Основы медицинской радиологии

Сегодня мы являемся свидетелями все ускоряющегося прогресса медицинской радиологии. В клиническую практику властно внедряются каждый год все новые методы получения изображения внутренних органов, способы лучевой терапии.

Медицинская радиология – одна из важнейших медицинских дисциплин атомного века. Она родилась на стыке 19-20 вв., когда человек узнал, что кроме привычного видимого нами мира, существует мир чрезвычайно малых величин, фантастических скоростей и необычных превращений. Это относительно молодая наука, дата ее рождения точно обозначена благодаря открытиям немецкого ученого В. Рентгена (8 ноября 1895 г.) и французского ученого А. Беккереля (март 1996 г.): открытия рентгеновских лучей и явлений искусственной радиоактивности. Сообщение Беккереля определило судьбу П. Кюри и М. Складовской-Кюри (ими был выделен радий, радон, полоний). Исключительной значение для радиологии имели работы Розенфорда. Путем бомбардировки атомов азота альфа-частицами им были получены изотопы атомов кислорода, т. е. было доказано превращение одного химического элемента в другой. Это был «алхимик» 20 века, «крокодил». Им были открыты протон, нейтрон, что дало возможность нашему соотечественнику Иваненко создать теорию строения атомного ядра. В 1930 году был построен циклотрон, что позволило И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри (1934) впервые получить радиоактивный изотоп фосфора. С этого момента началось бурное развитие радиологии. Из отечественных ученых следует отметить исследования Тарханова, Лондона, Кинбека, Неменова, внесших весомый вклад в клиническую радиологию.

Медицинская радиология – область медицины, разрабатывающая теорию и практику применения излучения в медицинских целях. Она включает в себя две основные медицинские дисциплины: лучевую диагностику (диагностическую радиологию) и лучевую терапию (радиационную терапию).

Лучевая диагностика – наука о применении излучений для исследования строения и функций нормальных и патологически измененных органов и систем человека с целью профилактики и распознавания заболеваний.

В состав лучевой диагностики входят рентгенодиагностика, радионуклидная диагностика, ультразвуковая диагностика и магнитно-резонансная визуализация. К ней также относят термографию, СВЧ-термометрию, магнитно-резонансную спектрометрию. Очень важное направление в лучевой диагностике – интервенционная радиология: выполнение лечебных вмешательств под контролем лучевых исследований.

Без радиологии сегодня не могут обойтись никакие медицинские дисциплины. Лучевые методы широко используют в анатомии, физиологии, биохимии и др.

Группировка излучений, используемых в радиологии.

Все излучения, используемые в медицинской радиологии, делят на две большие группы: неионизирующие и ионизирующие. Первые, в отличии от вторых, при взаимодействии со средой не вызывают ионизации атомов, т. е. их распада на противоположно заряженные частицы – ионы. Чтобы ответить на вопрос о природе и основных свойствах ионизирующих излучений, следует вспомнить строение атомов, т. к. ионизирующие излучение – внутриатомная (внутриядерная) энергия.

Атом состоит из ядра и электронных оболочек. Электронные оболочки – это определенный энергетический уровень, создаваемый вращающимися вокруг ядра электронами. Почти вся энергия атома заключается в его ядре – оно определяет свойства атома и его вес. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов. Количество протонов в атоме равняется порядковому номеру химического элемента таблицы Менделеева. Сумма протонов и нейтронов обусловливает массовое число. Химические элементы, расположенные в начале таблицы Менделеева, в своем ядре имеют равное количество протонов и нейтронов. Такие ядра устойчивы. Элементы, расположенные в конце таблицы, имеют ядра, перегруженные нейтронами. Такие ядра становятся неустойчивыми и со временем распадаются. Это явление называется естественной радиоактивностью. Все химические элементы, расположенные в таблице Менделеева, начиная с № 84 (полоний), являются радиоактивными.

Под радиоактивностью понимают такое явление в природе, когда атом химического элемента распадается, превращаясь в атом другого элемента, с иными химическими свойствами и при этом в окружающую среду выделяется энергия в виде элементарных частиц и гамма-квантов.

Между нуклонами в ядре действуют колоссальные силы взаимного притяжения. Они характеризуются большой величиной и действуют на очень малом расстоянии, равному поперечнику ядра. Эти силы получили название ядерных сил, которые не подчиняются электростатическим законам. В тех случаях, когда в ядре имеется преобладание одних нуклонов над другими, ядерные силы становятся небольшими, ядро – неустойчивым, и со временем распадается.

Все элементарные частицы и гамма-кванты обладают зарядом, массой и энергией. За единицу массы принята масса протона, заряда – заряд электрона. В свою очередь элементарные частицы делятся на заряженные (p¹_1, е –1, е+1, α (Не⁴₂) и незаряженные (n¹₀, γ). Энергия элементарных частиц выражается в эв, Кэв, Мэв.

Чтобы получить из стабильного химического элемента радиоактивный, необходимо изменить протонно-нейтронное равновесие в ядре. Для получения искусственно радиоактивных нуклонов (изотопов) обычно используют три возможности:

1. Бомбардировка стабильных изотопов тяжелыми частицами в ускорителях (линейные ускорители, циклотроны, синхрофазотроны и проч.).

2. Использование ядерных реакторов. При этом радионуклиды образуются в качестве промежуточных продуктов распада U-235 (I-131, Cs-137, Sr-90 и др.).

3. Облучение стабильных элементов медленными нейтронами.

