лекція
РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ
Природа рентгенівського випромінювання
Гальмівне рентгенівське випромінювання, його спектральні властивості.
Характеристичне рентгенівське випромінювання (для ознайомлення).
Взаємодія рентгенівського випромінювання із речовиною.
Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині.
Рентгенівське випромінювання (X – промені) відкриті К. Рентгеном, який у 1895 р. став першим Нобелівським лауреатом з фізики.
Природа рентгенівського випромінювання
Рентгенівське випромінювання - Електромагнітні хвилі з довжиною від 80 до 10-5 нм. Довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим УФ випромінюванням, короткохвильове - довгохвильовим-випромінюванням.
Рентгенівське випромінювання одержують у рентгенівських трубках. рис.1.
К – катод
1 – пучок електронів
2-рентгенівське випромінювання
Рис. 1. Влаштування рентгенівської трубки.
Трубка являє собою скляну колбу (з можливо високим вакуумом: тиск у ній близько 10 -6 мм.рт.ст.) з двома електродами: анодом А і катодом К, до яких прикладено високу напругу U (кілька тисяч вольт). Катод є джерелом електронів (з допомогою явища термоелектронної емісії). Анод – металевий стрижень, має похилу поверхню для того, щоб спрямовувати рентгенівське випромінювання під кутом до осі трубки. Він виготовляється з теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється при бомбардуванні електронів. На скошеному торці є пластинка з тугоплавкого металу (наприклад, вольфраму).
Сильний розігрів анода обумовлений тим, що основна кількість електронів у катодному пучку, потрапивши на анод, зазнає численних зіткнень з атомами речовини і передає їм велику енергію.
Під впливом високої напруги електрони, випущені розпеченою ниткою катода, прискорюються до величезних енергій. Кінетична енергія електрона дорівнює mv2/2. Вона дорівнює енергії, яку він купує, рухаючись в електростатичному полі трубки:
mv 2 /2 = eU (1)
де m, e – маса та заряд електрона, U – прискорююча напруга.
Процеси, що призводять до виникнення гальмівного рентгенівського випромінювання, зумовлені інтенсивним гальмуванням електронів у речовині анода електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів.
Механізм виникнення можна уявити так. Електрони, що рухаються - це деякий струм, що утворює своє магнітне поле. Уповільнення електронів – зниження сили струму і, зміна індукції магнітного поля, що викликає виникнення змінного електричного поля, тобто. Виникнення електромагнітної хвилі.
Таким чином, коли заряджена частка влітає в речовину, вона гальмується, втрачає свою енергію і швидкість і випромінює електромагнітні хвилі.
Спектральні властивості гальмівного рентгенівського випромінювання .
Отже, у разі гальмування електрона у речовині анода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.
Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним. Причина цього у наступному.
При гальмуванні електронів у кожного частина енергії йде на нагрівання анода (Е 1 = Q), інша частина створення фотона рентгенівського випромінювання (Е 2 = hv), інакше, eU = hv + Q. Співвідношення між цими частинами випадкове.
Таким чином, безперервний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання утворюється завдяки гальмуванням безлічі електронів, кожен з яких випускає один квант рентгенівського випромінювання hv (h) строго певної величини. Величина цього кванта різна для різних електронів. p align="justify"> Залежність потоку енергії рентгенівського випромінювання від довжини хвилі , тобто. Спектр рентгенівського випромінювання представлений на рис.2.
Рис.2. Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання: а) при різній напрузі U в трубці; б) за різної температури Т катода.
Короткохвильове (жорстке) випромінювання має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове (м'яке). М'яке випромінювання сильніше поглинається речовиною.
З боку коротких довжин хвиль спектр різко обривається на певній довжині хвилі m i n. Таке короткохвильове гальмівне випромінювання виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (нм) = 1,23/UкВ
Спектральний склад випромінювання залежить від величини напруги на рентгенівській трубці, зі збільшенням напруги значення m i n зміщується у бік коротких довжин хвиль (рис. 2a).
При зміні температури Т накалу катода зростає емісія електронів. Отже, збільшується струм I трубці, але спектральний склад випромінювання не змінюється (рис. 2б).
Потік енергії Ф гальмівного випромінювання прямо пропорційний квадрату напруги U між анодом і катодом, силі струму I у трубці та атомному номеру Z речовини анода:
Ф = kZU 2 I. (3)
де k = 10 -9 Вт / (В 2 А).
Характеристичне рентгенівське випромінювання (для ознайомлення).
Збільшення напруги на рентгенівській трубці призводить до того, що на тлі суцільного спектра з'являється лінійний, який відповідає характеристичного рентгенівського випромінювання. Це випромінювання специфічне для матеріалу аноду.
Механізм його виникнення такий. При великій напрузі прискорені електрони (з великою енергією) проникають у глиб атома і вибивають із внутрішніх шарів електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів, у результаті висвічуються фотони характеристичного випромінювання.
Спектри характеристичного рентгенівського випромінювання від оптичних спектрів.
– Однотипність.
Однотипність характеристичних спектрів обумовлена тим, що внутрішні електронні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично через силову дію з боку ядер, що збільшується зі зростанням порядкового номера елемента. Тому характеристичні спектри зсуваються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядра. Досвідчено це було підтверджено співробітником Рентгену. Мозлі, який виміряв частоти рентгенівських переходів для 33 елементів Ним було встановлено закон.
