РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Рентгеновское излучение занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучениями и представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 10 -14 до 10 -7 м. В медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 5 х 10 -12 до 2,5 х 10 -10 м, то есть 0,05 – 2,5 ангсмтрема, а собственно для рентгенодиагностики – 0,1 ангстрема. Излучение представляет собой поток квантов (фотонов), распространяющихся прямолинейно со скоростью света (300 000 км/с). Эти кванты не имеют электрического заряда. Масса кванта составляет ничтожную часть атомной единицы массы.
Энергию квантов измеряют в Джоулях (Дж), но на практике часто пользуются внесистемной единицей "электрон-вольт" (эВ) . Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает один электрон, пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 вольт. 1 эВ = 1,6 10~ 19 Дж. Производными являются килоэлектрон-вольт (кэВ), равный тысяче эВ, и мегаэлектрон-вольт (МэВ), равный миллиону эВ.
Рентгеновские лучи получают с помощью рентгеновских трубок, линейных ускорителей и бетатронов. В рентгеновской трубке разность потенциалов между катодом и анодом-мишенью (десятки киловольт) ускоряет электроны, бомбардирующие анод. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомов вещества анода (тормозное излучение) или при перестройке внутренних оболочек атомов (характеристическое излучение ) . Характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный характер и возникает при переходе электронов атомов вещества анода с одного энергетического уровня на другой под воздействием внешних электронов или квантов излучения. Тормозное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр, зависящий от анодного напряжения на рентгеновской трубке. При торможении в веществе анода электроны большую часть своей энергии расходуют на нагрев анода (99%) и лишь малая доля (1%) превращается в энергию рентгеновского излучения. В рентгенодиагностике чаще всего используется тормозное излучение.
Основные свойства рентгеновских лучей характерны для всех электромагнитных излучений, однако существуют некоторые особенности. Рентгеновские лучи обладают следующими свойствами:
- невидимость - чувствительные клетки сетчатки глаза человека не реагируют на рентгеновские лучи, так как длина их волны в тысячи раз меньше, чем у видимого света;
- прямолинейное распространение – лучи преломляются, поляризуются (распространяются в определенной плоскости) и дифрагируют, как и видимый свет. Коэффициент преломления очень мало отличается от единицы;
- проникающая способность - проникают без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Чем короче длина волны, тем большей проникающей способностью обладает рентгеновское излучение;
- способность к поглощению - обладают способностью поглощаться тканями организма, на этом основана вся рентгенодиагностика. Способность к поглощению зависит от удельного веса тканей (чем больше, тем больше поглощение); от толщины объекта; от жесткости излучения;
- фотографическое действие - разлагают галоидные соединения серебра, в том числе находящиеся в фотоэмульсиях, что позволяет получать рентгеновские снимки;
- люминесцирующее действие - вызывают люминесценцию ряда химических соединений (люминофоров), на этом основана методика рентгеновского просвечивания. Интенсивность свечения зависит от строения флюоресцирующего вещества, его количества и расстояния от источника рентгеновского излучения. Люминофоры используют не только для получения изображения исследуемых объектов на рентгеноскопическом экране, но и при рентгенографии, где они позволяют увеличить лучевое воздействие на рентгенографическую пленку в кассете благодаря применению усиливающих экранов, поверхностный слой которых выполнен из флюоресцирующих веществ;
- ионизационное действие - обладают способностью вызывать распад нейтральных атомов на положительно и отрицательно заряженные частицы, на этом основана дозиметрия. Эффект ионизации любой среды заключается в образовании в ней положительных и отрицательных ионов, а также свободных электронов из нейтральных атомов и молекул вещества. Ионизация воздуха в рентгеновском кабинете при работе рентгеновской трубки приводит к увеличению электрической проводимости воздуха, усилению статических электрических зарядов на предметах кабинета. С целью устранения такого нежелательного влияния их в рентгеновских кабинетах предусмотрена принудительная приточно-вытяжная вентиляция;
- биологическое действие - оказывают воздействие на биологические объекты, в большинстве случаев это воздействие является вредным;
- закон обратных квадратов - для точечного источника рентгеновского излучения интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния до источника.
Высокая проникающая способность – способны проникать через определенные среды. Рентгеновсие лучи лучше всего проникают через газообразные среды (легочная ткань), плохо проникают через через вещества с высокой электронной плотностью и большой атомной массой (в человеке – кости).
