Физика рентгеновского излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История открытия рентгеновского излучения

Общеизвестно, что рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рентгеном (8 ноября 1895 г.).

В.-К. Рентген родился 27 марта 1845 г. в г. Леннепе в семье видного немецкого фабриканта Конрада Рентгена. Как и у многих выдающихся ученых, научная карьера В.-К. Рентгена, особенно на ранних этапах, складывалась необычно. За нежелание выдать в чем-то провинившегося товарища по учебе он в 1861 г. был исключен из школы, где получал начальное образование и, таким образом, вышел в «большую жизнь» без аттестата об ее окончании. Впоследствии это обстоятельство создавало определенные проблемы на пути его профессиональной и научной деятельности. В 1868 г. В.-К. Рентген окончил Политехнический институт в Цюрихе (Швейцария) по специальности «Прикладная математика». Там же он стал углубленно заниматься физикой и 12 июня 1869 г. за свою диссертацию «Исследование газов» получил докторскую степень. Однако в течение последующих четырех лет возможностей полноценно заниматься научной деятельностью В.-К. Рентген не имел: мешало все то же отсутствие аттестата об окончании школы.

Положение изменилось, когда в 1872 г. В.-К. Рентген начал работать в университете Страсбурга и в 1874 г. получил звание доцента. С этого времени авторитет молодого ученого в научном сообществе значительно возрос, и в 1879 г. В.-К. Рентген возглавил кафедру физики в университете г. Гиссена, где для него был построен новый институт. Это позволило ученому выполнить ряд важных экспериментальных исследований, укрепивших его положение как одного из ведущих физиков германии того времени. Благодаря достигнутым успехам в 1888 г. В.-К Рентген возглавил кафедру физики Вюрцбургского университета в должной и профессора и директора престижного, хорошо оборудованного Института физики. В1894 г. он получил высший академический пост, будучи избранным ректором Вюрцбургского университета.

Основным направлением научной деятельности В.-К. Рентгена, как и многих других физиков 19 столетия, явилось изучение таинственных в то время свойств электричества. В частности, он много экспериментировал с вакуумными катодными трубками, созданными усилиями выдающихся физиков В. Хитторфа и У. Крукса. В то время уже был хорошо известен эффект, называемый нами сегодня электронной эмиссией, вследствие которого происходило свечение катодных трубок. Однако изучать катодные лучи вне катодной трубки стало возможным только в 1892 г. благодаря изобретению гениального физика Ф. Ленарда. Он сконструировал катодную трубку, в которой излучение направлялось на окно из тонкого алюминия и выходило за ее пределы. Но только В.-К. Рентген, будучи активным физиком-экспериментатором, обнаружил, что вблизи работающей катодной трубки возникает свечение (флюоресценция) экрана, покрытого цианоплатинатом бария. Для самого В.-К. Рентгена это было неожиданным. Заинтересовавшись этим загадочным явлением, для исключения попадания на экран излучения светового спектра он плотно обернул катодную трубку черным картоном и повторил опыт в темной комнате. И вновь получил свечение флюоресцентного экрана. Затем ученый начал отодвигать его от работающей катодной трубки и обнаружил, что свечение экрана сохраняется даже на расстоянии двух метров. Он повторил эксперимент несколько раз и установил, что этот феномен, без всякого сомнения, не был связан ни с отражением обычного света, ни с катодными лучами, так как они не проникают через воздух на такое расстояние. В течение последующих нескольких недель, изолировавшись от окружающего мира, В.-К. Рентген многократно повторял опыт, детально изучая обнаруженный феномен. Вечером 22 декабря 1895 г. он попросил свою жену Берту разрешить ему сфотографировать ее руку с помощью новых лучей, и после 15-минутной экспозиции была получена первая в мире рентгенограмма человека. Этот день стал настоящим днем рождения лучевой диагностики как медицинской специальности.

Изучив физические свойства нового излучения, 28 декабря 1895 г. В.-К. Рентген сдал в печать свое предварительное сообщение под названием «О новом виде лучей. Первое сообщение», опубликованное 1 января 1896 г. в «Отчетах о заседаниях Физико-медицинского общества Вюрцбурга». 13 января 1896 г. В.-К. Рентген представил свою работу императору Вильгельму II, а 23 января 1896 г. изложил ее в своем докладе на заседании Физико-математического общества Вюрцбурга.

Открытие В.-К. Рентгеном нового вида излучения, названного им Х-лучами, произвело мировую сенсацию, поскольку общество не было к нему готово. Особенно невероятной представлялась мысль о том, что новое излучение может проникать через твердые тела. Поползли слухи, что с его помощью можно получить не только изображение некоторых органов и тканей человека, но и якобы читать его мысли. Так непросто шла адаптация общественного сознания к новому открытию.

Однако признание результатов этого открытия было неизбежным, и в 1901 г. за величайшее достижение в области физики В.-К. Рентгену была присуждена Нобелевская премия. Кроме нее Рентген имел многочисленные медали и другие знаки отличия.

