Взаємодія рентгенівських променів з речовиною .

Рентгенівські промені поглинаються в тій чи іншій мірі всіма речовинами через які вони проходять . Величина поглиненої енергії залежить від довжини хвилі, природи речовини, товщини даного зразка .

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання – просвічування внутрішніх органів з діагностичною ціллю – рентгенодіагностика.

Рентгенодіагностику використовують в двох напрямках:

рентгеноскопія (просвічування) – зображення розглядають на рентгенолюмінісцентному екрані,

рентгенографія (отримання світлини)– метод рентгенологічного дослідження, при якому зображення фіксується на фотоплівці або фотографічних емульсіях, що піддали дії рентгенівських променів, після відповідної хімічної обробки отримують зображення.

Рентгеноскопію можна проводити у вертикальному та горизонтальному положеннях хворого(на боку, спині, животі). Спосіб рентгенівського просвічування в положенні хворого лежачи при горизонтальному напрямку пучка рентгенівських променів називають латероскопією. Просвічування вертикальним пучком променів – трохоскопія.

Рентгенівське випромінювання виявляє біологічну дію на організм. Різні клітини мають різну чутливість до дії випромінювання. Особливо чутливими є молоді клітини і клітини, що розмножуються. Тому слід оберігати від рентгенівського випромінювання ті тканини і органи, в яких інтенсивно відновлюються клітини(кістковий мозок, нижні шари шкіри). Сучасним методом рентгенологічного дослідження є просвічування з допомогою електронно-оптичного перетворювача в сукупності з рентгентелевізійною камерою. Рентгенотелебачення дозволяє передавати зображення на відстані, що дає можливість отримати інформацію про стан досліджуваного органу поза приміщенням рентгенівського кабінету.

Рентгеноскопія органів грудної порожнини. В діагностиці захворювань органів грудної порожнини рентгеноскопія займає важливе місце. За допомогою рентгеноскопії можна визначити ущільнення або руйнування легеневої тканини, наявність рідини в плеврі, спостерігати рухи діафрагми, досліджувати легені в різних фазах дихання. Рентгеноскопія є важливою при діагностиці захворювань серцево-судинної системи. Дозволяє визначити зміни положення серця та великих кровоносних судин, їх розміри та конфігурацію, характер скорочення (пульсацію), наявність та локалізацію зневапнянних сердечних клапанів(кальцинатів), взаємо розміщення серця та судин з іншими органами грудної порожнини, визначити функціональний стан органів кровообігу.

Рентгеноскопія органів травлення. Частіше застосовують для діагностики стравоходу, шлунку, товстої та тонкої кишки. Стравохід досліджують стосовно звужень його просвіту та для визначення відношення органу до процесу хвороби. Рентгеноскопія є основним методом діагностики патологічних процесів у шлунку, причому одночасно проводять рентгеноскопію дванадцятипалої кишки(при виразковій хворобі).

Рентгенографія. Рентгенографію проводять при:

1) діагностиці захворювань кістково-суглобового апарату;

2) при травматичному пошкодженні кісток та суглобів;

3) діагностиці захворювань легень та середостіння;

4) діагностиці захворювань серця та великих судин;

5) діагностиці захворювань шлунково-кишкового тракту;

6) діагностиці захворювань сечової системи;

7)діагностиці захворювань органів кровообігу(ангіокардіографія);

8) дослідженні аорти та її гілок(аортографія);

9) дослідженні артеріальних судин (артеріографія кінцівок);

10) дослідженні вен нижніх кінцівок (флебографія кінцівок);

11) дослідженні лімфатичної системи (лімфографія);

12) дослідженні бронхів (бронхографія);

13) дослідженні жовчних шляхів та жовчного міхура (холангіохолецистографія);

14) дослідженні сечовивідних шляхів (урографія);

15) дослідженні порожнини матки та маточних труб (метросальпінгографія);

16) дослідженні центральної нервової системи (енцефалографія, вентрикулографія, мієлографія (спинного мозку), церебральна ангіографія

(судини головного мозку));

17) дослідженні свищових ходів різного походження(фістулографія).

Специфіка рентгенологічного дослідження дитячого організму обумовлена його анатомо-морфологічними особливостями. Труднощі, що виникають при дослідженнях, обумовлені тим, що діти під час рентгенологічних дослідженнях поводяться неспокійно. Це ускладнює дослідження та може негативно впливати на якість рентгенографії. Організм дитини більш чутливий до іонізуючого випромінювання . тому будь-яку рентгенодіагностичну процедуру у дітей проводять при строгому медичному показанні. Одним із методів рентгенографії є флюорографія (діагностика захворювання легень) та комп’ютерна томографія.

