ЛЕКЦИЯ
РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
Природата на рентгеновите лъчи
Рентгеново лъчение на спирачно лъчение, неговите спектрални свойства.
Характерно рентгеново лъчение (за преглед).
Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята.
Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината.
Рентгеновите лъчи (X - лъчи) са открити от К. Рентген, който през 1895 г. става първият Нобелов лауреат по физика.
Природата на рентгеновите лъчи
рентгеново лъчение - електромагнитни вълни с дължина от 80 до 10 -5 nm. Дълговълновото рентгеново лъчение се покрива от късовълново UV лъчение, а късовълновото – от дълговълново лъчение.
Рентгеновите лъчи се произвеждат в рентгенови тръби. Фиг. 1.
K - катод
1 - електронен лъч
2 - Рентгеново лъчение
Ориз. 1. Устройство с рентгенова тръба.
Тръбата представлява стъклена колба (с възможно висок вакуум: налягането в нея е около 10–6 mm Hg) с два електрода: анод A и катод K, към които се прилага високо напрежение U (няколко хиляди волта). . Катодът е източник на електрони (поради явлението термионна емисия). Анодът е метален прът, който има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Той е изработен от високо топлопроводим материал за отстраняване на топлината, генерирана по време на електронно бомбардиране. На скосения край има плоча, изработена от огнеупорен метал (например волфрам).
Силното нагряване на анода се дължи на факта, че основният брой електрони в катодния лъч, ударил анода, изпитват многобройни сблъсъци с атомите на веществото и им предават голямо количество енергия.
Под действието на високо напрежение електроните, излъчвани от нишката с горещ катод, се ускоряват до високи енергии. Кинетичната енергия на електрона е равна на mv 2 /2. Тя е равна на енергията, която придобива при движение в електростатичното поле на тръбата:
mv 2 /2 = eU(1)
където m, e са масата и заряда на електрона, U е ускорителното напрежение.
Процесите, водещи до появата на спирачно рентгеново лъчение, се дължат на интензивното забавяне на електроните в анодния материал от електростатичното поле на атомното ядро и атомните електрони.
Механизмът на произход може да бъде представен по следния начин. Движещите се електрони са някакъв вид ток, който образува свое собствено магнитно поле. Електронното забавяне е намаляване на силата на тока и съответно промяна в индукцията на магнитното поле, което ще предизвика появата на променливо електрическо поле, т.е. появата на електромагнитна вълна.
По този начин, когато заредена частица лети в материята, тя се забавя, губи своята енергия и скорост и излъчва електромагнитни вълни.
Спектрални свойства на рентгеновото спирачно лъчение .
Така че, в случай на забавяне на електрони в анодния материал, спирачно излъчване.
Спектърът на спирачното лъчение е непрекъснат. Причината за това е следната.
Когато електроните се забавят, всеки от тях има част от енергията, използвана за нагряване на анода (E 1 = Q), другата част за създаване на рентгенов фотон (E 2 = hv), в противен случай, eU = hv + В. Съотношението между тези части е произволно.
По този начин непрекъснатият спектър на рентгеновото спирачно лъчение се образува поради забавянето на много електрони, всеки от които излъчва един рентгенов квант hv (h) със строго определена стойност. Стойността на този квант различни за различните електрони.Зависимост на рентгеновия енергиен поток от дължината на вълната , т.е. рентгеновият спектър е показан на фиг.2.
Фиг.2. Спектър на спирачно лъчение: а) при различни напрежения U в тръбата; б) при различни температури Т на катода.
Късовълновото (твърдо) лъчение има по-голяма проникваща способност от дълговълновото (меко) излъчване. Меката радиация се поглъща по-силно от материята.
От страната на късите дължини на вълната, спектърът завършва рязко при определена дължина на вълната m i n . Такова спирачно лъчение с къса вълна възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Спектралният състав на лъчението зависи от напрежението върху рентгеновата тръба, като с увеличаване на напрежението стойността на m i n се измества към къси дължини на вълната (фиг. 2а).
Когато температурата T на нажежаемостта на катода се промени, електронната емисия се увеличава. Следователно токът I в тръбата се увеличава, но спектралният състав на излъчването не се променя (фиг. 2b).
Енергийният поток Ф на спирачното лъчение е право пропорционален на квадрата на напрежението U между анода и катода, силата на тока I в тръбата и атомния номер Z на анодното вещество:
Ф = kZU 2 I. (3)
където k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Характерни рентгенови лъчи (за запознаване).
Увеличаването на напрежението върху рентгеновата тръба води до факта, че на фона на непрекъснат спектър се появява линия, която съответства на характерното рентгеново лъчение. Това излъчване е специфично за материала на анода.
Механизмът на възникването му е следният. При високо напрежение ускорените електрони (с висока енергия) проникват дълбоко в атома и избиват електроните от вътрешните му слоеве. Електроните от горните нива преминават към свободни места, в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване.
Спектрите на характеристичното рентгеново лъчение се различават от оптичните спектри.
- Еднородност.
Еднородността на характеристичните спектри се дължи на факта, че вътрешните електронни слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно поради силовото действие от ядрата, което нараства с увеличаване на елементния брой. Следователно, характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрен заряд. Това беше експериментално потвърдено от служител на Roentgen - Мозли, който измерва честотите на преход на рентгенови лъчи за 33 елемента. Те създадоха закона.