В 1900 г. В.-К. Рентген стал профессором физики в Мюнхенском университете и директором нового Института физики. Он удалился от дел в 1920 г. и умер в возрасте 78 лет 10 февраля 1923 г. в Мюнхене.

Известно, что с проявлениями рентгеновского излучения, выражающимися, например, в засвечивании изолированных от световых лучей фотопленок, сталкивались физики и до В-К Рентгена. Однако только он смог увидеть в проводимых экспериментах проявление нового вида излучения, перейти от эмпирики к теории, совершив гигантский прорыв в физике.

Новое открытие сулило В-К. Рентгену помимо мировой славы и большие финансовые возможности. Но оставаясь истинным ученым, он считал, что его «открытие и изобретения принадлежит всему человечеству и что им не должны ни в коей мере мешать патенты, лицензии, контракты...».

2. Устройство рентгеновской трубки, принцип получения рентгеновского изображения

Вскоре после открытия В.-К. Рентгеном нового вида излучения оно стало активно использоваться в медицине с диагностическими целями. Таким образом, родилась новая медицинская специальность, названная рентгенодиагностикой. Само новое излучение, электромагнитное по своей природе, в России и Германии получило название рентгеновского, а в англоязычных странах Х-лучей (Х-гау).

Устройство и принцип работы рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение возникает в рентгеновской трубке в момент подачи на нее высокого напряжения. Наиболее распространенная современная модель рентгеновской трубки представляет собой электрический прибор, состоящий из двух электродов: катода, выполненного в виде тонкой спирали, и анода -- в виде пластины или диска, которые запаяны в вакуумной стеклянной колбе. Таким образом, между катодом и анодом имеется безвоздушное пространство. Поскольку процесс получения рентгеновского излучения связан с сильным нагреванием электродов, они конструктивно выполнены из тугоплавкого металла (вольфрама).

Перед подачей на электроды высокого напряжения катод нагревается сильным током низкого напряжения (напряжение 6--14 В, сила тока 2,5-8 А). При этом катод начинает испускать свободные электроны, которые образуют вокруг него так называемое электронное облачко, а процесс отрыва электронов от поверхности катода называется электронной эмиссией.



Схема рентгеновской трубки: 1 - катод, 2 -- поток электронов, 3 - фокусное пятно анода, 4 -- анод, 5 -- двигатель на оси анода

При подаче на электроды высокого напряжения (порядка десятков и сотен киловольт) оторвавшиеся от катода электроны через вакуум начинают устремляться к аноду с огромной скоростью. Встречая на своем пути анод, электроны начинают ударяться о его поверхность. При этом происходит торможение электронов и преобразование их высокой кинетической энергии в энергию электромагнитных волн с различной частотой, большая часть которой рассеивается в виде теплового излучения. Небольшое количество энергии, образованной вследствие торможения электронов об анод (примерно 1/1000), покидает рентгеновскую трубку в виде рентгеновского излучения. Таким образом, рентгеновское излучение -- это волновое тормозное электромагнитное излучение. При этом оно направляется перпендикулярно по отношению к оси движения электронов в вакууме рентгеновской трубке. Это становится возможным благодаря особой форме анода, имеющего скошенную поверхность в месте контакта с падающими на него электронами, называемую фокусным пятном. Кроме того, во время подачи на рентгеновскую трубку высокого напряжения анод, выполненный в виде диска, начинает вращаться с высокой частотой. Поэтому в разные моменты времени пучок электронов ударяется о разные участки его поверхности, что предохраняет анод от избыточного нагревания, равномерно распределяя тепловую нагрузку по его поверхности.

Формирование рентгеновского изображения

Принцип получения рентгеновского изображения исследуемого органа основан на неоднородном ослаблении (поглощении) пучка рентгеновского излучения при прохождении его через ткани различной плотности и попадании неоднородно ослабленного излучения на воспринимающую систему (рентгеновскую пленку или флюоресцирующий экран).

Все диагностические изображения, получаемые методами медицинской визуализации, подразделяют на две основные группы - аналоговые и цифровые. Аналоговые изображения получают на специальной рентгенографической пленке или флюоресцирующих экранах с помощью методов классической рентгенодиагностики (рентгенографии, рентгеноскопии, флюорографии, линейной томографии, методик с применением искусственного контрастирования).

Схема формирования рентгеновского изображения за счет неравномерного ослабления рентгеновского излучения: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - тело пациента, 3 -- рентгеновская пленка, флюоресцирующий экран

Существуют негативные и позитивные изображения одного и того же объекта (органов грудной клетки). Органы и ткани, обладающие высокой рентгеновской плотностью (кости, сердце, купола диафрагмы), на негативных изображениях белого цвета, а на позитивных -- черного. При анализе рентгенограмм необходимо также помнить о наличии суммационного эффекта. Суммационный эффект заключается в наслоении изображений различных органов и тканей, расположенных вдоль прохождения пучка рентгеновского излучения.