ЗАКОН МОЗЛІ – квадратний корінь з частоти характеристичного випромінювання є лінійна функція порядкового номера елемента:
= A (Z – B), (4)
де v – частота спектральної лінії, Z – атомний номер випромінюючого елемента. А, В – константи.
Важливість закону Мозлі полягає в тому, що за цією залежністю можна виміряти частоту рентгенівської лінії точно дізнатися атомний номер досліджуваного елемента. Це відіграло велику роль у розміщенні елементів у періодичній системі.
Незалежність від хімічної сполуки.
Характеристичні рентгенівські спектри атома не залежать від хімічної сполуки, до якої входить атом елемента. Наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для О2, Н2О, тоді як оптичні спектри цих сполук відрізняються. Ця особливість рентгенівського спектру атома послужила основою назви " характеристичне випромінювання".
Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною
Вплив рентгенівського випромінювання на об'єкти визначається первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронамиатомів та молекул речовини.
Рентгенівське випромінювання у речовині поглинаєтьсяабо розсіюється. При цьому можуть відбуватися різні процеси, що визначаються співвідношенням енергії рентгенівського фотона hv і енергії іонізації А і (енергія іонізації А і - енергія, необхідна для видалення внутрішніх електронів за межі атома або молекули).
а) Когерентне розсіювання(розсіювання довгохвильового випромінювання) відбувається тоді, коли виконується співвідношення
У фотонів внаслідок взаємодії з електронами змінюється лише напрямок руху (рис.3а), але енергія hv і довжина хвилі не змінюються (тому це розсіювання називається когерентним). Оскільки енергія фотона і атома не змінюються, то когерентне розсіювання впливає біологічні об'єкти, але за створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни первинного напрями пучка.
б) Фотоефектвідбувається тоді, коли
При цьому можуть бути реалізовані два випадки.
Фотон поглинається, електрон відривається від атома (рис. 3б). Відбувається іонізація. Електрон, що відірвався, набуває кінетичної енергії: E до = hv – A і. Якщо кінетична енергія велика, то електрон може іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові вторинніелектрони.
Фотон поглинається, але його енергії мало для відриву електрона, і може статися збудження атома чи молекули(Рис.3в). Це часто призводить до подальшого випромінювання фотона в області видимого випромінювання (рентгенолюмінесценція), а в тканинах – активації молекул і фотохімічних реакцій. Фотоефект відбувається в основному на електронах внутрішніх оболонок атомів з високим Z.
в) Некогерентне розсіювання(Ефект Комптона, 1922 р.) відбувається тоді, коли енергія фотона набагато більше енергії іонізації
При цьому електрон відривається від атома (такі електрони називаються електронами віддачі), набуває деякої кінетичної енергії Е до, енергія самого фотона зменшується (рис. 4г):
hv = hv" + А та + Е к. (5)
Випромінювання, що утворюється таким чином, із зміненою частотою (довжиною) називається вторинним, Воно розсіюється на всіх напрямках.
Електрони віддачі, якщо вони мають достатню кінетичну енергію, можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення. Таким чином, в результаті некогерентного розсіювання утворюється вторинне розсіяне рентгенівське випромінювання та відбувається іонізація атомів речовини.
Зазначені (а,б,в) процеси можуть викликати ради наступних. Наприклад (рис. 3д), якщо при фотоефект відбувається відрив від атома електронів на внутрішніх оболонках, то на їх місце можуть переходити електрони з більш високих рівнівщо супроводжується вторинним характеристичним рентгенівським випромінюванням даної речовини Фотони вторинного випромінювання, взаємодіючи з електронами сусідніх атомів, можуть, своєю чергою, викликати вторинні явища.
когерентне розсіювання
е 
нергія та довжина хвилі залишаються незмінними
фотоефект
фотон поглинається, е – відривається від атома – іонізація
hv = А та + Е до
атом А збуджується при поглинанні фотону, R – рентгенолюмінесценція
некогерентне розсіювання
hv = hv"+А та +Е до
вторинні процеси при фотоефекті
Рис. 3 Механізми взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною
Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині
При падінні рентгенівського випромінювання на тіло воно трохи відбивається від його поверхні, а в основному проходить углиб, при цьому частково поглинається і розсіюється, частково проходить наскрізь.
Закон ослаблення.
Потік рентгенівського випромінювання послаблюється у речовині за законом:
Ф = Ф 0 е – х (6)
де – лінійний коефіцієнт ослаблення,який істотно залежить від густини речовини. Він дорівнює сумі трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню 1, некогерентному 2 та фотоефекту 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Вклад кожного доданка визначається енергією фотона. Нижче наведено співвідношення цих процесів для м'яких тканин (води).
|
Енергія, кеВ |
Фотоефект |
Комптон – ефект |
Користуються масовим коефіцієнтом ослаблення,який не залежить від щільності речовини :
m = /. (8)
Масовий коефіцієнт ослаблення залежить від енергії фотона та від атомного номера речовини – поглинача:
m = k 3 Z 3 . (9)
Масові коефіцієнти ослаблення кістки та м'якої тканини (води) відрізняються: m кістки /m води = 68.