ЗАКОН НА МОЗЛИ – корен квадратен от честотата на характеристичното излъчване е линейна функция на порядковия номер на елемента:
= A (Z - B), (4)
където v е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент. A, B са константи.
Значението на закона на Мозли се състои във факта, че тази зависимост може да се използва за точно определяне на атомния номер на изследвания елемент от измерената честота на рентгеновата линия. Това изигра голяма роля при разположението на елементите в периодичната таблица.
Независимост от химично съединение.
Характерните рентгенови спектри на атома не зависят от химичното съединение, в което влиза атомът на елемента. Например, рентгеновият спектър на кислороден атом е еднакъв за O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения се различават. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името " характерно излъчване".
Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята
Въздействието на рентгеновите лъчения върху обектите се определя от първичните процеси на рентгеново взаимодействие. фотон с електрониатоми и молекули на материята.
Рентгеново лъчение в материята абсорбираили се разсейва. В този случай могат да възникнат различни процеси, които се определят от съотношението на енергията на рентгеновия фотон hv и йонизационната енергия Аu (йонизационната енергия Аu е енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони от атома или молекулата).
а) Кохерентно разсейване(разсейване на дълговълнова радиация) възниква, когато релацията
За фотоните поради взаимодействие с електрони се променя само посоката на движение (фиг. 3а), но енергията hv и дължината на вълната не се променят (следователно това разсейване се нарича съгласуван). Тъй като енергиите на фотон и атом не се променят, кохерентното разсейване не засяга биологичните обекти, но при създаване на защита срещу рентгеново лъчение трябва да се вземе предвид възможността за промяна на първичната посока на лъча.
б) фотоелектричен ефектсе случва, когато
В този случай могат да се реализират два случая.
Фотонът се абсорбира, електронът се отделя от атома (фиг. 3б). Настъпва йонизация. Отделеният електрон придобива кинетична енергия: E k \u003d hv - A и. Ако кинетичната енергия е голяма, тогава електронът може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови. вториелектрони.
Фотонът се абсорбира, но енергията му не е достатъчна, за да отдели електрона и възбуждане на атом или молекула(фиг. 3в). Това често води до последващо излъчване на фотон във видимата радиационна област (рентгенова луминесценция), а в тъканите - до активиране на молекули и фотохимични реакции. Фотоелектричният ефект възниква главно върху електроните на вътрешните обвивки на атоми с високо Z.
v) Некохерентно разсейване(Ефектът на Комптън, 1922) възниква, когато енергията на фотоните е много по-голяма от енергията на йонизация
В този случай електронът се отделя от атома (такива електрони се наричат откатни електрони), придобива някаква кинетична енергия E k, енергията на самия фотон намалява (фиг. 4г):
hv=hv" + A и + E k. (5)
Полученото излъчване с променена честота (дължина) се нарича втори, той се разпръсква във всички посоки.
Електроните на откат, ако имат достатъчна кинетична енергия, могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък. Така в резултат на некохерентно разсейване се образува вторично разсеяно рентгеново лъчение и атомите на веществото се йонизират.
Тези (a, b, c) процеси могат да причинят редица последващи. Например (фиг. 3d), ако по време на фотоелектричния ефект електроните се отделят от атома върху вътрешните обвивки, тогава електроните с повече високи нива, което е придружено от вторичното характерно рентгеново излъчване на даденото вещество. Фотоните на вторичната радиация, взаимодействащи с електрони на съседни атоми, могат от своя страна да причинят вторични явления.
кохерентно разсейване
ъъъ 
енергията и дължината на вълната остават непроменени
фотоелектричен ефект
фотонът се абсорбира, е - отделя се от атома - йонизация
hv \u003d A и + E до
атом А се възбужда при поглъщане на фотон, R е рентгенова луминесценция
некохерентно разсейване
hv \u003d hv "+ A и + E до
вторични процеси във фотоелектричния ефект
Ориз. 3 Механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята
Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината
Когато рентгеновите лъчи попаднат върху тяло, те се отразяват леко от повърхността му, но основно преминават дълбоко, докато частично се абсорбират и разсейват, и частично преминават.
Законът за отслабването.
Рентгеновият поток се отслабва в материята съгласно закона:
F \u003d F 0 e - x (6)
където е линейно коефициент на затихване,което по същество зависи от плътността на веществото. Той е равен на сбора от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване 1, некохерентно 2 и фотоелектричен ефект 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Приносът на всеки член се определя от енергията на фотона. По-долу са дадени съотношенията на тези процеси за меките тъкани (вода).
|
Енергия, keV |
фотоелектричен ефект |
Комптън - ефект |
наслади се масов коефициент на затихване,което не зависи от плътността на веществото :
m = /. (осем)
Коефициентът на затихване на масата зависи от енергията на фотона и от атомния номер на поглъщащото вещество:
m = k 3 Z 3 . (9)
Коефициентите на затихване на масата на костите и меките тъкани (вода) са различни: m кост / m вода = 68.
Ако по пътя на рентгеновите лъчи се постави нехомогенно тяло и пред него се постави флуоресцентен екран, то това тяло, поглъщайки и отслабвайки излъчването, образува сянка върху екрана. По естеството на тази сянка може да се съди за формата, плътността, структурата и в много случаи естеството на телата. Тези. значителна разлика в поглъщането на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображението на вътрешните органи в проекцията на сянка.