3. Устройство рентгеновской трубки. Свойства рентгеновского излучения

Вскоре после открытия В.-К. Рентгеном нового вида излучения оно стало активно использоваться в медицине с диагностическими целями. Таким образом, родилась новая медицинская специальность, названная рентгенодиагностикой. Само новое излучение, электромагнитное по своей природе, в России и Германии получило название рентгеновского, а в англоязычных странах Х-лучей (Х-гау).

Устройство и принцип работы рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение возникает в рентгеновской трубке в момент подачи на нее высокого напряжения. Наиболее распространенная современная модель рентгеновской трубки представляет собой электрический прибор, состоящий из двух электродов: катода, выполненного в виде тонкой спирали, и анода -- в виде пластины или диска, которые запаяны в вакуумной стеклянной колбе. Таким образом, между катодом и анодом имеется безвоздушное пространство. Поскольку процесс получения рентгеновского излучения связан с сильным нагреванием электродов, они конструктивно выполнены из тугоплавкого металла (вольфрама).

Перед подачей на электроды высокого напряжения катод нагревается сильным током низкого напряжения (напряжение 6--14 В, сила тока 2,5-8 А). При этом катод начинает испускать свободные электроны, которые образуют вокруг него так называемое электронное облачко, а процесс отрыва электронов от поверхности катода называется электронной эмиссией.



Схема рентгеновской трубки: 1 - катод, 2 -- поток электронов, 3 - фокусное пятно анода, 4 -- анод, 5 -- двигатель на оси анода

При подаче на электроды высокого напряжения (порядка десятков и сотен киловольт) оторвавшиеся от катода электроны через вакуум начинают устремляться к аноду с огромной скоростью. Встречая на своем пути анод, электроны начинают ударяться о его поверхность. При этом происходит торможение электронов и преобразование их высокой кинетической энергии в энергию электромагнитных волн с различной частотой, большая часть которой рассеивается в виде теплового излучения. Небольшое количество энергии, образованной вследствие торможения электронов об анод (примерно 1/1000), покидает рентгеновскую трубку в виде рентгеновского излучения. Таким образом, рентгеновское излучение -- это волновое тормозное электромагнитное излучение. При этом оно направляется перпендикулярно по отношению к оси движения электронов в вакууме рентгеновской трубке. Это становится возможным благодаря особой форме анода, имеющего скошенную поверхность в месте контакта с падающими на него электронами, называемую фокусным пятном. Кроме того, во время подачи на рентгеновскую трубку высокого напряжения анод, выполненный в виде диска, начинает вращаться с высокой частотой. Поэтому в разные моменты времени пучок электронов ударяется о разные участки его поверхности, что предохраняет анод от избыточного нагревания, равномерно распределяя тепловую нагрузку по его поверхности.

Основные свойства рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение, используемое в лучевой диагностике, отличается от излучения светового спектра (видимого света) длиной волны и соответственно частотой. Поэтому наряду со свойствами, присущими обычному свету, оно обладает рядом специфических свойств. Основными из них являются:

проникающая способность;

фотохимический эффект;

способность вызывать флюоресценцию некоторых веществ;

ионизирующая способность;

биологическое действие.

Проникающая способность, то есть способность проходить сквозь предметы, непроницаемые для лучей видимого света, -- основное свойство рентгеновского излучения, на котором базируется рентгенодиагностика. Проникающая способность, с одной стороны, зависит от физических свойств веществ, из которого состоят предметы, с другой -- от физических характеристик пучка рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи лучше всего проникают через газообразные среды (различные газы, воздух, в организме человека -- легочная ткань), поскольку они состоят из значительно разреженного вещества, которое очень слабо задерживает рентгеновское излучение. Напротив, через вещества с высокой электронной плотностью и большой атомной массой составляющих их химических элементов (металлы, особенно тяжелые, и их соли, в организме человека -- костная система) рентгеновское излучение проникает плохо, поскольку начинает значительно тормозиться веществом и взаимодействовать с ним. Поэтому для защиты от рентгеновского излучения применяют свинец (чаще всего в виде просвинцованной резины).

С другой стороны, проникающая способность (или ослабление) рентгеновских лучей увеличивается при возрастании частоты волны излучения. Она в свою очередь зависит кинетической энергии электронов, тормозящихся об анод, и соответственно от напряжения, подаваемого на электроды рентгеновской трубки. Следовательно, изменяя параметры электрического тока, подходящего к рентгеновской трубке, можно изменять проникающую способность пучка рентгеновскою излучения.

Фотохимический эффект заключается в способности рентгеновского излучения индуцировать различные химические реакции. Этим свойством также обладают и другие виды электромагнитных излучений -- ультрафиолетовое и световое. В частности, под воздействием рентгеновского излучения как света видимого спектра происходит восстановление металлического серебра из его галогенидов (например, из AgBr). Эта химическая реакция лежит в основе всем знакомой фотографии. В рентгенодиагностике данный эффект используется для получения рентгеновских снимков, или рентгенограмм.

