Физика рентгеновского излучения

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов. Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от ?2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их измерение гораздо сложнее. Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона.

Система обозначений ядер

Для обозначения атомных ядер используется следующая система:

· в середине ставится символ химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число Z ядра;

· слева сверху от символа элемента ставится массовое число A.

Таким образом, состав ядра оказывается полностью определён, так как N=A-Z.

8. Ионизирующее излучение. Определение, классификация.

Ионизирующими излучениями называются такие виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др. К ионизирующим относятся корпускулярные излучения, которые состоят из частичек с массой покоя, которая отличается от ноля (альфа-, бета-частички, нейтроны) и электромагнитные излучения (рентгеновское и гамма-излучение), которые при взаимодействии с веществами могут образовывать в них ионы.

Альфа-излучение -- поток положительно заряженных частиц, а именно поток ядер гелия, содержащих два протона и два нейтрона. Взаимодействуя с организмом человека, альфа-излучение тормозится поверхностными слоями кожи -- эпидермисом, не проникая внутрь.

Бета-излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц -- электронов или положительно заряженных -- позитронов.

Бета-излучение имеет более высокую проникающую способность по сравнению с альфа-излучением, в тело человека бета-излучение проникает на глубину до 1,5--2 см. При взаимодействии с веществом бета-частицы реагируют с электронами атомов, вызывая их ионизацию или возбуждение. Поглощение бета-частиц сопровождается испусканием неядерного гамма-излучения или рентгеновского излучения.

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. Радиоактивный распад может сопровождаться выделением одного или нескольких видов радиоактивного излучения (например, альфа- и гамма-излучения). Кроме того, менее распространенными, характерными для радионуклидов искусственного происхождения видами распада являются нейтронный и протонный распад.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так -- называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

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.

Все радиоактивные излучения относят к ионизирующим, поскольку они способны ионизировать атомы и разлагать нейтральные молекулы, в том числе и биологических объектов, и оказывать биологическое действие. Наибольшую биологическую активность имеет альфа-излучение, в том числе и ввиду того, что эта частица обладает наибольшей энергией. Снижению степени биологического действия способствует использования излучения с наименьшей энергией и набольшей проникающей способностью.

Этим требованиям удовлетворяет гамма-излучение, поэтому в современной радионуклидной диагностике применяют ч препараты, излучающие гамма-кванты. (Исключение составляют некоторые радиоактивные вещества с короткими или ультракороткими периодами полураспада, генерирующие бета+-излучение и предназначенные для позитронно-эмиссионной томографии.) Как правило, в ядерной медицине используются искусственные радиоактивные изотопы, среди которых наибольшее распространение имеет 99mТс в силу малого периода физического полураспада (Т1/2фИ36,0 ч).

9. Виды радиоактивного распада: альфа-распад

Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными.

Энергетические спектры альфа -частиц и гамма-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр бетта- частиц -- непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа- распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом. Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом.

Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и альфа-частицу (ядро атома 4He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А?140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся альфа-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно б-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для б-распада

Пример

В результате б-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

10. Виды радиоактивного распада: бета-распад, позитронный распад. Характеристика бета-излучения

Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными.

Энергетические спектры альфа -частиц и гамма-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр бетта-частиц -- непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом. Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Бета-распад (точнее, бета-минус-распад) -- это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

в-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино

Правило смещения Содди для в ? -распада

Пример

После бета-минус-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Позитронный распад -- тип бета-распада, также иногда называемый «бета-плюс-распад», «эмиссия позитронов» или «позитронная эмиссия». В бета-плюс-распаде один из протонов ядра превращается посредством слабого взаимодействия в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Многие изотопы испускают позитроны, в том числе углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18, иод-121. Например, в следующем уравнении рассматривается превращение посредством в+-распада углерода-11 в бор-11 с испусканием позитрона e+ и электронного нейтрино нe

Процесс позитронного распада всегда конкурирует с электронным захватом, который имеет энергетический приоритет. Для того, чтобы позитронный распад мог происходить, разница между массами распадающегося и дочернего атомов Qв должна превосходить удвоенную массу электрона (то есть Qв > 2me = 2?511 кэВ = 1022 кэВ). В то же время электронный захват может происходить при любой положительной разнице масс.