Ако изследваният орган и околните тъкани еднакво отслабват рентгеновите лъчи, тогава се използват контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашеста маса от бариев сулфат (BaSO 4 ), може да се види тяхното изображение на сянка (съотношението на коефициентите на затихване е 354).
Използване в медицината.
В медицината за диагностика се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия от 60 до 100-120 keV, а за терапия 150-200 keV.
Рентгенова диагностика – Разпознаване на заболявания чрез просветляване на тялото с рентгенови лъчи.
Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти, които са дадени по-долу.
С флуороскопиярентгеновата тръба се намира зад пациента. Пред него има флуоресцентен екран. На екрана има сянка (положително) изображение. Във всеки отделен случайподходящата твърдост на радиацията е избрана така, че да преминава през меките тъкани, но да се абсорбира достатъчно от плътните. В противен случай се получава еднаква сянка. На екрана сърцето, ребрата се виждат тъмни, белите дробове са светли.
Когато рентгенографияобектът се поставя върху касета, която съдържа филм със специална фотографска емулсия. Рентгеновата тръба се поставя върху обекта. Получената рентгенова снимка дава отрицателен образ, т.е. обратното за разлика от картината, наблюдавана по време на трансилюминация. При този метод има по-голяма яснота на изображението, отколкото в (1), следователно се наблюдават детайли, които е трудно да се видят при просветление.
Обещаващ вариант този методе рентгенова томографияи "машинна версия" - компютър томография.
3. С флуороскопия,Върху чувствителен филм с малък формат изображението от големия екран е фиксирано. Когато се гледат, снимките се разглеждат на специална лупа.
Рентгенова терапия- използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.
Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност, особено бързо размножаващите се клетки.
КОМПЮТЪРНА ТОМОГРАФИЯ (КТ)
Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкция на изображение на определен участък от тялото на пациента чрез регистриране на голям брой рентгенови проекции на този участък, направени под различни ъгли. Информацията от сензорите, които регистрират тези проекции, влиза в компютъра, който според специална програма изчисляваразпределение стегнатразмер на извадкатав изследваната секция и го извежда на екрана на дисплея. Полученото по този начин изображение на участъка от тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и високо информационно съдържание. Програмата ви позволява да нараства контраст на изображението v десетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.
Видеооператори (апарати с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология.
В стоматологията рентгеновото изследване е основният диагностичен метод. Въпреки това, редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика я правят неудобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е на първо място необходимостта пациентът да влезе в контакт с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото, също така е необходимостта от фотопроцес и следователно необходимостта от фотореактиви, в т.ч. токсични такива. Това е най-накрая обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.
Освен това, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави недостатъчна субективната оценка на рентгеновите снимки от човешкото око. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащи се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.
Очевидно е, че за получаване на ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на дентоалвеоларната система с минимално излагане на радиация са необходими други решения. Търсенето доведе до създаването на така наречените радиографски системи, видеооператори - цифрови радиографски системи.
Без технически подробности принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение навлиза през обекта не върху фоточувствителен филм, а върху специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава на дигитализиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), което го преобразува в цифрова форма и е свързано към компютъра. Специален софтуер изгражда рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител за съхранение (твърд диск, флопи дискове), да го отпечатате като картина като файл.
В цифрова система рентгеновото изображение е колекция от точки с различни цифрови стойности на сивата скала. Оптимизацията на информационния дисплей, осигурена от програмата, позволява да се получи оптимален кадър по отношение на яркостта и контраста при относително ниска доза радиация.
В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), при оформянето на рамката се използват 4096 нюанса на сивото, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на излагането на радиация по отношение на филма - до 90% за интраоралните системи, до 70% за панорамните видеооператори.
Когато обработват изображения, видеооператорите позволяват:
Вземете положителни и отрицателни изображения, изображения с фалшиви цветове, релефни изображения.
Увеличете контраста и увеличете зоната на интерес в изображението.
Оценява промените в плътността на зъбните тъкани и костни структури, контролира равномерността на запълване на канала.
В ендодонтията определете дължината на канала с всяка кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 мм.
Уникалната система за детектор на кариес с елементи на изкуствен интелект по време на анализа на изображението ви позволява да откриете кариес в етапа на петна, коренов кариес и скрит кариес.
"F" във формула (3) се отнася до целия диапазон на излъчените дължини на вълната и често се нарича "интегрален енергиен поток".
РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
рентгеново лъчение заема областта на електромагнитния спектър между гама и ултравиолетовото лъчение и е електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 10 -14 до 10 -7 м. Използва се рентгеново лъчение с дължина на вълната от 5 x 10 -12 до 2,5 x 10 -10 в медицината m, тоест 0,05 - 2,5 ангстрьома, а всъщност за рентгенова диагностика - 0,1 ангстрьома. Радиацията е поток от кванти (фотони), разпространяващ се по права линия със скоростта на светлината (300 000 km/s). Тези кванти нямат електрически заряд. Масата на кванта е незначителна част от атомната единица за маса.
Квантова енергияизмерени в джаули (J), но на практика често използват извънсистемна единица "електронен волт" (eV) . Един електрон волт е енергията, която един електрон придобива, когато преминава през потенциална разлика от 1 волт в електрическо поле. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Производните са килоелектронен волт (keV), равен на хиляда eV, и мегаелектронен волт (MeV), равен на милион eV.