Способность вызывать флюоресценцию некоторых веществ -- исторически первое открытое свойство рентгеновского излучения. Суть его состоит в том, что при воздействии рентгеновских лучей на определенные вещества возникает их флюоресценция, или свечение. При этом энергия рентгеновского излучения переходит в энергию видимого света. На заре рентгенодиагностики данное свойство рентгеновского излучения использовалось для получения светового изображения тканей организма человека на экране, покрытом флюоресцентным веществом. Пройдя через органы и ткани, рентгеновское излучение, частично ослабляясь ими, вызывало неравномерное свечение флюоресцентного экрана, хорошо видимое в затемненной комнате. В настоящее время принцип флюоресценции лежит в основе устройства так называемых усиливающих экранов, предназначенных дополнительно засвечивать рентгеновскую пленку, чувствительную также и к лучам света видимого спектра. Это позволяет снизить лучевую нашрузку на организм исследуемого пациента при рентгенографии.

Ионизирующая способность рентгеновского излучения заключается в ионизации, п пи разложении нейтральных молекул под его воздействием на положительный и отрицательный ионы, составляющие ионную пару. Процесс ионизации может происходить в веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях. Ионизирующая способность присуща также и другим видам излучения, например гамма-излучению, получаемому при радиоактивном распаде. Поэтому эти виды излучения получили название ионизирующих.

Способность образовывать пары ионов при прохождении через воздух не только рентгеновского, но и любого вида ионизирующего излучения позволила выделить специальную единицу измерения -- экспозиционную дозу, равную отношению суммарного заряда всех отрицательных (или положительных) ионов, образованных вследствие ионизации в воздухе, к его массе (Кл/кг).

Ионизирующая способность определенных видов излучения лежит в основе их биологического действия. Биологическое действие -- наиболее поздно открытое свойство рентгеновского излучения, заключающееся в его воздействии на биологические объекты, и в частности организм человека. Большей частью оно обусловлено ионизацией биологически значимых структур (ДНК, РНК, молекул белков, аминокислот, воды и т.д.), что ведет к их повреждению и в целом к неблагоприятным последствиям на уровне макроорганизма. Это создает необходимость использовать меры защиты от рентгеновского излучения.

С другой стороны, существуют и положительные биологические эффекты рентгеновского излучения, такие как противоопухолевое и противовоспалительное действие. Они легли в основу рентгенотерапии и долгое время использовались с лечебными целями. В настоящее время рентгенотерапия применяется ограниченно, поскольку ее вытеснила более эффективная гамма-терапия, обладающая меньшими побочными воздействиями, а также терапия ускоренными корпускулярными видами излучения.

атом ядро рентгеновский трубка

4. Принцип естественного и искусственного контрастирования в рентгенологии

Некоторые органы тела поглощают рентгеновское излучение в значительно большей или меньшей степени, чем окружающие ткани, вследствие чего можно получать контрастное рентгеновское изображение этих органов. Явление, благодаря которому это осуществимо, получило название естественного контратирования. Например, легкие, будучи практически воздушной средой, не ослабляют рентгеновское излучение, в то время как кости намного интенсивнее ослабляют рентгеновские лучи. Мягкие ткани занимают промежуточное положение между указанными структурами по степени ослабления рентгеновского излучения. Поэтому изображение органов грудной клетки и костного скелета получаются благодаря естественной контрастности.

Искусственное контрастирование

Однако большинство органов и тканей организма поглощают рентгеновское излучение практически в одинаковой степени. Поэтому для визуализации органов, не обладающих естественной контрастностью (например, органы желудочно-кишечного тракта, органы мочевыделения), применяются специальные методики, основанные на явлении искусственного контрастирования. Его суть заключается в искусственном изменении прозрачности изучаемых органов и тканей для рентгеновского излучения.

Искусственное контрастирование осуществляется благодаря введению в организм человека специальных рентгеноконтрастных препаратов, ослабляющих рентгеновское излучение в большей степени, чем окружающие ткани, или, наоборот, практически не ослабляющих рентгеновское излучение:

Не ослабляющие рентгеновское излучение (углекислый газ, воздух).

Ослабляющие рентгеновское излучение.

Не содержащие йод -- водонерастворимые (сульфат бария -- BaS04).

Содержащие йод.

Рентгеноконтрастные йодсодержащие вещества подразделяются на:

жирорастворимые (практически не используются);

водорастворимые:

ионные (урографин, гипак);

неионные (ультравист, омнипак, визипак).

