LECTURA
RADIAȚII RX
Natura razelor X
Raze X Bremsstrahlung, proprietățile sale spectrale.
Radiații cu raze X caracteristice (pentru revizuire).
Interacțiunea radiațiilor X cu materia.
Baza fizică pentru utilizarea razelor X în medicină.
Razele X (razele X) au fost descoperite de K. Roentgen, care în 1895 a devenit primul laureat al premiului Nobel pentru fizică.
Natura razelor X
radiații cu raze X - unde electromagnetice cu lungimea de la 80 la 10 -5 nm. Radiația cu raze X cu undă lungă este acoperită de radiația UV cu undă scurtă, iar radiația cu undă scurtă de radiația cu undă lungă .
Razele X sunt produse în tuburi de raze X. fig.1.
K - catod
1 - fascicul de electroni
2 - Radiații cu raze X
Orez. 1. Dispozitiv cu tub cu raze X.
Tubul este un balon de sticlă (cu posibil vid mare: presiunea în el este de aproximativ 10–6 mm Hg) cu doi electrozi: anodul A și catodul K, cărora li se aplică o tensiune înaltă U (câteva mii de volți). Catodul este o sursă de electroni (datorită fenomenului de emisie termoionică). Anodul este o tijă de metal care are o suprafață înclinată pentru a direcționa radiația de raze X rezultată într-un unghi față de axa tubului. Este fabricat dintr-un material foarte conductor de căldură pentru a elimina căldura generată în timpul bombardamentului cu electroni. Pe capătul teșit există o placă din metal refractar (de exemplu, wolfram).
Încălzirea puternică a anodului se datorează faptului că numărul principal de electroni din fasciculul catodic, după ce a lovit anodul, suferă numeroase ciocniri cu atomii substanței și le transferă o cantitate mare de energie.
Sub acțiunea tensiunii înalte, electronii emiși de filamentul catod fierbinte sunt accelerați la energii mari. Energia cinetică a unui electron este egală cu mv 2 /2. Este egal cu energia pe care o dobândește prin deplasarea în câmpul electrostatic al tubului:
mv 2 /2 = eU(1)
unde m, e sunt masa și sarcina electronilor, U este tensiunea de accelerare.
Procesele care conduc la apariția razelor X bremsstrahlung se datorează decelerării intense a electronilor din materialul anodic de către câmpul electrostatic al nucleului atomic și electronilor atomici.
Mecanismul de origine poate fi reprezentat astfel. Electronii în mișcare sunt un fel de curent care își formează propriul câmp magnetic. Decelerația electronilor este o scădere a intensității curentului și, în consecință, o modificare a inducției câmpului magnetic, care va determina apariția unui câmp electric alternativ, adică. apariția unei unde electromagnetice.
Astfel, atunci când o particulă încărcată zboară în materie, aceasta încetinește, își pierde energia și viteza și emite unde electromagnetice.
Proprietățile spectrale ale bremsstrahlung cu raze X .
Deci, în cazul decelerarii electronilor în materialul anodului, radiația bremsstrahlung.
Spectrul bremsstrahlung este continuu. Motivul pentru aceasta este următorul.
Când electronii decelerează, fiecare dintre ei are o parte din energia utilizată pentru a încălzi anodul (E 1 \u003d Q), cealaltă parte pentru a crea un foton cu raze X (E 2 \u003d hv), în caz contrar, eU \u003d hv + Î. Raportul dintre aceste părți este aleatoriu.
Astfel, spectrul continuu al bremsstrahlung-ului de raze X se formează din cauza decelerației multor electroni, fiecare dintre care emite un cuantic de raze X hv (h) cu o valoare strict definită. Valoarea acestui cuantum diferite pentru diferiți electroni. Dependența fluxului de energie de raze X de lungimea de undă , adică spectrul de raze X este prezentat în Fig.2.
Fig.2. Spectrul Bremsstrahlung: a) la diferite tensiuni U în tub; b) la diferite temperaturi T ale catodului.
Radiația cu undă scurtă (dure) are o putere de penetrare mai mare decât radiația cu undă lungă (moale). Radiația moale este absorbită mai puternic de materie.
Din partea lungimilor de undă scurte, spectrul se termină brusc la o anumită lungime de undă m i n . O astfel de bremsstrahlung cu lungime de undă scurtă apare atunci când energia dobândită de un electron într-un câmp de accelerare este complet convertită în energie fotonică (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Compoziția spectrală a radiației depinde de tensiunea de pe tubul cu raze X, cu creșterea tensiunii, valoarea lui m i n se deplasează spre lungimi de undă scurte (Fig. 2a).
Când temperatura T a incandescenței catodului se modifică, emisia de electroni crește. În consecință, curentul I în tub crește, dar compoziția spectrală a radiației nu se modifică (Fig. 2b).
Fluxul de energie Ф al bremsstrahlung este direct proporțional cu pătratul tensiunii U dintre anod și catod, puterea curentului I în tub și numărul atomic Z al substanței anodice:
Ф = kZU 2 I. (3)
unde k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Raze X caracteristice (pentru familiarizare).
Creșterea tensiunii pe tubul de raze X duce la faptul că pe fundalul unui spectru continuu, apare o linie, care corespunde radiației caracteristice de raze X. Această radiație este specifică materialului anodic.
Mecanismul apariției sale este următorul. La o tensiune înaltă, electronii accelerați (cu energie mare) pătrund adânc în atom și scot electronii din straturile sale interioare. Electronii de la nivelurile superioare trec în locuri libere, în urma cărora sunt emiși fotoni de radiații caracteristice.
Spectrele radiațiilor X caracteristice diferă de spectrele optice.
- Uniformitate.
Uniformitatea spectrelor caracteristice se datorează faptului că straturile interne de electroni ale diferiților atomi sunt aceleași și diferă doar energetic datorită acțiunii forței din nuclee, care crește odată cu creșterea numărului elementar. Prin urmare, spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Acest lucru a fost confirmat experimental de un angajat al Roentgen - Moseley, care a măsurat frecvențele de tranziție a razelor X pentru 33 de elemente. Ei au făcut legea.
