6. Радиологические системы. Устройство. Принципы применения в медицинских технологиях.

Медицинская радиология делится на рентгенодиагностику (рентгенодиагностика – распознавание заболеваний на основе данных рентгенологических исследований - рентгеноскопии, рентгенографии) и рентгенотерапию (применение рентгеновского излучения для лечения опухолевых и др. заболеваний).

Рентгенодиагностика – распознавание болезней при помощи рентгеновских лучей. Рентгенодиагностика осуществляется двумя основными способами – рентгеноскопией и рентгенографией. Проходя через человеческое тело, рентгеновы лучи не в одинаковой степени поглощаются и ослабляются тканями различной плотности и дают поэтому тени неодинаковой интенсивности. Рентгенодиагностика построена на учете этого неоднородного теневого изображения.

Для рентгенодиагностики некоторых органов и систем (костей, сердца, легких) имеются естественные условия контрастности, другие же системы и органы человеческого тела могут стать объектом рентгенодиагностики лишь при условии создания искусственных контрастов, путем введения в эти органы специальных контрастных сред или веществ. Рентгеноконтрастные средства – различные химические вещества, которые при введении в организм улучшают изображение исследуемого объекта (увеличивая или уменьшая поглощение рентгеновских лучей и создавая контрастность рентгеновского изображения. Наряду с «тяжелыми» (сульфат бария – для заболеваний желудка и кишок, препараты йода) применяются «легкие» вещества (воздух, кислород и др. газы).

Рентгеноскопия – один из основных методов рентгенодиагностики, заключающийся в получении (обычно на рентгеновском экране) и изображения исследуемого объекта. Она основана на проникающей способности рентгеновских лучей и их свойстве вызывать видимое в темноте свечение (флюоресценцию) химического вещества (например, платиносинеродистого бария или сульфида цинка), нанесенного тонким слоем на просвечивающий (флюоресцирующий) экран. При рентгеноскопии больного помещают между источником возникновения рентгеновских лучей (в рентгеновской трубке) и просвечивающим экраном, на котором в затемненном рентгеновском кабинете появляется теневое рентгеновское изображение исследуемых органов (например, легких, сердца и др. при рентгене грудной клетки).

Рентгеноскопия незаменима при рентгенологическом исследовании внутренних органов, т.к. обеспечивает возможность непосредственного зрительного определения физиологических явлений (пульсация сердца и крупных сосудов; дыхательные смещения ребер и диафрагмы; сокращения стенок пищевода, желудка и кишок). Рентгеноскопия также необходима для точного выяснения отношения болевых точек к тому или иному органу (например, при язве двенадцатиперстной кишки или желудка) и в особенности для распознавания опухолевых образований желудка, кишечника или других органов.

Рентгенография – метод рентгенодиагностики, заключающийся в получении фиксированного теневого изображения (снимка) объекта (какого-нибудь органа или части тела) на фотоматериале (рентгеновской пленке) при прохождении через них рентгеновских лучей. Больной располагается так, чтобы снимаемый объект находился между рентгеновской трубкой и алюминиевой кассетой, в которую помещается рентгеновская пленка. По сравнению с рентгеноскопией, рентгенография имеет те преимущества, что выявляет тончайшие подробности в рентгеновской картине снимаемой области человеческого тела; больной при этом подвергается значительно меньшему облучению. Частным случаем рентгенографии является флюорография – получение косвенного уменьшенного теневого рентгеновского изображения на пленке малых размеров при помощи фотографирования рентгеновской картины органов человеческого тела на флюоресцирующем экране. Это – метод массового рентгенологического исследования больших контингентов населения для выявления ряда скрыто протекающих болезненных состояний и заболеваний.

Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Такое устройство называется рентгеновской трубкой. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В рентгеновской трубке (Рис. 1), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.

Для комплексного лечения злокачественных новообразований в настоящее время используют проникающее излучение—рентген и гамма-излучение. Структурная схема терапевтических аппаратов аналогична рентгенодиагностическим. Аппарат состоит из генераторного устройства, пульта управления, штатива с рентгеновской трубкой и стола для размещения пациента. Аппараты оснащаются рентгеновскими излучателями (трубками для терапии). Трубка может, перемещаться относительно штатива и относительно стола. Помещение, в котором находится аппарат, должно обеспечивать надежную защиту от рентгеновских лучей, поэтому оно строится с учетом такой защиты.

Радиологические аппараты имеют то же назначение, что в рентгеновские, однако диапазон их применения значительно шире, так как лечение радиоизотопами дает более широкие возможности, в том числе и применение внутриполостного облучения, что невозможно осуществить с помощью рентгеновских лучей. Источником излучения во всех гамма-терапевтических аппаратах служит заряд радиоактивного кобальта.

Гамма-терапевтические аппараты делятся на два вида, существенно отличающиеся по мощности заряда:

— аппараты гамма-терапевтические ротационные для наружного облучения, например «АГАТ-Р»;

— аппараты гамма-терапевтические шланговые для внутриполостного облучения, например «АГАТ-В».

Аппарат «АГАТ-Р» имеет заряд, дающий мощные дозы —-2,58.10-4 А/кг (1 Р/с).