Наиболее часто методики с искусственным контрастированием применяются для рентгеновских исследований органов брюшной полости и забрюшинного пространства. В условиях искусственного контрастирования осуществляется исследование желудочно-кишечного тракта с введением в полость водной взвеси сульфата бария, а в отдельных случаях и йодсодержащих препаратов. Исследование органов мочевыделения, желчевыделения осуществляется при парентеральном или ретроградном введении рентгеноконтрастных йодсодержащих веществ. При выборе йодсодержащих контрастных препаратов руководствуются степенью их контрастирующего эффекта и безвредностью для пациента.

Йодсодержащие рентгеноконтрастные препараты могут вызывать побочные эффекты за счет высокой осмолярности и хемотоксичности (ионного воздействия).

Современные 3-атомные рентгеноконтрастные препараты делятся на ионные, образующие в жидкой среде заряженные соединения (урографин, гипак), и неионные, электрически нейтральные (ультравист, омнипак). Ионные рентгеноконтрастные соединения обладают более высокой осмолярностью по отношению к плазме крови (285--295 мОсм/л) и неионным йодистым соединениям.

Йодсодержашие препараты могут вызывать анафилактоидные реакции, нарушение агрегации эритроцитов, электролитные нарушения и изменения гемодинамики, повреждение эндотелия сосудов, нарушение функции почек.

Противопоказания для проведения контрастных исследований -- почечная недостаточность, выраженная сердечная недостаточность, аритмии, гипертиреоз, эпилепсия аллергическая предрасположенность.

Оптимальным является применение изоосмолярных плазме крови неионных йодсодержащих рентгеноконтрастных препаратов, которые позволяют более широко применять методики контрастирования и избегать осложнений.

5. Принцип получения рентгеновского изображения органов и систем

Принцип получения рентгеновского изображения исследуемого органа основан на неоднородном ослаблении (поглощении) пучка рентгеновского излучения при прохождении его через ткани различной плотности и попадании неоднородно ослабленного излучения на воспринимающую систему (рентгеновскую пленку или флюоресцирующий экран).

Все диагностические изображения, получаемые методами медицинской визуализации, подразделяют на две основные группы - аналоговые и цифровые.

Аналоговые изображения получают на специальной рентгенографической пленке или флюоресцирующих экранах с помощью методов классической рентгенодиагностики (рентгенографии, рентгеноскопии, флюорографии, линейной томографии, методик с применением искусственного контрастирования).



Схема формирования рентгеновского изображения за счет неравномерного ослабления рентгеновского излучения: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - тело пациента, 3 -- рентгеновская пленка, флюоресцирующий экран

Рентгенография является одним из наиболее распространенных методов лучевой диагностики, ставшим в настоящее время рутинным. Рентгенография -- это способ получения диагностических изображений, при котором рентгеновские лучи после прохождения через тело пациента неравномерно ослабляются и засвечивают рентгенографическую пленку. Рентгенография предназначена для получения статических, то есть неподвижных, аналоговых изображений на рентгеновских пленках, которые называются рентгенограммами.

Рентгеновская пленка с двух сторон покрыта специальной эмульсией, состоящей из слоя желатина, в который вкраплены мельчайшие кристаллы бромида серебра (размером порядка 1 мкм). Эмульсия чувствительна к фотонам в достаточно широком спектре электромагнитных излучений (рентгеновском, ультрафиолетовом, видимом), поэтому рентгеновскую пленку для предотвращения засвечивания помещают в специальные кассеты. В этих кассетах пленка находится между двумя флюоресцентными «усиливающими» экранами, которые при воздействии на них рентгеновских лучей начинают испускать свет видимого спектра, что приводит к более интенсивному засвечиванию пленки. Применение флюоресцирующих экранов при проведении рентгенографии позволяет снизить интенсивность облучения пациентов в 10--10000 раз, что позволяет в значительной мере нивелировать отрицательные биологические эффекты рентгеновского излучения.

Рентгенограмма представляет собой изображение, выполненное в черно-белых тонах. Черным участкам на рентгенограммах соответствуют органы и ткани, имеющие низкую плотность (например, легкие). Они хорошо пропускают рентгеновские лучи, которые засвечивают рентгеновскую пленку. При этом происходит интенсивное восстановление мелкодисперсного металлического серебра, имеющего черный цвет, из его галогенидов, содержащихся в рентгеновской пленке. Белым участкам на рентгенограммах соответствуют органы и ткани с высокой плотностью (например, кости). Они сильно поглощают рентгеновское излучение. Поэтому энергии рентгеновских лучей, дошедших до рентгеновской пленки, недостаточно для ее засвечивания, и она при проявлении остается белой Таким образом, однородный пучок рентгеновского излучения при прохождении через тело приобретает неоднородность, которая фиксируется пленкой. Такая пленка и является традиционной, или классической, негативной рентгенограммой.

В практической работе интерпретируются рентгенограммы, которые представляют собой негативные изображения. Аналогичные обычным фотографическим снимкам позитивные изображения, полученные путем инверсии оттенков черно-белой гаммы из негативов, распространения в лучевой диагностике не нашли. Это обусловлено тем, что:

при переводе в позитивное изображение утрачивается часть деталей;

удлиняется диагностический процесс;

удваиваются экономические затраты.

