CONFERENCIA
RADIACIÓN DE RAYOS X
La naturaleza de los rayos X.
Bremsstrahlung rayos X, sus propiedades espectrales.
Radiación característica de rayos X (para revisión).
Interacción de la radiación de rayos X con la materia.
Base física para el uso de rayos X en medicina.
Los rayos X (X - rayos) fueron descubiertos por K. Roentgen, quien en 1895 se convirtió en el primer premio Nobel de física.
La naturaleza de los rayos X.
radiación de rayos x - ondas electromagnéticas con una longitud de 80 a 10 -5 nm. Los rayos X de onda larga están cubiertos por la radiación UV de onda corta y los rayos X de onda corta están cubiertos por la radiación de onda larga.
Los rayos X se producen en tubos de rayos X. Figura 1.
K - cátodo
1 - haz de electrones
2 - radiación de rayos X
Arroz. 1. Dispositivo de tubo de rayos X.
El tubo es un matraz de vidrio (con un vacío posiblemente alto: la presión en él es de aproximadamente 10 a 6 mm Hg) con dos electrodos: ánodo A y cátodo K, al que se aplica un alto voltaje U (varios miles de voltios). El cátodo es una fuente de electrones (debido al fenómeno de emisión termoiónica). El ánodo es una barra de metal que tiene una superficie inclinada para dirigir la radiación de rayos X resultante en un ángulo con el eje del tubo. Está hecho de un material altamente conductor de calor para eliminar el calor generado durante el bombardeo de electrones. En el extremo biselado hay una placa de metal refractario (por ejemplo, tungsteno).
El fuerte calentamiento del ánodo se debe al hecho de que la mayoría de los electrones en el haz del cátodo, al golpear el ánodo, experimentan numerosas colisiones con los átomos de la sustancia y les transfieren una gran cantidad de energía.
Bajo la acción de un alto voltaje, los electrones emitidos por el filamento catódico caliente son acelerados a altas energías. La energía cinética de un electrón es igual a mv 2 /2. Es igual a la energía que adquiere al moverse en el campo electrostático del tubo:
mv 2 /2 = UE(1)
donde m, e son la masa y la carga del electrón, U es el voltaje de aceleración.
Los procesos que conducen a la aparición de rayos X de bremsstrahlung se deben a la intensa desaceleración de los electrones en el material del ánodo por el campo electrostático del núcleo atómico y los electrones atómicos.
El mecanismo de origen se puede representar de la siguiente manera. Los electrones en movimiento son algún tipo de corriente que forma su propio campo magnético. La desaceleración de electrones es una disminución en la intensidad de la corriente y, en consecuencia, un cambio en la inducción del campo magnético, lo que provocará la aparición de un campo eléctrico alterno, es decir, aparición de una onda electromagnética.
Por lo tanto, cuando una partícula cargada vuela hacia la materia, disminuye su velocidad, pierde su energía y velocidad y emite ondas electromagnéticas.
Propiedades espectrales de la bremsstrahlung de rayos X .
Entonces, en el caso de la desaceleración de electrones en el material del ánodo, radiación bremsstrahlung.
El espectro de bremsstrahlung es continuo.. La razón de esto es la siguiente.
Cuando los electrones se desaceleran, cada uno de ellos tiene parte de la energía utilizada para calentar el ánodo (E 1 \u003d Q), la otra parte para crear un fotón de rayos X (E 2 \u003d hv), de lo contrario, eU \u003d hv + P. La proporción entre estas partes es aleatoria.
Por lo tanto, el espectro continuo de bremsstrahlung de rayos X se forma debido a la desaceleración de muchos electrones, cada uno de los cuales emite un cuanto de rayos X hv (h) de un valor estrictamente definido. El valor de este cuanto diferente para diferentes electrones. Dependencia del flujo de energía de rayos X de la longitud de onda , es decir el espectro de rayos X se muestra en la Fig.2.
Figura 2. Espectro de Bremsstrahlung: a) a diferentes voltajes U en el tubo; b) a diferentes temperaturas T del cátodo.
La radiación de onda corta (dura) tiene un mayor poder de penetración que la radiación de onda larga (suave). La radiación suave es más fuertemente absorbida por la materia.
Desde el lado de las longitudes de onda cortas, el espectro termina abruptamente en una determinada longitud de onda m i n . Tal bremsstrahlung de longitud de onda corta ocurre cuando la energía adquirida por un electrón en un campo acelerado se convierte completamente en energía fotónica (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
La composición espectral de la radiación depende del voltaje en el tubo de rayos X. Al aumentar el voltaje, el valor de m i n se desplaza hacia longitudes de onda cortas (Fig. 2a).
Cuando cambia la temperatura T de la incandescencia del cátodo, aumenta la emisión de electrones. En consecuencia, la corriente I en el tubo aumenta, pero la composición espectral de la radiación no cambia (Fig. 2b).
El flujo de energía Ф de bremsstrahlung es directamente proporcional al cuadrado del voltaje U entre el ánodo y el cátodo, la intensidad de la corriente I en el tubo y el número atómico Z de la sustancia del ánodo:
Ф = kZU 2 I. (3)
donde k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Radiografías características (para familiarizarse).
El aumento del voltaje en el tubo de rayos X conduce al hecho de que, en el contexto de un espectro continuo, aparece una línea que corresponde a la radiación de rayos X característica. Esta radiación es específica del material del ánodo.
El mecanismo de su aparición es el siguiente. A un alto voltaje, los electrones acelerados (con alta energía) penetran profundamente en el átomo y eliminan los electrones de sus capas internas. Los electrones de los niveles superiores pasan a lugares libres, como resultado de lo cual se emiten fotones de radiación característica.
Los espectros de radiación de rayos X característicos difieren de los espectros ópticos.
- Uniformidad.
