Kompendium_po_biofizike_1

Трансформатор и выпрямитель необходимы для создания высокого постоянного напряжения в катодной цепи.

4. Закон ослабления потока рентгеновского излучения

При взаимодействии РИ с веществом в зависимости от энергии кванта h и энергии ионизации атома E0 наблюдается три первичных процесса:

а) Упругое (когерентное) рассеяние ( h E0 ). При этом дина волны излучения не изменяется.

б) Фотоэффект ( h E0 ). При этом происходит поглощение кванта излучения электроном, который тратит полученную энергию на отрыв от атома (ионизация) и приобретение скорости.

в) Неупругое (некогерентное) рассеяние – эффект Комптона

( h E0 ). При этом происходит как бы соударение фотона с электроном, при этом последний отрывается от атома, фотон же увеличивает свою длину волны и изменяет направление движения.

Ослабление интенсивности излучения в слое вещества описывается законом Бугера: I I 0 ex , где – линейный показатель ослабления (учитывающий поглощение и рассеяние излучения), x – толщина слоя вещества. Чаще используется другой показатель ослабления – массовый показатель

ослабления,				который не	зависит	от	плотности вещества:
m		/	. Он связан с длиной волны излучения					и порядковым
номером			Z	формулой	m k 3 Z 3	где	k –	коэффициент
пропорциональности.
	5. Физические основы применения рентгеновского
излучения в медицине
	Показатель поглощения рентгеновских лучей веществом
сильно зависит от его состава и от длины волны:
	п	k	3Z 3
								241

Где k − коэффициент пропорциональности, Z − порядковый номер вещества-поглотителя, − длина волны излучения.

Из-за различий в структуре ткани органы, составляющие тело человека, по-разному поглощают рентгеновские лучи. Поэтому при просвечивании их рентгеновским излучением возникает теневое изображение внутренних органов, которое проецируется на люминесцирующий экран или фиксируется на фотопленке. Для рентгеновской диагностики используется излучение с такой энергией фотонов, при которой первичные процессы его взаимодействия с веществом обуславливаются в основном фотоэффектом.

Чем больше по химическому составу различаются морфологические структуры, образующие тело человека, тем отчетливее их изображение на экране или фотопленке. Так, изображение костей очень отчетливо проявляется на фоне изображения мягких тканей. Сложнее в рентгенодиагностике различать изменения в структуре мягкой ткани. В таком случае показатели поглощения рентгеновского излучения разных ее участков различаются незначительно, поэтому очаги патологии выявляются трудно.

При осмотре полостей организма (желудок, кишечник и др.) применяют специальные контрастные вещества (сульфат бария в виде кашеобразной массы), заполняющие эти полости. За счет поглощения контрастным веществом рентгеновского излучения получается теневое изображение соответствующего органа.

Рентгенодиагностика создает значительную нагрузку на организм, особенно при рентгеноскопии – когда изображение рассматривают на люминесцирующем экране. Это побуждает к поиску способов снижения дозы облучения за счет повышения разрешающей способности системы экран-глаз некоторыми особыми приемами.

Очевидно, что для получения четкого изображения на экране при сниженной (для умеренной лучевой нагрузке) интенсивности рентгеновского излучения необходимо повышать чувствительность люминесцирующих экранов и фотоматериалов. Один из распространенных способов достижения этой цели состоит в применении специальных усиливающих экранов, которые поглощают рентгеновские лучи в десятки раз сильнее,

242

фотографические эмульсии, и вызывают интенсивную люминесценцию экрана. Свет люминесценции полностью поглощается контактирующим с экраном фотоэмульсионным слоем фотопленки, который в десятки раз чувствительнее к видимому свету, чем к рентгеновским лучам. Поэтому при контактном фотографировании изображения с усиливающих экранов доза облучения пациента может быть снижена в десятки раз.

Следует отметить, что для регистрации изображениярентгенографии применяются не только фотопленки, в состав эмульсии которых входит дорогостоящее серебро. При ксерорентгенографии для получения изображения используют пластины, покрытые слоем материала (фотопроводника), который под действием света и рентгеновских лучей приобретает проводимость. Пластине сообщают электрический заряд в темноте, а затем используют ее в рентгенодиагностике вместо фотопленки. Под действием излучения в слое фотопроводника происходит распределение электрических зарядов, соответствующее распределению интенсивности рентгеновского излучения, т.е. возникает скрытое электростатическое изображение. Его проявляют заряженным порошком, переносят на бумагу электрическим полем и закрепляют. На каждой пластине можно получать около 2000 снимков. При ксерорентгенографии доза облучения не уменьшается по сравнению с таковой при обычной рентгенографии, однако ее применение в ряде случаев вполне оправдано – некоторое увеличение лучевых нагрузок допускается, если при этом возрастает объем диагностической информации и в экстренных ситуациях ускоряется ее получение.