Флюоресценция – свечение. При этом энергия рентгеновского излучения переходит в энергию видимого света. В настоящее время принцип флюоресценции лежит в основе устройства усиливающих экранов, предназначенных для дополнительного засвечивания рентгеновской пленки. Это позволяет снизить лучевую нагрузку на организм исследуемого пациента.
Фотохимическое – способность индуцировать различные химические реакции.
Ионизирующая способность – под действием рентгеновских лучей происходит ионизация атомов (разложение нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы, составляющие ионную пару.
Биологическое – повреждение клеток. Большей частью оно обусловлено ионизацией биологически значимых структур (ДНК, РНК, молекул белков, аминокислот, воды). Положительные биологические эффекты – противоопухолевое, противовоспалительное.
Устройство лучевой трубки
Рентгеновские лучи получаются в рентгеновской трубке. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон, внутри которого вакуум. Имеются 2 электрода - катод и анод. Катод - тонкая вольфрамовая спираль. Анод в старых трубках представлял собой тяжелый медный стержень, со скошенной поверхностью, обращенной к катоду. На скошенной поверхности анода впаивалась пластинка из тугоплавкого металла - зеркало анода (анод при работе сильно разогревается). В центре зеркала находится фокус рентгеновской трубки - это место, где образуются рентгеновские лучи. Чем меньше величина фокуса, тем более четким получаются контуры снимаемого объекта. Малым фокусом считается 1x1 мм, и даже меньше.
В современных рентген-аппаратах электроды производят из тугоплавких металлов. Обычно применяются трубки с вращающимся анодом. Во время работы анод вращается с помощью специального устройства, и электроны, летящие с катода, попадают на оптический фокус. Из-за вращения анода положение оптического фокуса все время меняется, поэтому такие трубки более выносливые, долго не изнашиваются.
Как получают рентгеновские лучи? Вначале нагревают нить катода. Для этого с помощью понижающего трансформатора напряжение на трубке снижают с 220 до 12-15В. Нить катода нагревается, электроны в ней начинают двигаться быстрее, часть электронов выходит за пределы нити и вокруг нее образуется облако свободных электронов. После этого включается ток высокого напряжения, который получается с помощью повышающего трансформатора . В диагностических рентген-аппаратах применяется ток высокого напряжения от 40 до 125 КВ (1КВ=1000В). Чем выше напряжения на трубке, тем короче длина волны. При включении высокого напряжения получается большая разность потенциалов на полюсах трубки, электроны «отрываются» от катода и с большой скоростью устремляются на анод (трубка - простейший ускоритель заряженных частиц). Благодаря специальным устройствам электроны не разлетаются в стороны, а попадают практически в одну точку анода - фокус (фокусное пятно) и тормозятся в электрическом поле атомов анода. При торможении электронов возникают электромагнитные волны, т.е. рентгеновские лучи. Благодаря специальному устройству (в старых трубках - скошенности анода) рентгеновские лучи направляются на больного в виде расходящегося пучка лучей, «конуса».
Получение рентгеновского изображения
Рентгеновская пленка – слоистая структура, основной слой представляет собой полиэфирный состав толщиной до 175 мкм, покрытый фотоэмульсией (йодид и бромид серебра, желатин).
Проявление пленки – происходит восстановление серебра (где лучи прошли насквозь - почернение участка пленки, где задержались – более светлые участки)
Фиксаж – вымывание бромида серебра из участков, где лучи прошли насквозь и не задержались.
Устройство современного рентгенологического кабинета
1. Сам рентгенкабинет, где находится аппарат и производится исследование больных. Площадь рентген-кабинета должна быть не менее 50 м 2
2. Пультовая, где расположен пульт управления, с помощью которого рентгенлаборант управляет всей работой аппарата.
3. Фотолаборатория, где производится зарядка кассет пленкой, проявление и закрепление снимков, их мойка и сушка. Современным способом фотообработки медицинских рентгеновских пленок является использование проявочных автоматов рольного типа. Помимо несомненного удобства в работе проявочные автоматы обеспечивают высокую стабильность процесса фотообработки. Время полного цикла с момента поступления пленки в проявочную машину до получения сухой рентгенограммы ("от сухого до сухого") не превышает нескольких минут.
4. Кабинет врача, где врач-рентгенолог анализирует и описывает сделанные рентгенограммы.