Позитрон почти мгновенно аннигилирует с одним из электронов окружающего распавшийся атом вещества, излучая два аннигиляционных гамма-кванта с энергией 511 кэВ и противоположно направленным импульсом. Детектирование таких гамма-квантов позволяет легко восстановить точку аннигиляции, поэтому изотопы, испытывающие позитронный распад, используются в позитронно-эмиссионной томографии.

Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.

Бета-излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц -- электронов или положительно заряженных -- позитронов. Бета-излучение имеет более высокую проникающую способность по сравнению с альфа-излучением, в тело человека бета-излучение проникает на глубину до 1,5--2 см. При взаимодействии с веществом бета-частицы реагируют с электронами атомов, вызывая их ионизацию или возбуждение. Поглощение бета-частиц сопровождается испусканием неядерного гамма-излучения или рентгеновского излучения.

11. Виды радиоактивного распада: гамма-распад. Характеристика гамма-излучения

Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными.

Энергетические спектры альфа -частиц и гамма-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр бета частиц непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом. Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом.

Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Гамма распад. В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой проникающей способностью, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд остаются неизменными. (Химический элемент не смещается в периодической системе, его массовое число не изменяется и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное).

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.

При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.

Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.

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).

12. Определение понятия радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность

Радиоактивность -- это самопроизвольный распад ядер атомов нестабильных химических элементов, вследствие которого выделяются определенные виды радиоактивного излучения, образуются новые вещества и выделяется энергия путем испускания излучения. Известны несколько видов радиоактивных излучений, ряд из которых названы по первым трем буквам греческого алфавита -- альфа, бета и гамма.

Альфа- и бета-излучения -- корпускулярные, гамма-излучение -- волновое, хотя по некоторым свойствам приближается к корпускулярным. Поэтому гамма-излучение также называют потоком гамма-фотонов или гамма-квантов.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции (обстрел элементарными частицами и др.).

Энергетические спектры б-частиц и г-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр в-частиц -- непрерывный.

Как правило, в ядерной медицине используются искусственные радиоактивные изотопы, среди которых наибольшее распространение имеет 99тТс в силу малого периода физического полураспада (Т1/2фИ3=6,0 ч).

13. Понятие «период полураспада». Примеры применения радионуклидов с различным периодом полураспада

Использование доз излучения, не превышающих предельно допустимые, обеспечивается использованием РФП, обладающих необходимым (небольшим) физическим периодом полураспада и необходимыми (небольшими) биологическими и эффективными периодами полувыведения. Физический период полураспада (Т1/2фИЗ) должен составлять примерно 1/3 от продолжительности исследования, то есть от 10 минут до нескольких часов. Например, у наиболее часто используемого изотопа 99mТс период физического полураспада составляет 6 ч. Другим фактором, определяющим лучевую нагрузку при проведении радионуклидного исследования, является период биологического полувыведения РФП из организма человека. Биологический период полувыведения (Т1/26иол) представляет собой время, в течение которого активность радионуклида уменьшается вдвое за счет выведения его биологическими средами. Чем короче этот период, тем меньше радиоактивная метка задерживается в организме человека, оказывая неблагоприятное биологическое воздействие. Кроме того, учитывается период эффективного полувыведения (Т1/2эфф) -- время, в течение которого активность радионуклида уменьшается вдвое за счет физического полураспада и биологического полувыведения.

Т эфф = (Т1/2 физ * Т1/2 биол )/( Т1/2 физ + Т1/2 биол)

Долгоживущий радионуклид - радионуклид с периодом физического полураспада в несколько недель; (57Co; 125 I; 32P и др.)

Среднеживущий радионуклид - радионуклид с периодом физического полураспада в несколько дней; (198Au; 111In; 131I; 99Mo; 201TL и др.)

