kompendium_po_fizike

ТОРМОЗНОЕ И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЕГО СВОЙСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1. Рентгеновское излучение: характеристическое и тормозное. Закон Мозли

Рентгеновским излучением называются электромагнитные волны с длиной волны от 80 нм 10-5 нм. Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное, обладающее непрерывным спектром, и характеристическое, – с линейчатым спектром.

Тормозное излучение возникает при торможении заряженных частиц в электрических полях, при взаимодействии заряженной частицы с магнитным полем; также в рентгеновский спектр попадает тепловое излучение некоторых космических тел, нагретых до высоких температур.

Характеристическое излучение может возникать при переходах электронов в атоме с вышележащих энергетических уровней на энергетические уровни внутренних оболочек (K, L и т.д.); при ядерных реакциях, при взаимодействии фотона с атомом.

Закон Мозли связывает частоту характеристического излучения с порядковым номером элемента:

A(Z B) , где – частота излучения, Z – порядковый

номер элемента, A , B – постоянные.

В отличие от оптического излучения, характеристическое излучение не зависит от химического окружения атома: один и тот же химический элемент будет иметь постоянный характеристический спектр в разных соединениях. Это связано с тем, что характеристический спектр зависит от конфигурации внутренних оболочек атома, а она остаётся постоянной для данного элемента.

231

2. Основные свойства и характеристики рентгеновского излучения

Как уже упоминалось, рентгеновское излучение делится на характеристическое и тормозное. Спектр тормозного излучения сплошной, характеристического – линейчатый.

Длина волны РИ находится в интервале от 10-5 нм до 80 нм. РИ делят на мягкое (с большой длиной волны) и жёсткое (с малой длиной волны).

Если источником излучения выступает рентгеновская трубка, то параметры излучения определяются следующим

образом:
а)	min hc /(eU ) 1.23/U , где	min – минимальная длина
волны	РИ (выраженная в нм), U	– ускоряющее напряжение

между катодом и антикатодом трубки (выраженное в кВ); большая часть излучаемой энергии приходится на длину волны

m 1.5 min .

б) kIU 2 Z , где – поток излучения, k 10 9 (В-1) – коэффициент пропорциональности, I – сила тока в трубке, U – напряжение в трубке.

3. Устройство простейших рентгеновских аппаратов

Простейший рентгеновский аппарат структурно состоит из рентгеновской трубки, цепи накала катода (цепь низкого напряжения) и катодной цепи (цепь высокого напряжения), трансформатора и выпрямителя.

Цепь накала катода необходима для подогрева катода. Регулируя температуру накала катода, влияют на анодный ток без изменения напряжения в трубке, что позволяет регулировать поток излучения без изменения жёсткости излучения. Напряжение, используемое в этой цепи – небольшое: 6–12 В.

Катодная цепь питает непосредственно рентгеновскую трубку; используемое напряжение составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кВ. Изменение напряжения в этой цепи вызывает изменение потока излучения и изменение жёсткости излучения.

232

Рентгеновская трубка является источником излучения. Помимо прочего, рентгеновская трубка обязательно снабжается системой охлаждения во избежание перегрева.

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 наблюдаются

три первичных процесса:

А. Упругое (когерентное) рассеяние (h E0 ). При этом

длина волны излучения не изменяется.

Б. Фотоэффект (h E0 ). 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, последний отрывается от атома, фотон же увеличивает свою длину волны и изменяет направление движения.

Ослабление интенсивности излучения в слое вещества описывается законом Бугера: I I0e x , 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 3Z 3 где k – коэффициент пропорциональности.

5. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине

Показатель поглощения рентгеновских лучей веществом

233

сильно зависит от его состава и от длины волны:

п k 3Z 3

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 обусловливаются, 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 особо 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 (умеренной лучевой нагрузке) интенсивности рентгеновского излучения необходимо повышать чувствительность люминесцирующих экранов и фотоматериалов. Один из распространенных способов достижения этой цели

234

состоит в применении специальных усиливающих экранов, которые поглощают рентгеновские лучи в десятки раз сильнее, чем 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.

235

Световое

Выходной экран

Рентгеновское

излучение

Электронно-оптический

излучение

преобразователь

Видеопередающее

устройство

Объект Рентгеновский Фотокатод Подфокусирующиеэлектроды (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 техники не только позволяет снизить дозу

236

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 разных 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.

237

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 компьютерной рентгеновской томографии. От традиционной теневой рентгенодиагностики она принципиально отличается тем, что при ее использовании изображение сечений органов

238

создается путем компьютерной обработки электрических сигналов, возникающих при попадании рентгеновских лучей на чувствительные детекторы. Один из многообразных приемов

просвечивания			излучения		для		такого		исследования
						проиллюстрирован				на
	Источник
						рисунке 97.
	рентгеновского									веерный
	излучения						Расходящийся
						пучок рентгеновских лучей,
						проходя		через		объект,
				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
						одновременно			производится
Рисунок 97. Линейка детекторов,						считывание сигнала со всех
выдающих электрические сигналы						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 разных сечениях.

Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать послойное изображение органов при разнице показателей поглощения в 0,1% с деталями не менее 2 мм. Время исследования для получения одного сечения может достигать нескольких секунд.

239

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 нём 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:

ZA X ZA 42Y 24 . Сопровождается γ-излучением.

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:

ZA X Z A1Y 10

– β--распад (электронный распад). Происходит из-за превращения в ядре нейтрона протон по схеме 01n 11p 10e (

– антинейтрино). Схема распада ядра имеет вид:

ZA X Z A1Y 10e

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

превращается в нейтрон по схеме 11 p 10e 01n . Схема распада ядра имеет вид: ZA X 10e Z A1Y . Если электрон захватывается

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

В. γ-распад (изомерный переход). Возникает при переходах

240