Методы защиты для медицинского персонала и для пациентов от рентгеновского излучения
3 основных способа защиты: защита экранированием, расстоянием и временем.
1 .Защита экранированием:
На пути рентгеновских лучей помещаются специальные устройства, сделанные из материалов, хорошо поглощающих рентгеновские лучи. Это может быть свинец, бетон, баритобетон и т.д. Стены, пол, потолок в рентгенкабинетах защищены, сделаны из материалов, не пропускающих лучи в соседние помещения. Двери защищены просвинцованным материалом. Смотровые окна между рентгенкабинетом и пультовой делаются из просвинцованного стекла. Рентгеновская трубка помещена в специальный защитный кожух, не пропускающий рентгеновских лучей и лучи направляются на больного через специальное "окно". К окну прикреплен тубус, ограничивающий величину пучка рентгеновских лучей. Кроме того, на выходе лучей из трубки устанавливается диафрагма рентгеновского аппарата. Она представляет собой 2 пары пластин, перпендикулярно расположенных друг к другу. Эти пластины можно сдвигать и раздвигать как шторки. Тем самым можно увеличить или уменьшить поле облучения. Чем больше поле облучения, тем больше вред, поэтому диафрагмирование - важная часть защиты, особенно у детей. К тому же и сам врач облучается меньше. Да и качество снимков будет лучше. Еще один пример зашиты экранированием - те части тела исследуемого, которые в данный момент не подлежат съёмке, должны быть прикрыты листами из просвинцованной резины. Имеются также фартуки, юбочки, перчатки из специального защитного материала.
2 .Защита временем:
Больной должен облучаться при рентгенологическом исследовании как можно меньшее время (спешить, но не в ущерб диагностике). В этом смысле снимки дают меньшую лучевую нагрузку, чем просвечивание, т.к. на снимках применяется очень маленькие выдержки (время). Защита временем - это основной способ зашиты и больного и самого врача- рентгенолога. При исследовании больных врач, при прочих равных условиях, старается выбирать метод исследования, на которое уходит меньше времени, но не в ущерб диагностике. В этом смысле от рентгеноскопии больший вред, но, к сожалению, без рентгеноскопии часто невозможно обойтись. Taк при исследовании пищевода, желудка, кишечника применяются оба метода. При выборе метода исследования руководствуемся правилом, что польза от исследования должна быть больше, чем вред. Иногда из-за боязни сделать лишний снимок возникают ошибки в диагностике, неправильно назначается лечение, что иногда стоит жизни больного. О вреде излучения надо помнить, но не надо его бояться, это хуже для больного.
3 .Защита расстоянием:
Согласно квадратичному закону света освещенность той или иной поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности. Применительно к рентгенологическому исследованию это значит, что доза облучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от фокуса рентгеновской трубки до больного (фокусное расстояние). При увеличении фокусного расстояния в 2 раза доза облучения уменьшается в 4 раза, при увеличении фокусного расстояния в 3 раза доза облучения уменьшается в 9 раз.
Не разрешается при рентгеноскопии фокусное расстояние меньше 35 см. Расстояние от стен до рентгеновского аппарата должно быть не менее 2 м, иначе образуются вторичные лучи, которые возникают при попадании первичного пучка лучей на окружающие объекты (стены и т.д.). По этой же причине в рентген-кабинетах не допускается лишняя мебель. Иногда при исследовании тяжелых больных, персонал хирургического и терапевтического отделений помогает больному встать за экран для просвечивания и стоят во время исследования рядом с больным, поддерживают его. Как исключение это допустимо. Но врач-рентгенолог должен следить, чтобы помогающие больному сестры и санитарки надевали защитный фартук и перчатки и, по возможности, не стояли близко к больному (защита расстоянием). Если в рентген-кабинет пришли несколько больных, они вызываются в процедурную по 1 человеку, т.е. в данный момент исследования должен быть только 1 человек.
Физические основы рентгенографии и флюорографии. Их недостатки и достоинства. Преимущества цифровой перед пленочной.
Принципы выполнения рентгенографии
При диагностической рентгенографии целесообразно проведение снимков не менее, чем в двух проекциях. Это связано с тем что рентгенограмма представляет собой плоское изображение трёхмерного объекта. И как следствие локализацию обнаруженного патологического очага можно установить только с помощью 2 проекций.