Короткоживущий радионуклид - радионуклид с периодом физического полураспада в несколько часов; (123I; 99mTc; 199TL; и др.)

Ультракороткоживущий радионуклид - радионуклид с периодом физического полураспада в несколько минут (18F,81mKr; 113mIn; 13N; 11C; 82Rb и др.)

99mТс (Технеций). Пер. полураспада - 6ч. РФП - Пентатех, техненфор, пирфотех, бромезид. Виды исследований: Исследование печени, почек, желчного пузыря, селезенки методом сцинтиграфии. Ангиография печени. Сцинтиграфия гепатобилиарной системы. Сцинтиграфия скелета, костного мозга. Визуализация инфаркта миокарда. Определение тканевого кровотока. Сцинтиграфия опухолей головы и шеи. Сцинтиграфия щитовидной железы.

113mIn (Индий). Пер. полураспада - 1,7ч. РФП - Индипен, индифит, коиноль, индифор. Виды исследований: Исследование почек и ССС. Оценка объема циркулирующей крови. Сканирование головного мозга и скелета. Сцинтиграфия печени и селезенки. Сцинтиграфия всего тела.

111In (Индий). Пер. полураспада - 2,8дн. РФП - Индипидин, коинд, цитрин. Виды исследований: Сканирование печени. Сцинтиграфия лимфоузлов. Определение кровотока печени. Сканирование опухолей головы, шеи, легких, конечностей. Исследование головного и спинного мозга.

123I (Йод). Пер. полураспада - 60дн. РФП - Йодит, йодофен, гиппуран. Виды исследований: исследование щитовидной железы, почек. Сцинтиграфия надпочечников и почек.

131I (Йод). Пер. полураспада - 8,1 дн. РФП - Йодит натрия, олеиновая к-та, гиппуран. Виды исследований: исследование щитовидной железы, почек, ЖКТ, печени и желчных путей. Сканирование легких.

133Xe(Ксенон). Пер. полураспада - 5,25 дн. РФП - воздушно-ксеноновая смесь в растворе. Виды исследований: исследование мозгового, тканевого, миокардиального кровотоков. Исследование спинного мозга и перфузии дыхательной системы.

197Hg(Ртуть). Пер. полураспада - 64,2 дн. РФП - промеран. Виды исследований: Сцинтиграфия почек и опухолей головного мозга.

198Au(Золото). Пер. полураспада - 2,7 дн. РФП - Колоидное золото, комизол. Виды исследований: Исследование ф-ий РЭС, димфоотока. Сканирование печени и лимфоузлов.

201Ti(Талий). Пер. полураспада - 3,05 дн. РФП -Хлорид талия. Виды исследований:Визуализация паращитовидных желез.

Наиболее распространенные диагностические радионуклиды

14. Единицы измерения активности радионуклидов и эквивалентной дозы

Активность радионуклида (А). Равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) : A = dN/dt. (Количество ядер, распадающихся в единицу времени (число распадов в секунду в радиоактивном образце)). Единица активности в системе СИ - Беккерель (Бк). Внесистемная единица - Кюри (Ки). Производные беккереля (Бк): Килобеккерель (кБк), Мегабеккерель (мБк), Гегабеккерель (ГБ).

Эквивалентная доза (Н). Для количественной характеристики сравнительного биологического действия различных видов ионизирующего излучения введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы Dr, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель wr (называемый еще - коэффициент качества излучения).

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв), один Зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Грей (1 Дж/кг).

Эффективная доза (E, Эффективная эквивалентная доза) - величина, используемая в радиационной защите как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Разные части тела (органы, ткани) имеют различную чувствительность к радиационному воздействию: например, при одинаковой дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Эффективная эквивалентная доза рассчитывается как сумма эквивалентных доз по всем органам и тканям, умноженных на взвешивающие коэффициенты для этих органов, и отражает суммарный эффект облучения для организма.

где wt - тканевый весовой множитель, а Ht -эквивалентная доза, поглощенная в ткани - t. Единица эффективной эквивалентной дозы - Зиверт.