Существенное снижение дозы облучения при рентгенодиагностике и расширении диагностических возможностей достигается за счет применения усилителей рентгеновского изображения и телевизионных систем.

В упрощенном виде принцип усиления рентгеновского изображения проиллюстрирован на рисунке 95.

243

Световое

Выходной экран

излучение

Рентгеновское

Электронно-оптический

излучение

преобразователь

Видеопередающее

устройство

Фотокатод Подфокусирующие электроды

Объект Рентгеновский (входной) экран

Электроны

Видеоконтролирующее

устройство

Рисунок 95. Принцип усиления рентгеновского изображения

Рентгеновское излучение, проходя через объект исследования, попадает на входной рентгеновский экран, на котором за счет люминесценции возникает световое изображение. За экраном располагается электронно-оптический преобразователь. Он преобразует оптическое изображение в электронное: под действием света, попадающего на фотокатод преобразователя выбиваются электроны. Последние ускоряются электрическим полем, фокусируются специальной электростатической системой и попадают на выходной экран преобразователя, где создают электронное изображение.

В результате на выходном экране (опять же за счет катодолюминесценции) возникает уменьшенное световое изображение объекта, яркость которого в тысячи раз превосходит яркость изображения на первом экране, обычном для рентгеноскопии. Это обусловлено как ускорением электронов, так и уменьшением размеров изображения.

Усиленное по яркости изображение можно наблюдать визуально. Однако чаще всего его подвергают дальнейшему преобразованию, используя для этого телевизионную систему. Применение электронно-оптических преобразователей и телевизионной технике не только позволяет снизить дозу

244

облучения пациента, но и предоставляет ряд преимуществ по сравнению с прямым наблюдением: появляется возможность изменять контраст и яркость изображения, записывать его на видеомагнитофон, воспроизводить сразу на нескольких видеоконтрольных устройствах, создать более благоприятные условия для работы рентгенолога и др.

6. Методы защиты от рентгеновского излучения

Конечным результатом действия РИ на вещество является ионизация вещества, поэтому РИ относится классу ионизирующих излучений. Принципы защиты от РИ такие же как и принципы защиты от ионизирующих излучений:

а) Защита временем – чем меньше вещество находится под воздействием РИ, тем меньшая суммарная доза излучения им будет получена.

б) Защита материалом – чем больше порядковый номер и плотность материала между объектом и источником РИ, тем меньшую дозу излучения получит объект. Оптимальным материалом, применяемым для защиты от РИ, является свинец.

в) Защита расстоянием – чем дальше от источника находится объект, тем меньшую дозу он получит. Это связано с тем, что интенсивность излучения падает пропорционально квадрату расстояния от источника.

7. Основы рентгеновской компьютерной томографии

Важной задачей рентгенодиагностики является получение изображений не только внутренних органов в целом, но и их различных сечений. Для этого используется томография – метод рентгенологического исследования, заключающийся в получении теневого изображения отдельных слоев исследуемого объекта, лежащих на разной глубине.

Техническая реализация этих методов многообразна. Принцип томографии иллюстрируется на рисунке 96.

245

Источник

излучения

	Ось пучка
О	рентгеновских лучей
	S
	Выделенное
	сечение

Приемник

излучения

Рисунок 96. Схематическое изображение основных принципов работы томографа

Допустим, требуется получить изображение некоторого участка, расположенного на сечении S и в глубине объекта. Пусть источник и приемник рентгеновского излучения синхронно перемещаются относительно центра вращения О, расположенного на сечении S. Тогда происходит «размывание» теневых изображений слоев, лежащих выше и ниже плоскости, в которой находится центр вращения, − эти слои засвечиваются излучением в течение весьма короткого времени. Сечение же, содержащее центр вращения, подвергается засветке существенно большее время, и за счет этого на фотопленке возникает его четкое изображение. Изменяя положение общего центра, относительно которого перемещается источник и приемник, получают изображение другого сечения и т.д.

Совершенствование томографических методов рентгеновского исследования обеспечило создание вычислительной или компьютерной рентгеновской томографии. От традиционных теневых рентгенодиагностики она принципиально отличается тем, что при ее использовании изображение сечений органов создается путем компьютерной

246

обработки электрических сигналов, возникающих при попадании рентгеновских лучей на чувствительные детекторы. Один из

многообразных приемов просвечивания излучения

для

такого

исследования

Источник

проиллюстрирован

на

рентгеновского

излучения

рисунке 97.