LEGEA LUI MOSELY – rădăcina pătrată a frecvenței radiației caracteristice este o funcție liniară a numărului ordinal al elementului:
= A (Z - B), (4)
unde v este frecvența liniei spectrale, Z este numărul atomic al elementului emițător. A, B sunt constante.
Importanța legii lui Moseley constă în faptul că această dependență poate fi folosită pentru a determina cu precizie numărul atomic al elementului studiat din frecvența măsurată a liniei de raze X. Acest lucru a jucat un rol important în plasarea elementelor în tabelul periodic.
Independență față de un compus chimic.
Spectrele de raze X caracteristice unui atom nu depind de compusul chimic în care intră atomul elementului. De exemplu, spectrul de raze X al unui atom de oxigen este același pentru O2, H2O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși diferă. Această caracteristică a spectrului de raze X al atomului a stat la baza denumirii " radiatii caracteristice".
Interacțiunea radiațiilor X cu materia
Impactul radiațiilor X asupra obiectelor este determinat de procesele primare ale interacțiunii cu raze X. foton cu electroni atomi și molecule de materie.
Radiația cu raze X în materie absorbit sau se risipește. În acest caz, pot apărea diferite procese, care sunt determinate de raportul dintre energia fotonului de raze X hv și energia de ionizare Аu (energia de ionizare Аu este energia necesară pentru a elimina electronii interni din atom sau moleculă).
dar) Imprăștire coerentă(împrăștierea radiațiilor cu undă lungă) apare atunci când relația
Pentru fotoni, din cauza interacțiunii cu electronii, se modifică doar direcția de mișcare (Fig. 3a), dar energia hv și lungimea de undă nu se modifică (prin urmare, această împrăștiere se numește coerent). Deoarece energiile unui foton și ale unui atom nu se schimbă, împrăștierea coerentă nu afectează obiectele biologice, dar atunci când se creează protecție împotriva radiațiilor cu raze X, ar trebui să se țină cont de posibilitatea de a schimba direcția primară a fasciculului.
b) efect fotoelectric se întâmplă când
În acest caz, se pot realiza două cazuri.
Fotonul este absorbit, electronul este desprins de atom (Fig. 3b). Are loc ionizarea. Electronul detașat dobândește energie cinetică: E k \u003d hv - A și. Dacă energia cinetică este mare, atunci electronul poate ioniza atomii vecini prin ciocnire, formând alții noi. secundar electroni.
Fotonul este absorbit, dar energia lui nu este suficientă pentru a detașa electronul și excitarea unui atom sau a unei molecule(Fig. 3c). Acest lucru duce adesea la emisia ulterioară a unui foton în regiunea radiației vizibile (luminescență cu raze X), iar în țesuturi - la activarea moleculelor și a reacțiilor fotochimice. Efectul fotoelectric are loc în principal asupra electronilor învelișurilor interioare ale atomilor cu Z mare.
în) Imprăștire incoerentă(Efectul Compton, 1922) apare atunci când energia fotonului este mult mai mare decât energia de ionizare
În acest caz, electronul este detașat de atom (astfel de electroni se numesc electroni de recul), dobândește ceva energie cinetică E k, energia fotonului în sine scade (Fig. 4d):
hv=hv" + A și + E k. (5)
Radiația rezultată cu o frecvență (lungime) modificată se numește secundar, se împrăștie în toate direcțiile.
Electronii de recul, dacă au suficientă energie cinetică, pot ioniza atomii vecini prin ciocnire. Astfel, ca urmare a împrăștierii incoerente, se formează radiația secundară împrăștiată de raze X și atomii substanței sunt ionizați.
Aceste procese (a, b, c) pot provoca o serie de procese ulterioare. De exemplu (Fig. 3d), dacă, în timpul efectului fotoelectric, electronii sunt desprinși din atom de pe învelișurile interioare, atunci electronii cu mai multe niveluri înalte, care este însoțită de emisia de raze X caracteristică secundară a substanței date. Fotonii radiațiilor secundare, care interacționează cu electronii atomilor vecini, pot provoca, la rândul lor, fenomene secundare.
împrăștiere coerentă
uh 
energia și lungimea de undă rămân neschimbate
efect fotoelectric
fotonul este absorbit, e - desprins de atom - ionizare
hv \u003d A și + E la
atomul A este excitat la absorbția unui foton, R este luminiscența cu raze X
împrăștiere incoerentă
hv \u003d hv "+ A și + E la
procese secundare în efectul fotoelectric
Orez. 3 Mecanisme de interacțiune a razelor X cu materia
Baza fizică pentru utilizarea razelor X în medicină
Când razele X cad pe un corp, acesta este ușor reflectat de la suprafața acestuia, dar trece în principal în adâncime, în timp ce este parțial absorbit și împrăștiat și trece parțial.
Legea slăbirii.
Fluxul de raze X este atenuat în materie conform legii:
F \u003d F 0 e - x (6)
unde este liniar factor de atenuare, care depinde în esenţă de densitatea substanţei. Este egală cu suma a trei termeni corespunzători împrăștierii coerente 1, incoerente 2 și efect fotoelectric 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Contribuția fiecărui termen este determinată de energia fotonului. Mai jos sunt rapoartele acestor procese pentru țesuturile moi (apa).
|
Energie, keV |
efect fotoelectric |
Compton - efect |
bucură-te coeficientul de atenuare a masei, care nu depinde de densitatea substanței :
m = /. (8)
Coeficientul de atenuare a masei depinde de energia fotonului si de numarul atomic al substantei absorbante:
m = k 3 Z 3 . (nouă)
Coeficienții de atenuare a masei osoase și ale țesuturilor moi (apă) sunt diferiți: m os / m apă = 68.