15. Единицы измерения активности радионуклидов и поглощенной дозы

Активность радионуклида (А). Равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) : A = dN/dt. (Количество ядер, распадающихся в единицу времени (число распадов в секунду в радиоактивном образце)). Единица активности в системе СИ - Беккерель (Бк). Внесистемная единица - Кюри (Ки). Производные беккереля (Бк): Килобеккерель (кБк), Мегабеккерель (мБк), Гегабеккерель (ГБ).

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме: D = dE/dm или количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей объема облучаемого вещества (тканями организма). Единица поглощенной дозы - Грей (Гр, Gy). 1 Грэй равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж (1Гр = 1 Дж/кг). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Мощность дозы - величина энергии, переданная излучением веществу за единицу времени (Гр/c).

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. Ниже в таблице 10 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц.

16. Единицы измерения экспозиционной и поглощенной дозы излучения. Соотношение с внесистемными единицами

Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц : X = dQ/dm. Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и -излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08·109 пар ионов.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме: D = dE/dm или количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей объема облучаемого вещества (тканями организма). Единица поглощенной дозы - Грей (Гр, Gy). 1 Грэй равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж (1Гр = 1 Дж/кг). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Мощность дозы - величина энергии, переданная излучением веществу за единицу времени (Гр/c).

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. Ниже в таблице 10 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц.

17. Виды радионуклидной диагностики. Радиодиагностическая аппаратура

Все диагностические методы, включающие использование радиоактивных веществ, подразделяют на две группы. Первые предполагают введение радиоактивных веществ в организм человека (in vivo), вторые -- исследование биологических объектов (например, сыворотки крови) вне его пределов (in vitro). Методы первой группы относятся к лучевой диагностике, второй -- лежат в основе некоторых лабораторных методов.

Основными методами радионуклидной индикации патологических процессов при исследовании in vivo являются радиометрия, радиография и сцинтиграфия.

Радионуклидные исследования In VIVO:

- Статические (дают характеристику анатомо-топографического состояния исследуемого органа)

· Сцинтиграфия (визуальная регистрация пространственного распределения РФП в исследуемом органе или системе)

- Динамические (позволяют оценить функцию органа или системы)

· Радиография, динамическая сцинтиграфия

· Радиометрия (Клиническая, лабораторная)

Основные показания к радионуклидному исследованию: необходимость получения данных о функции и/или морфологии того или иного органа.

Радиодиагностическая аппаратура:

1. Радиометры.

2. Радиографы

3. Гамма-камеры:

• Планарная

• Однофотонный эмиссионный компьютерный томограф

4. Позитронный эмиссионный компьютерный томограф

Принципиальная блок-схема радиодиагностического прибора

Детектор - преобразует ионизирующее излучение в электрический сигнал;

Блок электроники - обеспечивает необходимые манипуляции с электрическим сигналом;

Блок индикации - система представления данных (цифровая, графическая или визуальная)

Фотоэлектрический умножитель -преобразует световые вспышки в электрический сигнал и усиливает его.

Сцинтилляционный кристалл- преобразует энергию гамма-квантов в оптическую вспышку (сцинтилляция);

Коллиматор -отграничивает поле видения, обеспечивает высокое разрешение изображения;

Индикация гамма-излучения от введенного внутрь организма человека РФП впервые в клинической практике была использована в 1927 г., когда Blumgard и Weiss применили радон для оценки гемодинамики у больных с сердечной недостаточностью. Наиболее активно ядерная медицина стала развиваться после того, как в 1963 г. Н.-О. Anger разработал гамма-камеру.

Ведущим конструкционным звеном гамма-камеры является детектор, основу которого составляет сцинтилляционный кристалл. Наряду с кристаллом составляющей частью детектора являются фотоэлектронный умножители и коллиматор.

Сцинтиляционный кристалл представляет собой прозрачный монокристалл (йодид натрия), в котором при прохождении через него гамма-квантов и их торможении возникает вспышка или сцинтилляция.