Рентгеновите лъчи се получават с помощта на рентгенови тръби, линейни ускорители и бетатрони. В рентгенова тръба разликата в потенциала между катода и целевия анод (десетки киловолта) ускорява електроните, бомбардиращи анода. Рентгеново лъчение възниква, когато бързите електрони се забавят в електрическото поле на атомите на анодното вещество (тормозно лъчение) или при пренареждане на вътрешните обвивки на атомите (характерно излъчване) . Характерни рентгенови лъчи има дискретен характер и възниква, когато електроните на атомите на анодното вещество преминават от едно енергийно ниво на друго под въздействието на външни електрони или радиационни кванти. Рентгенова снимка на спирачно лъчение има непрекъснат спектър в зависимост от анодното напрежение на рентгеновата тръба. При забавяне в анодния материал електроните изразходват по-голямата част от енергията си за нагряване на анода (99%) и само малка част (1%) се превръща в енергия на рентгенови лъчи. В рентгеновата диагностика най-често се използва спирачно лъчение.
Основните свойства на рентгеновите лъчи са характерни за всички електромагнитни лъчения, но има някои особености. Рентгеновите лъчи имат следните свойства:
- невидимост - чувствителните клетки на човешката ретина не реагират на рентгенови лъчи, тъй като дължината на вълната им е хиляди пъти по-малка от тази на видимата светлина;
- праволинейно разпространение - лъчите се пречупват, поляризират (разпространяват се в определена равнина) и се дифрагират, подобно на видимата светлина. Показателят на пречупване се различава много малко от единицата;
- проникваща сила - проникват без значителна абсорбция през значителни слоеве от вещество, което е непрозрачно за видимата светлина. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-голяма е проникващата сила на рентгеновите лъчи;
- абсорбираща способност - имат способността да се абсорбират от тъканите на тялото, това е в основата на цялата рентгенова диагностика. Способността за усвояване зависи от специфичното тегло на тъканите (колкото повече, толкова по-голяма е абсорбцията); върху дебелината на обекта; върху твърдостта на радиацията;
- фотографско действие - разлагат сребърни халогенидни съединения, включително тези, намиращи се във фотографски емулсии, което прави възможно получаването на рентгенови лъчи;
- луминесцентен ефект - предизвикват луминесценция на редица химични съединения (люминофори), това е в основата на техниката за предаване на рентгенови лъчи. Интензитетът на сиянието зависи от структурата на флуоресцентното вещество, неговото количество и разстояние от източника на рентгенови лъчи. Люминофорите се използват не само за получаване на изображение на изследваните обекти на флуороскопски екран, но и в радиографията, където позволяват увеличаване на радиационното облъчване на радиографски филм в касета поради използването на усилващи екрани, повърхностен слойкойто е направен от флуоресцентни вещества;
- йонизиращо действие - имат способността да предизвикват разпадане на неутрални атоми в положително и отрицателно заредени частици, дозиметрията се основава на това. Ефектът от йонизацията на всяка среда е образуването на положителни и отрицателни йони в нея, както и свободни електрони от неутрални атоми и молекули на веществото. Йонизацията на въздуха в рентгеновата зала по време на работа на рентгеновата тръба води до повишаване на електрическата проводимост на въздуха, увеличаване на статичните електрически заряди върху предметите на шкафа. За да се елиминира такова нежелано влияние от тях в рентгенови кабинети, принудително захранваща и смукателна вентилация;
- биологично действие - оказват въздействие върху биологични обекти, в повечето случаи това въздействие е вредно;
- закон на обратния квадрат - за точков източник на рентгеново лъчение, интензитетът намалява пропорционално на квадрата на разстоянието до източника.
Рентгеновото лъчение, от гледна точка на физиката, е електромагнитно лъчение, чиято дължина на вълната варира в диапазона от 0,001 до 50 нанометра. Открит е през 1895 г. от немския физик W.K. Roentgen.
По природа тези лъчи са свързани със слънчевия ултравиолетов. Радиовълните са най-дългите в спектъра. Те са последвани от инфрачервена светлина, която очите ни не възприемат, но я усещаме като топлина. Следват лъчите от червено до лилаво. След това - ултравиолетови (A, B и C). А точно зад него са рентгенови и гама лъчи.
Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени по два начина: чрез забавяне на преминаващите през него заредени частици и чрез преминаване на електрони от горните слоеве към вътрешните при освобождаване на енергия.
За разлика от видимата светлина, тези лъчи са много дълги, така че са в състояние да проникват в непрозрачни материали, без да се отразяват, пречупват или натрупват в тях.
Спирачното лъчение е по-лесно за получаване. Заредените частици излъчват електромагнитно излъчване при спиране. Колкото по-голямо е ускорението на тези частици и, следователно, колкото по-рязко е забавянето, толкова повече рентгенови лъчи се произвеждат и дължината на вълната става по-къса. В повечето случаи на практика прибягват до генериране на лъчи в процеса на забавяне на електроните в твърдите тела. Това ви позволява да контролирате източника на това излъчване, като избягвате опасност. излагане на радиация, тъй като при изключване на източника рентгеновото лъчение изчезва напълно.
Най-често срещаният източник на такова излъчване - Излъчената от него радиация е нехомогенна. Съдържа както мека (дълга вълна), така и твърда (късовълнова) радиация. Мекият се характеризира с това, че се абсорбира напълно от човешкото тяло, поради което такова рентгеново лъчение причинява двойно повече вреда от твърдото. При прекомерно електромагнитно излъчване в тъканите на човешкото тяло йонизацията може да увреди клетките и ДНК.