Dacă un corp neomogen este plasat pe calea razelor X și un ecran fluorescent este plasat în fața lui, atunci acest corp, absorbind și atenuând radiația, formează o umbră pe ecran. După natura acestei umbre, se poate judeca forma, densitatea, structura și, în multe cazuri, natura corpurilor. Acestea. o diferență semnificativă în absorbția radiațiilor X de către diferite țesuturi vă permite să vedeți imaginea organelor interne în proiecția umbrei.
Dacă organul studiat și țesuturile din jur atenuează în mod egal razele X, atunci se folosesc agenți de contrast. Deci, de exemplu, umplând stomacul și intestinele cu o masă moale de sulfat de bariu (BaSO 4 ), se poate vedea imaginea lor în umbră (raportul coeficienților de atenuare este 354).
Utilizare în medicină.
În medicină, radiația cu raze X cu energie fotonică de la 60 la 100-120 keV este utilizată pentru diagnosticare și 150-200 keV pentru terapie.
Diagnosticare cu raze X – Recunoașterea bolilor prin transiluminarea corpului cu raze X.
Diagnosticarea cu raze X este utilizată în diferite opțiuni, care sunt prezentate mai jos.
Cu fluoroscopie tubul cu raze X este situat în spatele pacientului. În fața lui este un ecran fluorescent. Există o imagine umbră (pozitivă) pe ecran. În fiecare caz separat duritatea adecvată a radiației este selectată astfel încât să treacă prin țesuturile moi, dar să fie suficient absorbită de cele dense. În caz contrar, se obține o umbră uniformă. Pe ecran, inima, coastele sunt vizibile întunecate, plămânii sunt ușori.
Când radiografia obiectul este așezat pe o casetă, care conține un film cu o emulsie fotografică specială. Tubul cu raze X este plasat peste obiect. Radiografia rezultată oferă o imagine negativă, adică. invers, în contrast cu imaginea observată în timpul transiluminării. În această metodă, există o claritate mai mare a imaginii decât în (1), prin urmare, se observă detalii care sunt greu de văzut atunci când sunt transiluminate.
O variantă promițătoare aceasta metoda este radiografie tomografieși „versiunea de mașină” - computer tomografie.
3. Cu fluoroscopie, Pe un film sensibil de format mic, imaginea de pe ecranul mare este fixată. Când sunt vizualizate, imaginile sunt examinate cu o lupă specială.
Terapia cu raze X- utilizarea razelor X pentru a distruge tumorile maligne.
Efectul biologic al radiațiilor este de a perturba activitatea vitală, în special celulele care se înmulțesc rapid.
TOMOGRAFIE COMPUTERIZĂ (CT)
Metoda tomografiei computerizate cu raze X se bazează pe reconstrucția unei imagini a unei anumite secțiuni a corpului pacientului prin înregistrarea unui număr mare de proiecții cu raze X ale acestei secțiuni, realizate în unghiuri diferite. Informațiile de la senzorii care înregistrează aceste proiecții intră în computer, care, conform unui program special calculează distributie strâmtmarime de mostraîn secțiunea investigată și îl afișează pe ecranul de afișare. Imaginea secțiunii corpului pacientului obținută în acest mod se caracterizează printr-o claritate excelentă și un conținut ridicat de informații. Programul vă permite crește contrastul imaginiiîn de zeci și chiar de sute de ori. Acest lucru extinde capacitățile de diagnosticare ale metodei.
Videografi (dispozitive cu procesare digitală a imaginii cu raze X) în stomatologia modernă.
În stomatologie, examenul cu raze X este principala metodă de diagnosticare. Cu toate acestea, o serie de caracteristici organizatorice și tehnice tradiționale ale diagnosticului cu raze X îl fac să nu fie destul de confortabil atât pentru pacient, cât și pentru clinicile stomatologice. Aceasta este, în primul rând, necesitatea ca pacientul să intre în contact cu radiațiile ionizante, care creează adesea o încărcare semnificativă de radiații asupra corpului, este și nevoia unui fotoproces și, în consecință, nevoia de fotoreactivi, inclusiv cele toxice. Aceasta este, în sfârșit, o arhivă voluminoasă, dosare grele și plicuri cu filme cu raze X.
În plus, nivelul actual de dezvoltare a stomatologiei face ca evaluarea subiectivă a radiografiilor de către ochiul uman să fie insuficientă. După cum sa dovedit, din varietatea de nuanțe de gri conținute în imaginea cu raze X, ochiul percepe doar 64.
Evident, pentru a obține o imagine clară și detaliată a țesuturilor dure ale sistemului dentoalveolar cu expunere minimă la radiații, sunt necesare alte soluții. Căutarea a dus la crearea așa-numitelor sisteme radiografice, videografi - sisteme de radiografie digitală.
Fără detalii tehnice, principiul de funcționare a unor astfel de sisteme este următorul. Radiația de raze X intră prin obiect nu pe o peliculă fotosensibilă, ci pe un senzor intraoral special (matrice electronică specială). Semnalul corespunzător din matrice este transmis către un dispozitiv de digitizare (convertor analog-digital, ADC) care îl convertește în formă digitală și este conectat la computer. Software-ul special construiește o imagine cu raze X pe ecranul computerului și vă permite să o procesați, să o salvați pe un mediu de stocare dur sau flexibil (hard disk, dischete), să o imprimați ca imagine ca fișier.
Într-un sistem digital, o imagine cu raze X este o colecție de puncte care au diferite valori digitale în tonuri de gri. Optimizarea afișajului informațiilor oferită de program face posibilă obținerea unui cadru optim în ceea ce privește luminozitatea și contrastul la o doză de radiație relativ mică.
În sistemele moderne, create, de exemplu, de Trophy (Franța) sau Schick (SUA), la formarea unui cadru sunt utilizate 4096 de nuanțe de gri, timpul de expunere depinde de obiectul de studiu și, în medie, este de sutimi - zecimi de a doua, o scădere a expunerii la radiații în raport cu filmul - până la 90% pentru sistemele intraorale, până la 70% pentru videografii panoramici.
Atunci când procesează imagini, videografii permit:
Obțineți imagini pozitive și negative, imagini color false, imagini în relief.