Возникающие в сцинтилляционном кристалле световые вспышки регистрируются фотоумножителем, переводящим световые сигналы в электрические и усиливающим их. Это дает возможность определить расположение сцинтилляций в сцинтилляционном кристалле и частоту их возникновения в любой его точке. По этим данным формируется двухмерное проекционное изображение распределения РФП в исследуемом биологическом объекте. Полученное изображение может быть представлено в аналоговом или цифровом формате.

Коллиматор представляет собой свинцовую пластину с мелкими параллельными отверстиями, ориентированными перпендикулярно плоскости сцинтилляционного кристалла, то есть по ходу направления попадающих на него гамма-квантов. Таким образом, коллиматор пропускает только гамма-кванты, направляющиеся на сцинтилляционный кристалл строго под прямым углом, отсеивая все остальные. Использование коллиматора позволяет улучшить качество диагностического изображения.

18. Методы радионуклидной диагностики

Все диагностические методы, включающие использование радиоактивных веществ, подразделяют на две группы. Первые предполагают введение радиоактивных веществ в организм человека (in vivo), вторые -- исследование биологических объектов (например, сыворотки крови) вне его пределов (in vitro). Методы первой группы относятся к лучевой диагностике, второй -- лежат в основе некоторых лабораторных методов.

Основными методами радионуклидной индикации патологических процессов при исследовании in vivo являются радиометрия, радиография и сцинтиграфия.

Радиометрия -- способ радионуклидной диагностики, позволяющий получить информацию о распределении РФП в изучаемом органе в виде рядов цифровых значений, расположенных на плоскости. Исторически это один из первых способов радиоизотопной диагностики, и поэтому наиболее несовершенный. Его существенным недостатком является сложность визуального восприятия диагностической информации и следовательно ее интерпретации.

В настоящее время радиометрия без дополнения ее другими радионуклидными способами визуализации не применяется.

Радиография -- способ радионуклидной диагностики, основанный на графической регистрации уровня радиоактивности над изучаемым биологическим объектом в зависимости от времени. Примером радиографии может служить кривая ренограммы, получаемая в процессе исследования функции почек -- динамической нефросцинтиграфии.

Сцинтиграфия. Радионуклидная сцинтиграфия обеспечивает визуализацию исследуемого органа для его топографо-анатомической характеристики и характера распределения в исследуемом объекте РФП. При патологических процессах происходит либо повышение уровня радиоактивности над изучаемым органом, либо его снижение, т.е. формирование или «горячего» или «холодного» очага. Патологическое повышение интенсивности гамма-излучения лучше всего определяется над органами, в которых в норме РФП не аккумулируется. Снижение уровня радиоактивности легче всего зарегистрировать над органами, в норме интенсивно поглощающими РФП. Поэтому радиофармпрепараты в зависимости от характера их накопления в патологических очагах подразделяются на две группы.

К первой относят РФП для так называемой позитивной визуализации патологических процессов. Примером РФП для «позитивной» диагностики могут быть фосфатные комплексы, меченные 99mТс, депонирующиеся в зоне инфаркта миокарда или меченые аутологичные лейкоциты в очаге воспаления.

Другую группу составляют РФП для так называемой негативной визуализации патологических процессов. Эти РФП в норме активно накапливаются в изучаемом органе, поэтому отсутствие или снижение их аккумуляции в органе расценивается как патология. Примером РФП для «негативной» диагностики является 201Т1-хлорид, активно аккумулирующийся в миокарде благодаря интенсивной гемоперфузии. При нарушении коронарного кровотока на сцинтиграммах миокарда образуется дефект перфузии в виде участка отсутствия аккумуляции РФП.

Планарная сцинтиграфия.При планарной сцинтиграфии объекты визуализируются в какой-либо определенной плоскости, то есть получать планарные изображения. Во время проведения планарной сцинтиграфии детектор гамма-камеры располагается непосредственно над изучаемым органом. Изменяя положение исследуемого или детектора гамма-камеры, можно получать диагностические изображения нужного объекта в разных плоскостях. Исследование, проведенное в двух взаимно перпендикулярных проекциях, дает пространственное представление о распределении РФП в изучаемом органе. Планарная сцинтиграфия широко применяется при исследовании скелета, щитовидной железой, легких и др.