Якщо по дорозі рентгенівських променів помістити неоднорідне тіло і поставити флуоресцирующий екран, це тіло, поглинаючи і послаблюючи випромінювання, утворює на екрані тінь. За характером цієї тіні можна судити про форму, щільність, структуру, а в багатьох випадках і про природу тіл. Тобто. Значна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє у тіньової проекції бачити зображення внутрішніх органів.
Якщо досліджуваний орган та оточуючі тканини однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, застосовують контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок та кишечник кашоподібною масою сульфату барію (BaS0 4), можна бачити їх тіньове зображення (співвідношення коефіцієнтів ослаблення дорівнює 354).
Використання у медицині.
У медицині використовується рентгенівське випромінювання з енергією фотонів від 60 до 100-120 кеВ при діагностиці та 150-200 кеВ при терапії.
Рентгенодіагностика – розпізнавання захворювань з допомогою просвічування тіла рентгенівським випромінюванням.
Рентгенодіагностику використовують у різних варіантах, які наведені нижче.
При рентгеноскопіїрентгенівська трубка розташована за пацієнтом. Перед ним розташовується флуоресцентний екран. На екрані спостерігається тіньове (позитивне) зображення. В кожному окремому випадкупідбирається відповідна жорсткість випромінювання, так що воно проходило через м'які тканини, але досить поглиналося щільними. Інакше виходить однорідна тінь. На екрані серце, ребра видно темними, легені – світлими.
При рентгенографіїоб'єкт розміщується на касеті, в яку вкладена плівка зі спеціальною фотоемульсією. Рентгенівська трубка знаходиться над об'єктом. Отримувана рентгенограма дає негативне зображення, тобто. зворотне за контрастом з картиною, що спостерігається при просвічуванні. У цьому методі має місце більша чіткість зображення, ніж (1), тому спостерігаються деталі, які важко розглянути при просвічуванні.
Перспективним варіантом даного методує рентгенівська томографіята "машинний варіант" - комп'ютерна томографія.
3. При флюорографії,на чутливій малоформатній плівці фіксується зображення великого екрана. Під час розгляду знімки розглядаються на спеціальному збільшувачі.
Рентгенотерапія- Використання рентгенівського випромінювання для знищення злоякісних утворень.
Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності, особливо клітин, що швидко розмножуються.
КОМП'ЮТЕРНА ТОМОГРАФІЯ (КТ)
p align="justify"> Метод рентгенівської комп'ютерної томографії заснований на реконструкції зображення певного перерізу тіла пацієнта шляхом реєстрації великої кількості рентгенівських проекцій цього перерізу, виконаних під різними кутами. Інформація від датчиків, що реєструють ці проекції, надходить до комп'ютера, який за спеціальною програмою обчислюєрозподіл щільности зразкау досліджуваному перерізі та відображає його на екрані дисплея. Отримане таким чином зображення перерізу тіла пацієнта характеризується чудовою чіткістю та високою інформативністю. Програма дозволяє за необхідності збільшити контраст зображенняв десятки і навіть сотні разів. Це розширює діагностичні можливості методу.
Відеографи (апарати з цифровою обробкою рентгенівського зображення) у сучасній стоматології.
У стоматології саме рентгенологічне дослідження є основним діагностичним методом. Проте низка традиційних організаційно-технічних особливостей рентгенодіагностики роблять її не цілком комфортною як для пацієнта, так і для стоматологічних клінік. Це, перш за все, необхідність контакту пацієнта з іонізуючим випромінюванням, що створює часто значне променеве навантаження на організм, це також необхідність фотопроцесу, а отже, необхідність фотореактивів, у тому числі токсичних. Це, нарешті, громіздкий архів, важкі папки та конверти з рентгенівськими плівками.
Крім того, сучасний рівень розвитку стоматології робить недостатньою суб'єктивну оцінку рентгенограм людським оком. Як виявилося, з різноманіття відтінків сірого тону, що міститься в рентгенівському зображенні, сприймає око лише 64.
Очевидно, що для отримання чіткого та докладного зображення твердих тканин зубо-щелепної системи при мінімальному променевому навантаженні потрібні інші рішення. Пошук призвів до створення так званих радіографічних систем, відеографів – систем цифрової рентгенографії.
Без технічних подробиць принцип дії таких систем ось у чому. Рентгенівське випромінювання надходить через об'єкт не так на фоточутливу плівку, але в спеціальний внутриоральный датчик (спеціальну електронну матрицю). Відповідний сигнал від матриці передається на цифрову форму, що перетворює, в цифрову форму оцифровуючий пристрій (аналого-цифровий перетворювач, АЦП), пов'язане з комп'ютером. Спеціальне програмне забезпечення будує на екрані комп'ютера рентгенівське зображення і дозволяє обробити його, зберігати на жорсткому або гнучкому носії інформації (вінчестері, дискетах) у вигляді файлу роздруковувати його як картинку.
У цифровій системі рентгенівське зображення є сукупністю точок, що мають різні цифрові значення градації сірого тону. Передбачена програмою оптимізація відображення інформації дає можливість отримати оптимальний за яскравістю та контрастністю кадр при відносно малій дозі опромінення.
У сучасних системах, створеними, наприклад, фірмами Trophy (Франція) або Schick (США) при формуванні кадру використовується 4096 відтінків сірого, час експозиції залежить від об'єкта дослідження і, в середньому, становить соті – десяті частки секунди, зниження променевого навантаження по відношенню до плівці – до 90% для внутрішньооральних систем, до 70% – для панорамних відеографів.
