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Medicina Nuclear

PRODUCCION DE RADIOISOTOPOS (05,04,2018)

Producción de Radioisótopos • Las fuentes principales de producción de radioisótopos son: – Reactores – Aceleradores (ciclotrones) -

Los radioisótopos tienen muchas áreas de aplicación: medicina, industria, agricultura e investigación. Los radioisótopos utilizados en medicina nuclear son producidos artificialmente. Los radioisótopos de reactor corresponden a un gran porcentaje de los radioisótopos usados.

TABLA RADIONUCLEIDOS − Tc 99m 6.0 h, 140 keV Reactor/Generador − I 131 8.14 d, 364 keV Reactor − Tl 201 73.0 h, 167 keV Ciclotrón − Ga 67 78.3 h, 93 keV Ciclotrón − Mo 99 67 h, 740 keV Reactor Reactor Nuclear - El primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en la Universidad de Chicago, en Estados Unidos. - Instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena, que permita asegurar la normal producción de energía generada con diferentes objetivos. Existen dos tipos de reactores: Los Reactores de Investigación. Utilizan los neutrones generados en la fisión para producir radioisótopos o bien para realizar diversos estudios en materiales. Los Reactores de Potencia. Estos reactores utilizan el calor generado en la fisión para producir energía eléctrica, desalinización de agua de mar, calefacción, o bien para sistemas de propulsión. Producción de radioisótopos Los reactores para producción de radioisótopos pueden ser de dos tipos: – Reactor tipo piscina moderado con agua ligera y – Reactor tipo tanque moderado con agua pesada Existen en el mundo actualmente 273 reactores en operación de estos 63 son para producción de radioisótopos. CEN La Reina, 5MW. Clasificación de los Reactores Según la velocidad de los neutrones - Reactores rápidos - Reactores térmicos.

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Según el combustible utilizado. - Uranio natural - Uranio enriquecido Según el moderador utilizado - agua ligera ( H2O ) - agua pesada ( D2O ) - grafito Según el refrigerante utilizado - agua (ligera o pesada), - un gas (anhídrido carbónico, aire) - vapor de agua, sales PRODUCCION DE RADIONUCLIDOS - TEORICOS 5.000 - CONOCIDOS 1900 DE LO CUALES: • 270 SON ESTABLES Y EL RESTO SON INESTABLES RADIACTIVOS. • T1/2 = DE MILLONESIMAS DE SEGUNDOS A MILLONES DE AÑOS ISOTOPOS - ESTABLES -> PROTONES =NEUTRONES - INESTABLES -> PROTONES distinto de NEUTRONES - ISOTOPOS RADIACTIVOS = BUSCAN LA ESTABILIDAD A TRAVES DE DESINTEGRACIONES EMITIENDO PARTICULAS RADIACTIVAS Y ENERGIA. NATURALES URANIO 238 92 PROTONES 92 ē 140 NEUTRONES, UNO DE 140 ATOMOS DE URANIO TIENE MENOS NEUTRONES, ESTE ATOMO ES U 235. ARTIFICIALES SE OBTIENEN BOMBARDEANDO BLANCOS CON NEUTRONES, PROTONES, PARTICULAS ALFA, GAMMA. APLICACIONES • AGRICULTURA • INDUSTRIA • TRAZADORES • OTRA DISCIPLINAS C 14 DESCRIPCIÓN DEL REACTOR El reactor está constituido por un tanque de acero inoxidable dentro del cual se encuentra el núcleo de elementos combustibles de uranio enriquecido al 20%. El tanque se encuentra lleno de agua desmineralizada que sirve tanto de refrigerante como de moderador. La población de neutrones y por lo tanto la energía generada se controla gracias al movimiento de las barras de control construidas en un material que absorbe neutrones. (Boro cadmio)