В зависимости от целей исследования планарная сцинтиграфия может использоваться в статическом и динамическом вариантах.

Статическая планарная сцинтиграфия выполняется в течение определенного (как правило, длительного) промежутка времени, позволяет получать изображение исследуемого органа и детально изучать особенности распределения в нем РФП. Например, статическая сцинтиграфия используется для определения локализации дистопированной почки, особенно в тех случаях, когда это сделать с помощью других методов медицинской визуализации не удается.

Динамическая планарная сцинтиграфия позволяет исследовать изменение уровня радиоактивности над изучаемым органом в зависимости от времени и следовательно проводить детальную оценку его функции. Например, с помощью динамической нефросцинтиграфии можно оценивать секреторную и экскреторную функцию почек, в том числе при обструктивных процессах по ходу органов мочевыделения.

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография. Одним из недостатков планарной сцинтиграфии является суммационный эффект. Данная проблема суммационного эффекта решается с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (single photon emission computer tomography) - ОЭКТ (SPECT).

ОЭК-томограф, как и компьютерный рентгеновский томограф, предназначен для визуализации аксиальных срезов изучаемого органа. Это становится возможным благодаря вращению детектора гамма-камеры вокруг исследуемого объекта, что позволяет получать его многочисленные плоскостные планарные изображения и специальным образом их суммировать с помощью компьютерных технологий. В итоге воссоздаются необходимые для изучения аксиальные срезы, а при необходимости реконструируются и срезы в других плоскостях.

Другим преимуществом ОЭКТ но сравнению с планарной сцинтиграфией является большая разрешающая способность, то есть возможность более детального изучения визуальных особенностей исследуемого органа. Наибольшее распространение ОЭКТ нашла в кардиологии и неврологии, которые выдвигают высокие требования к точному определению топической локализации патологических процессов.

Позитронно-эмиссионная томография. Принципиально другим способом радионуклидной диагностики является позитронно-эмиссионная томография (positron emission tomography) -- ПЭТ (PET). Эта методика предполагает введение в организм человека РФП, испускающих бета+-излучение, или позитроны. В качестве радионуклидов чаще всего используются 18F, 11C, 150, 13N. Эти изотопы обладают коротким периодом физического полураспада, поэтому отрицательный биологически эффект генерируемого ими бета+-излучения минимальный. Каждый испускаемый РФП позитрон в организме человека начинает взаимодействовать с ближайшим электроном. Поскольку позитроны и электроны обладают одинаковой массой, но противоположными электрическими зарядами, возникает их взаимоуничтожение (аннигиляция) с выделением аннигиляционных гамма-квантов, распространяющихся в противоположных направлениях с энергией 511 кэВ. Эти гамма-кванты улавливаются специальными детекторами.

ПЭТ позволяет проводить точную количественную оценку .концентрации радионуклидов в изучаемом органе и может использоваться для тонкого изучения протекающих в нем метаболических процессов. В настоящее время одним из развивающихся направлений ПЭТ является исследование углеводного обмена с 18F-дезоксиглюкозой (18FDG) благодаря тому, что данный РФП является метаболическим аналогом обыкновенной глюкозы. Наибольшее распространение ПЭТ с F-дезоксиглюкозой нашла в онкологии, поскольку в активно метаболи-зирующих опухолевых клетках с высоким уровнем углеводного обмена она аккумулируется очень интенсивно. Другой областью применения ПЭТ является кардиология, поскольку установлено, что 18F-дезоксиглюкоза хорошо включается в углеводный обмен миокарда и позволяет определить степень его жизнеспособности.

19. Способы регистрации и диагностические приборы в радионуклидной диагносике

Все диагностические методы, включающие использование радиоактивных веществ, подразделяют на две группы. Первые предполагают введение радиоактивных веществ в организм человека (in vivo), вторые -- исследование биологических объектов (например, сыворотки крови) вне его пределов (in vitro). Методы первой группы относятся к лучевой диагностике, второй -- лежат в основе некоторых лабораторных методов.

