5 Методы медико-биологических исследований в рентгеновском диапазоне

5.1 Принцип действия рентгеновских аппаратов

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 Å (от 10⁻¹² до 10⁻⁷ м).

Электрон, движущийся в некоторой среде, теряет свою скорость. При этом возникает отрицательное ускорение и, согласно теории Максвелла, ускоренное движение заряженной частицы сопровождается электромагнитным излучением. Излучение, возникающее при торможении электрона в веществе анода, называют тормозным рентгеновским излучением.

Свойства тормозного излучения и его спектра определяются известными закономерностями [5.1].

1. Излучение испускается отдельными квантами, энергии которых связаны с частотой формулой

,

(5.1)

где ν - частота, λ - длина волны.

2. Все электроны, достигающие анода, имеют кинетическую энергию , равную работе электрического поля между анодом и катодом

,

(5.2)

где е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение.

3. Кинетическая энергия электрона частично передается веществу (идет на его нагревание Q) и расходуется на создание рентгеновского кванта

,

(5.3)

4. Соотношение между Q и hv имеет случайный характер, в связи с чем кванты, порожденные разными электронами, имеют различные частоты и длины волн, а спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным.

Типичный вид спектральной плотности потока рентгеновского излучения Φ_λ показан на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Со стороны длинных волн спектр ограничен длиной волны 100 нм, которая является границей рентгеновского излучения. Со стороны коротких волн спектр ограничен длиной волны λ_min.

,

(5.4)

с – скорость света.

Согласно формуле (5.3) минимальной длине волны соответствует случай Q = 0 (кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию кванта).

При взаимодействии катодных электронов с атомами анода наряду с тормозным рентгеновским излучением возникает рентгеновское излучение, спектр которого состоит из отдельных линий. Катодные электроны, проникшие вглубь атома, выбивают электроны с его внутренних орбиталей. Вакантные места на внутренних орбиталях заполняются электронами с верхних орбиталей, при этом излучаются соответствующие кванты энергии. Полное излучение состоит из дискретного набора частот, называемого характеристическим излучением. Полный спектр рентгеновской трубки представляет собой наложение характеристического спектра на спектр тормозного излучения (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Спектр излучения рентгеновской трубки

Существование характеристических спектров рентгеновского излучения было обнаружено с помощью рентгеновских трубок. Позже было установлено, что такие спектры возникают при любой ионизации внутренних орбит химических элементов. Исследовав характеристические спектры различных химических элементов, Г. Мозли (1913 г.) установил следующий закон.

Корень квадратный из частоты характеристического излучения есть линейная функция порядкового номера элемента:

(5.4)

где ν - частота спектральной линии, Z - атомный номер испускающего элемента, А, В - константы.

Т.о. можно определить атомный номер химического элемента по наблюдаемому спектру характеристического излучения.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом наблюдаются два основных явления - рассеяние и фотоэффект. При рассеянии изменяется только направление движения фотона (когерентное рассеяние), а при фотоэффекте фотон поглощается (частный случай некогерентного рассеяния).

На рис. 5.3 иллюстрируется картина когерентного (упругого) рассеяния, когда энергия рентгеновского фотона недостаточна для внутренней ионизации атома, изменяется лишь направление движения фотона, а его энергия и длина волны не изменяются (упругое рассеяние).

Рис. 5.3 Схема когерентного рассеяния

Некогерентное (комптоновское) рассеяние (рис.5.4) происходит тогда, когда энергия фотона много больше энергии внутренней ионизации А_и, hv >> А_и, причем электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию Е_к. Направление движения фотона при комптоновском рассеянии изменяется, а его энергия уменьшается

,

(5.5)

где - частота излучения после рассеяния.

Рис. 5.4 Схема некогерентного рассеяния

Фотоэффект является частным случаем комптоновского рассеяния, имеет место тогда, когда энергия фотона hv достаточна для ионизации атома hv > А_и (рис.5.5). Рентгеновский квант полностью поглощается, а его энергия расходуется на ионизацию атома и сообщение кинетической энергии выбитому электрону

,

Рис. 5.5 Схема фотоэффекта

Отметим, что комптоновское рассеяние и фотоэффект сопровождаются еще характеристическим рентгеновским излучением, как результат заполнения вакантных мест электронами внешних оболочек.