La uniformidad de los espectros característicos se debe al hecho de que las capas internas de electrones de diferentes átomos son las mismas y difieren solo energéticamente debido a la acción de la fuerza de los núcleos, que aumenta con el aumento del número elemental. Por lo tanto, los espectros característicos se desplazan hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la carga nuclear. Esto fue confirmado experimentalmente por un empleado de Roentgen - mosley, que midió las frecuencias de transición de rayos X de 33 elementos. Hicieron la ley.
LEY DE MOSELY – la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación característica es una función lineal del número ordinal del elemento:
= A (Z - B), (4)
donde v es la frecuencia de la línea espectral, Z es el número atómico del elemento emisor. A, B son constantes.
La importancia de la ley de Moseley radica en el hecho de que a partir de esta dependencia es posible determinar con precisión el número atómico del elemento en estudio a partir de la frecuencia medida de la línea de rayos X. Esto jugó un papel importante en la ubicación de los elementos en la tabla periódica.
Independencia de un compuesto químico.
Los espectros de rayos X característicos de un átomo no dependen del compuesto químico en el que entra el átomo del elemento. Por ejemplo, el espectro de rayos X de un átomo de oxígeno es el mismo para O 2, H 2 O, mientras que los espectros ópticos de estos compuestos difieren. Esta característica del espectro de rayos X del átomo fue la base del nombre " radiación característica".
Interacción de la radiación de rayos X con la materia
El impacto de la radiación de rayos X en los objetos está determinado por los procesos primarios de interacción de rayos X. fotón con electronesátomos y moléculas de la materia.
Radiación de rayos X en la materia. absorbido o se disipa. En este caso, pueden ocurrir varios procesos, que están determinados por la relación entre la energía del fotón de rayos X hv y la energía de ionización Аu (la energía de ionización Аu es la energía requerida para eliminar los electrones internos del átomo o molécula).
pero) Dispersión coherente(dispersión de radiación de onda larga) ocurre cuando la relación
Para los fotones, debido a la interacción con los electrones, solo cambia la dirección del movimiento (Fig. 3a), pero la energía hv y la longitud de onda no cambian (por lo tanto, esta dispersión se llama coherente). Dado que las energías de un fotón y un átomo no cambian, la dispersión coherente no afecta a los objetos biológicos, pero al crear protección contra la radiación de rayos X, se debe tener en cuenta la posibilidad de cambiar la dirección principal del haz.
B) efecto fotoeléctrico sucede cuando
En este caso, se pueden realizar dos casos.
El fotón se absorbe, el electrón se separa del átomo (Fig. 3b). Se produce la ionización. El electrón separado adquiere energía cinética: E k \u003d hv - A y. Si la energía cinética es grande, entonces el electrón puede ionizar los átomos vecinos por colisión, formando otros nuevos. secundario electrones
El fotón es absorbido, pero su energía no es suficiente para desprender el electrón, y excitación de un átomo o molécula(Figura 3c). Esto a menudo conduce a la posterior emisión de un fotón en la región de radiación visible (luminiscencia de rayos X), y en los tejidos a la activación de moléculas y reacciones fotoquímicas. El efecto fotoeléctrico ocurre principalmente en los electrones de las capas internas de los átomos con alto Z.
en) Dispersión incoherente(Efecto Compton, 1922) ocurre cuando la energía del fotón es mucho mayor que la energía de ionización
En este caso, el electrón se separa del átomo (estos electrones se denominan electrones de retroceso), adquiere algo de energía cinética E k, la energía del fotón en sí disminuye (Fig. 4d):
hv=hv" + A y + E K. (5)
La radiación resultante con una frecuencia (longitud) cambiada se llama secundario, se dispersa en todas direcciones.
Los electrones de retroceso, si tienen suficiente energía cinética, pueden ionizar átomos vecinos por colisión. Así, como resultado de la dispersión incoherente, se forma radiación de rayos X dispersada secundaria y los átomos de la sustancia se ionizan.
Estos procesos (a, b, c) pueden causar una serie de procesos posteriores. Por ejemplo (Fig. 3d), si, durante el efecto fotoeléctrico, los electrones se desprenden del átomo en las capas internas, entonces los electrones con más niveles altos, que se acompaña de la emisión de rayos X característica secundaria de la sustancia dada. Los fotones de radiación secundaria, al interactuar con los electrones de los átomos vecinos, pueden, a su vez, causar fenómenos secundarios.
dispersión coherente
Oh 
la energía y la longitud de onda permanecen sin cambios
efecto fotoeléctrico
fotón es absorbido, e - separado del átomo - ionización
hv \u003d A y + E a
átomo A se excita tras la absorción de un fotón, R es la luminiscencia de rayos X
dispersión incoherente
hv \u003d hv "+ A y + E para
procesos secundarios en el efecto fotoeléctrico
Arroz. 3 Mecanismos de interacción de rayos X con la materia
Base física para el uso de rayos X en medicina
Cuando los rayos X caen sobre un cuerpo, se reflejan ligeramente desde su superficie, pero principalmente pasan profundamente, mientras que se absorben y dispersan parcialmente, y lo atraviesan parcialmente.
La ley del debilitamiento.
El flujo de rayos X se atenúa en la materia según la ley:
F \u003d F 0 e - x (6)
donde es lineal factor de atenuación, que depende esencialmente de la densidad de la sustancia. Es igual a la suma de tres términos correspondientes a dispersión coherente 1, incoherente 2 y efecto fotoeléctrico 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
La contribución de cada término está determinada por la energía del fotón. A continuación se muestran las proporciones de estos procesos para los tejidos blandos (agua).
|
Energía, keV |
efecto fotoeléctrico |
Compton - efecto |
disfrutar coeficiente de atenuación de masa, que no depende de la densidad de la sustancia :
m = /. (8)
El coeficiente de atenuación de masa depende de la energía del fotón y del número atómico de la sustancia absorbente:
metro = k 3 Z 3 . (nueve)
Los coeficientes de atenuación de masa de hueso y tejido blando (agua) son diferentes: m hueso / m agua = 68.