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REACCION EN CADENA ES UNA SUCESION DE FISIONES EN LA QUE LOS NEUTRONES LIBERADOS EN CADA REACCION PRODUCEN NUEVAS FISIONES, LOS REACTORES NUCLEARES FUNCIONAN POR FISIONES ESPONTANEAS. EXPLOSION= 10- 9 SEG. H20 PESADA= TODO EL HIDROGENO ESTA EN FORMA DE ISOTOPO MASA 2 O DEUTERIO. EL HIDROGENO DEL AGUA ORDINARIA NO CONTIENE MAS QUE 1 PARTE DE HIDROGENO EN FORMA DE DEUTERIO POR 6000 DE H2O. Algunos reactores de investigación tienen como función principal, o incluso exclusiva, la fabricación de radioisótopos para uso farmacológico o industrial. En este tipo de sistemas especializados en producir sustancias radioactivas se recurre a la parte del reactor donde hay mayor densidad de neutrones: el núcleo, que puede tener cavidades diseñadas para albergar transitoriamente contenedores con sustancias a irradiar. REACTOR NUCLEAR - ES UN SISTEMA DE MATERIAL FISIONABLE, CONVENIENTEMENTE REFRIGERADO, CONCEBIDO PARA OBTENER UNA REACCION NUCLEAR EN CADENA CONTROLADA. - REACTOR DE INVESTIGACION - REACTOR NUCLEAR DE POTENCIA - REACTOR RAPIDO O REPRODUCTOR - UN REACTOR NUCLEAR TIENE UNA MASA CRITICA DE URANIO, CAPAZ DE MANTENER UNA REACCION EN CADENA

La fisión - Al comienzo un neutrón incide sobre el combustible nuclear donde se encuentran los núcleos de Uranio 235. - El neutrón y el núcleo de Uranio235 forman un núcleo inestable de Uranio 236 que no tardará en fisionar. - El uranio fisiona dando lugar a productos de fisión y varios neutrones. - Los productos de fisión se frenan en el combustible generando calor. - La radiación gamma se absorbe en los materiales estructurales. - Los neutrones son absorbidos en los materiales absorbentes de neutrones o el moderador o viajan por el líquido moderador de tal manera que uno de los neutrones incidirá sobre un núcleo de uranio manteniendo la cadena de reacciones.

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FISION ESPONTANEA - SE PRODUCE EN NUCLIDOS CON EXCESO DE NEUTRONES, LOS 2 NUCLIDOS NUEVOS SE LLAMAN FRAGMENTOS DE FISION, ADEMAS SE DESPRENDEN 2 A 3 NEUTRONES. - ENERGIA NUCLEAR = SE PUEDE OBTENER POR FISION O FUSION DE ELEMENTOS. Producción de radioisótopos Tipos de reacciones nucleares

Producción de Radioisótopos La producción de radioisótopos comprende varias actividades: – Preparación del blanco – Irradiación – Transporte del blanco irradiado – Procesamiento radioquímico – Control de calidad – Marcación de moléculas – Transporte hacia el usuario final – Gestión de los desechos radiactivos Los radioisótopos producidos en los reactores nucleares resultan de la exposición de un blanco apropiado al flujo neutrónico por un tiempo determinado, produciéndose diferentes reacciones nucleares que dependen de: – Energía de los neutrones – Flujo neutrónico (n·cm2/s) – Características del blanco – Sección eficaz para la reacción deseada (cm-1, Barns)

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• Produce aproximado 5 millones de watts • Dentro de una gran piscina, con profundidad de 10 metros y 250m3 de agua desmineralizada • Hecho de 1.5 mts de concreto Sistema de Contención de un Reactor de Potencia » La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es un material cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento combustible. » La segunda barrera es la estructura que contiene al Uranio, es decir, se trata de las barras de combustible. » La tercera barrera es la vasija que contiene el núcleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de presión y se construye de un acero especial con un revestimiento interior de acero inoxidable. » La cuarta barrera lo constituye el edificio de contención en su conjunto SEGURIDAD EN REACTORES NUCLEARES Sistemas de Control. » Básicamente está constituido por las barras de control y por diversa instrumentación de monitoreo. » Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecánicos, eléctricos u electrónicos, de tal manera de asegurar con rapidez la extinción de las reacciones nucleares. » La instrumentación de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior del núcleo del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia de aquellos parámetros necesarios para la seguridad: presión, temperatura, nivel de radiación, etc. Efecto Cherenkov • Se produce cuando una partícula cargada se mueve en un medio transparente con velocidad mayor que la que tendría la luz en dicho medio. • En el agua, puede haber partículas que se desplacen más rápido que la luz DENTRO DEL MEDIO ÁCUOSO. • La única condición es que las partículas en desplazamiento estén eléctricamente cargadas, como los electrones o incluso, moléculas de agua ionizadas. • Al ionizarse, el agua da protones libres (radicales H+) o radicales oxhidrilo (OH-) que por cierto están cargados eléctricamente y pueden ser acelerados por las partículas radiactivas que colisionan con ellos. • Los contenedores con sustancias ya irradiadas ascienden luego a las “celdas calientes”, gabinetes radiológicamente blindados.