Стол аппарата, на котором располагается пациент, приспособлен для осуществления различных продольных и поперечных наклонов и может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Это необходимо для того, чтобы возможно более точно направить пучок гамма-лучей на облучаемую опухоль. В качестве радионуклидных источников излучения для дистанционной гамма-терапии чаще всего используют ⁶⁰Co. Источник помещают внутрь радиационной головки гамма-аппарата, которая создает надежную защиту в нерабочем состоянии. Источник имеет форму цилиндра. Корпус аппарата изготавливают из нержавеющей стали, внутри помещают активную часть источника в виде набора дисков. Радиационная головка обеспечивает выпуск, формирование и ориентацию пучка γ-излучения в рабочем режиме. Аппараты создают значительную мощность дозы на расстоянии десятков сантиметров от источника. Поглощение излучения вне заданного поля обеспечивается диафрагмой специальной конструкции. Дистанционные аппараты бывают статические (например, «Агат-С»), ротационные («Агат-Р», «Агат-Р1», «Агат-Р2» - секторное и круговое облучение) и конвергентные («Рокус-М», источник одновременно участвует в двух согласованных круговых движениях во взаимно перпендикулярных плоскостях)

Аппарат «АГАТ-В» предназначен для лучевого лечения злокачественных новообразований, локализованных в естественных полостях тела человека, и применяется в гинекологии и проктологии.

Для облучения в полость вводят специальный наконечник. Наконечник полый и заряд в него подается по шлангу из хранилища после того, как наконечник введен в полость и укреплен в ней. Подача заряда из хранилища, проведение облучения и возврат заряда в хранилище осуществляются автоматически по заданной программе с помощью пневматики. Мощность заряда в таких аппаратах значительно меньше, чем в ротационных (более чем в 1000 раз). Аппарат состоит из хранилища, станции воздухоснабжения, перезарядного контейнера и пульта управления, а также укладки с комплектом лечебных наконечников. Хранилище имеет три транспортирующих шланга длиной по 2 м.

Для лучевого лечения небольших по размеру первичных опухолей и метастазов в головном мозге уже много лет используется наружное радиохирургическое воздействие. Оно осуществляется с помощью дистанционного гамма-терапевтического аппарата «Гамма-нож», позволяющего подвести очаговую дозу, эквивалентную СОД 60-70 Гр за 1-5 фракций. Основа точного наведения - стереотаксическая рама, которая фиксируется на голове пациента в самом начале процедуры.

Метод применяется при наличии патологических очагов размером не более 3-3,5 см. Обусловлено это тем, что при больших размерах лучевая нагрузка на здоровую мозговую ткань, а следовательно, и вероятность развития постлучевых осложнений становятся чрезмерно высокими. К преимуществам применения «Гамма-ножа» относятся: неинвазивное вмешательство, минимизация побочных эффектов в послеоперационном периоде, отсутствие наркоза, возможность в большинстве случаев избежать лучевого повреждения здоровой мозговой ткани вне видимых границ опухоли.

30 радиационных источников кобальта~60 равномерно распределены в сложной структуре цилиндра и по поверхности сферы. Тысячи гамма лучей фокусируются с помощью вращающегося фокуса и многоступенчатой коллимации для стереотактической терапии головы/тела и радиотерапии спиральным разрезом. Каждый отдельный луч проходит через тело с безопасной дозой. Высокая доза в центре фокуса приводит к полному разрушению поврежденных тканей за один раз. Это удовлетворительный результат для безопасной радиотерапии.

Основные технические параметры:

Описываемая модель		Цилиндрическая спиральная неэквидистантная фокусирующаяся модель
Коэффициент дозы фокусирования (первоначально установленного источника)		более 3.3 гр./мин.
Коэффициент дозы, фокусируемый на коже		1000:1
Спецификации коллиматора		Ф4-φ50, итого 7 групп
Площадь лечения	X ось (ширина)		360 мм.
	Y ось (высота)		200 мм.
	Z ось (глубина)		1700 мм.
Точность фокусирования на теле		150 кг
Точность фокусирования на голове		менее 0,5 мм
Нагрузка на стол		менее 2.5 мм
Максимальный коэффициент дозы на поверхности корпуса гамма - ножом copnvca гамма ~ ножом		менее 100 µ Sv/h
Электропитание		220V/50Hz или 110V/60Hz

Принцип действия радиологических аппаратов основан на уничтожении клеток, из которых состоит патологический очаг, например, опухоль. Первичной причиной «гибели» клеток, под которой подразумевают не непосредственно распад (см. некроз, апоптоз), а инактивацию (прекращение деления), считают нарушение их ДНК. Нарушение ДНК может быть следствием как непосредственно разрушения молекулярных связей вследствие ионизации атомов ДНК, так и опосредованно — через радиолиз воды, основного компонента цитоплазмы клетки. Ионизирующее излучение взаимодействует с молекулами воды, формируя пероксид и свободные радикалы, которые и воздействуют на ДНК. Из этого следует важное следствие, подтверждаемое в эксперименте. Чем активнее клетка делится, тем более сильное повреждающее воздействие оказывает на неё радиация. Раковые клетки являются активно делящимися и быстро растущими; в норме схожей активностью обладают клетки костного мозга. Соответственно, если раковые клетки более активны, чем окружающие ткани, то и повреждающее действие излучения причинит им более серьёзный вред.