Măriți contrastul și măriți zona de interes din imagine.
Evaluați modificările densității țesuturilor dentare și structurilor osoase, controlați uniformitatea umplerii canalului.
În endodonție, determinați lungimea canalului de orice curbură, iar în chirurgie, selectați dimensiunea implantului cu o precizie de 0,1 mm.
Sistemul unic de detectare a cariilor cu elemente de inteligență artificială în timpul analizei imaginii vă permite să detectați carii în stadiul de colorare, carii radiculare și carii ascunse.
„F” din formula (3) se referă la întreaga gamă de lungimi de undă radiate și este adesea denumit „flux energetic integral”.
RADIAȚII RX
radiații cu raze X ocupă regiunea spectrului electromagnetic dintre radiațiile gamma și ultraviolete și este radiație electromagnetică cu o lungime de undă de 10 -14 până la 10 -7 m. Se utilizează radiația de raze X cu o lungime de undă de 5 x 10 -12 până la 2,5 x 10 -10 în medicină m, adică 0,05 - 2,5 angstrom, și de fapt pentru diagnosticarea cu raze X - 0,1 angstrom. Radiația este un flux de cuante (fotoni) care se propagă în linie dreaptă cu viteza luminii (300.000 km/s). Aceste cuante nu au sarcină electrică. Masa unui cuantum este o parte nesemnificativă a unității de masă atomică.
Energia cuantică măsurate în Jouli (J), dar în practică folosesc adesea o unitate în afara sistemului „electron volt” (eV) . Un electron volt este energia pe care o dobândește un electron atunci când trece printr-o diferență de potențial de 1 volt într-un câmp electric. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Derivatele sunt un kiloelectron volt (keV), egal cu o mie de eV, și un megaelectron volt (MeV), egal cu un milion eV.
Razele X sunt obținute folosind tuburi de raze X, acceleratoare liniare și betatroni. Într-un tub cu raze X, diferența de potențial dintre catod și anodul țintă (zeci de kilovolți) accelerează electronii care bombardează anodul. Radiația cu raze X apare atunci când electronii rapid decelerează în câmpul electric al atomilor substanței anodice. (bremsstrahlung) sau la rearanjarea învelișurilor interioare ale atomilor (radiatii caracteristice) . Raze X caracteristice are un caracter discret și apare atunci când electronii atomilor substanței anodice trec de la un nivel de energie la altul sub influența electronilor externi sau a cuantelor de radiație. Bremsstrahlung radiografie are un spectru continuu in functie de tensiunea anodica de pe tubul cu raze X. Când decelerează în materialul anodic, electronii cheltuiesc cea mai mare parte a energiei lor pentru încălzirea anodului (99%) și doar o mică fracțiune (1%) este convertită în energie de raze X. În diagnosticul cu raze X, bremsstrahlung este cel mai des utilizat.
Proprietățile de bază ale razelor X sunt caracteristice tuturor radiațiilor electromagnetice, dar există unele caracteristici. Razele X au următoarele proprietăți:
- invizibilitate - celulele sensibile ale retinei umane nu răspund la raze X, deoarece lungimea lor de undă este de mii de ori mai mică decât cea a luminii vizibile;
- propagare rectilinie - razele sunt refractate, polarizate (propagate într-un anumit plan) și difractate, ca lumina vizibilă. Indicele de refracție diferă foarte puțin de unitate;
- putere de pătrundere - pătrund fără absorbție semnificativă prin straturi semnificative ale unei substanțe care este opac la lumina vizibilă. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât puterea de penetrare a razelor X este mai mare;
- absorbanta - au capacitatea de a fi absorbite de țesuturile corpului, aceasta este baza tuturor diagnosticelor cu raze X. Capacitatea de absorbție depinde de greutatea specifică a țesuturilor (cu cât mai mult, cu atât este mai mare absorbția); pe grosimea obiectului; asupra durității radiațiilor;
- actiune fotografica - descompune compușii cu halogenură de argint, inclusiv pe cei găsiți în emulsiile fotografice, ceea ce face posibilă obținerea de raze X;
- efect luminiscent - provoacă luminescența unui număr de compuși chimici (fosfor), aceasta este baza tehnicii de transmisie cu raze X. Intensitatea strălucirii depinde de structura substanței fluorescente, de cantitatea acesteia și de distanța de la sursa de raze X. Fosforii sunt utilizați nu numai pentru obținerea unei imagini a obiectelor studiate pe un ecran fluoroscopic, ci și în radiografie, unde fac posibilă creșterea expunerii la radiații la un film radiografic dintr-o casetă datorită utilizării ecranelor de intensificare, Strat de suprafață care este făcut din substanțe fluorescente;
- actiune de ionizare - au capacitatea de a provoca dezintegrarea atomilor neutri în particule încărcate pozitiv și negativ, dozimetria se bazează pe aceasta. Efectul ionizării oricărui mediu este formarea de ioni pozitivi și negativi în acesta, precum și de electroni liberi din atomi neutri și molecule ale unei substanțe. Ionizarea aerului din camera cu raze X în timpul funcționării tubului cu raze X duce la o creștere a conductibilității electrice a aerului, o creștere a sarcinilor electrice statice pe obiectele dulapului. Pentru a elimina o astfel de influență nedorită a acestora în camerele cu raze X, o forțată ventilație de alimentare și evacuare;
- actiune biologica - au impact asupra obiectelor biologice, în majoritatea cazurilor acest impact este dăunător;
- legea inversului pătratului - pentru o sursă punctiformă de radiație cu raze X, intensitatea scade proporțional cu pătratul distanței până la sursă.
Radiația cu raze X, din punct de vedere al fizicii, este radiație electromagnetică, a cărei lungime de undă variază în intervalul de la 0,001 la 50 nanometri. A fost descoperit în 1895 de către fizicianul german W.K. Roentgen.