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• Allí se desempaqueta la sustancia, se la inspecciona y, de acuerdo a su naturaleza, se la envía a otras instalaciones de alta o mediana seguridad para formularla y transformarla en radiofármacos o isótopos de uso industrial o agrícola. • Estos contenedores son cápsulas neumáticas. Viajan por tubos presurizados, parecidos a los viejos sistemas neumáticos de comunicación postal de los edificios de oficinas de principios del siglo XX, sólo que no usan aire atmosférico sino nitrógeno puro. • Estos sistemas de traslado intrareactor de sustancias se llaman“rabbits” (conejos) por su pequeño tamaño y alta velocidad. • Los grandes reactores de producción suelen tener muchos “rabbits”, con sus complejos de celdas calientes y laboratorios radioquímicos adjuntos. • El personal también cuenta con un médico especialista en atención del irradiado y el contaminado, además de estar bajo un programa de vigilancia médica que considera: exámenes clínicos, análisis hematológicos y espectroscopía gamma de orina. • En trabajos con riesgo radiológico, el personal, cuenta con la asesoría del Supervisor de Protección Radiológica (SSR) profesional perteneciente al Departamento de Protección Radiológica Operacional de la CCHEN • Finalmente al salir del Reactor contamos con detectores de radiación Pies-Manos-Ropa y procedimientos para posibles contaminaciones como por ejemplo duchas en la puerta del reactor entre otros. COMPONENTES DE UN REACTOR NUCLEAR DE INVESTIGACION • COMBUSTIBLE • MODERADOR • REFRIGERANTE • REFLECTOR • BARRAS DE CONTROL NUCLEO DEL REACTOR • ESTA FORMADO POR EL COMBUSTIBLE Y EL MODERADOR • MODERADOR = ESTA CONSTITUIDO POR H2O PESADA O GRAFITO Y SU FUNCION ES FRENAR LOS NEUTRONES DE ALTA ENERGIA, PARA INDUCIR A UNA REACCION NUCLEAR CLASIFICACION DE LOS NEUTRONES • NEUTRONES LENTOS O TERMICOS= (n,γ)0,0 25ev • NEUTRONES INTERMEDIOS= 0,5ev-10KeV • NEUTRONES RAPIDOS= (n,2n)10 KeV a 20 KeV Ejs. 92U238+ 1n 92U237+ 1n + 1n • NEUTRONES RELATIVISTICOS= (n,3n),(2n,p) 20 MeV COMPONENTES DE UN REACTOR NUCLEAR DE INVESTIGACION BARRAS DE CONTROL ESTAN HECHAS DE BORO-CADMIO QUE TIENEN ALTA POTENCIA DE CAPTURA DE NEUTRONES, ALTA SECCION EFICAZ, SE MIDE EN Barns (10-24 cm2)

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REFLECTOR CIRCUNDA AL COMBUSTIBLE, DEVUELVE LOS NEUTRONES QUE TIENDEN A ESCAPAR, IMPIDE QUE LOS NEUTRONES SE NEUTRALIZEN CON EL H2O, GENERALMENTE SE USA BERILIO QUE TIENE UNA SECCION EFICAZ BAJA. REFRIGERANTE SE USA H20 QUE NO ESTA NUNCA EN CONTACTO CON LOS NEUTRONES