При обробці зображень відеографи дозволяють:
Отримувати позитивні та негативні зображення, зображення у псевдоцвіті, рельєфні зображення.
Підвищувати контраст і збільшувати цікавий фрагмент зображення.
Оцінювати зміну щільності зубних тканин та кісткових структур, контролювати однорідність заповнення каналів.
У ендодонтії визначати довжину каналу будь-якої кривизни, а хірургії підбирати розмір імплантату з точністю 0,1 мм.
Унікальна система Caries detector з елементами штучного інтелекту при аналізі знімка дозволяє виявити карієс у стадії плями, карієс кореня та прихований карієс.
«Ф» у формулі (3) відноситься до всього інтервалу випромінюваних довжин хвиль і часто називається «Інтегральний потік енергії».
РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ
Рентгенівське випромінювання займає область електромагнітного спектру між гамма-і ультрафіолетовим випромінюваннями і є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі від 10 -14 до 10 -7 м. У медицині використовується рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі від 5 х 10 -12 до 2,5 х 10 -10 м, тобто 0,05 – 2,5 ангсмтрему, а для рентгенодіагностики – 0,1 ангстрема. Випромінювання є потік квантів (фотонів), що поширюються прямолінійно зі швидкістю світла (300 000 км/с). Ці кванти немає електричного заряду. Маса кванта становить незначну частину атомної одиниці маси.
Енергію квантіввимірюють у Джоулях (Дж), але на практиці часто користуються позасистемною одиницею "електрон-вольт" (еВ) . Один електрон-вольт - це енергія, яку набуває один електрон, пройшовши в електричному полі різницю потенціалів 1 вольт. 1 еВ = 1,6 10~ 19 Дж. Похідними є кілоелектрон-вольт (кеВ), рівний тисячі еВ, і мегаелектрон-вольт (МеВ), що дорівнює мільйону еВ.
Рентгенівські промені одержують за допомогою рентгенівських трубок, лінійних прискорювачів та бетатронів. У рентгенівській трубці різниця потенціалів між катодом і анодом-мішенню (десятки кіловольт) прискорює електрони, що бомбардують анод. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні швидких електронів в електричному полі атомів речовини анода (гальмівне випромінювання) або при перебудові внутрішніх оболонок атомів (характеристичне випромінювання) . Характеристичне рентгенівське випромінювання має дискретний характер і виникає під час переходу електронів атомів речовини анода з одного енергетичного рівня в інший під впливом зовнішніх електронів чи квантів випромінювання. Гальмівне рентгенівське випромінювання має безперервний спектр, що залежить від анодної напруги на рентгенівській трубці. При гальмуванні в речовині анода електрони більшу частину своєї енергії витрачають на нагрівання анода (99%) і лише мала частка (1%) перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. У рентгенодіагностиці найчастіше використовується гальмівне випромінювання.
Основні властивості рентгенівських променів характерні всім електромагнітних випромінювань, проте є деякі особливості. Рентгенівські промені мають такі властивості:
- невидимість - чутливі клітини сітківки ока людини не реагують на рентгенівські променітому що довжина їх хвилі в тисячі разів менша, ніж у видимого світла;
- прямолінійне поширення – промені заломлюються, поляризуються (поширюються у певній площині) та дифрагують, як і видиме світло. Коефіцієнт заломлення дуже мало відрізняється від одиниці;
- проникаюча здатність - проникають без істотного поглинання через значні шари непрозорого для видимого світла речовини. Чим коротше довжина хвилі, тим більшою проникною здатністю має рентгенівське випромінювання;
- здатність до поглинання - мають здатність поглинатися тканинами організму, на цьому заснована вся рентгенодіагностика. Здатність до поглинання залежить від питомої ваги тканин (що більше, тим більше поглинання); від товщини об'єкта; від твердості випромінювання;
- фотографічна дія - розкладають галоїдні сполуки срібла, у тому числі що знаходяться у фотоемульсіях, що дозволяє отримувати рентгенівські знімки;
- люмінесцентна дія - Викликають люмінесценцію ряду хімічних сполук (люмінофорів), на цьому заснована методика рентгенівського просвічування. Інтенсивність світіння залежить від будови флюоресцентної речовини, її кількості та відстані від джерела рентгенівського випромінювання. Люмінофори використовують не тільки для отримання зображення досліджуваних об'єктів на рентгеноскопічному екрані, але і при рентгенографії, де вони дозволяють збільшити променеву дію на рентгенографічну плівку в касеті завдяки застосуванню екранів, що підсилюють, поверхневий шаряких виконаний з флюоресціюючих речовин;
- іонізаційна дія - мають здатність викликати розпад нейтральних атомів на позитивно і негативно заряджені частинки, на цьому заснована дозиметрія. Ефект іонізації будь-якого середовища полягає в утворенні в ній позитивних та негативних іонів, а також вільних електронів із нейтральних атомів та молекул речовини. Іонізація повітря в рентгенівському кабінеті під час роботи рентгенівської трубки призводить до збільшення електричної провідності повітря, посилення статичних електричних зарядів на предметах кабінету. З метою усунення такого небажаного впливу їх у рентгенівських кабінетах передбачено примусову приточно-витяжна вентиляція;
- біологічна дія - впливають на біологічні об'єкти, в більшості випадків цей вплив є шкідливим;
- закон зворотних квадратів - для точкового джерела рентгенівського випромінювання інтенсивність зменшується пропорційно квадрату відстані джерела.