Тръбата е с два електрода - отрицателен катод и положителен анод. Когато катодът се нагрява, електроните се изпаряват от него, след което се ускоряват в електрическо поле. Сблъсквайки се с твърдото вещество на анодите, те започват да забавят скоростта, което е придружено от излъчване на електромагнитно излъчване.
Рентгеновото лъчение, чиито свойства се използват широко в медицината, се основава на получаване на изображение в сянка на изследвания обект на чувствителен екран. Ако диагностицираният орган е осветен с лъч лъчи, успоредни един на друг, тогава проекцията на сенките от този орган ще се предава без изкривяване (пропорционално). На практика източникът на радиация е по-скоро точков източник, така че се намира на разстояние от човека и от екрана.
За приемане на човек се поставя между рентгеновата тръба и екрана или филма, действащ като приемник на радиация. В резултат на облъчване костите и други плътни тъкани се появяват в изображението като ясни сенки, изглеждат по-контрастни на фона на по-малко изразителни зони, които предават тъкани с по-малко абсорбиране. На рентгеновите лъчи човек става "прозрачен".
Тъй като рентгеновите лъчи се разпространяват, те могат да бъдат разпръснати и абсорбирани. Преди да се абсорбират, лъчите могат да пътуват стотици метри във въздуха. В плътна материя те се абсорбират много по-бързо. Човешките биологични тъкани са хетерогенни, така че тяхното усвояване на лъчите зависи от плътността на тъканта на органите. абсорбира лъчите по-бързо от меките тъкани, тъй като съдържа вещества с голям атомен номер. Фотоните (отделни частици от лъчи) се абсорбират от различни тъкани на човешкото тяло по различни начини, което прави възможно получаването на контрастно изображение с помощта на рентгенови лъчи.
Откритието и заслугата в изучаването на основните свойства на рентгеновите лъчи с право принадлежи на немския учен Вилхелм Конрад Рентген. Откритите от него невероятни свойства на рентгеновите лъчи веднага получиха огромен отзвук в научния свят. Въпреки че тогава, през далечната 1895 г., ученият трудно може да си представи каква полза, а понякога и вреда, могат да донесат рентгеновите лъчи.
Нека разберем в тази статия как този вид радиация влияе на човешкото здраве.
Какво е рентгеново лъчение
Първият въпрос, който интересуваше изследователя, беше какво е рентгеново лъчение? Редица експерименти позволиха да се провери, че това е електромагнитно излъчване с дължина на вълната 10 -8 cm, което заема междинно положение между ултравиолетовото и гама лъчението.
Прилагане на рентгенови лъчи
Всички тези аспекти на разрушителното въздействие на мистериозните рентгенови лъчи изобщо не изключват изненадващо обширните аспекти на тяхното приложение. Къде се използват рентгенови лъчи?
- Изучаване на структурата на молекулите и кристалите.
- Рентгеново откриване на дефекти (в индустрията, откриване на дефекти в продукти).
- Методи на медицинско изследване и терапия.
Най-важните приложения на рентгеновите лъчи станаха възможни поради много късите дължини на вълните на целия диапазон на тези вълни и техните уникални свойства.
Тъй като се интересуваме от въздействието на рентгеновата радиация върху хората, които се сблъскват с нея само по време на медицински преглед или лечение, тогава ще разгледаме само тази област на приложение на рентгеновите лъчи.
Използването на рентгенови лъчи в медицината
Въпреки специалното значение на своето откритие, Рентген не извади патент за използването му, което го прави безценен подарък за цялото човечество. Още през Първата световна война започват да се използват рентгенови апарати, което дава възможност за бързо и точно диагностициране на ранените. Сега можем да различим две основни области на приложение на рентгеновите лъчи в медицината:
- рентгенова диагностика;
- рентгенова терапия.
Рентгенова диагностика
Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти:
Нека да разгледаме разликата между тези методи.
Всички тези диагностични методи се основават на способността на рентгеновите лъчи да осветяват филма и на тяхната различна пропускливост за тъканите и костния скелет.
Рентгенова терапия
Способността на рентгеновите лъчи да оказват биологичен ефект върху тъканите се използва в медицината за лечение на тумори. Йонизиращият ефект на това лъчение се проявява най-активно в ефекта върху бързо делящите се клетки, които са клетките на злокачествените тумори.
Въпреки това, вие също трябва да сте наясно с странични ефектикоито неизбежно съпътстват лъчетерапията. Факт е, че клетките на хематопоетичната, ендокринната и имунната система също се делят бързо. Отрицателното въздействие върху тях поражда признаци на лъчева болест.
Ефектът на рентгеновата радиация върху хората
Малко след забележителното откритие на рентгеновите лъчи беше открито, че рентгеновите лъчи имат ефект върху хората.
Тези данни са получени при експерименти върху опитни животни, но генетиците предполагат, че подобни ефекти могат да се отнасят и за човешкото тяло.
Изследването на ефектите от облъчването с рентгенови лъчи направи възможно развитието международни стандартидо допустимите дози радиация.
Дози рентгеново лъчение в рентгеновата диагностика
След посещението на рентгеновия кабинет много пациенти се притесняват - как ще се отрази на здравето им получената доза радиация?
Дозата на общото облъчване на тялото зависи от естеството на процедурата. За удобство ще сравним получената доза с естествената експозиция, която придружава човек през целия му живот.