Деякі клітини, що патологічно швидко розмножуються, швидко гинуть. На цьому ґрунтується терапевтична дія рентгенівського випромінювання на клітини злоякісних пухлин (їх руйнування), що знайшло широке застосування в онкології.

Застосування рентгенотерапії основане на використанні біологічної дії рентгенівських променів. Рентгенотерапія показана при різноманітних патологічних станах; поширена при захворюваннях шкіри та внутрішніх органах. Діючи на шкіру, рентгенівські промені викликають в ній зміни запального характеру. Проникаючи в організм, вони діють на клітини тканин, на клітинне ядро, призводять до ослаблення життєвої функції клітини. а якщо доза опромінення велика – до її гибелі. Під дією рентгенівських променів виникають функціональні зрушення у всіх органах та системах організму: змінюються всі види обміну, підвищується проникність стінок дрібних судин та капілярів, в організмі утворюються нові білкові з’єднання. дуже чутливі до рентгенівських променів клітини з підвищеним обміном речовин, з підсиленими процесами росту. Пухлинні клітини швидко змінюються та гинуть, а оточуючі їх нормальні тканини залишаються непошкодженими.

Радіоактивність –спонтанний розпад нестабільних ядер з випусканням інших ядер або елементарних частинок. Характерна ознака – спонтанність процесу. Радіоактивність була відкрита в 1896 році французьким фізиком Бекерелем. Він виявив, що солі урану випускають невидимі промені, які викликають фотолюмінісценцію, засвічують фотопластинку, іонізують речовину. розрізняють наступні види радіоактивності:

1. Природна радіоактивність – явище самовільного перетворення атомних ядер нестійких елементів у ядра стійких елементів, що існує в природних умовах. При цьому з ядер вилітають частинки і випускається високочастотне випромінювання.

2. Штучна радіоактивність – радіоактивність ядер, утворених в результаті різноманітних ядерних реакцій

Радіоактивне випромінювання за складом поділяють на:

1) корпускулярне – потік заряджених частинок: альфа-частинки(α), бета-частинки(β), електрони і позитрони, протони(р), ядра легких елементів;

2) хвильове: потоки гама-квантів(γ) з енергією від 0,2 до 5 МеВ,

рентгенівські кванти з енергією 10²-2∙10⁵ еВ, жорстке ультрафіолетове випромінювання з енергією 10-10² еВ.

Потоки часток і квантів випромінювань з’являються в результаті різних видів розпаду ядер:

• Альфа-розпад – заключається у невимушеному перетворенні одного ядра в інше ядро, при якому з ядер вилітають α-частинки(2 протони+2 нейтрони). α-частинка – це ядро атома гелію.

• Бета-розпад– заключається у внутрішньоядерному взаємному перетворенні нейтрона і протона. Відбувається коли в ядрі є надлишок нейтронів.

Радіоактивний розпад – це статистичне явище. Не можливо передбачити, коли розпадеться нестабільне ядро. Для більшої сукупності радіоактивних ядер можна отримати статистичний закон, що виражає залежність ядер, що не розпалися, від часу.

Закон радіоактивного розпаду: число радіоактивних ядер, котрі ще не розпалися, зменшується з часом по експоненціальному закону.

Ν=Ν₀∙e^-λ∙t,

де Ν₀ – число ядер в початковий момент часу,

Ν – число ядер в момент часу t,

λ - постійна розпаду, що залежить від природи ядер.

Основні фактори, що характеризують розпад, є:

1. Період напіврозпаду Т_1/2 – час, за який початкова кількість ядер зменшилась вдвічі.

Т_1/2=ln 2/λ=0,693/λ=0,693∙1/λ,

де 1/λ=τ – середній час життя радіоактивних ядер. За цей час початкова кількість ядер зменшується в е раз.

Активність радіоактивного елемента А – кількість ядерних розпадів за одну секунду:

А= λ∙Ν=Ν∙ ln 2/Т_1/2.

Одиницями активності є:

беккерель (Бк) – така активність радіонуклідів, коли в препараті за 1 секунду відбувається один розпад:

1 Бк = 1 розпад/с,

резерфорд (Рд) – така активність радіонуклідів, коли відбувається 10⁶ розпадів за 1 секунду:

1 Рд = 10⁶ Бк = 10⁶ /с,

кюрі (Кю) – така активність радіонуклідів, коли відбувається 3,7∙10¹⁰ розпадів за 1 секунду:

1 Кю = 37 Рд = 3,7∙10¹⁰ Бк = 3,7∙10¹⁰/с – найбільш вживана одиниця.

