Un nuevo método permite estimar la radiación que recibe el cuerpo humano en el espacio

• Título del artículo original: Novel Tetrahedral Human Phantoms for Space Radiation Dose Assessment
• Autores/as: Chesal M. A. , Blue R. S. , Aunon-Chancellor S. A. , Chancellor J. C. 
• Institución de la primera autora: Department of Physics & Astronomy, Louisiana State University, EEUU
• Estado de la publicación: en revisión en npj Microgravity, acceso abierto en arxiv.

Los viajes espaciales tripulados están plagados de retos, que podríamos resumir en uno principal: mantener viva a la tripulación. Así que hay que asegurarse de que tengan oxígeno suficiente, agua, alimentos, material médico, algo de entretenimiento y… ¿No se nos olvida algo? ¡Protegerles de la radiación! Pero espera, ¿de cuánta radiación exactamente?

Pequeña introducción a radiaciones ionizantes

Llamamos radiación a la propagación de energía, ya sea en forma de ondas electromagnéticas (como como ejemplo la luz) o mediante partículas subatómicas (es decir: núcleos atómicos, electrones o neutrones). Algunos tipos de radiación, al interaccionar con la materia, son capaces de arrancar electrones de los átomos, proceso conocido como ionización. Así, estas radiaciones se denominan ionizantes, como la luz ultravioleta, los rayos X o los gamma. Cuando es el cuerpo humano el que está sometido a esta radiación, las ionizaciones pueden producirse en las moléculas de tejidos vivos, pudiendo originar alteraciones.

En realidad, estas radiaciones están por todas partes y convivimos con ellas día a día sin mayor problema: en el suelo, el aire, ¡incluso nuestro cuerpos son radioactivos! Sin embargo, si nos exponemos a alguna fuente “extra” de radiación necesitamos medir de alguna forma si será peligrosa para nuestro cuerpo. El campo que estudia este asunto se llama dosimetría: para un objeto expuesto a radiación ionizante, se puede calcular la dosis absorbida de radiación como la cantidad de energía depositada en una unidad de masa (medida en Grays, siendo un Gy un Julio de energía por kilogramo de materia). Bueno, ¿y qué tiene todo esto que ver con el espacio?

De la medicina al espacio, ¡y tiro porque me toca!

Vayamos por partes: un ámbito donde la dosimetría es verdaderamente importante es la medicina, donde debe verificarse que los instrumentos de diagnóstico o tratamiento basados en el uso de radiaciones ionizantes (como los equipos de radiografía) depositan en el cuerpo humano las dosis de radiación deseadas. Para ello se utilizan “fantomas”, que son modelos antropomórficos tomados como equivalente al cuerpo humano y utilizados para estimar dosis absorbidas al someterse a la radiación del instrumento.

En los últimos tiempos se han empezado a realizar también pruebas mediante simulaciones por ordenador, para lo que se utilizan modelos digitales conocidos como “fantoma computacional antropomórfico”. Sin embargo, para que estas simulaciones sean realistas y útiles se necesitan fantomas muy detallados, que respondan de forma muy parecida a como lo hará una cuerpo humano real. Por ejemplo, uno de los fantomas computacionales más recientes fue publicado en 2020 por la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR), y reproduce una gran cantidad de sistemas anatómicos utilizando mallas poligonales para representar sus superficies. Este es el que utiliza el equipo firmante del artículo de hoy. Pero no para calcular dosis médicas de radiación, ¡sino espaciales!

El espacio, la última frontera ionizante

El equipo se plantea calcular la dosis absorbida por un cuerpo humano en el espacio. Para ello, realizan simulaciones sometiendo fantomas computacionales a un modelo de radiación ionizante al que podrían estar sometidos en el interior de una nave espacial. Es decir, necesitan modelar dos cosas: el cuerpo humano y la radiación.

Los modelos antropomórficos utilizados son una versión mejorada de los fantomas de la CIPR, que ahora contienen información del volumen y no sólo de superficie, al transformar los polígonos que se utilizaban para modelar las superficies en tetraedros (Figura 1). En concreto utilizan dos fantomas, “femenino” y “masculino”, al percentil 90 de estatura y peso de la población caucásica. Dicho de otra manera: son tan o más altos y pesados que el 90% de dicha población.

Y si los cuerpos utilizados son modelos, también hay que modelar la radiación a la que se les someterá en la simulación. En el espacio hay numerosas fuentes de radiación ionizante: la radiación solar, los cinturones de Van Allen o los rayos cósmicos galácticos son algunos ejemplos. Estudios previos han determinado que estos últimos son la contribución mayoritaria a la radiación que debe preocupar a las tripulaciones de astronautas. Se trata principalmente de protones e iones de helio procedentes de más allá del Sistema Solar, pero también iones más pesados que pueden viajar con energía suficiente (de kilo- a giga-electronvoltios) como para atravesar el blindaje de una nave espacial. Cuando esta radiación atraviesa dicho blindaje puede interaccionar con él y generar iones más ligeros pero potencialmente más dañinos para el cuerpo humano. En este caso, el equipo la simula como iones de hierro que interaccionan con un material de anchura variable generando una distribución de partículas secundarias similar a la medida en el interior de la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés).

El equipo simula el caso concreto de una misión de 6 a 9 meses en la ISS en la que, de acuerdo con sus resultados, la dosis diaria sería de 0.29-0.30 mGy (un poco menor que la dosis de referencia para una radiografía de tórax, 0.4 mGy) y 50-80 mGy en total (Figura 2). Esto coincide con las dosis medidas anteriormente en misiones reales, con un margen de error mucho menor (10% de desviación) que los estudios anteriores con fantomas menos detallados, lo que sugiere que esta técnica puede ser aplicada en el contexto de los viajes espaciales.

Una gran ventaja de estos fantomas computacionales es que permiten obtener resultados desglosados por sistemas o incluso órganos concretos, de manera que el equipo proporciona datos detallados para sistemas tan complejos como el gastrointestinal, el circulatorio o el cerebro. Por ejemplo, son capaces de determinar que las glándulas salivales y las amígdalas son las regiones con mayores dosis absorbidas de todo el sistema gastrointestinal.

Aplicaciones futuras

Este trabajo muestra que los fantomas antropomorfos computerizados pueden utilizarse para realizar estimaciones bastante precisas de las dosis absorbidas por el cuerpo humano en el espacio. Aun así, hay mucho margen de mejora todavía. Futuras misiones a Marte, por ejemplo, para las que el estudio estima una dosis absorbida de 500 mGy en tres años (equivalente a unas 1250 radiografías de tórax), podrían utilizar modelos personalizados con datos médicos de cada astronauta para calcular las dosis específicas, permitiendo una mejor prevención de posibles complicaciones médicas.