Prin natura lor, aceste raze sunt legate de ultravioletele solare. Undele radio sunt cele mai lungi din spectru. Ele sunt urmate de lumina infrarosu, pe care ochii nostri nu o percep, dar o simtim ca pe caldura. Urmează razele de la roșu la violet. Apoi - ultraviolete (A, B și C). Și chiar în spatele ei sunt razele X și razele gamma.
Razele X pot fi obținute în două moduri: prin decelerare a materiei particulelor încărcate care trec prin ea și prin trecerea electronilor din straturile superioare la cele interne atunci când se eliberează energie.
Spre deosebire de lumina vizibilă, aceste raze sunt foarte lungi, astfel încât sunt capabile să pătrundă în materialele opace fără a fi reflectate, refractate sau acumulate în ele.
Bremsstrahlung este mai ușor de obținut. Particulele încărcate emit radiații electromagnetice la frânare. Cu cât accelerația acestor particule este mai mare și, în consecință, cu cât decelerația este mai accentuată, cu atât se produc mai multe raze X, iar lungimea undelor sale devine mai scurtă. În cele mai multe cazuri, în practică, ele recurg la generarea de raze în procesul de decelerare a electronilor din solide. Acest lucru vă permite să controlați sursa acestei radiații, evitând pericolul. expunerea la radiații, deoarece atunci când sursa este oprită, radiația cu raze X dispare complet.
Cea mai comună sursă de astfel de radiații - Radiația emisă de aceasta este neomogenă. Conține atât radiații moi (undă lungă), cât și radiații dure (unde scurte). Cea moale se caracterizează prin faptul că este complet absorbită de corpul uman, prin urmare, o astfel de radiație cu raze X dăunează de două ori mai mult decât cea dura. Cu radiații electromagnetice excesive în țesuturile corpului uman, ionizarea poate deteriora celulele și ADN-ul.
Tubul este cu doi electrozi - un catod negativ și un anod pozitiv. Când catodul este încălzit, electronii se evaporă din el, apoi sunt accelerați într-un câmp electric. Ciocnind cu materia solidă a anozilor, aceștia încep decelerația, care este însoțită de emisia de radiații electromagnetice.
Radiațiile cu raze X, ale căror proprietăți sunt utilizate pe scară largă în medicină, se bazează pe obținerea unei imagini în umbră a obiectului studiat pe un ecran sensibil. Dacă organul diagnosticat este iluminat cu un fascicul de raze paralele între ele, atunci proiecția umbrelor din acest organ va fi transmisă fără distorsiuni (proporțional). În practică, sursa de radiații seamănă mai mult cu o sursă punctuală, deci este situată la distanță de persoană și de ecran.
Pentru a primi o persoană este plasată între tubul cu raze X și ecran sau film, acționând ca receptori de radiații. Ca urmare a iradierii, oasele și alte țesuturi dense apar în imagine ca umbre clare, arată mai mult contrast pe fundalul unor zone mai puțin expresive care transmit țesuturi cu mai puțină absorbție. La radiografii, o persoană devine „translucidă”.
Pe măsură ce razele X se propagă, ele pot fi împrăștiate și absorbite. Înainte de absorbție, razele pot călători sute de metri în aer. În materie densă, acestea sunt absorbite mult mai repede. Țesuturile biologice umane sunt eterogene, astfel încât absorbția lor a razelor depinde de densitatea țesutului organelor. absoarbe razele mai repede decât țesuturile moi, deoarece conține substanțe care au numere atomice mari. Fotonii (particulele individuale de raze) sunt absorbiți de diferite țesuturi ale corpului uman în moduri diferite, ceea ce face posibilă obținerea unei imagini de contrast folosind raze X.
Descoperirea și meritul în studiul proprietăților de bază ale razelor X aparțin de drept omului de știință german Wilhelm Conrad Roentgen. Proprietățile uimitoare ale razelor X descoperite de el au primit imediat un răspuns uriaș în lumea științifică. Deși atunci, în 1895, omul de știință cu greu își putea imagina ce beneficii și, uneori, rău pot aduce razele X.
Să aflăm în acest articol cum afectează acest tip de radiații sănătatea umană.
Ce este radiația cu raze X
Prima întrebare care l-a interesat pe cercetător a fost ce este radiația cu raze X? O serie de experimente au făcut posibilă verificarea faptului că aceasta este radiație electromagnetică cu o lungime de undă de 10 -8 cm, care ocupă o poziție intermediară între radiațiile ultraviolete și gama.
Aplicarea razelor X
Toate aceste aspecte ale efectelor distructive ale misterioasei raze X nu exclud deloc aspecte surprinzător de extinse ale aplicării lor. Unde se folosesc razele X?
- Studiul structurii moleculelor și cristalelor.
- Detectarea defectelor cu raze X (în industrie, detectarea defectelor la produse).
- Metode de cercetare și terapie medicală.
Cele mai importante aplicații ale razelor X au devenit posibile datorită lungimilor de undă foarte scurte ale întregii game a acestor unde și proprietăților lor unice.
Deoarece suntem interesați de impactul radiațiilor X asupra persoanelor care o întâlnesc numai în timpul unui examen sau tratament medical, atunci vom lua în considerare doar acest domeniu de aplicare a razelor X.
Utilizarea razelor X în medicină
În ciuda semnificației deosebite a descoperirii sale, Roentgen nu a obținut un brevet pentru utilizarea sa, făcându-l un cadou neprețuit pentru întreaga omenire. Deja în Primul Război Mondial, au început să fie utilizate unități de raze X, ceea ce a făcut posibilă diagnosticarea rapidă și precisă a răniților. Acum putem distinge două domenii principale de aplicare a razelor X în medicină:
- diagnosticare cu raze X;
- terapie cu raze X.
Diagnosticare cu raze X
Diagnosticarea cu raze X este utilizată în diferite opțiuni:
Să aruncăm o privire la diferența dintre aceste metode.
Toate aceste metode de diagnostic se bazează pe capacitatea razelor X de a ilumina filmul și pe permeabilitatea lor diferită la țesuturi și scheletul osos.