Методика получения изображения
Качество полученного рентгеновского снимка определяется 3 основными параметрами. Напряжением, подаваемым на рентгеновскую трубку, силой тока и временем работы трубки. В зависимости от исследуемых анатомических образований, и массо-габаритных данных пациента эти параметры могут существенно изменяться. Существуют средние значения для разных органов и тканей, но следует учитывать что фактические значения будут отличаться в зависимости от аппарата, где проводится исследование и пациента, которому проводится рентгенография. Для каждого аппарата составляется индивидуальная таблица значений. Значения эти не абсолютные и корректируются по мере выполнения исследования. Качество выполняемых снимков во многом зависят от способности рентгенолаборанта адекватно адаптировать таблицу средних значений к конкретному пациенту.
Запись изображения
Наиболее распространенным способом записи рентгеновского изображения является фиксация его на рентгенчувствительной пленке с последующей его проявкой. В настоящее время также существуют системы, обеспечивающие регистрацию данных в цифровом виде. В связи с высокой стоимостью и сложностью изготовления данный вид оборудования по распространенности несколько уступает аналоговому.
Рентгеновская пленка помещается в специальные устройства - кассеты (говорят - кассету заряжают). Кассета предохраняет пленку от действия видимого света; последний, как и рентгеновские лучи, обладает способностью восстанавливать металлическое серебро из AgBr. Кассеты делаются из материала, не пропускающего свет, но пропускающего рентгеновские лучи. Внутри кассет имеются усиливающие экраны, пленка укладывается между ними; при выполнении снимка на пленку попадают не только сами рентгеновские лучи, но и свет от экранов (экраны покрыты флюоресцирующей солью, поэтому они светятся и усиливают действие рентгеновских лучей). Это позволяет уменьшить лучевую нагрузку на больного в 10-ки раз.
При выполнении снимка рентгеновские лучи направляют на центр снимаемого объекта (центрация). После съемки в фотолаборатории пленка проявляется в специальных химических реактивах и закрепляется (фиксируется). Дело в том, что на тех частях пленки, на которую при съемке рентгеновские лучи не попали или их попало мало, серебро не восстановилось, и, если пленку не поместить в раствор фиксажа (закрепителя), то при рассмотрении пленки происходит восстановление серебра под влиянием видимого света. Вся пленка почернеет и никакого изображения не будет видно. При закреплении (фиксировании) не восстановившийся AgBr с пленки уходит в раствор фиксажа, поэтому в фиксаже много серебра, и эти растворы не выливаются, а сдаются в рентгеновские центры.
Современным способом фотообработки медицинских рентгеновских пленок является использование проявочных автоматов рольного типа. Помимо несомненного удобства в работе проявочные автоматы обеспечивают высокую стабильность процесса фотообработки. Время полного цикла с момента поступления пленки в проявочную машину до получения сухой рентгенограммы ("от сухого до сухого") не превышает нескольких минут.
Ренгеноргаммы представляют собой изображение, выполненное в черно-белых тонах – негатив. Черные – участки имеющие низкую плотность (легкие, газовый пузырь желудка. Белые - имеющие высокую плотность (кости).
Флюорогра́фия
- Сущность ФОГ в том, что при ней изображение грудной клетки вначале получают на флюоресцирующем экране, и затем делается снимок не самого больного, а его изображения на экране.
Флюорография даёт уменьшенное изображение объекта. Выделяют мелкокадровую (например, 24×24 мм или 35×35 мм) и крупнокадровую (в частности, 70×70 мм или 100×100 мм) методики. Последняя по диагностическим возможностям приближается к рентгенографии. ФОГ применяется для профилактического обследования населения (выявляются скрыто протекающие заболевания, такие как рак и туберкулез).
Разработаны как стационарные, так и мобильные флюорографические аппараты.
В настоящее время плёночная флюорография постепенно заменяется цифровой. Цифровые методы позволяют упростить работу с изображением (изображение может быть выведено на экран монитора, распечатано, передано по сети, сохранено в медицинской базе данных и т. п.), уменьшить лучевую нагрузку на пациента и уменьшить расходы на дополнительные материалы (плёнку, проявитель для плёнки).