Рентгенівське випромінювання, з погляду фізики, це електромагнітне випромінювання, довжина хвиль якого варіюється в діапазоні від 0,001 до 50 нанометрів. Було відкрито 1895 німецьким фізиком В.К.Рентгеном.
За природою ці промені є спорідненими з сонячним ультрафіолетом. У спектрі найдовшими є радіохвилі. За ними йде інфрачервоне світло, яке наші очі не сприймають, але ми відчуваємо його як тепло. Далі йдуть промені від червоного до фіолетового. Потім - ультрафіолет (А, В та С). А відразу за ним рентгенівські промені та гамма-випромінювання.
Рентгенівське може бути отримано двома способами: при гальмуванні в речовині, що проходять крізь нього заряджених частинок і при переході електронів з вищих шарів на внутрішні при вивільненні енергії.
На відміну від видимого світла ці промені мають дуже велику довжину, тому здатні проникати через непрозорі матеріали, не відбиваючись, не заломлюючись і не накопичуючись у них.
Гальмівне випромінювання отримати простіше. Заряджені частки при гальмуванні випромінюють електромагнітне випромінювання. Чим більше прискорення цих частинок і, отже, різкіше гальмування, тим більше утворюється рентгенівське випромінювання, а довжина його хвиль стає меншою. У більшості випадків на практиці вдаються до вироблення променів у процесі гальмування електронів у твердих речовинах. Це дозволяє керувати джерелом цього випромінювання, уникаючи небезпеки радіаційного опроміненнятому, що при відключенні джерела рентгенівське випромінювання повністю зникає.
Найпоширеніше джерело такого випромінювання - Випромінюване їй випромінювання неоднорідне. У ньому присутні і м'яке (довгохвильове), і жорстке (короткохвильове) випромінювання. М'яке характеризується тим, що повністю поглинається людським тілом, тому таке рентгенівське випромінювання приносить шкоду вдвічі більше, ніж жорстке. При надмірному електромагнітному опроміненні в тканинах організму людини іонізація може призвести до пошкодження клітин та ДНК.
Трубка – це з двома електродами – негативним катодом та позитивним анодом. При розігріванні катода з нього випаровуються електрони, потім прискорюються в електричному полі. Зіткнувшись з твердою речовиною анодів, вони починають гальмування, яке супроводжується випромінюванням електромагнітного випромінювання.
Рентгенівське випромінювання, властивості якого широко використовуються в медицині, базується на отриманні тіньового зображення об'єкта, що досліджується, на чутливому екрані. Якщо діагностований орган просвічуватиме пучком паралельних один одному променів, то проекція тіней від цього органу передаватиметься без спотворень (пропорційно). На практиці джерело випромінювання більш схоже на точкове, тому його розташовують на відстані від людини та від екрану.
Щоб отримати людина поміщається між рентгенівською трубкою та екраном або плівкою, що виступають у ролі приймачів випромінювання. В результаті опромінення на знімку кісткова та інші щільні тканини виявляються у вигляді явних тіней, виглядають контрастніше на тлі менш виразних ділянок, які передають тканини з меншим поглинанням. На рентгенівських знімках людина стає «напівпрозорою».
Поширюючись, рентгенівське випромінювання може розсіюватися та поглинатися. До поглинання промені можуть проходити сотні метрів у повітрі. У щільній речовині вони поглинаються набагато швидше. Біологічні тканини людини неоднорідні, тому поглинання променів залежить від щільності тканини органів. поглинає промені швидше ніж м'які тканини, тому що містить речовини, що мають великі атомні номери. Фотони (окремі частинки променів) поглинаються різними тканинами організму людини по-різному, що дозволяє отримувати контрастне зображення з допомогою рентгенівських променів.
Відкриття і досягнення вивчення основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів, одразу набули величезного резонансу в ученому світі. Хоча тоді, далекого 1895 року, учений навряд міг припустити, яку користь, котрий іноді шкода може принести рентгенівське випромінювання.
Давайте з'ясуємо в цій статті, як цей вид випромінювання впливає на здоров'я людини.
Що таке рентгенівське випромінювання
Перше питання, яке зацікавило дослідника, - що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.
Застосування рентгенівського випромінювання
Всі перелічені аспекти руйнівного впливу таємничих X-променів зовсім не виключають напрочуд великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?
- Вивчення структури молекул та кристалів.
- Рентгенівська дефектоскопія (у промисловості виявлення дефектів у виробах).
- Методи медичного дослідження та терапії.
Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими завдяки дуже малим довжинам всього діапазону цих хвиль та їх унікальним властивостям.
Оскільки нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження чи лікування, то далі ми розглядатимемо лише цю сферу застосування рентгену.
Застосування рентгенівського випромінювання у медицині
Незважаючи на особливе значення свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Уже Першої світової війни стали використовуватися рентгенівські установки, що дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів у медицині:
- рентгенодіагностика;
- рентгенотерапія.
Рентгенодіагностика
Рентгенодіагностика використовується у різних варіантах:
Розберемося на відміну від цих методів.
Всі перелічені методи діагностики засновані на здатності рентгенових променів засвічувати фотоплівку та на різній проникності їх для тканин та кісткового скелета.