Si se coloca un cuerpo no homogéneo en el camino de los rayos X y se coloca una pantalla fluorescente frente a él, entonces este cuerpo, absorbiendo y atenuando la radiación, forma una sombra en la pantalla. Por la naturaleza de esta sombra, se puede juzgar la forma, la densidad, la estructura y, en muchos casos, la naturaleza de los cuerpos. Esos. una diferencia significativa en la absorción de la radiación de rayos X por diferentes tejidos le permite ver la imagen de los órganos internos en la proyección de la sombra.
Si el órgano bajo estudio y los tejidos circundantes atenúan igualmente los rayos X, entonces se usan agentes de contraste. Entonces, por ejemplo, al llenar el estómago y los intestinos con una masa blanda de sulfato de bario (BaSO 4 ), uno puede ver su imagen sombreada (la relación de los coeficientes de atenuación es 354).
Uso en medicina.
En medicina, la radiación de rayos X con energía fotónica de 60 a 100-120 keV se usa para diagnóstico y 150-200 keV para terapia.
diagnóstico por rayos X – Reconocimiento de enfermedades mediante la transiluminación del cuerpo con rayos X.
El diagnóstico por rayos X se utiliza en varias opciones, que se detallan a continuación.
con fluoroscopia el tubo de rayos X se encuentra detrás del paciente. Enfrente hay una pantalla fluorescente. Hay una imagen de sombra (positiva) en la pantalla. En cada caso aparte se selecciona la dureza apropiada de la radiación para que atraviese los tejidos blandos, pero los densos la absorban lo suficiente. De lo contrario, se obtiene una sombra uniforme. En la pantalla, el corazón, las costillas se ven oscuros, los pulmones son claros.
Cuando la radiografía el objeto se coloca en un casete, que contiene una película con una emulsión fotográfica especial. El tubo de rayos X se coloca sobre el objeto. La radiografía resultante da una imagen negativa, es decir lo contrario en contraste con la imagen observada durante la transiluminación. En este método hay una mayor nitidez de la imagen que en (1), por lo que se observan detalles que son difíciles de ver cuando se transilumina.
Una opción prometedora este método es de rayos x tomografía y "versión de máquina" - computadora tomografía.
3. con fluoroscopia, En una película sensible de formato pequeño, la imagen de la pantalla grande es fija. Cuando se ven, las imágenes se examinan con una lupa especial.
terapia de rayos x- el uso de rayos X para destruir tumores malignos.
El efecto biológico de la radiación es interrumpir la actividad vital, especialmente las células que se multiplican rápidamente.
TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA (TC)
El método de tomografía computarizada de rayos X se basa en la reconstrucción de una imagen de una determinada sección del cuerpo del paciente mediante el registro de una gran cantidad de proyecciones de rayos X de esta sección, realizadas en diferentes ángulos. La información de los sensores que registran estas proyecciones ingresa a la computadora, la cual, de acuerdo con un programa especial calcula distribución ajustadotamaño de la muestra en la sección investigada y lo muestra en la pantalla de visualización. La imagen de la sección del cuerpo del paciente obtenida de esta manera se caracteriza por una excelente claridad y un alto contenido de información. El programa te permite aumento contraste de imagen en decenas e incluso cientos de veces. Esto amplía las capacidades de diagnóstico del método.
Videógrafos (dispositivos con procesamiento digital de imágenes de rayos X) en la odontología moderna.
En odontología, el examen de rayos X es el principal método de diagnóstico. Sin embargo, una serie de características organizativas y técnicas tradicionales del diagnóstico por rayos X hacen que no sea muy cómodo tanto para el paciente como para las clínicas dentales. Esta es, en primer lugar, la necesidad de que el paciente entre en contacto con la radiación ionizante, que a menudo crea una carga de radiación significativa en el cuerpo, también es la necesidad de un fotoproceso y, en consecuencia, la necesidad de fotorreactivos, incluidos los tóxicos. Esto es, finalmente, un archivo voluminoso, carpetas pesadas y sobres con películas de rayos X.
Además, el actual nivel de desarrollo de la odontología hace insuficiente la valoración subjetiva de las radiografías por parte del ojo humano. Al final resultó que, de la variedad de tonos de gris contenidos en la imagen de rayos X, el ojo percibe solo 64.
Obviamente, para obtener una imagen clara y detallada de los tejidos duros del sistema dentoalveolar con una mínima exposición a la radiación, se necesitan otras soluciones. La búsqueda condujo a la creación de los llamados sistemas radiográficos, videógrafos: sistemas de radiografía digital.
Sin detalles técnicos, el principio de funcionamiento de tales sistemas es el siguiente. La radiación de rayos X ingresa a través del objeto no en una película fotosensible, sino en un sensor intraoral especial (matriz electrónica especial). La señal correspondiente de la matriz se transmite a un dispositivo de digitalización (convertidor analógico a digital, ADC) que la convierte en forma digital y se conecta a la computadora. Un software especial genera una imagen de rayos X en la pantalla de la computadora y le permite procesarla, guardarla en un medio de almacenamiento rígido o flexible (disco duro, disquetes), imprimirla como una imagen como un archivo.
En un sistema digital, una imagen de rayos X es una colección de puntos que tienen diferentes valores digitales de escala de grises. La optimización de la visualización de la información que proporciona el programa permite obtener un encuadre óptimo en términos de brillo y contraste con una dosis de radiación relativamente baja.
En los sistemas modernos, creados, por ejemplo, por Trophy (Francia) o Schick (EE. UU.), se utilizan 4096 tonos de gris al formar un marco, el tiempo de exposición depende del objeto de estudio y, en promedio, es de centésimas - décimas de un segundo, una disminución en la exposición a la radiación en relación con la película: hasta un 90% para sistemas intraorales, hasta un 70% para videógrafos panorámicos.