Основными методами радионуклидной индикации патологических процессов при исследовании in vivo являются радиометрия, радиография и сцинтиграфия.

Радионуклидные исследования In VIVO:

- Статические (дают характеристику анатомо-топографического состояния исследуемого органа)

· Сцинтиграфия (визуальная регистрация пространственного распределения РФП в исследуемом органе или системе)

- Динамические (позволяют оценить функцию органа или системы)

· Радиография, динамическая сцинтиграфия

· Радиометрия (Клиническая, лабораторная)

Основные показания к радионуклидному исследованию: необходимость получения данных о функции и/или морфологии того или иного органа.

Радиодиагностическая аппаратура:

1. Радиометры.

2.Радиографы

3.Гамма-камеры:

• Планарная

• Однофотонный эмиссионный компьютерный томограф

4. Позитронный эмиссионный компьютерный томограф

Индикация гамма-излучения от введенного внутрь организма человека РФП впервые в клинической практике была использована в 1927 г., когда Blumgard и Weiss применили радон для оценки гемодинамики у больных с сердечной недостаточностью. Наиболее активно ядерная медицина стала развиваться после того, как в 1963 г. Н.-О. Anger разработал гамма-камеру.

Ведущим конструкционным звеном гамма-камеры является детектор, основу которого составляет сцинтилляционный кристалл. Наряду с кристаллом составляющей частью детектора являются фотоэлектронный умножители и коллиматор.

Сцинтиляционный кристалл представляет собой прозрачный монокристалл (йодид натрия), в котором при прохождении через него гамма-квантов и их торможении возникает вспышка или сцинтилляция.

Возникающие в сцинтилляционном кристалле световые вспышки регистрируются фотоумножителем, переводящим световые сигналы в электрические и усиливающим их. Это дает возможность определить расположение сцинтилляций в сцинтилляционном кристалле и частоту их возникновения в любой его точке. По этим данным формируется двухмерное проекционное изображение распределения РФП в исследуемом биологическом объекте. Полученное изображение может быть представлено в аналоговом или цифровом формате.

Коллиматор представляет собой свинцовую пластину с мелкими параллельными отверстиями, ориентированными перпендикулярно плоскости сцинтилляционного кристалла, то есть по ходу направления попадающих на него гамма-квантов. Таким образом, коллиматор пропускает только гамма-кванты, направляющиеся на сцинтилляционный кристалл строго под прямым углом, отсеивая все остальные. Использование коллиматора позволяет улучшить качество диагностического изображения.

Радиометрия -- способ радионуклидной диагностики, позволяющий получить информацию о распределении РФП в изучаемом органе в виде рядов цифровых значений, расположенных на плоскости. Исторически это один из первых способов радиоизотопной диагностики, и поэтому наиболее несовершенный. Его существенным недостатком является сложность визуального восприятия диагностической информации и следовательно ее интерпретации.

В настоящее время радиометрия без дополнения ее другими радионуклидными способами визуализации не применяется.

Радиография -- способ радионуклидной диагностики, основанный на графической регистрации уровня радиоактивности над изучаемым биологическим объектом в зависимости от времени. Примером радиографии может служить кривая ренограммы, получаемая в процессе исследования функции почек -- динамической нефросцинтиграфии.

Сцинтиграфия. Радионуклидная сцинтиграфия обеспечивает визуализацию исследуемого органа для его топографо-анатомической характеристики и характера распределения в исследуемом объекте РФП.

Планарная сцинтиграфия.При планарной сцинтиграфии объекты визуализируются в какой-либо определенной плоскости, то есть получать планарные изображения. Во время проведения планарной сцинтиграфии детектор гамма-камеры располагается непосредственно над изучаемым органом. Изменяя положение исследуемого или детектора гамма-камеры, можно получать диагностические изображения нужного объекта в разных плоскостях.

