Leopoldo García-Colín Scherer †Dr. Adolfo Guzmán ArenasDr. Gonzalo Halfft erDr. Jaime MartuscelliDra. Isaura MezaDr. José Luis Morán LópezDr. Héctor Nava JaimesDr. Manuel PeimbertDr. José Antonio de la PeñaDr. Ruy Pérez TamayoDr. Julio Rubio OcaDr. José SarukhánDr. Guillermo SoberónDr. Elías Trabulse


Juan Pablo Cruz Bastida Diana García Hernández

EL FOTÓN DE ASCLEPIO

El ojo y el armade la medicina moderna

la

ciencia / 238para todos


Cruz Bastida, Juan Pablo, y Diana García Hernández El fotón de Asclepio. El ojo y el arma de la medicina moderna / Juan Pablo Cruz Bastida,

Diana García Hernández. — México : FCE, SEP, Conacyt, 2015226 p. : ilus. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ; 238)Texto para nivel medio y medio superior ISBN 978-607-16-3338-5

Fotones 2. Física 4. 3. Divulgación científi ca I. García Hernández, Diana, coaut. II. Ser. III. t.

LC QC173 Dewey 508.2 C569 V.238

Diseño de portada: Teresa Guzmán Romero

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D. R. © 2015, Fondo de Cultura EconómicaCarretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F.Empresa certifi cada ISO 9001:2008

Comentarios: editorial@fondodeculturaeconomica.comwww.fondodeculturaeconomica.comTel. (55) 5227-4672; fax (55) 5227-4694

Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere el medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.

ISBN 978-607-16-3338-5


Primera edición, 2015Primera edición electrónica, 2015

ISBN 978-607-16-3435-1 (PDF)

Hecho en México • Made in Mexico

ÍNDICE

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

I. La domesticación del átomo . . . . . . . . . . . . . . 17 Una extraña dicotomía . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Los ladrillos de la naturaleza . . . . . . . . . . . . . 33 El sueño de los alquimistas . . . . . . . . . . . . . . 46 Balística en miniatura . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Resumen del capítulo i . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

II. Los nuevos ojos de la medicina . . . . . . . . . . . . . 76 Representación visual de la realidad . . . . . . . . . 78 Un descubrimiento milagroso . . . . . . . . . . . . . 84 Evolución de la radiología . . . . . . . . . . . . . . . 96 Crónicas de un viaje alucinante . . . . . . . . . . . . 112 Resumen del capítulo ii . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

III. El papel de la artillería . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Génesis de la radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . 138 Blancos vivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143


Técnicas de asedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 El arte de la guerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Resumen del capítulo iii . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

IV. El legado del tío Ben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Un poco de historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Efectos de la radiación ionizante . . . . . . . . . . . 198 La protección radiológica . . . . . . . . . . . . . . . 202 Resumen del capítulo iv . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Epílogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Créditos de las fi guras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223


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AGRADECIMIENTOS

Los autores deseamos expresar nuestro más sincero agradeci-miento a los investigadores y profesionales que, con gran entu-siasmo y amabilidad, compartieron con nosotros muchas de las imágenes que ilustran este trabajo. A la ingeniera Lucina Ar-chundia Franco, del Servicio de Radioterapia del Hospital de Alta Especialidad Centenario de la Revolución Mexicana (Mo-relos, México). A las doctoras Isabel Salas Noyola y Margarita Adán Arias, y al técnico radiólogo José Alberto Santos Jacobo, también del Hospital Centenario de la Revolución Mexicana (Servicio de Ima genología). A la doctora Lesvia Olivia Aguilar Cortázar y al maestro en ciencias Héctor Galván Espinosa, del Departamento de Radiodiagnóstico del Instituto Nacional de Cancerología (Distrito Federal, México). Al doctor Enrique Estrada Lobato, también del Instituto Nacional de Cancerolo-gía (Departamento de Medicina Nuclear). Al doctor Luis Al-berto Medina Velázquez, a la maestra en ciencias Itzel Militza Torres Víquez y al técnico radiólogo Mario Esaú Romero Piña, de la Unidad de Investigación Biomédica en Cáncer del Insti-tuto Nacional de Cancerología. A la doctora Gloria Angélica Adame Ocampo y a la maestra en ciencias María Margarita López Titla, del Departamento de Imágenes Cerebrales del Ins-tituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz (Dis-trito Federal, México). Al doctor Paul Frame, de las Oak Ridge


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Associated Universities (Oak Ridge, Tennessee, EUA). Al doc-tor Christian David, del Laboratorio de Micro y Nanotecnología del Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suiza). Y a la artista Mi-riam Bárcenas Elizalde.