Al procesar imágenes, los videógrafos permiten:
Obtenga imágenes positivas y negativas, imágenes en falso color, imágenes en relieve.
Aumenta el contraste y magnifica el área de interés de la imagen.
Evalúe los cambios en la densidad de los tejidos dentales y las estructuras óseas, controle la uniformidad del relleno del canal.
En endodoncia, determine la longitud del canal de cualquier curvatura, y en cirugía, seleccione el tamaño del implante con una precisión de 0,1 mm.
El exclusivo sistema detector de Caries con elementos de inteligencia artificial durante el análisis de la imagen permite detectar caries en etapa de mancha, caries de raíz y caries ocultas.
"F" en la fórmula (3) se refiere a todo el rango de longitudes de onda radiadas y, a menudo, se lo denomina "Flujo de energía integral".
RADIACIÓN DE RAYOS X
radiación de rayos x ocupa la región del espectro electromagnético entre la radiación gamma y ultravioleta y es radiación electromagnética con una longitud de onda de 10 -14 a 10 -7 m Se utiliza radiación de rayos X con una longitud de onda de 5 x 10 -12 a 2,5 x 10 -10 en medicina m, es decir, 0.05 - 2.5 angstrom, y en realidad para diagnóstico de rayos X - 0.1 angstrom. La radiación es una corriente de cuantos (fotones) que se propagan en línea recta a la velocidad de la luz (300.000 km/s). Estos cuantos no tienen carga eléctrica. La masa de un cuanto es una parte insignificante de la unidad de masa atómica.
energía cuántica mide en Joules (J), pero en la práctica a menudo usan una unidad fuera del sistema "electrón voltios" (eV) . Un electronvoltio es la energía que adquiere un electrón cuando atraviesa una diferencia de potencial de 1 voltio en un campo eléctrico. 1 eV \u003d 1.6 10 ~ 19 J. Los derivados son un kiloelectronvoltio (keV), igual a mil eV, y un megaelectronvoltio (MeV), igual a un millón de eV.
Los rayos X se obtienen utilizando tubos de rayos X, aceleradores lineales y betatrones. En un tubo de rayos X, la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo objetivo (decenas de kilovoltios) acelera los electrones que bombardean el ánodo. La radiación de rayos X surge cuando los electrones rápidos se desaceleran en el campo eléctrico de los átomos de la sustancia del ánodo. (bremsstrahlung) o al reorganizar las capas internas de los átomos (radiación característica) . Radiografías características tiene un carácter discreto y se produce cuando los electrones de los átomos de la sustancia anódica pasan de un nivel de energía a otro bajo la influencia de electrones externos o cuantos de radiación. Radiografía Bremsstrahlung tiene un espectro continuo que depende del voltaje del ánodo en el tubo de rayos X. Cuando se desacelera en el material del ánodo, los electrones gastan la mayor parte de su energía en calentar el ánodo (99 %) y solo una pequeña fracción (1 %) se convierte en energía de rayos X. En el diagnóstico por rayos X, el bremsstrahlung se usa con mayor frecuencia.
Las propiedades básicas de los rayos X son características de toda la radiación electromagnética, pero hay algunas características. Los rayos X tienen las siguientes propiedades:
- invisibilidad - las células sensibles de la retina humana no responden a Rayos X, ya que su longitud de onda es miles de veces menor que la de la luz visible;
- propagación rectilínea - los rayos se refractan, se polarizan (se propagan en un cierto plano) y se difractan, como la luz visible. El índice de refracción difiere muy poco de la unidad;
- poder de penetración - penetrar sin absorción significativa a través de capas significativas de una sustancia opaca a la luz visible. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es el poder de penetración de los rayos X;
- absorbencia - tienen la capacidad de ser absorbidos por los tejidos del cuerpo, esta es la base de todos los diagnósticos de rayos X. La capacidad de absorción depende de la gravedad específica de los tejidos (cuanto más, mayor absorción); en el grosor del objeto; de la dureza de la radiación;
- acción fotográfica - descomponer los compuestos de haluros de plata, incluidos los que se encuentran en las emulsiones fotográficas, lo que permite obtener rayos X;
- efecto luminiscente - provocar la luminiscencia de una serie de compuestos químicos (fósforos), esta es la base de la técnica de transmisión de rayos X. La intensidad del brillo depende de la estructura de la sustancia fluorescente, su cantidad y distancia de la fuente de rayos X. Los fósforos se utilizan no solo para obtener una imagen de los objetos en estudio en una pantalla fluoroscópica, sino también en radiografía, donde permiten aumentar la exposición a la radiación de una película radiográfica en un casete debido al uso de pantallas intensificadoras, capa superficial que está hecho de sustancias fluorescentes;
- acción de ionización - tienen la capacidad de provocar la descomposición de átomos neutros en partículas cargadas positiva y negativamente, la dosimetría se basa en esto. El efecto de la ionización de cualquier medio es la formación de iones positivos y negativos en él, así como electrones libres de átomos neutros y moléculas de una sustancia. La ionización del aire en la sala de rayos X durante el funcionamiento del tubo de rayos X conduce a un aumento de la conductividad eléctrica del aire, un aumento de las cargas eléctricas estáticas en los objetos de la oficina. Para eliminar una influencia tan indeseable de ellos en las salas de rayos X, un forzado suministro y ventilación de escape;
- acción biológica - tener un impacto en objetos biológicos, en la mayoría de los casos este impacto es dañino;
- ley del cuadrado inverso - para una fuente puntual de radiación de rayos X, la intensidad disminuye en proporción al cuadrado de la distancia a la fuente.
La radiación de rayos X, desde el punto de vista de la física, es radiación electromagnética, cuya longitud de onda varía en el rango de 0,001 a 50 nanómetros. Fue descubierto en 1895 por el físico alemán W.K. Roentgen.