- Рентгенова снимка: гръден кош - получената доза радиация е еквивалентна на 10 дни фоново облъчване; горна част на стомаха и тънките черва - 3 години.
- Компютърна томография на коремната кухина и таза, както и на цялото тяло - 3 години.
- Мамография - 3 месеца.
- Рентгенографията на крайниците е практически безвредна.
- По отношение на денталните рентгенови лъчи дозата на радиация е минимална, тъй като пациентът е изложен на тесен лъч рентгенови лъчи с кратка продължителност на облъчване.
Тези дози радиация отговарят на приемливите стандарти, но ако пациентът се чувства тревожен преди рентгеновата снимка, той има право да поиска специална защитна престилка.
Излагане на рентгенови лъчи на бременни жени
Всеки човек трябва да се подложи на многократно рентгеново изследване. Но има правило - този диагностичен метод не може да се предписва на бременни жени. Развиващият се ембрион е изключително уязвим. Рентгеновите лъчи могат да причинят хромозомни аномалии и в резултат на това раждане на деца с малформации. Най-уязвима в това отношение е гестационната възраст до 16 седмици. Освен това най-опасното за бъдещото бебе е рентгеновата снимка на гръбначния стълб, таза и коремната област.
Знаейки за вредното въздействие на рентгеновите лъчи върху бременността, лекарите избягват да го използват по всякакъв възможен начин през този решаващ период от живота на жената.
Има обаче странични източници на рентгенови лъчи:
- електронни микроскопи;
- цветни телевизионни кинескопи и др.
Бъдещите майки трябва да са наясно с опасността, която крият от тях.
За кърмещите майки лъчедиагностиката не е опасна.
Какво да правя след рентгенова снимка
За да се избегнат дори минималните ефекти от излагането на рентгенови лъчи, могат да се предприемат няколко прости стъпки:
- след рентгенова снимка изпийте чаша мляко - премахва малки дози радиация;
- много удобно да вземете чаша сухо вино или гроздов сок;
- известно време след процедурата е полезно да се увеличи делът на храни с високо съдържание на йод (морски дарове).
Но не са необходими медицински процедури или специални мерки за отстраняване на радиацията след рентгенова снимка!
Въпреки безспорно сериозните последици от излагането на рентгенови лъчи, не бива да се надценява тяхната опасност, когато медицински прегледи- извършват се само на определени части на тялото и то много бързо. Ползите от тях многократно надвишават риска от тази процедура за човешкото тяло.
Рентгеновото лъчение (синоним на рентгенови лъчи) е с широк диапазон от дължини на вълните (от 8·10 -6 до 10 -12 cm). Рентгеновото лъчение възниква, когато заредени частици, най-често електрони, се забавят в електрическото поле на атомите на веществото. Получените кванти имат различни енергии и образуват непрекъснат спектър. Максималната енергия на фотоните в такъв спектър е равна на енергията на падащите електрони. В (виж) максималната енергия на рентгеновите кванти, изразена в килоелектрон-волта, е числено равна на величината на напрежението, приложено към тръбата, изразено в киловолта. Когато преминават през вещество, рентгеновите лъчи взаимодействат с електроните на неговите атоми. За рентгенови кванти с енергии до 100 keV, най-много характерен изгледвзаимодействието е фотоелектричният ефект. В резултат на такова взаимодействие квантовата енергия се изразходва изцяло за изтегляне на електрон от атомната обвивка и придаване на кинетична енергия към нея. С увеличаване на енергията на рентгеновия квант вероятността от фотоелектричния ефект намалява и процесът на разсейване на кванти върху свободни електрони, така нареченият ефект на Комптон, става преобладаващ. В резултат на такова взаимодействие се образува и вторичен електрон и освен това излита квант с енергия, по-малка от енергията на първичния квант. Ако енергията на рентгенов квант надвишава един мегаелектрон-волт, може да се осъществи така нареченият ефект на сдвояване, при който се образуват електрон и позитрон (виж). Следователно, когато преминава през вещество, енергията на рентгеновото лъчение намалява, тоест интензитетът му намалява. Тъй като поглъщането на нискоенергийни кванти се случва с по-голяма вероятност, рентгеновото лъчение се обогатява с по-високоенергийни кванти. Това свойство на рентгеновото лъчение се използва за увеличаване на средната енергия на квантите, т.е. за увеличаване на неговата твърдост. Увеличаването на твърдостта на рентгеновото лъчение се постига с помощта на специални филтри (вижте). Рентгеновата радиация се използва за рентгенова диагностика (виж) и (виж). Вижте също йонизиращо лъчение.
Рентгеново лъчение (синоним: рентгенови лъчи, рентгенови лъчи) - квантово електромагнитно излъчване с дължина на вълната от 250 до 0,025 A (или енергийни кванти от 5 10 -2 до 5 10 2 keV). През 1895 г. е открит от В. К. Рентген. Спектралната област на електромагнитното лъчение, съседна на рентгеновите лъчи, чиито енергийни кванти надвишават 500 keV, се нарича гама лъчение (виж); радиация, чиито енергийни кванти са под 0,05 keV, е ултравиолетово лъчение (виж).