Органы и ткани, обладающие высокой рентгеновской плотностью (кости, сердце, купола диафрагмы), на негативных изображениях белого цвета, а на позитивных -- черного.

При анализе рентгенограмм необходимо также помнить о наличии суммационного эффекта. Суммационный эффект заключается в наслоении изображений различных органов и тканей, расположенных вдоль прохождения пучка рентгеновского излучения. Например, на рентгенограмме органов грудной клетки в прямой проекции вследствие суммационного эффекта передние отрезки ребер наслаиваются на задние, а позвоночный столб перекрывается сердечно-сосудистой тенью. Из-за этого точно локализовать патологические измене¬ния очень сложно. Чтобы избежать затруднений, вызванных суммационным эф¬фектом, обычно выполняют рентгенограммы в двух взаимно перпендикулярных проекциях или прибегают к использованию томографических методик -- линейной или компьютерной томографии.

На сегодняшний день рентгенография является основополагающим методом для диагностики заболеваний органов дыхания, опорно-двигательного аппарата, желудочно-кишечного тракта.

Рентгеноскопия -- это метод рентгенодиагностики, при котором изображение изучаемых органов и тканей пациента формируется на флюоресцирующем экране или телевизионном мониторе. Во время проведения рентгеноскопии рентгеновские лучи, неоднородно ослабляясь при прохождении сквозь тело пациента, попадают на флюоресцирующий экран, вызывая его неравномерное свечение. Вследствие этого создается флюоресцентное изображение изучаемого объекта. Традиционная рентгеноскопия предназначена для получения динамического, то есть подвижного, проекционного изображения (в режиме «реального времени»), которое врач-рентгенолог изучает непосредственно на флюоресцирующем экране. В настоящее время оценка таких флюоресцентных изображений не проводится вследствие их низкого качества, необходимости затемнения рентгеновского кабинета и потерь времени на темновую адаптацию глаз врача-рентгенолога. Теперь флюоресцирующие экраны используются в конструкции усилителя рентгеновского изображения, увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5000 раз.

С помощью электронно-оптического преобразователя изображение изучается на экране монитора, что существенно улучшает качество диагностики, даже без затемнения рентгеновского кабинета.

Рентгеноскопия наиболее широко используется при исследовании органов желудочно-кишечного тракта. Рентгеноскопия органов дыхания и сердечно-сосудистой системы в настоящее время применяется редко вследствие внедрения в клиническую практику новых методов, в частности компьютерной томографии и ультразвуковой диагностики.

Флюорография -- рентгеновский метод, позволяющий получать рентгенограмму на малоформатной пленке (7х7и10х10 см). Поэтому в отличие от обычных рентгенограмм контрастность флюорографических изображений достигается за счет некоторого увеличения экспозиции -- времени прохождения рентгеновских лучей через изучаемый объект и их интенсивности.

Флюорография высокоэффективна при проведении массового обследования определенных групп пациентов. В настоящее время наиболее активно флюорография применяется в целях профилактического обследования органов грудной полости для раннего выявления туберкулеза органов дыхания и злокачественных опухолей легких.

Томография (от греч. tomos -- слой) -- метод получения послойных изображений изучаемых органов и тканей. В лучевой диагностике используются различные виды томографии -- линейная, рентгеновская компьютерная и магнитно-резонансная. Их следует отличать друг от друга.

Линейная томография -- рентгеновский метод получения послойных изображений изучаемых органов и тканей пациента на рентгеновской пленке, осуществляемый благодаря использованию особого технического подхода. Он заключается в том, что при получении линейной томограммы происходит движение в различных направлениях рентгеновской трубки, излучающей пучок лучей, и кассеты с пленкой относительно исследуемого объекта. Этим достигается выделение специального томографического слоя, или среза, вдоль тела пациента, параллельного плоскости рентгеновской пленки. Изменяя условия взаимного движения рентгеновской трубки и кассеты с пленкой, можно подобрать томографический слой, проходящий через изучаемый объект (например, очаг в легочной ткани). Благодаря частичному устранению суммационного эффекта, присущего всем обычным рентгенограммам, улучшается качество изображения органов на уровне соответствующего слоя. По внешнему виду линейная томограмма отличается от рентгенограммы наличием нерезкости (специфической «размазанности») слоев, расположенных выше и ниже исследуемого уровня, отсутствием визуализации органов этого уровня и более четкой визуализацией изучаемого объекта в плоскости томографического среза. Например, на линейной томограмме легких отсутствует визуализация ребер.

В отличие от линейной томографии рентгеновские компьютерно томографические технологии позволяют практически полностью устранять суммационный эффект и получать аксиальные томографические срезы, аналогичные «пироговским». Поэтому в настоящее время линейная томография используется все реже, вытесняясь КТ.