Существует две распространённые методики цифровой флюорографии. Первая методика, как и обычная флюорография, использует фотографирование изображения на флюоресцентном экране, только вместо рентген-плёнки используется ПЗС-матрица. Вторая методика использует послойное поперечное сканирование грудной клетки веерообразным пучком рентгеновского излучения с детектированием прошедшего излучения линейным детектором (аналогично обычному сканеру для бумажных документов, где линейный детектор перемещается вдоль листа бумаги). Второй способ позволяет использовать гораздо меньшие дозы излучения. Некоторый недостаток второго способа - большее время получения изображения.
Сравнительная характеристика дозовой нагрузки при различных исследованиях .
Обычная плёночная флюорограмма грудной клетки обеспечивает пациенту среднюю индивидуальную дозу облучения в 0,5 миллизиверта (мЗв) за одну процедуру (цифровая флюорограмма - 0,05 мЗв), в то время как плёночная рентгенограмма - 0,3 мЗв за процедуру (цифровая рентгенограмма - 0,03 мЗв), а компьютерная томография органов грудной клетки - 11 мЗв за процедуру. Магнитно-резонансная томография не несёт лучевой нагрузки
Преимущества рентгенографии
Широкая доступность метода и лёгкость в проведении исследований.
Для большинства исследований не требуется специальной подготовки пациента.
Относительно низкая стоимость исследования.
Снимки могут быть использованы для консультации у другого специалиста или в другом учреждении (в отличие от УЗИ-снимков, где необходимо проведение повторного исследования, так как полученные изображения являются оператор-зависимыми).
Статичность изображения - сложность оценки функции органа.
Наличие ионизирующего излучения, способного оказать вредное воздействие на пациента.
Информативность классической рентгенографии значительно ниже таких современных методов медицинской визуализации , как КТ, МРТ и др. Обычные рентгеновские изображения отражают проекционное наслоение сложных анатомических структур, то есть их суммационную рентгеновскую тень, в отличие от послойных серий изображений, получаемых современными томографическими методами.
Без применения контрастирующих веществ рентгенография недостаточно информативна для анализа изменений в мягких тканях, мало отличающихся по плотности (например, при изучении органов брюшной полости).
Физические основы рентгеноскопии. Недостатки и достоинства метод
В современных условиях применение флюоресцентного экрана не обосновано в связи с его малой светимостью, что вынуждает проводить исследования в хорошо затемненном помещении и после длительной адаптации исследователя к темноте (10-15 минут) для различения малоинтенсивного изображения.
Теперь флюоресцирующие экраны используются в конструкции УРИ (усилитель рентгеновского изображения), увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5 000 раз. С помощью электронно-оптический преобразователя изображение появляется на экране монитора, что существенно улучшает качество диагностики, не требует затемнения рентгеновского кабинета.
Достоинства рентгеноскопии
Главным преимуществом перед рентгенографией является факт исследования в реальном масштабе времени. Это позволяет оценить не только структуру органа, но и его смещаемость, сократимость или растяжимость, прохождение контрастного вещества, наполняемость. Метод также позволяет достаточно быстро оценить локализацию некоторых изменений, за счет вращения объекта исследования во время просвечивания (многопроекционное исследование).
Рентгеноскопия позволяет контролировать проведение некоторых инструментальных процедур - постановка катетеров, ангиопластика (см. ангиография), фистулография.
Полученные изображения могут быть помещены на обычный CD-диск либо в сетевое хранилище.
С приходом цифровых технологий исчезли 3 основных недостатка присущие традиционной рентгеноскопии:
Относительно высокая доза облучения по сравнению с рентгенографией - современные малодозовые аппараты оставили этот недостаток в прошлом. Использование режимов импульсной скопии дополнительно снижает дозовую нагрузку до 90%.
Низкое пространственное разрешение - на современных цифровых аппаратах разрешение в режиме скопии лишь немного уступает разрешению в рентгенографическом режиме. В данном случае, определяющее значение имеет возможность наблюдать функциональное состояние отдельных органов (сердце, лёгкие, желудок, кишечник) "в динамике".
Невозможность документирования исследований - цифровые технологии обработки изображений дают возможность сохранения материалов исследования, как покадрово, так и в виде видеоряда.
Рентгеноскопию производят главным образом при рентгенодиагностике заболеваний внутренних органов, расположенных в брюшной и грудной полостях, по плану, который врач-рентгенолог составляет перед началом исследования. Иногда, так называемую, обзорную рентгеноскопию применяют при распознавании травматических повреждений костей, для уточнения области подлежащей рентгенографии.