Рентгенотерапія
Здатність рентгенових променів надавати біологічну дію на тканини, у медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуюча дія цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на клітини, що швидко діляться, якими і є клітини злоякісних пухлин.
Однак, слід знати і про побічних ефектів, що неминуче супроводжують рентгенотерапію Справа в тому, що швидко діляться також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативно вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.
Вплив рентгенівського випромінювання на людину
Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.
Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак, генетики припускають, що такі наслідки можуть поширюватися і на організм людини.
Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандартина допустимі дози опромінення.
Дози рентгенівського випромінювання при рентгенодіагностиці
Після відвідування рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації позначиться на здоров'ї?
Доза загального опромінення організму залежить від характеру процедури, що проводиться. Для зручності зіставлятимемо отримувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.
- Рентгенографія: грудної клітки – отримана доза радіації еквівалентна 10 дням фонового опромінення; верхнього шлунка та тонкого кишечника – 3 рокам.
- Комп'ютерна томографія органів черевної порожнини та тазу, а також всього тіла - 3 років.
- Мамографія – 3 місяцях.
- Рентгенографія кінцівок – практично нешкідлива.
- Що стосується стоматологічного рентгену, доза опромінення – мінімальна, оскільки на пацієнта впливають вузькоспрямованим пучком рентгенівських променів із малою тривалістю випромінювання.
Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває тривоги, він має право попросити спеціальний захисний фартух.
Вплив рентгенівського випромінювання на вагітних
Рентгенівському обстеженню кожна людина змушена піддаватися неодноразово. Але є правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Ембріон, що розвивається, надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і, як наслідок, народження дітей із вадами розвитку. Найуразливішим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найнебезпечніший для майбутнього малюка рентген хребта, тазової та черевної області.
Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його у відповідальний період у житті жінки.
Проте є побічні джерела рентгенівських випромінювань:
- електронні мікроскопи;
- кінескопи кольорових телевізорів тощо.
Майбутнім мамам слід знати про небезпеку, що виходить від них.
Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не становить.
Що робити після рентгенівського випромінювання
Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:
- після рентгену випити склянку молока, - воно виводить малі дози радіації;
- дуже доречний прийом склянку сухого вина або виноградного соку;
- деякий час після процедури корисно збільшити частку продуктів з підвищеним вмістом йоду (морепродуктів).
Але ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!
Незважаючи на, безперечно, серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їхню небезпеку. медичних обстеженнях- вони проводяться лише на певних ділянках тіла та дуже швидко. Користь від них значно перевищує ризик цієї процедури для людського організму.
Рентгенівське випромінювання (синонім рентгенівські промені) - це із широким діапазоном довжин хвиль (від 8·10 -6 до 10 -12 див). Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні заряджених частинок, найчастіше електронів, в електричному полі атомів речовини. Кванти, що при цьому утворюються, мають різну енергію і утворюють безперервний спектр. Максимальна енергія квантів у такому спектрі дорівнює енергії електронів, що налітають. В максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання, виражена в кілоелектрон-вольтах, чисельно дорівнює величині прикладеного до трубки напруги, вираженого в кіловольтах. При проходженні через речовину рентгенівське випромінювання взаємодіє із електронами його атомів. Для квантів рентгенівського випромінювання з енергією до 100 кев найбільше характерним виглядомвзаємодії є фотоефект. Внаслідок такої взаємодії енергія кванта повністю витрачається на виривання електрона з атомної оболонки та повідомлення йому кінетичної енергії. Зі зростанням енергії кванта рентгенівського випромінювання ймовірність фотоефекту зменшується і переважає процес розсіювання квантів на вільних електронах - так званий комптон-ефект. В результаті такої взаємодії також утворюється вторинний електрон і, крім того, вилітає квант з меншою енергією, ніж енергія первинного кванта. Якщо енергія кванта рентгенівського випромінювання перевищує один мегаелектрон-вольт, може мати місце так званий ефект утворення пар, у якому утворюються електрон і позитрон (див. ). Отже, під час проходження через речовину відбувається зменшення енергії рентгенівського випромінювання, т. е. зменшення його інтенсивності. Оскільки при цьому з більшою ймовірністю відбувається поглинання квантів низької енергії, має місце збагачення рентгенівського випромінювання квантами вищої енергії. Цю властивість рентгенівського випромінювання використовують збільшення середньої енергії квантів, т. е. збільшення його жорсткості. Досягається збільшення жорсткості рентгенівського випромінювання за допомогою спеціальних фільтрів (див. ). Рентгенівське випромінювання застосовують для рентгенодіагностики (див.) та (див.). також Випромінювання іонізуючі.
Рентгенівське випромінювання (синонім: рентгенівські промені, рентгенові промені) – квантове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 250 до 0,025 А (або квантів анергії від 5 · 10 -2 до 5 · 10 2 кев). У 1895 р. відкрито В. К. Рентгеном. Сумежну з рентгенівським випромінюванням спектральну область електромагнітного випромінювання, кванти енергії якого перевищують 500 кев, називають гамма-випромінюванням (див.); випромінювання, кванти енергії якого нижче значень 0,05 кев становить ультрафіолетове випромінювання (див.).