Terapia cu raze X
Capacitatea razelor X de a avea un efect biologic asupra țesuturilor este utilizată în medicină pentru tratamentul tumorilor. Efectul ionizant al acestei radiații se manifestă cel mai activ în efectul asupra celulelor cu diviziune rapidă, care sunt celulele tumorilor maligne.
Cu toate acestea, ar trebui să fiți și conștienți de efecte secundare care însoţesc inevitabil radioterapia. Faptul este că și celulele sistemului hematopoietic, endocrin și imunitar se împart rapid. Un impact negativ asupra acestora dă naștere la semne de boală de radiații.
Efectul radiațiilor X asupra oamenilor
La scurt timp după descoperirea remarcabilă a razelor X, s-a descoperit că razele X au un efect asupra oamenilor.
Aceste date au fost obținute în experimente pe animale de experiment, totuși, geneticienii sugerează că efecte similare se pot aplica și asupra corpului uman.
Studiul efectelor expunerii la raze X a făcut posibilă dezvoltarea standarde internaționale la doze admisibile de radiaţii.
Doze de radiații cu raze X în diagnosticarea cu raze X
După ce vizitează camera de radiografie, mulți pacienți sunt îngrijorați - cum le va afecta sănătatea doza primită de radiații?
Doza de iradiere generală a corpului depinde de natura procedurii. Pentru comoditate, vom compara doza primită cu expunerea naturală, care însoțește o persoană de-a lungul vieții.
- Radiografie: torace - doza de radiație primită este echivalentă cu 10 zile de expunere de fond; stomacul superior și intestinul subțire - 3 ani.
- Tomografia computerizată a cavității abdominale și pelvisului, precum și a întregului corp - 3 ani.
- Mamografie - 3 luni.
- Radiografia extremităților este practic inofensivă.
- În ceea ce privește radiografiile dentare, doza de radiație este minimă, deoarece pacientul este expus la un fascicul îngust de raze X cu o durată scurtă de iradiere.
Aceste doze de radiații îndeplinesc standardele acceptabile, dar dacă pacientul se simte anxios înainte de radiografie, el are dreptul să ceară un șorț special de protecție.
Expunerea la raze X la femeile însărcinate
Fiecare persoană trebuie să fie supusă unei examinări cu raze X în mod repetat. Dar există o regulă - această metodă de diagnosticare nu poate fi prescrisă femeilor însărcinate. Embrionul în curs de dezvoltare este extrem de vulnerabil. Razele X pot provoca anomalii cromozomiale și, ca urmare, nașterea copiilor cu malformații. Cea mai vulnerabilă în acest sens este vârsta gestațională de până la 16 săptămâni. Mai mult, cea mai periculoasă pentru viitorul copil este o radiografie a coloanei vertebrale, a regiunilor pelvine și abdominale.
Știind efectul dăunător al razelor X asupra sarcinii, medicii evită să-l folosească în orice mod posibil în această perioadă crucială din viața unei femei.
Cu toate acestea, există surse secundare de raze X:
- microscoape electronice;
- kinescoape TV color etc.
Viitoarele mamici ar trebui sa fie constiente de pericolul pe care il reprezinta.
Pentru mamele care alăptează, radiodiagnosticul nu este periculos.
Ce să faci după o radiografie
Pentru a evita chiar și efectele minime ale expunerii la raze X, se pot lua câțiva pași simpli:
- după o radiografie, bea un pahar de lapte - elimină doze mici de radiații;
- foarte util să luați un pahar de vin sec sau suc de struguri;
- la ceva timp după procedură, este utilă creșterea proporției de alimente cu un conținut ridicat de iod (fructe de mare).
Dar, nu sunt necesare proceduri medicale sau măsuri speciale pentru a elimina radiațiile după o radiografie!
În ciuda consecințelor incontestabil de grave ale expunerii la raze X, nu ar trebui să supraestimam pericolul lor atunci când examene medicale- se efectuează numai pe anumite părți ale corpului și foarte rapid. Beneficiile acestora depășesc de multe ori riscul acestei proceduri pentru corpul uman.
Radiația cu raze X (sinonim cu raze X) are o gamă largă de lungimi de undă (de la 8·10 -6 la 10 -12 cm). Radiația cu raze X apare atunci când particulele încărcate, cel mai adesea electroni, decelerează în câmpul electric al atomilor unei substanțe. Quantele rezultate au energii diferite și formează un spectru continuu. Energia maximă a fotonului într-un astfel de spectru este egală cu energia electronilor incidenti. În (vezi) energia maximă a cuantelor de raze X, exprimată în kiloelectron-volti, este numeric egală cu mărimea tensiunii aplicate tubului, exprimată în kilovolți. Când trec printr-o substanță, razele X interacționează cu electronii atomilor acesteia. Pentru cuante de raze X cu energii de până la 100 keV, cel mai mult vedere caracteristică interacțiunea este efectul fotoelectric. Ca rezultat al unei astfel de interacțiuni, energia cuantică este cheltuită complet pentru a scoate un electron din învelișul atomic și pentru a-i conferi energie cinetică. Odată cu creșterea energiei unui cuantum de raze X, probabilitatea efectului fotoelectric scade și procesul de împrăștiere a cuantelor pe electroni liberi, așa-numitul efect Compton, devine predominant. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, se formează și un electron secundar și, în plus, o cuantică zboară cu o energie mai mică decât energia cuantei primare. Dacă energia unui cuantum de raze X depășește un megaelectron-volt, poate apărea un așa-numit efect de împerechere, în care se formează un electron și un pozitron (vezi). În consecință, la trecerea printr-o substanță, energia radiației cu raze X scade, adică intensitatea acesteia scade. Deoarece cuantele cu energie scăzută sunt mai susceptibile de a fi absorbite în acest caz, radiația de raze X este îmbogățită cu cuante de energie mai mare. Această proprietate a radiației cu raze X este folosită pentru a crește energia medie a cuantelor, adică pentru a crește rigiditatea acesteia. O creștere a durității radiațiilor X se realizează cu ajutorul filtrelor speciale (vezi). Radiația cu raze X este utilizată pentru diagnosticarea cu raze X (vezi) și (vezi). Vezi și radiații ionizante.