Al Fondo de Cultura Económica, por la oportunidad de pu-blicar nuestra obra, y a sus trabajadores, por el esfuerzo edito-rial que conlleva la publicación de este libro.

A los jueces del II Premio Internacional de Divulgación de la Ciencia Ruy Pérez Tamayo, por el tiempo invertido en la revi-sión de este trabajo.

A la doctora María Ester Brandan (Instituto de Física, Uni-versidad Nacional Autónoma de México), y al próximamente biólogo Carlos Rubio Valdez, por sus comentarios y correccio-nes a la primera versión del manuscrito.


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INTRODUCCIÓN

El nombre de este trabajo, El fotón de Asclepio, se antoja un tanto exótico, pero no es arbitrario. Obedece a un justo home-naje a la Grecia antigua, de donde provienen casi todas las artes y las ciencias hoy día vigentes. Asclepio fue venerado como dios de la medicina por los griegos, y posteriormente fue adop-tado por los romanos con el nombre de Esculapio. Hipócrates de Cos, considerado una de las figuras más destacadas de la medicina antigua,1 afirmaba que su familia descendía direc-tamente de este dios.

De acuerdo con la mitología griega, Asclepio fue hijo de Apo-lo (dios identificado con la luz de la verdad) y la mortal Coró-nide. Ciertas querellas provocadas por los celos, sin relevancia en este contexto, hicieron a Asclepio huérfano de madre desde nacido. Por supuesto, la paternidad responsable no era propia de los dioses del panteón griego, por lo que la educación del vástago de Apolo quedó en manos de Quirón, el centauro; una bestia mitad hombre y mitad caballo de sorprendente sabidu-ría, mentor de algunos de los héroes más valientes del mundo clásico, como Jasón y Heracles. A Asclepio le enseñó el tiro con arco, el alfabeto, la astronomía y la medicina; tras varios años

1 A Hipócrates se le atribuye un famoso juramento, considerado el canon ético de la medicina. Tras más de dos mil años, los profesionales de la salud lo siguen pronunciando antes de atender a los pacientes.


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se convirtió en el mejor médico de Grecia, con poderes que iban desde simples curaciones hasta la resurrección de los muertos. Pero Zeus (gran patriarca de los dioses), enterado de los po-deres de Asclepio por medio de Hades (anfitrión del inframun-do), consideró que el control sobre la muerte representaba una amenaza contra el orden universal, y fulminó al primer gran mé-dico con uno de sus rayos.2

Pese a lo espectacular del mito, los métodos de Asclepio nos parecerían modestos en la actualidad, pues se basaban prin-cipalmente en el uso de plantas medicinales. Por supuesto, el juicio atemporal es muy injusto, ya que la figura de Asclepio está sujeta al contexto cultural griego. Hoy día, la praxis médica dis-ta mucho del uso empírico de especies vegetales milagrosas; la humanidad ha sabido encaminar las grandes revoluciones inte-lectuales en favor de la salud. Aun las disciplinas más reacias a cooperar con la medicina han rendido ideas que siguen enri-queciendo la forma de entender y combatir la enfermedad. La física es un buen ejemplo de ello: hace apenas 100 años, el físi-co alemán Max Planck no hubiera podido imaginar que sus es-fuerzos por entender la radiación de cuerpo negro, que dan origen al concepto de fotón, algún día marcarían la diferencia entre una despedida forzada y el aumento en la esperanza de vida de un paciente con cáncer. O dicho de otro modo, el fotón terminó por sucumbir a la causa de Asclepio.

Este libro tiene por motivo la afortunada relación entre el fotón y Asclepio; se trata de una breve revisión del protagonis-mo del fotón en el diagnóstico y tratamiento del cáncer (que no hace falta decir que se ha vuelto un problema de salud pú-blica). El trabajo consta de cuatro capítulos; en el primero se exponen los conocimientos sobre física que son necesarios para la buena comprensión del lector; las nociones de física moderna se tratan en este apartado. En seguida (capítulo ii) se explica el

2 Para más información acerca de este y muchos otros pasajes de la mitología griega, se recomienda un breve pero extraordinario libro de Robert Graves, Dioses y héroes de la antigua Grecia (Tusquets, Barcelona, 2010).


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papel que desempeñan los fotones altamente energéticos en la adquisición de imágenes del cuerpo humano. En el capítulo iii se descri ben las bases biológicas de la radioterapia con fotones, con el fin de justificar su efectividad, y se discuten sus métodos actuales. Por último, en el capítulo iv se discute la importancia del uso responsable de la radiación ionizante y los riesgos que conlleva su manejo inadecuado. También se incluye un glosa-rio; se pretende que esta sección sirva como material de con-sulta rápida en caso de que se olvide el significado de alguno de los conceptos que continuamente se mencionan en el texto.