IRRADIACION DE BLANCOS VARIABLES QUE INFLUYEN EN UNA BUENA ACTIVACION NEUTRONICA • INTENSIDAD DEL FLUJO DE NEUTRONES • ENERGIA DE LOS NEUTRONES • SECCION EFICAZ DEL BLANCO ACTIVIDAD ESPECIFICA = ACTIVIDAD/ GRAMO ACTIVIDAD DE SATURACION = MAXIMA ACTIVIDAD LOGRADA POR EL FLUJO DE NEUTRONES, AUNQUE SE IRRADIE CON MAS NEUTRONES EL BLANCO, NO SE OBTENDRA MAYOR ACTIVIDAD. ALREDEDOR DEL NUCLEO EXISTEN BARRAS PARA LA INSERCION DE BLANCOS ACTIVACION NEUTRONICA ES PRODUCIDA POR NEUTRONES LENTOS, ESTOS CHOCAN CON EL NUCLEO DEL BLANCO, CONVIRTIENDOLO EN UN NUCLEO PRODUCTO RADIACTIVO, Y PUEDE SER DE 2 FORMAS:

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(n, γ) EL NUCLEO BLANCO Z X A CAPTURA 1 n Y SE DESESTABILIZA, LOGRANDO NUEVAMENTE LA ESTABILIDAD MEDIANTE LA EMISION DE UN FOTON γ

BLANCO Y PRODUCTO SON EL MISMO ELEMENTO QUIMICO NO HAY TRANSMUTACION < ACTIVIDAD ESPECIFICA -

(n ,p) EL NUCLEO BLANCO CAPTURA 1 n Y LIBERA RAPIDAMENTE 1 PROTON BLANCO Y PRODUCTO NO SON EL MISMO ELEMENTO. HAY TRANSMUTACION > ACTIVIDAD ESPECIFICA

CONDICIONES PARA LAS CAPSULAS DE LOS BLANCOS • SOLDADURAS EN FRIO HERMETICA • SE SOMETE A UN TRATAMIENTO TERMICO CON NITROGENO LIQUIDO Y LUEGO SE SOMETE A H2O HELADA PARA VERIFICAR SU HERMETICIDAD • 30 GR X CAPSULA PARA IRRADIAR CONDICIONES DE LOS BLANCOS • TERMINANTEMENTE ESTABLES Y MUY PUROS • EL BLANCO DEBE FACILITAR EL TRABAJO POSTERIOR • USAR SIEMPRE METALES ESTABLES Y OXIDOS • AL ELEGIR SE DEBE TENER EN CUENTA SU T ½ • SE USAN DE PREFERENCIA INORGANICOS: OXIDOS- CARBONATOS-SULFATOSFOSFATOS-ARSENIATOS CICLOTRON Un ciclotrón es una máquina que acelera partículas, con la finalidad de bombardear un blanco, para producir un radioisótopo determinado. CARACTERÍSTICAS • El ciclotrón tiene forma cilíndrica. • En su interior consta de dos electroimanes llamados dees. En el centro de la estructura se inyectan los iones que serán acelerados. En su periferia posee ventanas de salida para los iones. ¿CÓMO FUNCIONA UN CICLOTRÓN? Mediante la aplicación de un campo eléctrico oscilante y uno magnético los iones son acelerados haciéndolos girar en órbitas de radiofrecuencias crecientes Funcionamiento • Aceleración (Campo eléctrico) • Desviación de la trayectoria (Campo Magnético) • Expulsión de la partícula • Separación de la partícula • Irradiación de blanco

