Рентгеновское излучение и его применение в медицине

Рентгеновское излучение и его применение в медицине

Природа рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра.

Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами

Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10-5нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи возникают, когда быстрые электроны, или катодные лучи, сталкиваются со стенками или анодом газоразрядной трубки низкого давления. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумизированный стеклянный баллон с расположенными в нем катодом и анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт. Катод представляет собой вольфрамовую нить, подогреваемую электрическим током. Это приводит к испусканию катодом электронов в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии. Они достигают анода с очень большой скоростью.

Рентгеновские лучи возникают всегда, когда движущиеся с высокой скоростью электроны тормозятся материалом анода. Большая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла. Поэтому аноде необходимо искусственно охлаждать. Анод в рентгеновской трубке должен быть сделан из металла, имеющего высокую температуру плавления, например, из вольфрама.

Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода. Есть два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Тормозное рентгеновское излучение

Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.

Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром.

Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.

Характеристическое рентгеновское излучение

Характеристическое рентгеновское излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр. Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов. В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода.

Линии спектра характеристического излучения разных химических элементов имеют одинаковый вид, поскольку структура их внутренних электронных орбитальных идентична. Но длина их волны и частота, благодаря энергетическим различиям между внутренними орбиталями тяжелых и легких атомов.

Частота линий спектра характеристического рентгеновского излучения изменяется в соответствие с атомным номером металла и определяется уравнением Мозли: v1/2=A(Z-B), где Z - атомный номер химического элемента, A и B - константы.

Первичные физические механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма:

1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.

2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения.

Атом, который теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта является интенсивная ионизация вещества.

Если энергия фотона рентгеновского излучения меньше, чем энергия ионизации атомов, то атомы переходят в возбужденное состояние, но не ионизируются.

3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром.

Высокоэнергетический фотон передает электрону некоторую часть своей энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома. Оставшаяся часть энергии первоначального фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения большей длины волны под некоторым углом к направлению движения первичного фотона. Вторичный фотон может ионизировать другой атом и т.д. Эти изменения направления и длины волны рентгеновских лучей известны как эффект Комптона.

Некоторые эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Как было упомянуто выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать как лучи пройдут сквозь объект, поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.

Флуоресцентный экран можно заменить фотографической пленкой. Рентгеновские лучи оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и свет. Оба метода используются в практической медицине.

Другим важным эффектом рентгеновского излучения является их ионизирующая способность. Это зависит от их длины волны и энергии. Этот эффект обеспечивает метод для измерения интенсивности рентгеновского излучения. Когда рентгеновские лучи проходят через ионизационную камеру, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.

Поглощение рентгеновского излучения веществом

При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: I = I0·e-μd, где I0 - начальная интенсивность рентгеновского излучения; I - интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d – толщина поглощающего слоя, μ - линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t - линейного коэффициента поглощения и σ - линейного коэффициента рассеяния: μ = τ+σ

В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей:

τ = kρZ3λ3, где k - коэффициент прямой пропорциональности, ρ - плотность вещества, Z – атомный номер элемента, λ - длина волны рентгеновских лучей.

Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z=20 для кальция и Z=15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п.

Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z=56 для бария). Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.

Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z для которого равна 82.

Применение рентгеновского излучения в медицине

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).

Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.

Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.

Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии.

Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.

Первое поколение компьютерных томографов (КT) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора рентгеновских лучей прикреплены к противоположной стороне рамы. Пациент находится в центре рамы, которая может вращаться на 1800 вокруг его тела.

Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 10, и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 1800. Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.

Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд.

В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.

КТ имеет множество преимуществ по сравнению с более ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.