В ряде веществ продукты рассеяния рентгеновского излучения (электроны и кванты комптоновского рассеяния, электроны фотоэффекта) вызывают возбуждение окружающих молекул, которое сопровождается излучательными переходами в основное состояние. При этом возникает свечение, называемое рентгенолюминесценцией.

Рассеяние рентгеновских лучей и фотоэффект приводят к тому, что по мере проникновения рентгеновского излучения вглубь первичный пучок излучения ослабляется (рис. 5.6).

Рис. 5.6 Ослабление рентгеновского потока в направлении падающих лучей

Ослабление носит экспоненциальный характер:

,

(5.6)

где х – глубина проникновения,

μ – линейный коэффициент ослабления, равный при этом сумме коэффициентов, соответствующих когерентному рассеянию, некогерентному рассеянию и фотоэффекту.

Величина μ зависит от поглощающего материала и спектра излучения. В практических расчетах в качестве характеристики ослабления используют «массовый» коэффициент ослабления

,

(5.7)

где ρ – плотность вещества, при этом (5.6) примет вид

,

(5.8)

Для одноатомных веществ «массовый» коэффициент ослабления определяется по формуле

,

(5.9)

где λ - длина волны;

Z - атомный номер элемента;

k - некоторая константа.

Для сложных веществ, например, молекулы воды (Н₂О), состоящей из одного атома кислорода (Z=8) и двух атомов водорода (Z=1) c использованием (5.7) получим

(5.10)

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках.

Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод.

В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из меди, а та их часть, в которую ударяют электроны, – из молибдена или вольфрама.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Основные виды рентгеновских исследований

1. Рентгеноскопия. Изображение формируется на флуоресцирующем экране. Яркость изображения невелика, и его можно рассматривать только в затемненном помещении. Врач должен быть защищен от облучения.

Достоинством рентгеноскопии является то, что она проводится в реальном режиме времени. Недостаток - большая лучевая нагрузка на больного и врача (по сравнению с другими методами).

Современный вариант рентгеноскопии - рентгенотелевидение - использует усилители рентгеновского изображения. Усилитель воспринимает слабое свечение рентгеновского экрана, усиливает его и передает на экран телевизора. В результате резко уменьшилась лучевая нагрузка на врача, повысилась яркость изображения и появилась возможность видеозаписи результатов обследования.

2. Рентгенография. Изображение формируется на специальной пленке, чувствительной к рентгеновскому излучению. Снимки производятся в двух взаимно перпендикулярных проекциях (прямая и боковая). Изображение становится видимым после фотообработки. Готовый высушенный снимок рассматривают в проходящем свете. При этом удовлетворительно видны детали, контрастности которых отличаются на 1-2 %.

В некоторых случаях перед обследованием пациенту вводится специальное контрастное вещество. Например, йодсодержащий раствор (внутривенно) при исследовании почек и мочевыводящих путей.

Достоинствами рентгенографии являются высокое разрешение, малое время облучения и практически полная безопасность для врача. К недостаткам относится статичность изображения (объект нельзя проследить в динамике).

3. Флюорография. При этом обследовании изображение, полученное на экране, фотографируется на чувствительную малоформатную пленку. Флюорография широко используется при массовом обследовании населения. Если на флюорограмме находят патологические изменения, то пациенту назначают более детальное обследование.

4. Электрорентгенография. Этот вид обследования отличается от обычной рентгенографии способом фиксации изображения. Вместо пленки используют селеновую пластину, которая электризуется под действием рентгеновских лучей. В результате возникает скрытое изображение из электрических зарядов, которое можно сделать видимым и перенести на бумагу.

5. Ангиография. Этот метод применяется при обследовании кровеносных сосудов. Через катетер в вену вводится контрастное вещество, после чего мощный рентгеновский аппарат выполняет серию снимков, следующих друг за другом через доли секунды. На рис. 5.10 показана ангиограмма в районе сонной артерии.

Рис. 5.10. Ангиограмма, на которой видно сужение в канале сонной артерии

6. Рентгенотерапия - использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.

Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности особенно быстро размножающихся клеток. Очень жесткое рентгеновское излучение (с энергией фотонов примерно 10 МэВ) используется для разрушения раковых клеток, находящихся глубоко внутри тела. Для уменьшения повреждений здоровых окружающих тканей пучок вращается вокруг пациента таким образом, чтобы под его воздействием все время оставалась только поврежденная область.