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I. La domesticación del átomo

Desde los orígenes de la civilización, los espejos han ocupado un lugar muy importante en la mitología y en las creencias de la gente. Se ha llegado a pensar, incluso, que pueden fungir como portales a mundos simétricos al nuestro. No fue hasta que la cien-cia fundó el estudio de la óptica cuando estas supersticiones pu-dieron ser refutadas, aunque cabe aceptar que las ilusiones crea-das con espejos siguen siendo objeto de fascinación aun entre los cientí ficos. En particular, un efecto verdaderamente asombroso es el llamado “túnel infinito”, que se obtiene al contraponer dos es pejos, es decir, colocándolos uno frente al otro (fi gura i.1). Este fenómeno se entiende como la reflexión sucesiva e infinita de la luz, formando imágenes alternativamente simétricas.

Lo anterior es un buen punto de partida para explicar un concepto que en matemáticas se conoce como fractal. Se deno-mina fractal a las entidades geométricas autosimilares; es decir, a los objetos cuya estructura se repite indefinidamente a diferen-tes escalas.1 La imagen de una persona entre dos espejos (fi gu-ra i.1) cumple, en principio, con esta definición. Sin embargo, los fractales de interés en matemáticas son aquellos que pueden

1 Uno de los ejemplos de la autosimilaridad más sorprendentes que existen es el que refi ere Jorge Luis Borges en su poema “Ajedrez”: “También el jugador es prisio-nero / […] de otro tablero / de negras noches y de blancos días / Dios mueve al juga-dor, y éste, la pieza / ¿Qué Dios detrás de Dios la trama empieza / de polvo y tiempo y sueño y agonía?”


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definirse en términos de procesos iterativos, o lo que es lo mis-mo, a través de un método repetitivo. Por ejemplo, el conjunto de Cantor (un destacado conjunto fractal) se construye con el siguiente procedimiento: i) se define una línea horizontal uni-taria (un entero de longitud); ii) se extrae el tercio interior de la línea, es decir, el intervalo que va de 1/3 a 2/3; iii) se extraen los tercios de los dos segmentos restantes, es decir los intervalos que van de 1/9 a 2/9 y de 7/9 a 8/9. Los pasos siguientes son idénti-cos: quitarle el tercio interior a los intervalos remanentes. En la fi gura i.2 se muestran las primeras siete etapas. Idealmente, el proceso no tiene fin.

Definido el conjunto de Cantor, cabe preguntarse hasta qué punto podría extenderse su construcción en el mundo real.

Figura i.1. Fotograma de la película El ciudadano Kane (Citizen Kane, 1941). En la imagen se muestra al protagonista (Charles Foster

Kane, interpretado por Orson Welles) parado entre dos espejos,con lo que se crea la ilusión de un túnel autosimilar e infi nito.


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Suponga (o intente, que es mejor) que corta un pedazo de hilo suficientemente largo según las instrucciones que se dan en el párrafo anterior. En algún momento llegará a tener problemas meramente tecnológicos: sus instrumentos, ya sea para medir o para cortar, resultarán demasiado grandes para continuar con la tarea. Pero, sólo de esta experiencia, no sería posible saber si se puede seguir construyendo la versión textil del conjunto de Cantor. Sorprendentemente, los griegos (aunque ajenos al con-cepto de fractal) ya se habían planteado un problema similar: la infinita divisibilidad de la materia. El jonio Leucipo parece haber sido el primero en poner en tela de juicio que cualquier trozo de materia, por chico que fuere, puede dividirse en trozos aún más pequeños. Sostenía que existían partículas tan dimi-nutas que ya no podían seguir dividiéndose. Demócrito, su dis-cípulo, continuó con esta línea de pensamiento y llamó átomos (que significa “indivisible”) a las partículas del menor tamaño posible. En consecuencia, esta teoría fue bautizada con el nom-bre de atomismo.

Lo anterior resulta para nosotros, que participamos del jui-cio atemporal, un conocimiento indiscutible. Sin embargo, De-mócrito nunca contó con los medios necesarios para demostrar sus afirmaciones. Pronto, los filósofos de la época (especialmen-te Aristóteles) encontraron que la idea de una materia indivisible resultaba paradójica, con lo que el atomismo se volvió impopu-lar. Sólo después de dos mil años el tema sería retomado por la

Figura i.2. De arriba abajo, pasos sucesivos en la construcción geométrica del conjunto de Cantor.