Таким чином, представляючи відносно невелику частину великого спектру електромагнітних випромінювань, до якого входять і радіохвилі і видиме світло, рентгенівське випромінювання, як і будь-яке електромагнітне випромінювання, поширюється зі швидкістю світла (в порожнечі близько 300 тис. км/сек) і характеризується довжиною хвилі λ ( відстань, на яку випромінювання поширюється за один період коливання). Рентгенівське випромінювання має також ряд інших хвильових властивостей (заломлення, інтерференція, дифракція), проте спостерігати їх значно складніше, ніж у більш довгохвильового випромінювання: видимого світла, радіохвиль.
Спектри рентгенівського випромінювання: а1 – суцільний гальмівний спектр при 310 кв; а – суцільний гальмівний спектр при 250 кв, а1 – спектр, фільтрований 1 мм Cu, а2 – спектр, фільтрований 2 мм Cu, б – К-серія лінії вольфраму.
Для генерування рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські трубки, в яких випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з атомами речовини анода. Розрізняють рентгенівські випромінювання двох видів: гальмівне та характеристичне. Гальмівне рентгенівське випромінювання, що має суцільний спектр, подібно до звичайного білого світу. Розподіл інтенсивності залежно від довжини хвилі (мал.) представляється кривою з максимумом; у бік довгих хвиль крива спадає порожнього, а бік коротких - круто і обривається за певної довжини хвилі (λ0), званої короткохвильовою межею суцільного спектра. Величина λ0 обернено пропорційна напрузі на трубці. Гальмівне випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів із ядрами атомів. Інтенсивність гальмівного випромінювання прямо пропорційна силі анодного струму, квадрату напруги на трубці та атомному номеру (Z) речовини анода.
Якщо енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перевищує критичну для речовини анода величину (ця енергія визначається критичним для цієї речовини напругою на трубці Vкр), виникає характеристичне випромінювання. Характеристичний спектр - лінійний, його спектральні лінії утворюють серії, що позначаються буквами К, L, М, N.
Серія К - найбільш короткохвильова, серія L - більш довгохвильова, серії М і N спостерігаються тільки у важких елементів (Vкр вольфраму для К-серії - 69,3 кв, для L-серії - 12,1 кв). Характеристичне випромінювання виникає в такий спосіб. Швидкі електрони вибивають атомні електрони із внутрішніх оболонок. Атом збуджується, а потім повертається до основного стану. При цьому електрони з зовнішніх, менш пов'язаних оболонок заповнюють місця, що звільнилися у внутрішніх оболонках, і випромінюються фотони характеристичного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій атома в збудженому і основному стані. Ця різниця (а отже, і енергія фотона) має певне значення, характерне для кожного елемента. Це є основою рентгеноспектрального аналізу елементів. На малюнку видно лінійний спектр вольфраму і натомість суцільного спектра гальмівного випромінювання.
Енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перетворюється майже повністю на теплову (анод у своїй сильно нагрівається), лише незначна частина (близько 1% при напрузі, близькому до 100 кв) перетворюється на енергію гальмівного випромінювання.
Застосування рентгенівського випромінювання в медицині ґрунтується на законах поглинання рентгенових променів речовиною. Поглинання рентгенівського випромінювання не залежить від оптичних властивостей речовини поглинача. Безбарвне та прозоре свинцеве скло, що використовується для захисту персоналу рентгенівських кабінетів, практично повністю поглинає рентгенівське випромінювання. Навпаки, аркуш паперу, не прозорий світла, не послаблює рентгенівського випромінювання.
Інтенсивність однорідного (тобто певної довжини хвилі) пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через шар поглинача зменшується за експоненційним законом (е-х), де е - основа натуральних логарифмів (2,718), а показник експоненти х дорівнює добутку масового коефіцієнта /р) см 2 /г на товщину поглинача в г/см 2 (тут р - густина речовини в г/см 3). Ослаблення рентгенівського випромінювання відбувається за рахунок розсіювання, і з допомогою поглинання. Відповідно масовий коефіцієнт ослаблення є сумою масових коефіцієнтів поглинання та розсіювання. Масовий коефіцієнт поглинання різко зростає зі збільшенням атомного номера (Z) поглинача (пропорційно Z3 або Z5) та зі збільшенням довжини хвилі (пропорційно λ3). Зазначена залежність від довжини хвилі спостерігається в межах смуг поглинання, на межах яких коефіцієнт виявляє стрибки.
Масовий коефіцієнт розсіювання зростає із збільшенням атомного номера речовини. При λ≥0,ЗÅ коефіцієнт розсіювання від довжини хвилі не залежить, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Зменшення коефіцієнтів поглинання та розсіювання зі зменшенням довжини хвилі зумовлює зростання проникаючої здатності рентгенівського випромінювання. Масовий коефіцієнт поглинання для кісток [поглинання переважно зумовлено Са 3 (РO 4) 2 ] майже 70 разів більше, ніж м'яких тканин, де поглинання переважно обумовлено водою. Це пояснює чому на рентгенограмах так різко виділяється тінь кісток на тлі м'яких тканин.