По този начин, представлявайки сравнително малка част от огромния спектър на електромагнитното излъчване, който включва както радиовълни, така и видима светлина, рентгеновото лъчение, като всяко електромагнитно лъчение, се разпространява със скоростта на светлината (около 300 хиляди km / s във вакуум ) и се характеризира с дължина на вълната λ (разстоянието, на което излъчването се разпространява за един период на трептене). Рентгеновото лъчение има и редица други свойства на вълната (пречупване, интерференция, дифракция), но е много по-трудно да се наблюдават, отколкото при лъчения с по-голяма дължина на вълната: видима светлина, радиовълни.
Рентгенови спектри: а1 - непрекъснат спектър на спирачно лъчение при 310 kV; a - спектър на непрекъснато спирачно лъчение при 250 kV, a1 - спектър, филтриран от 1 mm Cu, a2 - спектър, филтриран от 2 mm Cu, b - K-серия на волфрамова линия.
За генериране на рентгенови лъчи се използват рентгенови тръби (виж), в които се получава радиация, когато бързи електрони взаимодействат с атомите на анодното вещество. Има два вида рентгенови лъчи: спирачни и характерни. Спирачното рентгеново лъчение, което има непрекъснат спектър, е подобно на обикновената бяла светлина. Разпределението на интензитета в зависимост от дължината на вълната (фиг.) е представено с крива с максимум; в посока на дългите вълни кривата пада леко, а в посока на късите вълни тя стръмно и се откъсва при определена дължина на вълната (λ0), наречена късовълнова граница на непрекъснатия спектър. Стойността на λ0 е обратно пропорционална на напрежението върху тръбата. Спирачното лъчение възниква от взаимодействието на бързи електрони с атомни ядра. Интензитетът на спирачното лъчение е право пропорционален на силата на анодния ток, квадрата на напрежението на тръбата и атомния номер (Z) на материала на анода.
Ако енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, надвишава критичната стойност за анодното вещество (тази енергия се определя от напрежението на тръбата Vcr, което е критично за това вещество), тогава възниква характерно излъчване. Характерният спектър е линия, нейните спектрални линии образуват серия, обозначена с буквите K, L, M, N.
Серията K е с най-къса дължина на вълната, серията L е с по-голяма дължина на вълната, сериите M и N се наблюдават само в тежки елементи (Vcr на волфрама за K-серията е 69,3 kv, за L-серията - 12,1 kv). Характерното излъчване възниква, както следва. Бързите електрони избиват атомните електрони от вътрешните обвивки. Атомът се възбужда и след това се връща в основно състояние. В този случай електрони от външните, по-малко свързани обвивки запълват освободените пространства във вътрешните обвивки и се излъчват фотони на характерно излъчване с енергия, равна на разликата между енергиите на атома във възбудено и основно състояние. Тази разлика (а оттам и енергията на фотона) има определена стойност, характерна за всеки елемент. Това явление е в основата на рентгеновия спектрален анализ на елементите. Фигурата показва линейния спектър на волфрама на фона на непрекъснат спектър на спирачно лъчение.
Енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, се превръща почти изцяло в топлинна енергия (анодът е силно нагрят в този случай), само незначителна част (около 1% при напрежение близо до 100 kV) се превръща в енергия на спирачно лъчение .
Използването на рентгенови лъчи в медицината се основава на законите за поглъщане на рентгеновите лъчи от материята. Поглъщането на рентгеновите лъчи е напълно независимо от оптичните свойства на абсорбиращия материал. Безцветното и прозрачно оловно стъкло, използвано за защита на персонала в рентгенови кабинети, абсорбира рентгеновите лъчи почти напълно. За разлика от тях, лист хартия, който не е прозрачен за светлината, не отслабва рентгеновите лъчи.
Интензитетът на хомогенен (т.е. с определена дължина на вълната) рентгенов лъч, когато преминава през абсорбиращ слой, намалява по експоненциален закон (ex), където e е основата на естествените логаритми (2,718), а експонентът x е равно на произведението на масовия коефициент на затихване (μ / p) cm 2 /g на дебелина на абсорбера в g / cm 2 (тук p е плътността на веществото в g / cm 3). Рентгеновите лъчи се отслабват както чрез разсейване, така и чрез поглъщане. Съответно, коефициентът на затихване на масата е сумата от коефициентите на поглъщане и разсейване на масата. Коефициентът на поглъщане на масата нараства рязко с увеличаване на атомния номер (Z) на абсорбера (пропорционално на Z3 или Z5) и с увеличаване на дължината на вълната (пропорционално на λ3). Тази зависимост от дължината на вълната се наблюдава в лентите на поглъщане, в границите на които коефициентът проявява скокове.
Коефициентът на масово разсейване се увеличава с увеличаване на атомния номер на веществото. За λ≥0,3Å коефициентът на разсейване не зависи от дължината на вълната, за λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Намаляването на коефициентите на поглъщане и разсейване с намаляване на дължината на вълната води до увеличаване на проникващата сила на рентгеновите лъчи. Коефициентът на усвояване на масата за костите [усвояването се дължи главно на Ca 3 (PO 4) 2 ] е почти 70 пъти по-голям, отколкото за меките тъкани, където абсорбцията се дължи главно на вода. Това обяснява защо сянката на костите изпъква толкова рязко на рентгеновите снимки на фона на меките тъкани.