Специальные методы рентгенологического исследования без искусственного контрастирования:

маммография -- рентгенография молочных желез, выполняемая с использованием специальных рентгеновских аппаратов -- маммографов;

ортопантомография -- рентгенография зубов верхней и нижней челюстей, а также других отделов лицевого скелета.

Специальные методы рентгенологического исследования с исскуственным контрастированием:

урография (экскреторная, ретроградная), цистография -- кош рас и юс исследование органов мочевыделительной системы;

ирригоскопия -- контрастное исследование толстой кишки: холангиография -- контрастное исследование желчевыделительных протоков (ходов);

бронхография -- контрастное исследование бронхиального дерева; фистулография -- контрастное исследование свищевого хода; ангиография (артвриография, аортография, флебография) -- введение контра¬стного препарата в сосудистое русло.

Основные термины, используемые при рентгенологическом исследовании.В рентгенологии для анализа изображения различных органов и систем применяются специальные термины: «затемнение», «просветление», «дефект наполнения» и др. Так, например, в рентгенодиагностике заболеваний органов грудной клетки основными понятиями являются затемнение и просветление.

Затемнением называют участок в грудной полости, имеющий более высокую рентгеновскую плотность по сравнению с окружающей легочной тканью и, следовательно, интенсивнее поглощающий рентгеновские лучи. Затемнение может быть физиологическим и патологическим. Физиологические затемнения образуют неизмененные органы и ткани организма человека, например сердце, крупные сосуды, купола диафрагмы. Патологические затемнения отражают изменения, возникающие в изучаемом органе вследствие различных патологических процессов. Морфологическим субстратом затемнения может являться воспалительный инфильтрат, опухоль, жидкость в плевральной полости и др. На рентгенограммах-негативах затемнение выглядит как участок белого цвета.

Просветлением называют область в органе, имеющую более низкую рентгеновскую плотность по сравнению с окружающими тканями и, следовательно, хуже поглощающую рентгеновские лучи. На рентгенограммах-негативах просветление выглядит как участок черного цвета. Просветление также может быть физиологическим и патологическим. Примером физиологического просветления является нормальная легочная ткань, патологического -- киста легкого, энфизема, пневмоторакс.

В диагностике патологии желудочно-кишечного тракта, сосудов, мочевыделительной системы применяется термин «дефект наполнения». Дефект наполнения возникает, когда какая-либо патологическая ткань не позволяет контрастному веществу полностью заполнить просвет органа. В виде дефектов наполнения визуализируются опухоли полых органов, атеросклеротические бляшки сосудов, конкременты в мочеточнике и др.

6. Характеристика рентгеновского и гамма излучения

Рентгеновское излучение -- электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10?2 до 103 ангстрем (от 10?12 до 10?7 м).

Основные свойства рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение, используемое в лучевой диагностике, отличается от излучения светового спектра (видимого света) длиной волны и соответственно частотой. Поэтому наряду со свойствами, присущими обычному свету, оно обладает рядом специфических свойств. Основными из них являются:

проникающая способность;

фотохимический эффект;

способность вызывать флюоресценцию некоторых веществ;

ионизирующая способность;

биологическое действие.

Проникающая способность, то есть способность проходить сквозь предметы, непроницаемые для лучей видимого света, -- основное свойство рентгеновского излучения, на котором базируется рентгенодиагностика. Проникающая способность, с одной стороны, зависит от физических свойств веществ, из которого состоят предметы, с другой -- от физических характеристик пучка рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи лучше всего проникают через газообразные среды (различные газы, воздух, в организме человека -- легочная ткань), поскольку они состоят из значительно разреженного вещества, которое очень слабо задерживает рентгеновское излучение. Напротив, через вещества с высокой электронной плотностью и большой атомной массой составляющих их химических элементов (металлы, особенно тяжелые, и их соли, в организме человека -- костная система) рентгеновское излучение проникает плохо, поскольку начинает значительно тормозиться веществом и взаимодействовать с ним. Поэтому для защиты от рентгеновского излучения применяют свинец (чаще всего в виде просвинцованной резины).

С другой стороны, проникающая способность (или ослабление) рентгеновских лучей увеличивается при возрастании частоты волны излучения. Она в свою очередь зависит кинетической энергии электронов, тормозящихся об анод, и соответственно от напряжения, подаваемого на электроды рентгеновской трубки. Следовательно, изменяя параметры электрического тока, подходящего к рентгеновской трубке, можно изменять проникающую способность пучка рентгеновскою излучения.

Фотохимический эффект заключается в способности рентгеновского излучения индуцировать различные химические реакции. Этим свойством также обладают и другие виды электромагнитных излучений -- ультрафиолетовое и световое. В частности, под воздействием рентгеновского излучения как света видимого спектра происходит восстановление металлического серебра из его галогенидов (например, из AgBr). Эта химическая реакция лежит в основе всем знакомой фотографии. В рентгенодиагностике данный эффект используется для получения рентгеновских снимков, или рентгенограмм.