Контрастное рентгеноскопическое исследование
Искусственное контрастирование чрезвычайно расширяет возможности рентгеноскопического исследования органов и систем, где плотности тканей приблизительно одинаковы (например, брюшная полость, органы которой пропускают рентгеновское излучение примерно в одинаковой степени и поэтому малоконтрастны). Это достигается путем введения в просвет желудка или кишечника водной взвеси сульфата бария, который не растворяется в пищеварительных соках, не всасывается ни желудком, ни кишечником и выводится естественным путем в совершенно неизмененном виде. Основным достоинством бариевой взвеси является то, что она, проходя по пищеводу, желудку и кишечнику, обмазывает их внутренние стенки и дает на экране или пленке полное представление о характере возвышений, углублений и других особенностей их слизистой оболочки. Исследование внутреннего рельефа пищевода, желудка и кишечника способствует распознаванию ряда заболеваний этих органов. При более тугом заполнении можно определить форму, размеры, положение и функцию исследуемого органа.
Маммография – основы метода, показания. Преимущества цифровой маммографии перед пленочной.
Маммогра́фия - раздел медицинской диагностики, занимающийся неинвазивным исследованием молочной железы, преимущественно женской, который проводится с целью:
1.профилактического обследования (скрининга) здоровых женщин для выявления ранних, непальпируемых форм рака молочной железы;
2.дифференциальной диагностики между раком и доброкачественными дисгормональными гиперплазиями (ФАМ) молочной железы;
3.оценки роста первичной опухоли (одиночный узел или мультицентричные раковые очаги);
4.динамического диспансерного наблюдения за состоянием молочных желез после оперативных вмешательств.
В медицинскую практику внедрены такие методы лучевой диагностики рака молочной железы: маммография, ультразвуковые исследования, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, цветная и энергетическая допплерография, стереотаксическая биопсия под контролем маммографии, термография.
Рентгеновская маммография
В настоящее время в мире в подавляющем большинстве случаев для диагностики рака женской молочной железы (РМЖ) используют рентгеновскую проекционную маммографию, пленочную (аналоговую) или цифровую.
Процедура занимает не более 10 минут. Для снимка грудь должна быть зафиксирована между двумя планками и слегка сжата. Снимок делается в двух проекциях, чтобы можно было точно определить местонахождение новообразования, если оно будет найдено. Поскольку симметрия является одним из факторов диагностики, всегда следует проводить исследование обеих молочных желез.
МРТ маммография
Жалобы на западение или выбухание какого-либо участка железы
Выделения из соска, изменение его формы
Болезненность молочной железы, ее отечность, изменение размеров
Как профилактический метод обследования маммография назначается всем женщинам в возрасте 40 лет и старше, или женщинам, находящимся в группе риска.
Доброкачественные опухоли молочной железы (в частности, фиброаденома)
Воспалительные процессы (маститы)
Мастопатия
Опухоли половых органов
Заболевания желез внутренней секреции (щитовидной, поджелудочной)
Бесплодие
Ожирение
Операции на молочной железе в анамнезе
Преимущества цифровой маммографии перед пленочной:
Снижению дозовых нагрузок при проведении рентгеновских исследований;
Повышение эффективности исследований, позволяющим выявлять ранее недоступные патологические процессы (возможности цифровой компьютерной обработки изображений);
Возможности использования телекоммуникационных сетей для передачи изображений с целью дистанционной консультации;
Достижение экономического эффекта при проведении массовых исследований.
Рентгенология - раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.
Рентгеновские лучи - это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода. В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов. Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц - квантов или фотонов.
Рис. 1 - передвижной рентгеновский аппарат:
A - рентгеновская трубка;
Б - питающее устройство;
В - регулируемый штатив.
Рис. 2 - пульт управления рентгеновским аппаратом (механический - слева и электронный - справа):A - панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б - кнопка подачи высокого напряжения.
Рис. 3 - блок-схема типичного рентгенаппарата1 - сеть;
2 - автотрансформатор;
3 - повышающий трансформатор;
4 - рентгеновская трубка;
5 - анод;
6 - катод;
7 - понижающий трансформатор.
Механизм образования рентгеновского излучения
Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% - в рентгеновское излучение.
Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10 -7 –10 -8 мм. рт. ст.). На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко. Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка - небольшое углубление в катоде. Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, - это и есть место образования рентгеновских лучей.