Расходящийся

веерный

пучок

рентгеновских

лучей,

Объект

проходя через

объект,

попадает

на

линейку

детекторов,

число которых

достигает 300 и более (чем

их больше, тем выше

разрешающая способность

метода).

Система

излучатель-детекторы

непрерывно

вращается,

рентгеновское

излучение

включается

импульсно и

Рисунок 97. Линейка детекторов,

одновременно

выдающих электрические сигналы

производится

считывание

сигнала

со

всех

детекторов. При исследовании система совершает от половины до полного оборота и производит за это время 200-400 включений.

Различия в электрических сигналах, поступающих на компьютерную обработку с отдельных детекторов, обусловливаются разницей в показателях поглощения рентгеновских лучей на пути их распространения в исследуемом объекте. Используя электрические сигналы детекторов в качестве первичной информации, компьютерная техника по соответствующим программам производит их анализ и реконструирует изображения органов в различных сечениях.

Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать послойное изображение органов при разнице показателей поглощения в 0,1 % с деталями не менее 2 мм. Время

247

исследования для получения одного сечения может достигать нескольких секунд.

248

ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. ИПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МЕДИЦИНЕ

1. Радиоактивность. Виды радиоактивного распада

Под радиоактивностью понимают самопроизвольный распад ядер, при котором наблюдается испускание других ядер или элементарных частиц. Р/а бывает естественной (самопроизвольный распад ядер в природе) и искусственной (распад ядер, образованных в ходе ядерных реакций). Для стабильного существования ядра в нѐм должно быть определенное соотношение между числом протонов и нейтронов. При нарушении этого соотношения ядро становится нестабильным.

Выделяют следующие виды р/а распада:

а) α-распад заключается в самопроизвольном распаде ядра с испусканием α-частицы. Схема имеет следующий вид:

A	X	A 4	4	. Сопровождается γ-излучением.
Z		Z 2Y	2

б) β-распад заключается во взаимном превращении нейтрона

ипротона. Для β-распада выделяют следующие разновидности:

–β+-распад (позитронный распад). Происходит из-за

превращения в ядре протона в нейтрон по схеме 11 p 01n 10 (– нейтрино). Схема распада ядра имеет вид:

A X	AY	0
Z	Z 1	1

–β--распад (электронный распад). Происходит из-за

превращения в ядре нейтрона протон по схеме 01n 11p 10 e		(

– антинейтрино). Схема распада ядра имеет вид:

A X	AY	0 e
Z	Z 1	1

-- e-захват (электронный захват). Происходит из-за того, что протон захватывает из внутренней оболочки один электрон и

превращается в нейтрон по схеме				11 p 10 e 01n . Схема распада
ядра имеет вид:	A X	0 e	AY	. Если электрон захватывается
	Z	1	Z 1

из K-оболочки то, говорят о K-захвате, если из L-оболочки, то говорят о L-захвате и т.д. Сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

249

в) γ-распад (изомерный переход). Возникает при переходах ядер с вышележащих энергетических уровней на нижележащие.

2. Спектры -, - и -излучений

Спектром радиоактивного излучения будем называть зависимость числа частиц n , обладающих энергий E , от этой энергии n n(E) .

Спектр α-излучения будет линейчатым, так как при α-распаде дочернее ядро может находиться в разных возбужденных дискретных энергетических состояниях, соответственно и энергия вылетающей α-частицы должна быть дискретной.

Спектр β-излучения непрерывный, так как при β-распаде энергия вылетающих из ядра частиц делится случайным образом между β-частицей и нейтрино.

Спектр γ-излучения линейчатый, так как γ-частицы при γ- распаде выделяются при переходах между дискретными энергетическими уровнями ядра.

3. Методы получения радионуклидов. Использование радионуклидов в медицине

Методы получения радионуклидов.

Ядерная реакция условно обозначается следующим образом: вначале указывается символ исходного элемента (изотопа), а затем − образующегося в результате ядерной реакции. В скобках между ними первой указывается воздействующая, а за нею − вылетающая частица или квант излучения.

Например, 16О (t, n) 18F (t – тритон).

Для получения искусственно-радиоактивных нуклидов используют ядерные реакторы и ускорители заряженных

частиц.

1. Реакция радиационного захвата нейтронов, по реакции (n,

)

23Na (n, ) 24Na,

31P (n, ) 32P

2. По реакции деления U(n, f), например:

250