Способность вызывать флюоресценцию некоторых веществ -- исторически первое открытое свойство рентгеновского излучения. Суть его состоит в том, что при воздействии рентгеновских лучей на определенные вещества возникает их флюоресценция, или свечение. При этом энергия рентгеновского излучения переходит в энергию видимого света. На заре рентгенодиагностики данное свойство рентгеновского излучения использовалось для получения светового изображения тканей организма человека на экране, покрытом флюоресцентным веществом. Пройдя через органы и ткани, рентгеновское излучение, частично ослабляясь ими, вызывало неравномерное свечение флюоресцентного экрана, хорошо видимое в затемненной комнате. В настоящее время принцип флюоресценции лежит в основе устройства так называемых усиливающих экранов, предназначенных дополнительно засвечивать рентгеновскую пленку, чувствительную также и к лучам света видимого спектра. Это позволяет снизить лучевую нашрузку на организм исследуемого пациента при рентгенографии.

Ионизирующая способность рентгеновского излучения заключается в ионизации, п пи разложении нейтральных молекул под его воздействием на положительный и отрицательный ионы, составляющие ионную пару. Процесс ионизации может происходить в веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях. Ионизирующая способность присуща также и другим видам излучения, например гамма-излучению, получаемому при радиоактивном распаде. Поэтому эти виды излучения получили название ионизирующих.

Способность образовывать пары ионов при прохождении через воздух не только рентгеновского, но и любого вида ионизирующего излучения позволила выделить специальную единицу измерения -- экспозиционную дозу, равную отношению суммарного заряда всех отрицательных (или положительных) ионов, образованных вследствие ионизации в воздухе, к его массе (Кл/кг).

Ионизирующая способность определенных видов излучения лежит в основе их биологического действия. Биологическое действие -- наиболее поздно открытое свойство рентгеновского излучения, заключающееся в его воздействии на биологические объекты, и в частности организм человека. Большей частью оно обусловлено ионизацией биологически значимых структур (ДНК, РНК, молекул белков, аминокислот, воды и т.д.), что ведет к их повреждению и в целом к неблагоприятным последствиям на уровне макроорганизма. Это создает необходимость использовать меры защиты от рентгеновского излучения.

С другой стороны, существуют и положительные биологические эффекты рентгеновского излучения, такие как противоопухолевое и противовоспалительное действие. Они легли в основу рентгенотерапии и долгое время использовались с лечебными целями. В настоящее время рентгенотерапия применяется ограниченно, поскольку ее вытеснила более эффективная гамма-терапия, обладающая меньшими побочными воздействиями, а также терапия ускоренными корпускулярными видами излучения.

Гамма-излучение (гамма-лучи) -- вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны -- < 5?10?3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.

Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке -- к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Гамма-излучение по своей природе электромагнитное, имеющее длину волны менее 10-8 см, распространяющееся в безвоздушной среде со скоростью света. Среди всех видов ядерных излучений оно имеет наибольшую проникающую способность.(это по книге).

Терминологическое различие лежит в способе возникновения -- рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3?1016 Гц до 6?1019 Гц и длиной волны 0,005 -- 10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жёсткий рентген используется преимущественно в промышленных целях. Отличие в продолжительности излучения: гамма - на всем протяжении радиоактивного распада, рентгеновское - на протяжении включения высокого напряжения.

7. Характеристика структуры атома и ядра вещества

Атом - наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов -- изотопу этого элемента.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11?10?31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726?10?27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929?10?27 кг).[5] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5?10?15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо. Существуют дискретные орбитали. Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях.

Свойства

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента.

Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1?12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66?10?24 г. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы.

Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.

Радиоактивный распад

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм.

Существуют три основные формы радиоактивного распада:

· Альфа-распад

· Бета-распад

· Гамма-излучение

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада.

Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении.

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой -- с противоположной проекцией спина -- состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.

Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней -- состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные -- возбуждёнными.Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию.

Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи.

Атомное ядро-- центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса, и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом.

Атомное ядро состоит из нуклонов -- положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), и связанным с ним магнитным моментом.

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z - это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов -- называются изотонами. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A=N+Z и приблизительно равно средней массе атома. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами.

Ядерно-физические характеристики

Зарядовым числом Z полностью определяется химический элемент. Парой чисел Z и A (массовое число) полностью определяется нуклид. Можно рассмотреть некоторые ядерно-физические характеристики нуклидов с заданными зарядовыми и массовыми числами.

Заряд Число протонов в ядре Z определяет непосредственно его электрический заряд, у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ядерные свойства

Масса

Из-за разницы в числе нейтронов A-Z изотопы элемента имеют разную массу M(A,Z), которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12C. Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида -- это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть еще и энергию связи электронов с ядром).