Por naturaleza, estos rayos están relacionados con el ultravioleta solar. Las ondas de radio son las más largas del espectro. Les sigue la luz infrarroja, que nuestros ojos no perciben, pero la sentimos como calor. Luego vienen los rayos de rojo a púrpura. Luego - ultravioleta (A, B y C). Y justo detrás están los rayos X y los rayos gamma.
Los rayos X se pueden obtener de dos formas: por desaceleración en la materia de las partículas cargadas que la atraviesan y por la transición de electrones de las capas superiores a las internas cuando se libera energía.
A diferencia de la luz visible, estos rayos son muy largos, por lo que pueden penetrar materiales opacos sin reflejarse, refractarse o acumularse en ellos.
Bremsstrahlung es más fácil de obtener. Las partículas cargadas emiten radiación electromagnética al frenar. Cuanto mayor es la aceleración de estas partículas y, en consecuencia, más brusca la desaceleración, más rayos X se producen y la longitud de sus ondas se vuelve más corta. En la mayoría de los casos, en la práctica, recurren a la generación de rayos en el proceso de desaceleración de electrones en sólidos. Esto le permite controlar la fuente de esta radiación, evitando el peligro. exposición a la radiación, porque cuando se apaga la fuente, la radiación de rayos X desaparece por completo.
La fuente más común de tal radiación - La radiación emitida por ella no es homogénea. Contiene radiación tanto suave (onda larga) como dura (onda corta). El suave se caracteriza por el hecho de que el cuerpo humano lo absorbe por completo, por lo que dicha radiación de rayos X hace el doble de daño que el duro. Con una radiación electromagnética excesiva en los tejidos del cuerpo humano, la ionización puede dañar las células y el ADN.
El tubo tiene dos electrodos: un cátodo negativo y un ánodo positivo. Cuando el cátodo se calienta, los electrones se evaporan y luego se aceleran en un campo eléctrico. Al chocar con la materia sólida de los ánodos, inician una desaceleración, que va acompañada de la emisión de radiación electromagnética.
La radiación de rayos X, cuyas propiedades son ampliamente utilizadas en medicina, se basa en obtener una imagen de sombra del objeto en estudio en una pantalla sensible. Si el órgano diagnosticado se ilumina con un haz de rayos paralelos entre sí, la proyección de sombras de este órgano se transmitirá sin distorsión (proporcionalmente). En la práctica, la fuente de radiación se parece más a una fuente puntual, por lo que se ubica a cierta distancia de la persona y de la pantalla.
Para recibir una persona se coloca entre el tubo de rayos x y la pantalla o película, actuando como receptores de radiación. Como resultado de la irradiación, el hueso y otros tejidos densos aparecen en la imagen como sombras claras, lucen más contrastadas contra el fondo de áreas menos expresivas que transmiten tejidos con menor absorción. En las radiografías, una persona se vuelve "translúcida".
A medida que los rayos X se propagan, pueden dispersarse y absorberse. Antes de la absorción, los rayos pueden viajar cientos de metros en el aire. En materia densa, se absorben mucho más rápido. Los tejidos biológicos humanos son heterogéneos, por lo que su absorción de rayos depende de la densidad del tejido de los órganos. absorbe los rayos más rápido que los tejidos blandos, porque contiene sustancias que tienen números atómicos grandes. Los fotones (partículas individuales de rayos) son absorbidos por diferentes tejidos del cuerpo humano de diferentes maneras, lo que hace posible obtener una imagen de contraste utilizando rayos X.
El descubrimiento y el mérito en el estudio de las propiedades básicas de los rayos X pertenecen legítimamente al científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen. Las asombrosas propiedades de los rayos X descubiertas por él recibieron inmediatamente una gran respuesta en el mundo científico. Aunque entonces, en 1895, el científico apenas podía imaginar qué beneficio, y a veces daño, pueden traer los rayos X.
Descubramos en este artículo cómo este tipo de radiación afecta a la salud humana.
¿Qué es la radiación de rayos X?
La primera pregunta que interesó al investigador fue ¿qué es la radiación de rayos X? Una serie de experimentos permitieron comprobar que se trata de radiación electromagnética con una longitud de onda de 10 -8 cm, que ocupa una posición intermedia entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma.
Aplicación de rayos X
Todos estos aspectos de los efectos destructivos de los misteriosos rayos X no excluyen en absoluto aspectos sorprendentemente extensos de su aplicación. ¿Dónde se utilizan los rayos X?
- Estudio de la estructura de moléculas y cristales.
- Detección de defectos por rayos X (en la industria, detección de defectos en productos).
- Métodos de investigación y terapia médica.
Las aplicaciones más importantes de los rayos X se han hecho posibles debido a las longitudes de onda muy cortas de todo el rango de estas ondas y sus propiedades únicas.
Dado que estamos interesados en el impacto de la radiación de rayos X en las personas que la encuentran solo durante un examen o tratamiento médico, solo consideraremos esta área de aplicación de rayos X.
El uso de los rayos X en medicina.
A pesar de la especial importancia de su descubrimiento, Roentgen no obtuvo una patente para su uso, lo que lo convirtió en un regalo invaluable para toda la humanidad. Ya en la Primera Guerra Mundial, se comenzaron a utilizar unidades de rayos X, lo que permitió diagnosticar de manera rápida y precisa a los heridos. Ahora podemos distinguir dos áreas principales de aplicación de los rayos X en medicina:
- diagnóstico por rayos X;
- terapia de rayos x.
diagnóstico por rayos X
El diagnóstico por rayos X se utiliza en varias opciones:
Echemos un vistazo a la diferencia entre estos métodos.
Todos estos métodos de diagnóstico se basan en la capacidad de los rayos X para iluminar la película y en su diferente permeabilidad a los tejidos y al esqueleto óseo.
terapia de rayos x
La capacidad de los rayos X para tener un efecto biológico sobre los tejidos se utiliza en medicina para el tratamiento de tumores. El efecto ionizante de esta radiación se manifiesta más activamente en el efecto sobre las células que se dividen rápidamente, que son las células de los tumores malignos.