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GENERADORES TIPOS DE GENERADORES - Generadores de columna húmeda - Generadores de columna seca GENERADORES SON SISTEMAS DE SEPARACION QUE CONTIENEN UN RADIONUCLIDO PADRE DE SEMIPERIODO RELATIVAMENTE LARGO, DEL CUAL PUEDE SEPARARSE POR MEDIOS QUIMICOS O FISICOS A INTERVALOS PERIODICOS UN RADIONUCLIDO DE SEMIPERIODO CORTO - COLUMNA SECA MAYOR COSTO MEJOR - COLUMNA HUMEDA MENOR COSTO GENERADOR 99 Mo / 99mTc - Un generador consta de una columna de cristal o plástico que se carga con alúmina (Al2O3). - El anión molibdato 99MoO42- es fijado por la alúmina en medio ácido y en estas condiciones de pH, el 99MoO42- da lugar a oligómeros, tales como el heptamolibdato Mo70246-, o a heteropolímeros como Al(Mo6O24)9-, especies que se unen, de forma irreversible, a la superficie de la alúmina El Mo99 se obtiene de Fisión del Uranio en un Reactor Nuclear Este debe ser purificado antes de usarse en la elaboración de un generador Este Mo99 se ajusta a un pH ácido produciéndose varias especies anionicas tales como el molibdato (MoO4) y para molibdato (MoO27) Estos molibdatos son cargados en una columna que contiene alúmina(Al2O3) La alúmina es previamente lavada con una solución a pH=5, así se carga (+) La alúmina (+) hace que los aniones molibdatos se unan firmemente a ella El generador completo es autoclavado para hacerlo estéril Luego es ensamblado, bajo condiciones asépticas, dentro de su contenedor blindado El generador es eluído de manera habitual, con suero fisiológico, y a este eluído se le aplican diferentes pruebas antes de aprobarlo para el uso clínico El 99mTc se eluye del 99Mo mediante una solución acuosa estéril de NaCl al 0.9%. Inmediatamente después de la elución comienza el crecimiento del 99mTc en la columna por desintegración del 99Mo. Puede realizarse una nueva elución cuando se haya alcanzado el equilibrio (22.9 horas) o antes, si fuera necesario, si bien el rendimiento no sería el máximo y dependería del tiempo transcurrido entre la elución previa y la actual. El 99Mo en la columna 99MoO42- tiene una carga 2- y el 99mTc existente en la columna, formado a partir del 99Mo se encuentra en forma de 99mTcO4-, con una carga iónica del 1-.

Puesto que la unión del 99Mo a la resina es más fuerte que la del 99mTc, la elución con suero fisiológico remueve la débil unión del 99mTcO4-permaneciendo fijado el 99Mo en la alúmina de la columna

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PH El pH del eluido se situará entre 4.5 y 7.5 siendo 5.5 el pH habitual obtenido en eluídos de diferentes generadores Las pruebas que se realizan al eluído del generador son: − Eficiencia de elución − Volumen de elución − Pureza radionucleídica (Mo) − Pureza radioquímica − Contaminación por iones Al − pH − Pirógenos y esterilidad RADIOFARMACOS FARMACO + RADIONUCLEIDO = RADIOFARMACO DIFUSION SIMPLE • Tc MDP METILEN DIFOSFONATO • CINTIGRAMA OSEO ELECCION DE UN GENERADOR IDEAL • EL RADIONUCLIDO PADRE T ½ LARGO • EL RADIONUCLIDO HIJO T ½ CORTO Y BAJA ENERGIA • SEPARACION PADRE HIJO DESTILACION - COPRECIPITACION –EXTRACCION POR SOLVENTE – COLUMNA CROMATOGRAFICA (FACIL MANIPULACION Y TRANSPARENTE) GENERADORES DE COLUMNA PASO DE SOLUCION SALINA A TRAVES DE UN LECHO DE ALUMINA DONDE ES ABSORBIDO EL Mo 99 COMO MOLIBDATO PROPIEDADES DE LOS GENERADORES • DEBEN SER SIMPLES • FACIL DE OPERAR • PRODUCTO DE ALTA PUREZA • EL PRODUCTO DEBE ESTAR EN LA FORMA QUIMICA APROPIADA PARA UTILIZAR CON UN MINIMO DE MANIPULACION • DEBE SER COMPACTO QUE PERMITA EL BLINDAJE Y EMBARQUE ECONOMICO GENERADOR Mo 99 Tc 99m El generador más usado es el generador de Mo99/Tc99m, el cual se desarrolló en 1957 y se utilizó por primera vez en 1961 El Mo99 produce una vida útil del sistema de 2 semanas y generalmente es reemplazado semanalmente GENERADORES • COLUMNAS DE VIDRIO -ALUMINA • ISOTOPO PADRE • ISOTOPO HIJO • ELUCION • SUERO FISIOLOGICO