₁₅P³¹ + ₀n¹ → ₁₅Р³² ₂₇Co⁵⁹ + ₀n¹ → ₂₇Co⁶⁰

4. В последние время в клинических лабораториях для получения радионуклидов используют генераторы (для получения технеция - молибденовый, индия – заряженный оловом).

Известно несколько видов ядерных превращений. Наиболее распространенными являются следующие:

1. Реакция α-распада ₈₄P²¹⁰ → He₂⁴ + ₈₂Pl²⁰⁶ (полученное вещество смещается влево на две клеточки таблицы Менделеева).

2. β-электронный распад ₁₅P³² → β + ₁₆S³² (откуда же берется электрон, т. к. в ядре его нет? Он возникает при переходе нейтрона в протон n₀¹ → ₁p¹ + e-1).

3. β-позитронный распад ₁₅P³⁰ → e+1 + ₁₄Si³⁰ (при этом протон превращается в нейтрон ₁p¹ → ₀n¹ + e+1).

4. Цепная реакция – наблюдается при делении ядер урана-235 или плутония-239 при наличии так называемой критической массы. На этом принципе основано действие атомной бомбы.

5. Синтез легких ядер – термоядерная реакция. На этом принципе основано действие водородной бомбы. Для синтеза ядер нужна большая энергия, она берется при взрыве атомной бомбы.

Радиоактивные вещества, как естественные так и искусственные, с течением времени распадаются. Это можно проследить за эманацией радия, помещенного в запаенную стеклянную трубочку. Постепенно свечение трубочки уменьшается. Распад радиоактивных веществ подчиняется определенной закономерности. Закон радиоактивного распада гласит: «Количество распадающихся атомов радиоактивного вещества за единицу времени пропорционально количеству всех атомов», т. е. в единицу времени всегда распадается определенная часть атомов. Это так называемая постоянная распада (λ). Она характеризует относительную скорость распада. Абсолютная скорость распада – это количество распадов в одну секунду. Абсолютная скорость распада характеризует активность радиоактивного вещества.

Единицей активности радионуклида в системе единиц СИ является беккерель (Бк): 1 Бк = 1 ядерному превращению за 1 с. На практике еще используют внесистемную единицу кюри (Кu): 1 Кu = 3,7 _* 10¹⁰ ядерных превращений за 1 с (37 млрд. распадов). Это большая активность. В медицинской практике чаще используют милли и микро Кu.

Для характеристики скорости распада пользуются периодом, в течение которого активность уменьшается вдвое (Т=½). Период полураспада определяется в с, мин, час, годах и тысячелетиях, Период полураспада, например, Tc-99m – 6 часов, а период полураспада Ra – 1590 лет, а U-235 – 5 млрд. лет. Период полураспада и постоянная распада находятся в определенной математической зависимости: λТ = 0,693. Теоретически полного распада радиоактивного вещества не происходит, поэтому на практике пользуются десятью периодами полураспада, т. е. по истечении этого срока радиоактивное вещество практически полностью распалось. Самый большой период полураспада у Bi-209 – 200 тыс. млрд. лет, самый короткий – у He-5 – 2,4 _* 10^-21 с.

Для определения активности радиоактивного вещества используются радиометры: лабораторные, медицинские, радиографы, сканеры, гамма-камеры. Все они построены по одному и тому же принципу и состоят из детектора (воспринимающего излучения), электронного блока (ЭВМ) и регистрирующего устройства, позволяющего получать информацию в виде кривых, цифр или рисунка.

Детекторами служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые кристаллы или химические системы.

Решающее значение для оценки возможного биологического действия излучения имеет характеристика его поглощения в тканях. Величина энергии, поглощенная в единице массы облучаемого вещества, называется дозой, а та же величина, отнесенная к единице времени, называется мощностью дозы излучения. Единицей поглощенной дозы в системе СИ является грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Поглощенную дозу определяют расчетным путем, используя таблицы, или посредством введения миниатюрных датчиков в облучаемые ткани и полости тела.

Различают экспозиционную дозу и поглощенную дозу. Поглощенная доза – это количество лучевой энергии, поглощенной в массе вещества. Экспозиционная доза – это доза, измеренная в воздухе. Единицей экспозиционной дозы является рентген (миллирентген, микрорентген). Рентген (r) – это количество лучистой энергии, поглощенной в 1 см³ воздуха при определенных условиях (при 0⁰С и нормальном атмосферном давлении), образующей электрический заряд равный 1 или образующей 2,08 _* 10⁹ пар ионов.

Методы дозиметрии:

1. Биологические (эритемная доза, эпилляционная доза и т. д.).

2. Химические (метилоранж, алмаз).

3. Фотохимические.

4. Физические (ионизационные, сцинтилляционные и др.).

По своему назначению дозиметры делятся на следующие виды:

1. Для измерения излучения в прямом пучке (конденсаторный дозиметр).

2. Дозиметры контроля и защиты (ДКЗ) – для измерения мощности доз на рабочем месте.

3. Дозиметры индивидуального контроля.

Все эти задачи удачно сочетает в себе термолюминесцентный дозиметр («Телда»). С его помощью можно измерять дозы в пределах от 10 млрд. до 10⁵ рад, т. е. он может использоваться как для контроля защиты, так и для измерения индивидуальных доз, а также доз при лучевой терапии. При этом детектор дозиметра может быть вмонтирован в браслет, кольцо, нагрудный жетон и т. д.