Іонізуюче випромінювання – потік частинок та електромагнітних квантів, взаємодія яких із середовищем призводить до іонізації та збудження її атомів та молекул. Іонізуючим випромінюванням є рентгенівське та гама(γ)-випромінювання, потоки альфа(α)-частинок, електронів, позитронів, протонів, нейтронів. Одним з найпоширеніших джерел іонізуючого випромінювання є радіоактивний розпад атомних ядер. Виділяють два типи іонізуючого випромінювання: корпускулярне і не корпускулярне електромагнітні випромінювання.

Необхідність кількісної оцінки дії іонізуючого випромінювання на різноманітні речовини живої та неживої природи привела до появи дозиметрії.

Дозиметрія – розділ ядерної фізики та вимірювальної техніки, у якому розроблені кількісні показники для оцінки дії іонізуючого випромінювання на неживі і живі об’єкти, вивчають величини, що характеризують дію іонізуючого випромінювання на речовини, а також методи і прилади для їх вимірювання(дозиметри, радіометри, детектори, прискорювачі).

Доза випромінювання (поглинена доза випромінювання)D_п – енергія іонізуючого випромінювання, що поглинена одиницею маси речовини, не залежить від природи іонізуючого випромінювання.

Одиницею вимірювання є грей (Гр) – це така доза поглинання, коли один кілограм речовини поглинає енергію 1 Дж: 1 Гр = 1 Дж/кг. Позасистемною одиницею дощи поглинання є 1 рад = 10^-2 Гр(рад – абревіатура слів Radiation Ab sorbed Dose - Радіаційна Абдомінальна абсорбована Доза). Частіше на практиці користуються поняттям експозиційної дози Х, що є мірою іонізації повітря рентгенівськими чи (γ)-променями. Системною одиницею експозиційної дози є 1 Кл/кг (кулон/кілограм). На практиці використовують позасистемну одиницю 1 рентген (Р) = 2,58∙10^-4 Кл/кг.

Потужність експозиційної дози Р_х– величина експозиційної дози за одиницю часу, системною одиницею якої є ампер на кілограм (А/кг). Позасистемною одиницею є рентген за годину(Р/год) чи мікрорентген за секунду(мкР/с).

Зв’язок між дозою поглинання та експозиційною дозою наступний:

D=f ∙Х,

Де f – перехідний коефіцієнт, який залежить від природи речовини та енергії випромінювання.

f _{повітря} = 0,88, f _{води та м’яких тканин тіла людини} = 1.

У біологічних тканинах різні види випромінювання при одній і тій же поглинутій дозі викликають різну дію. Для характеристики впливу різних видів випромінювання на організм людини вводять поняття еквівалентної біологічної дози D_е – добуток дози поглинутої D_п на коефіцієнт якості k:

D_е = D_п∙k,

де k – відносна біологічна ефективність(ВБЕ), що показує, у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більша, ніж рентгенівського чи (γ)- випромінювання в тканинах при одній і тій же поглиненій дозі. Одиницею еквівалентної біологічної дози є зіверт (1 Зв)=1Дж/кг. Позасистемною одиницею є 1 бер(біологічний еквівалент рада)=10^-2 Зв. У таблиці приведені значення k, отриманні експериментально:

Вид випромінювання	Коефіцієнт якості(ВБЕ)
Рентгенівське, (γ)- кванти	1
Теплові нейтрони (0,01 еВ)	3
Швидкі нейтрони (5 МеВ)	7
Протони	10
(α)- частинки	20

Іонізуюче випромінювання тільки тоді створює вплив на речовину, коли це випромінювання взаємодіє з частинками, що входять до складу речовини.

Іонізуюча радіація викликає в живій клітині різні фізичні, фізико-хімічні, хімічні процеси, якими починається складний ланцюг клітинних подій, що призводять до розвитку радіобіологічних ефектів.