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TIPOS DE GENERADORES GENERADORES DE COLUMNA HUMEDA - PRESENTA 1 AGUJA PARA ELUIR - SE ELUYE CON UN FRASCO AL VACIO, - EL SUERO FISIOLOGICO SE ENCUENTRA DENTRO DEL GENERADOR. (PROBLEMAS Tc 99 ESTABLE, LA MANGUERA QUEDA CON SUERO FISIOLOGICO) GENERADORES DE COLUMNA SECA - PRESENTA 2 AGUJAS PARA ELUIR - SE ELUYE CON UN FRASCO DE SUERO FISIOLOGICO Y UN FRASCO AL VACIO (NO HAY PROBLEMAS CON EL Tc99 ESTABLE, PORQUE LA MANGUERA QUEDA SECA) - CILINDROS DE PIREX CON SOLUCION SALINA - FRASCO AL VACIO, DOS AGUJAS DE ENTRADA CONECTADAS A LOS DOS CILINDROS DE PIREX - FILTRO DE VIDRIO CALCINADO DESTINADO A RETENER LA ALUMINA EN DONDE SE ENCUENTRA 99Mo - TODO EL SISTEMA SE ENCUENTRA PROTEGIDO POR UN BLINDAJE DE PLOMO DE 40 mm DE ESPESOR CUBIERTO DE UN CILINDRO DE PLASTICO QUE PERMITE EL TRANSPORTE DECAIMIENTO Mo99Tc99m

− − − −

En este tipo de generador se debe acoplar primero un vial que contiene suero, (5ml) Luego se acopla el vial receptor del eluído, al vacío con 30ml Una vez conectado el vial al vacío se produce la elución, este atrae los 5 ml de suero a través de la columna con la actividad de Tc 99m Los 25ml restantes secan la columna del generador

LA ACTIVIDAD ESPECIFICA DEL Mo99 -> ALUMINA LA CANTIDAD DE ALUMINA DETERMINA -> ml ELUCION ACTIVIDAD ESPECÍFICA DEL Mo 99 DETERMINA -> PERTECNECIATO GENERADOR DE COLUMNA HUMEDA Su principal característica es que unido a la columna de alúmina existe un gran vial de suero fisiológico, el cual está constantemente bañándola.

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La elución se realiza conectando un vial al vacío y estéril. El vacío del vial es la fuerza necesaria para arrastrar el suero a través de la columna. EFICIENCIA DE ELUCION PRODUCCION DE Mo 99 1.- POR IRRADIACION CON NEUTRONES DE MOLIBDENO NATURAL EN UN REACTOR DE FLUJO. ACTIVIDAD ESPECIFICA BAJA. 2.- EL Mo 99 QUE SE UTILIZA EN LA FABRICACION DE GENERADORES Mo – Tc SE PRODUCE POR FISION DEL URANIO 235 Y ES SEPARADO QUIMICAMENTE DEL RESTO DE LOS PRODUCTOS DE FISIONCARRIER FREE (libre portador) ACTIVIDAD ESPECIFICA ALTA LA ELUCIÓN − La act. acumulada es eluída lavando la columna de alumina con suero fisiológico, debido a que el ión perteneciato (Na99mTcO4) es fácilmente desplazado por el ión cloruro. − Típicamente el 70 a 90% de la actividad total es removida con apenas 5 ml de suero fisiológico. − Así, la actividad de Mo sigue decayendo por lo que la cantidad de Tc99m eluída será menor EXPIRACION DEL ELUIDO DEL Tc99m DE UN GENERADOR − EL ELUIDO NO PUEDE SER USADO DESPUES DE 12 HORAS. − LA FECHA DE VENCIMIENTO DEL GENERADOR DE Tc99m ES DE MAXIMO 30 DIAS DESPUES DE SU CALIBRACION. − DESPUES DE ESA FECHA LA CANTIDAD DE Mo POR mCi DE Tc99m S...