Разпространението на нехомогенен рентгенов лъч през всяка среда, заедно с намаляване на интензитета, се придружава от промяна в спектралния състав, промяна в качеството на излъчването: дълговълновата част на спектъра се абсорбира до в по-голяма степен от късовълновата част, излъчването става по-равномерно. Филтрирането на дълговълновата част от спектъра дава възможност да се подобри съотношението между дълбоките и повърхностните дози по време на рентгенова терапия на огнища, разположени дълбоко в човешкото тяло (вижте рентгенови филтри). За да се характеризира качеството на нехомогенен рентгенов лъч, се използва концепцията за "половина затихващ слой (L)" - слой от вещество, което отслабва излъчването наполовина. Дебелината на този слой зависи от напрежението на тръбата, дебелината и материала на филтъра. Целофан (до енергия от 12 keV), алуминий (20–100 keV), мед (60–300 keV), олово и мед (>300 keV) се използват за измерване на половината затихващи слоеве. За рентгенови лъчи, генерирани при напрежения от 80-120 kV, 1 mm мед е еквивалентен по филтриращ капацитет на 26 mm алуминий, 1 mm олово е еквивалентен на 50,9 mm алуминий.
Поглъщането и разсейването на рентгеновите лъчи се дължи на неговите корпускулярни свойства; Рентгеновите лъчи взаимодействат с атомите като поток от корпускули (частици) – фотони, всеки от които има определена енергия (обратно пропорционална на дължината на вълната на рентгеновите лъчи). Енергийният диапазон на рентгеновите фотони е 0,05-500 keV.
Поглъщането на рентгеново лъчение се дължи на фотоелектричния ефект: поглъщането на фотон от електронната обвивка се придружава от изхвърляне на електрон. Атомът се възбужда и, връщайки се в основно състояние, излъчва характерна радиация. Излъченият фотоелектрон отвежда цялата енергия на фотона (минус енергията на свързване на електрона в атома).
Разсейването на рентгеновото лъчение се дължи на електроните на разсейващата среда. Има класическо разсейване (дължината на вълната на лъчението не се променя, но се променя посоката на разпространение) и разсейване с промяна на дължината на вълната - ефектът на Комптън (дължината на вълната на разсеяното лъчение е по-голяма от падащата). В последния случай фотонът се държи като движеща се топка, а разсейването на фотоните става, според образния израз на Комнтън, като игра на билярд с фотони и електрони: сблъсквайки се с електрон, фотонът му предава част от енергията си и се разсейва, имайки вече по-малко енергия (съответно, дължината на вълната на разсеяното лъчение се увеличава), електронът излита от атома с енергия на откат (тези електрони се наричат комптонови електрони или електрони на откат). Поглъщането на енергията на рентгеновите лъчи става по време на образуването на вторични електрони (Комптон и фотоелектрони) и прехвърлянето на енергия към тях. Енергията на рентгеновите лъчи, прехвърлени на единица маса от вещество, определя погълнатата доза на рентгеновите лъчи. Единицата на тази доза 1 rad съответства на 100 erg/g. Поради погълнатата енергия в веществото на абсорбера възникват редица вторични процеси, които имат важностза рентгенова дозиметрия, тъй като именно на тях се основават рентгеновите методи за измерване. (вижте Дозиметрия).
Всички газове и много течности, полупроводници и диелектрици под действието на рентгеновите лъчи повишават електрическата проводимост. Проводимостта се установява от най-добрите изолационни материали: парафин, слюда, каучук, кехлибар. Промяната в проводимостта се дължи на йонизацията на средата, т.е. разделянето на неутралните молекули на положителни и отрицателни йони (йонизацията се произвежда от вторични електрони). Йонизацията на въздуха се използва за определяне на дозата на експозиция на рентгенови лъчи (доза във въздуха), която се измерва в рентгенови лъчи (виж Дози йонизиращо лъчение). При доза от 1 r, абсорбираната доза във въздуха е 0,88 rad.
Под действието на рентгеновите лъчи, в резултат на възбуждането на молекулите на веществото (и при рекомбинацията на йони), в много случаи се възбужда видимо сияние на веществото. При високи интензитети на рентгеново лъчение се наблюдава видимо сияние на въздух, хартия, парафин и др. (изключение правят металите). Най-висок добив на видима светлина се дава от такива кристални фосфори като Zn·CdS·Ag-фосфор и други, използвани за екрани при флуороскопия.
Под действието на рентгеновите лъчи в веществото могат да протичат и различни химични процеси: разлагане на сребърни халогениди (фотографски ефект, използван при рентгеновите лъчи), разлагане на вода и водни разтвори на водороден прекис, промяна в свойства на целулоид (помътняване и отделяне на камфор), парафин (замъгляване и избелване).
В резултат на пълно преобразуване цялата рентгенова енергия, погълната от химически инертното вещество, се превръща в топлина. Измерването на много малки количества топлина изисква високочувствителни методи, но е основният метод за абсолютни измервания на рентгенови лъчи.
Вторичните биологични ефекти от излагане на рентгенови лъчи са в основата на медицинската лъчетерапия (вж.). Рентгеновите лъчи, чиито кванти са 6-16 keV (ефективни дължини на вълната от 2 до 5 Å), се абсорбират почти напълно от кожната обвивка на тъканта на човешкото тяло; те се наричат гранични лъчи или понякога Бука лъчи (виж Бука лъчи). За дълбока рентгенова терапия се използва твърдо филтрирано лъчение с ефективни енергийни кванти от 100 до 300 keV.
Биологичният ефект на рентгеновата радиация трябва да се има предвид не само при рентгеновата терапия, но и при рентгеновата диагностика, както и във всички други случаи на контакт с рентгенови лъчи, които изискват използването на радиационна защита ( виж).