Поширення неоднорідного пучка рентгенівського випромінювання через будь-яке середовище поряд із зменшенням інтенсивності супроводжується зміною спектрального складу, зміною якості випромінювання: довгохвильова частина спектра поглинається більшою мірою, ніж короткохвильова, випромінювання стає одноріднішим. Відфільтрування довгохвильової частини спектра дозволяє при рентгенотерапії вогнищ, глибоко розташованих у тілі людини, покращити співвідношення між глибинною та поверхневою дозами (див. Рентгенівські фільтри). Для характеристики якості неоднорідного пучка рентгенових променів використовують поняття «шар половинного ослаблення (Л)» - шар речовини, що послаблює випромінювання наполовину. Товщина цього шару залежить від напруги на трубці, товщині та матеріалі фільтра. Для вимірювання шарів половинного ослаблення використовують целофан (до енергії 12 кев), алюміній (20-100 кев), мідь (60-300 кев), свинець та мідь (>300 кев). Для рентгенових променів, що генеруються при напругах 80-120 кв, 1 мм міді по фільтруючій здатності еквівалентний 26 мм алюмінію, 1 мм свинцю - 50,9 мм алюмінію.
Поглинання та розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено його корпускулярними властивостями; рентгенівське випромінювання взаємодіє з атомами як потік корпускул (часток) - фотонів, кожен із яких має певну енергію (назад пропорційну довжині хвилі рентгенівського випромінювання). Інтервал енергій рентгенівських фотонів 0,05-500 кев.
Поглинання рентгенівського випромінювання обумовлено фотоелектричним ефектом: поглинання фотона електронною оболонкою супроводжується вириванням електрона. Атом збуджується і, повертаючись до основного стану, випромінює характеристичне випромінювання. Вилітаючий фотоелектрон забирає всю енергію фотона (за винятком енергії зв'язку електрона в атомі).
Розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено електронами розсіюючого середовища. Розрізняють класичне розсіювання (довжина хвилі випромінювання не змінюється, але змінюється напрямок поширення) та розсіювання зі зміною довжини хвилі – комптон-ефект (довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж падаючого). В останньому випадку фотон поводиться як кулька, що рухається, а розсіювання фотонів відбувається, за образним висловом Комнтона, на кшталт гри на більярді фотонами і електронами: стикаючись з електроном, фотон передає йому частину своєї енергії і розсіюється, володіючи вже меншою енергією (відповідно довжина хвилі розсіяних) випромінювання збільшується), електрон вилітає з атома з енергією віддачі (ці електрони називають комптон-електронами або електронами віддачі). Поглинання енергії рентгенівського випромінювання відбувається при утворенні вторинних електронів (комптон - та фотоелектронів) та передачі їм енергії. Енергія рентгенівського випромінювання, передана одиниці маси речовини, визначає поглинену дозу рентгенівського випромінювання. Одиниця цієї дози 1 рад відповідає 100 ерг/г. За рахунок поглиненої енергії в речовині поглинача протікає ряд вторинних процесів, що мають важливе значеннядля дозиметрії рентгенівського випромінювання, оскільки саме на них ґрунтуються методи виміру рентгенівського випромінювання. (Див. Дозиметрія).
Всі гази та багато рідин, напівпровідники та діелектрики під дією рентгенівського випромінювання збільшують електричну провідність. Провідність виявляють найкращі ізоляційні матеріали: парафін, слюда, гума, бурштин. Зміна провідності обумовлена іонізацією середовища, тобто поділом нейтральних молекул на позитивні та негативні іони (іонізацію виробляють вторинні електрони). Іонізація у повітрі використовується для визначення експозиційної дози рентгенівського випромінювання (дози у повітрі), яка вимірюється у рентгенах (див. Дози іонізуючих випромінювань). При дозі 1 р поглинена доза повітря становить 0,88 рад.
Під дією рентгенівського випромінювання внаслідок збудження молекул речовини (і за рекомбінації іонів) збуджується у багатьох випадках видиме світіння речовини. За більших інтенсивностей рентгенівського випромінювання спостерігається видиме світіння повітря, паперу, парафіну тощо (виняток становлять метали). Найбільший вихід видимого світіння дають такі кристалічні люмінофори, як ZnCdSAg-фосфор та інші, що застосовуються для екранів при рентгеноскопії.
Під дією рентгенівського випромінювання в речовині можуть проходити також різні хімічні процеси: розкладання галоїдних сполук срібла (фотографічний ефект, що використовується при рентгенографії), розкладання води та водних розчинів перекису водню, зміна властивостей целулоїду (помутніння та виділення камфори), парафіну (помутніння) .
Внаслідок повного перетворення вся поглинена хімічно інертною речовиною енергія рентгенівське випромінювання перетворюється на теплоту. Вимір дуже малих кількостей теплоти вимагає високочутливих методів, зате є основним способом абсолютних вимірювань рентгенівського випромінювання.
Побічні біологічні ефекти від впливу рентгенівського випромінювання є основою медичної рентгенотерапії (див.). Рентгенівські випромінювання, кванти яких становлять 6-16 кев (ефективні довжини хвиль від 2 до 5 Å), практично повністю поглинаються шкірним покривом тканини людського тіла; вони називаються прикордонними променями, або іноді променями Буккі (див. Буккі промені). Для глибокої рентгенотерапії застосовується фільтроване жорстке випромінювання з ефективними квантами енергії від 100 до 300 кев.
Біологічна дія рентгенівського випромінювання повинна враховуватися не тільки при рентгенотерапії, а й при рентгенодіагностиці, а також у всіх інших випадках контакту з рентгенівським випромінюванням, які потребують протипроменевого захисту (див.).