Radiație cu raze X (sinonim: raze X, raze X) - radiație electromagnetică cuantică cu o lungime de undă de la 250 la 0,025 A (sau cuante de energie de la 5 10 -2 la 5 10 2 keV). În 1895, a fost descoperit de V.K. Roentgen. Regiunea spectrală a radiațiilor electromagnetice adiacentă razelor X, ale căror cuante de energie depășesc 500 keV, se numește radiație gamma (vezi); radiația, ale cărei cuante de energie sunt sub 0,05 keV, este radiație ultravioletă (vezi).
Astfel, reprezentând o parte relativ mică din spectrul vast de radiații electromagnetice, care include atât unde radio, cât și lumina vizibilă, radiația de raze X, ca orice radiație electromagnetică, se propagă cu viteza luminii (aproximativ 300 mii km/s în vid). ) și se caracterizează printr-o lungime de undă λ (distanța pe care se propagă radiația într-o perioadă de oscilație). Radiația de raze X are și o serie de alte proprietăți de undă (refracție, interferență, difracție), dar este mult mai dificil de observat decât pentru radiația cu lungime de undă mai mare: lumină vizibilă, unde radio.
Spectre de raze X: a1 - spectru bremsstrahlung continuu la 310 kV; a - spectru bremsstrahlung continuu la 250 kV, a1 - spectru filtrat cu 1 mm Cu, a2 - spectru filtrat cu 2 mm Cu, b - seria K a liniei de wolfram.
Pentru a genera raze X, se folosesc tuburi cu raze X (vezi), în care radiația apare atunci când electronii rapizi interacționează cu atomii substanței anodice. Există două tipuri de raze X: bremsstrahlung și caracteristice. Radiația de raze X Bremsstrahlung, care are un spectru continuu, este similară cu lumina albă obișnuită. Distribuția intensității în funcție de lungimea de undă (Fig.) este reprezentată de o curbă cu un maxim; în direcția undelor lungi, curba cade ușor, iar în direcția undelor scurte, se rupe abrupt și se rupe la o anumită lungime de undă (λ0), numită limita de lungime de undă scurtă a spectrului continuu. Valoarea lui λ0 este invers proporțională cu tensiunea de pe tub. Bremsstrahlungul apare din interacțiunea electronilor rapizi cu nucleele atomice. Intensitatea bremsstrahlung este direct proporțională cu puterea curentului anodului, pătratul tensiunii tubului și numărul atomic (Z) al materialului anodului.
Dacă energia electronilor accelerați în tubul cu raze X depășește valoarea critică pentru substanța anodică (această energie este determinată de tensiunea tubului Vcr, care este critică pentru această substanță), atunci apare radiația caracteristică. Spectrul caracteristic este linia, liniile sale spectrale formează o serie, notate cu literele K, L, M, N.
Seria K este cea mai scurtă lungime de undă, seria L are lungimea de undă mai mare, seria M și N se observă numai în elemente grele (Vcr de wolfram pentru seria K este de 69,3 kv, pentru seria L - 12,1 kv). Radiația caracteristică apare după cum urmează. Electronii rapizi scot electronii atomici din învelișurile interioare. Atomul este excitat și apoi revine la starea fundamentală. În acest caz, electronii din învelișurile exterioare, mai puțin legate umple spațiile libere în învelișurile interioare, și sunt emiși fotoni de radiație caracteristică cu o energie egală cu diferența dintre energiile atomului în stările excitate și fundamentale. Această diferență (și deci energia fotonului) are o anumită valoare, caracteristică fiecărui element. Acest fenomen stă la baza analizei spectrale cu raze X a elementelor. Figura arată spectrul de linii de wolfram pe fundalul unui spectru continuu de bremsstrahlung.
Energia electronilor accelerați în tubul de raze X este convertită aproape în întregime în energie termică (anodul este puternic încălzit în acest caz), doar o parte nesemnificativă (aproximativ 1% la o tensiune apropiată de 100 kV) este convertită în energie bremsstrahlung. .
Utilizarea razelor X în medicină se bazează pe legile absorbției razelor X de către materie. Absorbția razelor X este complet independentă de proprietățile optice ale materialului absorbant. Sticla de plumb incoloră și transparentă folosită pentru a proteja personalul din camerele cu raze X absoarbe razele X aproape complet. În schimb, o foaie de hârtie care nu este transparentă la lumină nu atenuează razele X.
Intensitatea unui fascicul de raze X omogen (adică o anumită lungime de undă), când trece printr-un strat absorbant, scade conform unei legi exponențiale (ex), unde e este baza logaritmilor naturali (2.718), iar exponentul x este egal cu produsul coeficientului de atenuare a masei (μ / p) cm 2 /g per grosimea absorbantului în g / cm 2 (aici p este densitatea substanței în g / cm 3). Razele X sunt atenuate atât prin împrăștiere, cât și prin absorbție. În consecință, coeficientul de atenuare a masei este suma coeficienților de absorbție a masei și de împrăștiere. Coeficientul de absorbție în masă crește brusc odată cu creșterea numărului atomic (Z) al absorbantului (proporțional cu Z3 sau Z5) și cu creșterea lungimii de undă (proporțional cu λ3). Această dependență de lungimea de undă se observă în cadrul benzilor de absorbție, la limitele cărora coeficientul prezintă salturi.
Coeficientul de împrăștiere a masei crește odată cu creșterea numărului atomic al substanței. Pentru λ≥0,3Å coeficientul de împrăștiere nu depinde de lungimea de undă, pentru λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Scăderea coeficienților de absorbție și împrăștiere cu scăderea lungimii de undă determină o creștere a puterii de penetrare a razelor X. Coeficientul de absorbție în masă pentru oase [absorbția se datorează în principal Ca 3 (PO 4) 2 ] este de aproape 70 de ori mai mare decât pentru țesuturile moi, unde absorbția se datorează în principal apei. Așa se explică de ce umbra oaselor iese atât de clar pe radiografii pe fundalul țesuturilor moi.