Рис. 4 - устройство рентгеновской трубки:
А - катод;
Б - анод;
В - вольфрамовая нить накала;
Г - фокусирующая чашечка катода;
Д - поток ускоренных электронов;
Е - вольфрамовая мишень;
Ж - стеклянная колба;
З - окно из бериллия;
И - образованные рентгеновские лучи;
К - алюминиевый фильтр.
К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5-15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия. Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт. Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.
После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс - на анод, и отрицательный - на катод. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду - за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения - 100 тыс. км/с. С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.
Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью. Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.
Рис. 5 - принцип образования тормозного рентгеновского излучения.
Рис. 6 - принцип образования характеристического рентгеновского излучения.
Основные свойства рентгеновского излучения
- Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
- Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
- Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
- Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
- Кристаллы вольфрамата кальция - фиолетово-голубым.
Шкала электромагнитных колебаний
Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ ν = c, где c - скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду. Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h ν, где h - постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 10 -34 Дж⋅с. Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.
Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале
. Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом. Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.Характеристики рентгеновского излучения
Интенсивность - количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт - с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:
- Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
- Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки - кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно - см. рис. 5 ; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).
Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция - это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим - в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.
Жёсткость - качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке - в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке - киловольтажем).
λ - длина волны;
Рис. 7 - Зависимость длины волны от энергии волны:
E - энергия волны
Рис. 8 - Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения:
Классификация рентгеновских трубок
- По назначению
- Диагностические
- Терапевтические
- Для структурного анализа
- Для просвечивания
- По конструкции
- По фокусности
- Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
- Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
- По типу анода
- Стационарный (неподвижный)
- Вращающийся
Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний. Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.
В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции. В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода - чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает. Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.
Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно - участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12 ). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное. Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения. Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.
Рис. 9 - рентгеновская трубка со стационарным анодом.
Рис. 10 - рентгеновская трубка с вращающимся анодом.
Рис. 11 - устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом.
Рис. 12 - схема образования реального и эффективного фокусного пятна.
Основные свойства рентгеновского излучения
1. Большая проникающая и ионизирующая способность.
2. Не отклоняются электрическим и магнитным полем.
3. Обладают фотохимическим действием.
4. Вызывают свечение веществ.
5. Отражение, преломление и дифракция как у видимого излучения.
6. Оказывают биологическое действие на живые клетки.
1. Взаимодействие с веществом
Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.
Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).
Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:
Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах - т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.
В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения - за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место быть. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.
[править]
2. Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
[править]
3. Регистрация
Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30-100 раз большая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).
Применение
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Рентгенотерапия - раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20-60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3-7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180-400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30-150 см (дистанционная рентгенотерапия).
Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
[править]
Естественное рентгеновское излучение
На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.
Испускаются при участии электронов, в отличие от гамма-излучения, которое является ядерным. Искусственно рентгеновское излучение создается путем сильного ускорения заряженных частиц и путем перехода электронов с одного энергетического уровня на другой с высвобождением большого количества энергии. Устройства, на которых можно получить - это рентгеновские трубки и ускорители заряженных частиц. Естественными источниками его являются радиоактивно нестабильные атомы и космические объекты.
История открытия
Оно было сделано в ноябре 1895 года Рентгеном — немецким ученым, который обнаружил эффект флуоресценции платино-цианистого бария во время работы катодолучевой трубки. Он описал характеристики этих лучей довольно подробно, включая способность проникать сквозь живые ткани. Они были названы ученым икс-лучами (X-rays), название "рентгеновские" прижилось в России позднее.
Чем характеризуется этот вид излучения
Логично, что особенности данного излучения обусловлены его природой. Электромагнитная волна — вот что такое рентгеновское излучение. Свойства его следующие:
Рентгеновское излучение - вред
Разумеется, в момент открытия и долгие годы после того никто не представлял себе, насколько оно опасно.
Где применяются икс-лучи
- Медицина. Рентгенодиагностика — “просвечивание” живых организмов. Рентгенотерапия — воздействие на опухолевые клетки.
- Наука. Кристаллография, химия и биохимия используют их для выявления строения вещества.
- Промышленность. Выявление дефектов металлических деталей.
- Безопасность. Рентгеновское оборудование применяют для обнаружения опасных предметов в багаже в аэропортах и других местах.