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография. Одним из недостатков планарной сцинтиграфии является суммационный эффект. Данная проблема суммационного эффекта решается с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (single photon emission computer tomography) - ОЭКТ (SPECT). ОЭК-томограф, как и компьютерный рентгеновский томограф, предназначен для визуализации аксиальных срезов изучаемого органа.

Позитронно-эмиссионная томография. Принципиально другим способом радионуклидной диагностики является позитронно-эмиссионная томография (positron emission tomography) -- ПЭТ (PET).

Эта методика предполагает введение в организм человека РФП, испускающих бета+-излучение, или позитроны. В качестве радионуклидов чаще всего используются 18F, 11C, 150, 13N.

20. Принципы радионуклидной диагностики. РФП. Способ получения изображения

Радиоизотопная (радионуклидная) диагностика- это вид лучевой диагностики, основанный на регистрации излучения введенных в организм радионуклидов и меченных соединений (радиофармпрепаратов) с целью распознавания патологических состояний органов и систем.

Основной принцип радионуклидной диагностики основан на избирательном депонировании радионуклидов и меченных соединений (радиофармпрепаратов - РФП) в определенном органе или системе.

Суть его состоит в том, что после введения меченого вещества оно распределяется по телу человека в зависимости от функционирования его органов и систем. Регистрируя распределение, перемещение, превращение и выведение из организма радиактивных индикаторов, врач получает возможность судить об участии соответствующих элементов в биохимических и физиологических процессах. Современная аппаратура позволяет зарегистрировать ионизирующее излучение крайне малого количества радиоактивных соединений, которые практически безвредны для организма исследуемого.

Радиоактивные фармацевтические препараты (РФП) - химическое соединение, содержащие в своей молекуле радионуклид, которое разрешено для введения человеку с диагностической или лечебной целью. РФП представляют собой комплекс, состоящий из фармакологического препарата, отражающего метаболизм исследуемого органа или системы, и радионуклида, который играет роль метки и позволяет проследить распределение фармакологического препарата в соответствующем органе. Поступая в организм человека, РФП включается в физиологические или патофизиологические процессы, что в свою очередь определяется локальным кровотоком и активностью метаболических процессов. Это дает возможность получать диагностическую информацию о функциональном состоянии изучаемой биологической системы (например, печени, почек и др.). В этом заключается преимущество радионуклидных методов по сравнению с другими средствами лучевой диагностики (рентгенологическими методиками, КТ, УЗИ, МРТ), в основе которых лежит визуализация морфологических характеристик изучаемого биологического объекта (формы, структуры, размеров, плотности и др.). Индикация патологических процессов с помощью радионуклидных методов основана на измерении уровня радиоактивности над изучаемым органом относительно окружающих тканей.

В качестве примера распределения РФП в организме человека в зависимости от его фармакокинетики можно привести накопление пирофосфатных комплексов, меченных 99шТс, в костной ткани (99тТс-пирфотех, 99тТс-технефор), 201Т1-хлорида -- в миокарде, мышцах, печени, почках, коллоидных комплексов, меченных 99тТс, в ретикулоэндотелиальной системе (99тТс-технефит).

n Органотропные;

n Тропные к патологическому очагу;

n Без выраженной селективности.

Радионуклидная визуализация основана на регистрации излучения, испускаемого находящимся внутри пациента радиоактивным веществом. Таким образом, общее между рентген- и радионуклидной диагностикой - использование ионизирующего излучения. РФП могут использоваться как в диагностических, так и в терапевтических целях. Все они имеют в своем составе радионуклиды - нестабильные атомы, спонтанно распадающиеся с выделением энергии. Идеальный радиофармпрепарат накапливается только в органах и структурах, предназначенных для визуализации. Накопление РФП может обусловливаться, например, метаболическими процессами (молекула-носитель может быть частью метаболической цепочки) либо локальной перфузией органа. Возможность изучения физиологических функций параллельно с определением топографо-анатомических параметров - главное преимущество радионуклидных методов диагностики. Для визуализации используют радионуклиды, испускающие гамма-кванты, так как альфа- и бета-частицы имеют низкую проникающую способность в тканях.