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ciencia y lo conduciría (con la ayuda de sus métodos) a la vic-toria definitiva.2

El triunfo del atomismo ha tenido consecuencias insospe-chadas. La vida cotidiana se ha beneficiado profundamente del descubrimiento y la domesticación del átomo; una infinidad de herramientas tecnológicas de uso común han sido posibles gra-cias a que Leucipo tenía razón. Por ello es comprensible que el físico norteamericano Richard Feynman (ganador del premio Nobel de Física en 1965) opinara de la hipótesis atómica:

Si, por algún cataclismo, todo el conocimiento quedara destruido y sólo una sentencia pasara a las siguientes generaciones de cria-turas, ¿qué enunciado contendría la máxima información en me-nos palabras? Yo creo que es la hipótesis atómica (o el hecho ató-mico, o como quiera que ustedes deseen llamarlo) según la cual todas las cosas están hechas de átomos: pequeñas partículas en movimiento perpetuo, atrayéndose mutuamente cuando están a poca distancia, pero repeliéndose al ser apretadas unas contra otras. Verán ustedes que en esa simple sentencia hay una enorme cantidad de información acerca del mundo, con tal de que se aplique un poco de imaginación y reflexión.3

Lo único que puede considerarse exagerado en la opinión de Feynman (tal vez porque él era un científico de talento ex-cepcional) es la relación costo-beneficio de la hipótesis atómica. El dominio de la materia a nivel atómico (y subatómico) requi-rió bastante más que “un poco de imaginación y reflexión”; en realidad, fue el fruto de una de las revoluciones intelectuales más brillantes del siglo pasado: la física cuántica. Curiosamen-te, la fractura en la física clásica4 que dio pie a la teoría cuántica

2 Esto último con ciertas reservas, ya que, como se verá, aun los átomos poseen estructura y componentes en común.

3 R. P. Feynman et al., Th e Feynman Lectures on Physics, vol. I, 1-3.4 Entiéndese por física clásica los modelos previos a la formulación de la mecánica

cuántica y la relatividad. Esto incluye la mecánica newtoniana, la termodinámica y el electromagnetismo, entre otros.


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no fue la hipótesis atómica en sí misma, sino la misteriosa na-turaleza de la luz. El descubrimiento del “efecto fotoeléctrico” y la inusual “radiación de cuerpo negro” hicieron que los físicos de finales del siglo xix se replantearan una pregunta que ya se daba por contestada: ¿qué es la luz?

Una extraña dicotomía

Aunque el estudio de la óptica es tan antiguo como los asirios, fue a finales del siglo xvii que surgió formalmente un acalo-rado debate en busca de esclarecer qué era la luz. Por un lado, el físico inglés Isaac Newton —quien también sentó las bases de la mecánica clásica (fi gura i.3)— defendía que la luz estaba for-mada por pequeñas partículas (corpúsculos) que viajaban en línea recta. Por su parte, el físico neerlandés Christiaan Huy-gens entendía a la luz como una onda (véase la nota técnica i.1). La popularidad de Newton hizo que la teoría corpuscular de la

Figura i.3. Sir Isaac Newton dispersando la luz

del sol a través de un prisma para un estudio de óptica.


Una onda es la propagación por el espacio o la materia de una perturbación que implica un transporte de energía (por ejemplo, la vibración de una cuerda de guitarra). Existen varios tipos de onda según su origen y la forma en que se propagan. Particularmente, las ondas electromagnéticas se generan cuando las partículas con carga eléctrica vibran; esto es análogo a la forma en que se puede emitir una onda mecánica agitando el extremo de una cuerda. Por simplicidad aceptaremos que una función senoidal [f(x) = A sen(x)], como la que se muestra en la siguiente figura, es un modelo ge-neral para entender las ondas:

Existen tres características fundamentales con las que puede identificarse una onda: la amplitud, la longitud de onda y la frecuencia. La amplitud (A) corresponde al ancho transversal de la onda y está relacionada con su intensi-dad. La longitud de onda (λ) se define como la distancia entre dos crestas sucesivas. El tiempo que tarda en realizarse un ciclo se llama periodo (T ), y su inverso (es decir, 1/T ) se conoce como frecuencia (ν). Físicamente, la fre-cuencia se entiende como el número de oscilaciones por unidad de tiempo; se mide en hertz, en honor al físico alemán Rudolf Hertz, quien trabajó du-rante su carrera con ondas electromagnéticas. Un hertz (Hz) se define como un ciclo por segundo (1/s).

Una propiedad característica de las ondas es que obedecen al principio de superposición, esto es: dos o más ondas de la misma naturaleza que pa-san por un punto de forma simultánea suman (o restan) sus amplitudes para originar una nueva onda. Si el resultado de la suma es una onda de mayor amplitud, se dice que se da una interferencia constructiva. De lo contrario, se

NOTA TÉCNICA I.1. ONDAS


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