Sin embargo, también debe ser consciente de efectos secundarios que inevitablemente acompañan a la radioterapia. El hecho es que las células de los sistemas hematopoyético, endocrino e inmunológico también se dividen rápidamente. Un impacto negativo en ellos da lugar a signos de enfermedad por radiación.
El efecto de la radiación de rayos X en los humanos.
Poco después del notable descubrimiento de los rayos X, se descubrió que los rayos X tenían un efecto en los humanos.
Estos datos se obtuvieron en experimentos con animales de experimentación; sin embargo, los genetistas sugieren que se pueden aplicar efectos similares en el cuerpo humano.
El estudio de los efectos de la exposición a los rayos X ha permitido desarrollar estándares internacionales a las dosis permitidas de radiación.
Dosis de radiación de rayos X en el diagnóstico por rayos X
Después de visitar la sala de rayos X, muchos pacientes están preocupados: ¿cómo afectará la dosis de radiación recibida a su salud?
La dosis de irradiación general del cuerpo depende de la naturaleza del procedimiento. Por conveniencia, compararemos la dosis recibida con la exposición natural, que acompaña a una persona a lo largo de su vida.
- Radiografía: tórax: la dosis de radiación recibida es equivalente a 10 días de exposición de fondo; parte superior del estómago e intestino delgado - 3 años.
- Tomografía computarizada de la cavidad abdominal y la pelvis, así como de todo el cuerpo: 3 años.
- Mamografía - 3 meses.
- La radiografía de las extremidades es prácticamente inofensiva.
- Con respecto a las radiografías dentales, la dosis de radiación es mínima, ya que el paciente está expuesto a un haz estrecho de rayos X con una duración de radiación corta.
Estas dosis de radiación cumplen con los estándares aceptables, pero si el paciente se siente ansioso antes de la radiografía, tiene derecho a solicitar un delantal protector especial.
Exposición de rayos X a mujeres embarazadas
Cada persona debe someterse a un examen de rayos X repetidamente. Pero hay una regla: este método de diagnóstico no se puede recetar a mujeres embarazadas. El embrión en desarrollo es extremadamente vulnerable. Las radiografías pueden causar anomalías cromosómicas y, en consecuencia, el nacimiento de niños con malformaciones. El más vulnerable en este sentido es la edad gestacional de hasta 16 semanas. Además, lo más peligroso para el futuro bebé es una radiografía de la columna vertebral, las regiones pélvica y abdominal.
Al conocer el efecto perjudicial de los rayos X en el embarazo, los médicos evitan usarlos de todas las formas posibles durante este período crucial en la vida de una mujer.
Sin embargo, existen fuentes secundarias de rayos X:
- microscopios electrónicos;
- cinescopios de TV a color, etc.
Las futuras madres deben ser conscientes del peligro que representan.
Para las madres lactantes, el radiodiagnóstico no es peligroso.
Qué hacer después de una radiografía
Para evitar incluso los efectos mínimos de la exposición a los rayos X, se pueden seguir algunos pasos simples:
- después de una radiografía, beba un vaso de leche; elimina pequeñas dosis de radiación;
- muy útil tomando una copa de vino seco o jugo de uva;
- algún tiempo después del procedimiento, es útil aumentar la proporción de alimentos con un alto contenido de yodo (mariscos).
¡Pero no se requieren procedimientos médicos ni medidas especiales para eliminar la radiación después de una radiografía!
A pesar de las consecuencias innegablemente graves de la exposición a los rayos X, no se debe sobreestimar su peligro cuando exámenes médicos- se llevan a cabo solo en ciertas partes del cuerpo y muy rápidamente. Los beneficios de ellos superan muchas veces el riesgo de este procedimiento para el cuerpo humano.
La radiación de rayos X (sinónimo de rayos X) tiene una amplia gama de longitudes de onda (desde 8·10 -6 hasta 10 -12 cm). La radiación de rayos X se produce cuando las partículas cargadas, con mayor frecuencia electrones, se desaceleran en el campo eléctrico de los átomos de una sustancia. Los cuantos resultantes tienen diferentes energías y forman un espectro continuo. La energía máxima del fotón en tal espectro es igual a la energía de los electrones incidentes. En (ver) la energía máxima de los cuantos de rayos X, expresada en kiloelectron-voltios, es numéricamente igual a la magnitud del voltaje aplicado al tubo, expresada en kilovoltios. Al atravesar una sustancia, los rayos X interactúan con los electrones de sus átomos. Para cuantos de rayos X con energías de hasta 100 keV, la mayoría vista característica interacción es el efecto fotoeléctrico. Como resultado de tal interacción, la energía cuántica se gasta por completo en extraer un electrón de la capa atómica e impartirle energía cinética. Con un aumento en la energía de un cuanto de rayos X, la probabilidad del efecto fotoeléctrico disminuye y el proceso de dispersión de cuantos en electrones libres, el llamado efecto Compton, se vuelve predominante. Como resultado de tal interacción, también se forma un electrón secundario y, además, sale volando un cuanto con una energía menor que la energía del cuanto primario. Si la energía de un cuanto de rayos X excede un megaelectrón-voltio, puede ocurrir el llamado efecto de emparejamiento, en el que se forman un electrón y un positrón (ver). En consecuencia, al atravesar una sustancia, la energía de la radiación de rayos X disminuye, es decir, disminuye su intensidad. Dado que en este caso es más probable que se absorban cuantos de baja energía, la radiación de rayos X se enriquece con cuantos de mayor energía. Esta propiedad de la radiación de rayos X se utiliza para aumentar la energía media de los cuantos, es decir, para aumentar su rigidez. Se logra un aumento en la dureza de la radiación de rayos X utilizando filtros especiales (ver). La radiación de rayos X se utiliza para el diagnóstico de rayos X (ver) y (ver). Véase también radiación ionizante.