Propagarea unui fascicul neomogen de raze X prin orice mediu, împreună cu o scădere a intensității, este însoțită de o modificare a compoziției spectrale, o modificare a calității radiației: partea de undă lungă a spectrului este absorbită la într-o măsură mai mare decât partea cu undă scurtă, radiația devine mai uniformă. Filtrarea părții cu lungime de undă lungă a spectrului face posibilă îmbunătățirea raportului dintre dozele profunde și cele de suprafață în timpul terapiei cu raze X a focarelor situate adânc în corpul uman (vezi filtrele cu raze X). Pentru a caracteriza calitatea unui fascicul de raze X neomogen, se folosește conceptul de „strat de atenuare jumătate (L)” - un strat al unei substanțe care atenuează radiația la jumătate. Grosimea acestui strat depinde de tensiunea de pe tub, de grosimea și materialul filtrului. Celofanul (până la o energie de 12 keV), aluminiul (20–100 keV), cuprul (60–300 keV), plumbul și cuprul (>300 keV) sunt utilizate pentru măsurarea straturilor de jumătate de atenuare. Pentru razele X generate la tensiuni de 80-120 kV, 1 mm de cupru este echivalent ca capacitate de filtrare cu 26 mm de aluminiu, 1 mm de plumb este echivalent cu 50,9 mm de aluminiu.
Absorbția și împrăștierea razelor X se datorează proprietăților sale corpusculare; Razele X interacționează cu atomii ca un flux de corpusculi (particule) - fotoni, fiecare dintre care are o anumită energie (invers proporțională cu lungimea de undă a razelor X). Intervalul de energie al fotonilor cu raze X este de 0,05-500 keV.
Absorbția radiațiilor X se datorează efectului fotoelectric: absorbția unui foton de către învelișul electronului este însoțită de ejecția unui electron. Atomul este excitat și, revenind la starea fundamentală, emite radiații caracteristice. Fotoelectronul emis duce toată energia fotonului (minus energia de legare a electronului din atom).
Difuzarea radiațiilor X se datorează electronilor mediului de împrăștiere. Există împrăștiere clasică (lungimea de undă a radiației nu se schimbă, dar direcția de propagare se schimbă) și împrăștiere cu modificarea lungimii de undă - efectul Compton (lungimea de undă a radiației împrăștiate este mai mare decât cea incidentă). În acest din urmă caz, fotonul se comportă ca o minge în mișcare, iar împrăștierea fotonilor are loc, conform expresiei figurative a lui Comnton, ca un joc de biliard cu fotoni și electroni: ciocnind cu un electron, fotonul transferă o parte din energia sa. la el și se împrăștie, având deja mai puțină energie (respectiv, lungimea de undă a radiației împrăștiate crește), electronul zboară din atom cu o energie de recul (acești electroni se numesc electroni Compton sau electroni de recul). Absorbția energiei cu raze X are loc în timpul formării electronilor secundari (Compton și fotoelectroni) și transferului de energie către aceștia. Energia razelor X transferată la o unitate de masă a unei substanțe determină doza absorbită de raze X. Unitatea acestei doze 1 rad corespunde la 100 erg/g. Datorită energiei absorbite în substanța absorbantului, au loc o serie de procese secundare, care au importanţă pentru dozimetria cu raze X, deoarece pe acestea se bazează metodele de măsurare cu raze X. (vezi Dozimetrie).
Toate gazele și multe lichide, semiconductori și dielectrici, sub acțiunea razelor X, cresc conductivitatea electrică. Conductibilitatea o gasesc cele mai bune materiale izolante: parafina, mica, cauciuc, chihlimbar. Modificarea conductibilității se datorează ionizării mediului, adică separării moleculelor neutre în ioni pozitivi și negativi (ionizarea este produsă de electroni secundari). Ionizarea aerului este utilizată pentru a determina doza de expunere la raze X (doza în aer), care este măsurată în roentgens (vezi Doze radiatii ionizante). La o doză de 1 r, doza absorbită în aer este de 0,88 rad.
Sub acțiunea razelor X, ca urmare a excitării moleculelor unei substanțe (și în timpul recombinării ionilor), în multe cazuri este excitată o strălucire vizibilă a substanței. La intensități mari de radiații cu raze X se observă o strălucire vizibilă a aerului, hârtiei, parafinei etc. (metalele sunt o excepție). Cel mai mare randament de lumină vizibilă este dat de fosfori cristalini precum Zn·CdS·Ag-fosfor și alții utilizați pentru ecrane în fluoroscopie.
Sub acțiunea razelor X, într-o substanță pot avea loc și diferite procese chimice: descompunerea halogenurilor de argint (un efect fotografic folosit în razele X), descompunerea apei și a soluțiilor apoase de peroxid de hidrogen, o modificare a proprietățile celuloidului (încețoșare și eliberare de camfor), parafinei (încețoșare și albire).
Ca rezultat al conversiei complete, toată energia de raze X absorbită de substanța inertă din punct de vedere chimic este transformată în căldură. Măsurarea cantităților foarte mici de căldură necesită metode extrem de sensibile, dar este metoda principală pentru măsurători absolute ale razelor X.
Efectele biologice secundare de la expunerea la raze X stau la baza radioterapiei medicale (vezi). Razele X, ale căror cuante sunt de 6-16 keV (lungimi de undă efective de la 2 la 5 Å), sunt aproape complet absorbite de tegumentul cutanat al țesutului corpului uman; se numesc raze de frontieră sau, uneori, raze Bucca (vezi raze Bucca). Pentru terapia cu raze X profunde, se utilizează radiații filtrate dur cu cuante de energie efectivă de la 100 la 300 keV.
Efectul biologic al radiațiilor cu raze X ar trebui luat în considerare nu numai în terapia cu raze X, ci și în diagnosticarea cu raze X, precum și în toate celelalte cazuri de contact cu raze X care necesită utilizarea protecției împotriva radiațiilor ( vedea).