Під впливом іонізуючої радіації відбуваються сильні пошкодження молекул, що входять до складу речовин живої тканини, а також біологічні порушення – загибель клітин, інактивація окремих біохімічних систем, спадкові зміни, гальмування ростових і формуючих функцій. Негативним наслідкам опромінення протистоять відновні реакції організму. В медицині широко використовують радіонукліди для лікування, діагностики, наукових досліджень (йод – стан щитоподібної залози), радіоактивний кобальт – для зовнішнього та внутрішнього опромінення, за допомогою методу мічених атомів вивчають вміст різних речовин у тканинах і органах, вивчають обмін речовин та функціонування органів. Застосування гама-променів високої енергії дозволяє руйнувати глибоко розміщені пухлини, при цьому поверхневі органи і тканини найменше піддаються згубній дії. В живий організм радіоактивні атоми вводять в малій кількості, тому ні вони, ні продукти розпаду не чинять шкоди організму.

При променевому ураженні, внаслідок дії випромінювання на речовину клітини, виникають іонізовані і збуджені атоми і молекули. Вони викликають реакції з різними речовинами і біологічними структурами, що приймають участь у метаболічних процесах. Утворені речовини, не властиві організму, дають зміну функціональної активності біосистем, порушують обмін речовин і енергії в живому організмі. При короткочасній дії великих доз іонізуючого випромінювання (1 – 10 Зв) розвивається гостра променева хвороба, картина якої залежить від того, яка частина тіла, орган чи система зазнали переважної дії іонізуючого випромінювання. Дози відносно малої потужності приводять до розвитку хронічної променевої хвороби (1 – 5 мЗв/добу). На розвиток гострої і хронічної променевої хвороби впливає наявність на момент опромінення інших захворювань організму, які знижують його опір.

Для забезпеченя радіаційної безпеки осіб, які в професійних цілях постійно або періодично контактують із радіоактивним випромінюванням, розроблені допустимі дози(для різних груп організму – різні). Три критичні групи організму:

1) все тіло, гонади, червоний кістковий мозок – 0,05 Зв/рік;

2) м’язи, жирова тканина, печінка, селезінка, нирки, травний канал, легені, кришталик ока та інші, крім тих, що віднесені до 1 і 3 груп – 0,15 Зв/рік;

3) шкірний покрив, кісткова тканина, кисті рук, передпліччя, щиколотки, стопи – 0,3 Зв/рік.

Допустимі дози опромінення населення визначають за виникненням віддалених ефектів і генетичних наслідків.

Захист від рентгенівського випромінювання.

Рентгенівське випромінювання є іонізуючим. Воно впливає на тканини живих організмів і може бути причиною променевої хвороби, променевих опіків і злоякісних пухлин. Унаслідок цього при роботі з рентгенівським випромінюванням необхідно дотримуватись заходів захисту. Вважається, що поразка прямо пропорційно поглиненої дози випромінювання. Рентгенівське випромінювання є мутагенним чинником. В процесі технічної експлуатації радіоапаратури, коли живляча напруга радіоапаратури вища 15 кВ, необхідно обов'язково використовувати захисні засоби для запобігання опроміненню операторів та інженерно-технічних працівників рентгенівським випромінюванням, тому що при таких напругах рентгенівське випромінювання розсіюється в навколишньому просторі виробничого приміщення.

Гранично допустимі дози рентгенівського опромінення передбачені санітарними нормами:

- для всього тіла людини упродовж тижня не більше ніж 100 мр (мілірентген);

- тільки рук - 500 мр (80 мр на день).

У суміжних приміщеннях з рентгенівською установкою доза опромінення у продовж тижня не повинна перевищувати 10 мр, а в близько розташованих будинках потужність дози не повинна перевищувати дозу нормального фону більше, ніж на 0,01 мр за годину.

Як захисні засоби від дії м'яких рентгенівських променів застосовуються екрани із сталевого листа (1 мм), освинцьованого алюмінію (3 мм), покритого оловом скла (8 мм) чи спеціальної гуми (7.1).

Оглядові вікна в рентгенівських установках виконують із плексигласу (30 мм) чи покритого оловом скла.

З метою запобігання розсіювання рентгенівського випромінювання у виробничому приміщенні, влаштовують захисні огородження з різних захисних матеріалів, наприклад, свинцю чи бетону.

При короткочасних роботах на рентгенівських установках як засоби індивідуального захисту застосовуються фартухи, рукавички, шапочки, виготовлені з покритої оловом гуми.