Radiación de rayos X (sinónimo: rayos X, rayos X): radiación electromagnética cuántica con una longitud de onda de 250 a 0,025 A (o cuantos de energía de 5 10 -2 a 5 10 2 keV). En 1895, fue descubierto por VK Roentgen. La región espectral de la radiación electromagnética adyacente a los rayos X, cuyos cuantos de energía superan los 500 keV, se denomina radiación gamma (ver); La radiación, cuyos cuantos de energía están por debajo de 0,05 keV, es radiación ultravioleta (ver).
Así, representando una parte relativamente pequeña del vasto espectro de la radiación electromagnética, que incluye tanto las ondas de radio como la luz visible, la radiación de rayos X, como cualquier radiación electromagnética, se propaga a la velocidad de la luz (unos 300 mil km/s en el vacío). ) y se caracteriza por una longitud de onda λ (la distancia sobre la cual se propaga la radiación en un período de oscilación). La radiación de rayos X también tiene otras propiedades de onda (refracción, interferencia, difracción), pero es mucho más difícil observarlas que para la radiación de longitud de onda más larga: luz visible, ondas de radio.
Espectros de rayos X: a1 - espectro de bremsstrahlung continuo a 310 kV; a - espectro de bremsstrahlung continuo a 250 kV, a1 - espectro filtrado por 1 mm de Cu, a2 - espectro filtrado por 2 mm de Cu, b - serie K de la línea de tungsteno.
Para generar rayos X, se utilizan tubos de rayos X (ver), en los que la radiación se produce cuando los electrones rápidos interactúan con los átomos de la sustancia del ánodo. Hay dos tipos de rayos X: bremsstrahlung y característicos. La radiación de rayos X Bremsstrahlung, que tiene un espectro continuo, es similar a la luz blanca ordinaria. La distribución de intensidad en función de la longitud de onda (Fig.) está representada por una curva con un máximo; en la dirección de las ondas largas, la curva cae suavemente, y en la dirección de las ondas cortas, es abrupta y se rompe en una determinada longitud de onda (λ0), denominada límite de longitud de onda corta del espectro continuo. El valor de λ0 es inversamente proporcional al voltaje en el tubo. Bremsstrahlung surge de la interacción de electrones rápidos con núcleos atómicos. La intensidad de bremsstrahlung es directamente proporcional a la fuerza de la corriente del ánodo, el cuadrado del voltaje del tubo y el número atómico (Z) del material del ánodo.
Si la energía de los electrones acelerados en el tubo de rayos X excede el valor crítico para la sustancia del ánodo (esta energía está determinada por el voltaje del tubo Vcr, que es crítico para esta sustancia), entonces se produce una radiación característica. El espectro característico es una línea, sus líneas espectrales forman una serie, denotada por las letras K, L, M, N.
La serie K es la longitud de onda más corta, la serie L es la longitud de onda más larga, las series M y N se observan solo en elementos pesados (Vcr de tungsteno para la serie K es 69,3 kv, para la serie L - 12,1 kv). La radiación característica surge de la siguiente manera. Los electrones rápidos expulsan a los electrones atómicos de las capas internas. El átomo se excita y luego vuelve al estado fundamental. En este caso, los electrones de las capas externas menos unidas llenan los espacios vacíos en las capas internas y se emiten fotones de radiación característica con una energía igual a la diferencia entre las energías del átomo en los estados excitado y fundamental. Esta diferencia (y por tanto la energía del fotón) tiene un valor determinado, característico de cada elemento. Este fenómeno subyace en el análisis espectral de rayos X de los elementos. La figura muestra el espectro de líneas de tungsteno contra el fondo de un espectro continuo de bremsstrahlung.
La energía de los electrones acelerados en el tubo de rayos X se convierte casi en su totalidad en energía térmica (el ánodo se calienta fuertemente en este caso), solo una parte insignificante (alrededor del 1% a un voltaje cercano a 100 kV) se convierte en energía de frenado. .
El uso de rayos X en medicina se basa en las leyes de absorción de rayos X por la materia. La absorción de rayos X es completamente independiente de las propiedades ópticas del material absorbente. El vidrio de plomo incoloro y transparente que se utiliza para proteger al personal en las salas de rayos X absorbe los rayos X casi por completo. En cambio, una hoja de papel que no sea transparente a la luz no atenúa los rayos X.
La intensidad de un haz de rayos X homogéneo (es decir, de cierta longitud de onda), cuando atraviesa una capa absorbente, disminuye según una ley exponencial (ex), donde e es la base de los logaritmos naturales (2.718), y el exponente x es igual al producto del coeficiente de atenuación de masa (μ / p) cm 2 /g por espesor de absorbente en g / cm 2 (aquí p es la densidad de la sustancia en g / cm 3). Los rayos X son atenuados tanto por dispersión como por absorción. En consecuencia, el coeficiente de atenuación de masa es la suma de los coeficientes de absorción y dispersión de masa. El coeficiente de absorción de masa aumenta bruscamente al aumentar el número atómico (Z) del absorbedor (proporcional a Z3 o Z5) y al aumentar la longitud de onda (proporcional a λ3). Esta dependencia de la longitud de onda se observa dentro de las bandas de absorción, en cuyos límites el coeficiente presenta saltos.
El coeficiente de dispersión de masa aumenta con el aumento del número atómico de la sustancia. Para λ≥0,3Å el coeficiente de dispersión no depende de la longitud de onda, para λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
La disminución de los coeficientes de absorción y dispersión al disminuir la longitud de onda provoca un aumento en el poder de penetración de los rayos X. El coeficiente de absorción de masa de los huesos [la absorción se debe principalmente al Ca 3 (PO 4) 2 ] es casi 70 veces mayor que el de los tejidos blandos, donde la absorción se debe principalmente al agua. Esto explica por qué la sombra de los huesos se destaca tan nítidamente en las radiografías contra el fondo de los tejidos blandos.
La propagación de un haz de rayos X no homogéneo a través de cualquier medio, junto con una disminución de la intensidad, va acompañada de un cambio en la composición espectral, un cambio en la calidad de la radiación: la parte de onda larga del espectro se absorbe a en mayor medida que la parte de onda corta, la radiación se vuelve más uniforme. El filtrado de la parte de longitud de onda larga del espectro permite mejorar la relación entre las dosis profundas y superficiales durante la terapia de rayos X de focos ubicados en las profundidades del cuerpo humano (ver filtros de rayos X). Para caracterizar la calidad de un haz de rayos X no homogéneo, se utiliza el concepto de "capa de media atenuación (L)", una capa de una sustancia que atenúa la radiación a la mitad. El grosor de esta capa depende del voltaje en el tubo, el grosor y el material del filtro. El celofán (hasta una energía de 12 keV), el aluminio (20–100 keV), el cobre (60–300 keV), el plomo y el cobre (>300 keV) se utilizan para medir las capas de media atenuación. Para rayos X generados a tensiones de 80-120 kV, 1 mm de cobre equivale en capacidad filtrante a 26 mm de aluminio, 1 mm de plomo equivale a 50,9 mm de aluminio.
La absorción y dispersión de rayos X se debe a sus propiedades corpusculares; Los rayos X interactúan con los átomos como una corriente de corpúsculos (partículas), fotones, cada uno de los cuales tiene cierta energía (inversamente proporcional a la longitud de onda de los rayos X). El rango de energía de los fotones de rayos X es de 0,05 a 500 keV.
La absorción de la radiación de rayos X se debe al efecto fotoeléctrico: la absorción de un fotón por la capa de electrones va acompañada de la eyección de un electrón. El átomo se excita y, volviendo al estado fundamental, emite una radiación característica. El fotoelectrón emitido se lleva toda la energía del fotón (menos la energía de enlace del electrón en el átomo).
La dispersión de la radiación de rayos X se debe a los electrones del medio de dispersión. Hay dispersión clásica (la longitud de onda de la radiación no cambia, pero la dirección de propagación cambia) y dispersión con un cambio en la longitud de onda: el efecto Compton (la longitud de onda de la radiación dispersa es mayor que la incidente). En este último caso, el fotón se comporta como una bola en movimiento, y la dispersión de fotones se produce, según la expresión figurativa de Comnton, como un juego de billar con fotones y electrones: al chocar con un electrón, el fotón cede parte de su energía a él y se dispersa, ya que tiene menos energía (respectivamente, la longitud de onda de la radiación dispersa aumenta), el electrón sale volando del átomo con una energía de retroceso (estos electrones se llaman electrones Compton o electrones de retroceso). La absorción de energía de rayos X ocurre durante la formación de electrones secundarios (Compton y fotoelectrones) y la transferencia de energía a ellos. La energía de los rayos X transferida a una unidad de masa de una sustancia determina la dosis absorbida de rayos X. La unidad de esta dosis 1 rad corresponde a 100 erg/g. Debido a la energía absorbida en la sustancia del absorbedor, se producen una serie de procesos secundarios, que tienen importancia para la dosimetría de rayos X, ya que en ellos se basan los métodos de medición de rayos X. (ver Dosimetría).
Todos los gases y muchos líquidos, semiconductores y dieléctricos, bajo la acción de los rayos X, aumentan la conductividad eléctrica. La conductividad la encuentran los mejores materiales aislantes: parafina, mica, caucho, ámbar. El cambio de conductividad se debe a la ionización del medio, es decir, la separación de moléculas neutras en iones positivos y negativos (la ionización se produce por electrones secundarios). La ionización del aire se utiliza para determinar la dosis de exposición a los rayos X (dosis en el aire), que se mide en roentgens (ver Dosis radiación ionizante). A una dosis de 1 r, la dosis absorbida en el aire es de 0,88 rad.
Bajo la acción de los rayos X, como resultado de la excitación de las moléculas de una sustancia (y durante la recombinación de iones), en muchos casos se excita un brillo visible de la sustancia. A altas intensidades de radiación de rayos X, se observa un brillo visible de aire, papel, parafina, etc. (los metales son una excepción). El mayor rendimiento de luz visible lo dan fósforos cristalinos como Zn·CdS·Ag-fósforo y otros utilizados para pantallas en fluoroscopia.
Bajo la acción de los rayos X, también pueden tener lugar en una sustancia varios procesos químicos: la descomposición de los haluros de plata (un efecto fotográfico utilizado en los rayos X), la descomposición del agua y de las soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno, un cambio en la propiedades del celuloide (enturbiamiento y liberación de alcanfor), parafina (enturbiamiento y blanqueo) .
Como resultado de la conversión completa, toda la energía de rayos X absorbida por la sustancia químicamente inerte se convierte en calor. La medición de cantidades muy pequeñas de calor requiere métodos muy sensibles, pero es el principal método para mediciones absolutas de rayos X.
Los efectos biológicos secundarios de la exposición a los rayos X son la base de la radioterapia médica (ver). Los rayos X, cuyos cuantos son de 6 a 16 keV (longitudes de onda efectivas de 2 a 5 Å), son absorbidos casi por completo por el tegumento de la piel del tejido del cuerpo humano; se denominan rayos límite o, a veces, rayos Bucca (ver rayos Bucca). Para la terapia de rayos X profunda, se utiliza radiación filtrada dura con cuantos de energía efectivos de 100 a 300 keV.
El efecto biológico de la radiación de rayos X debe tenerse en cuenta no solo en la terapia de rayos X, sino también en el diagnóstico de rayos X, así como en todos los demás casos de contacto con rayos X que requieren el uso de protección radiológica ( ver).