Реєстрація

Ефект люмінесценції. Рентгенівські промені здатні викликати у деяких речовин світіння (флюоресценцію). Цей ефект використовується в медичної діагностики при рентгеноскопії (спостереження зображення на флюоресцирующей екрані) і рентгенівської зйомці ( рентгенографії). Медичні фотоплівки, як правило, застосовуються в комбінації з підсилюючими екранами, до складу яких входять рентгенолюмінофори, які світяться під дією рентгенівського випромінювання і засвічує світлочутливу фотоемульсію. Метод отримання зображення в натуральну величину називається рентгенографією. При флюорографії зображення виходить в зменшеному масштабі. Люмінесціюючої речовина ( сцинтилятор) можна оптично з'єднати з електронним детектором світлового випромінювання ( фотоелектронний помножувач, фотодіод і т. п.), отриманий прилад називається сцинтиляційним детектором. Він дозволяє реєструвати окремі фотони і вимірювати їхню енергію, оскільки енергія сцинтиляційне спалаху пропорційна енергії поглиненого фотона.

Фотографічний ефект. Рентгенівські промені, також як і звичайний світло, здатні безпосередньо засвічувати фотографічну емульсію. Однак без флюоресцирующего шару для цього потрібно в 30-100 разів більша експозиція (тобто доза). Перевагою цього методу (відомого під назвою безекранная рентгенографія) є велика різкість зображення.

В напівпровідникових детекторах рентгенівські промені виробляють пари електрон-дірка в pn переході діода, включеного в замикаючому напрямку. При цьому протікає невеликий струм, амплітуда якого пропорційна енергії та інтенсивності падаючого рентгенівського випромінювання. В імпульсному режимі можлива реєстрація окремих рентгенівських фотонів і вимірювання їх енергії.

Окремі фотони рентгенівського випромінювання можуть бути також зареєстровані за допомогою газо детекторів іонізуючого випромінювання ( лічильник Гейгера, пропорційна камера та ін.)

Застосування

За допомогою рентгенівських променів можна "просвітити" людське тіло, в результаті чого можна отримати зображення кісток, а в сучасних приладах і внутрішніх органів). При цьому використовується той факт, що у міститься переважно в кістках елемента кальцію (Z = 20) атомний номер набагато більше, ніж атомні номери елементів, з яких складаються м'які тканини, а саме водню (Z = 1), вуглецю (Z = 6), азоту (Z = 7), кисню (Z = 8). Крім звичайних приладів, які дають двовимірну проекцію досліджуваного об'єкта, існують комп'ютерні томографи, які дозволяють отримувати об'ємне зображення внутрішніх органів.

Виявлення дефектів у виробах (рейках, зварювальних швах і т. д.) за допомогою рентгенівського випромінювання називається рентгенівської дефектоскопії.

В матеріалознавстві, кристалографії, хімії та біохімії рентгенівські промені використовуються для з'ясування структури речовин на атомному рівні за допомогою дифракційного розсіяння рентгенівського випромінювання ( рентгеноструктурний аналіз). Відомим прикладом є визначення структури ДНК.

Крім того, за допомогою рентгенівських променів може бути визначений хімічний склад речовини. В електронно-променевому Мікрозонд (або ж в електронному мікроскопі) аналізоване речовина опромінюється електронами, при цьому атоми іонізуються і випромінюють характеристичне рентгенівське випромінювання. Замість електронів може використовуватися рентгенівське випромінювання. Цей аналітичний метод називається рентгенофлуоресцентного аналізу.

В аеропортах активно застосовуються рентгенотелевізійних інтроскопи, що дозволяють переглядати вміст ручної поклажі та багажу з метою візуального виявлення на екрані монітора предметів, що представляють небезпеку.

Рентгенотерапія - розділ променевої терапії, що охоплює теорію і практику лікувального застосування рентгенівських променів, що генеруються при напрузі на рентгенівській трубці 20-60 кв і шкірно-фокусній відстані 3-7 см (короткодистанційної рентгенотерапія) або при напрузі 180-400 кв та шкірно-фокусній відстані 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія).

Рентгенотерапію проводять переважно при поверхнево розташованих пухлинах і при деяких інших захворюваннях, в тому числі захворюваннях шкіри (ультрам'якої рентгенівські промені Буккі).

Природне рентгенівське випромінювання

На Землі електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні утворюється в результаті іонізації атомів випромінюванням, яке виникає при радіоактивному розпаді, в результаті комптон-ефекту гамма-випромінювання, що виникає при ядерних реакціях, а також космічним випромінюванням. Радіоактивний розпад також призводить до безпосереднього випромінювання рентгенівських квантів, якщо викликає перебудову електронної оболонки распадающегося атома (наприклад, при електронному захопленні). Рентгенівське випромінювання, яке виникає на інших небесних тілах, не досягає поверхні Землі, так як повністю поглинається атмосферою. Воно досліджується супутниковими рентгенівськими телескопами, такими як Чандра і XMM-Ньютон.

54