Физические основы и методы рентгеновских исследований

Физические основы и методы рентгеновских исследований

1. Источники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком Рентгеном в 1895 году. Сам Рентген назвал его Х-лучами. Оно возникает при торможении веществом быстрых электронов. Рентгеновское излучение получают с помощью специальных электронно-вакуумных приборов – рентгеновских трубок.

В стеклянной колбе, давление в которой равно 10^{-6 мм} рт.ст., находятся анод и катод. Анод выполнен из меди с вольфрамовой насадкой. Анодное напряжение рентгеновских трубок составляет 80 – 120 кВ. Электроны, вылетевшие из катода, разгоняются электрическим полем и тормозятся на вольфрамовой насадке анода, которая имеет скос под углом 11–15^о. Рентгеновское излучение выходит из колбы через специальное кварцевое окно.

Важнейшими параметрами рентгеновского излучения являются длина волны и интенсивность. Если предположить, что торможение электрона на аноде происходит мгновенно, то вся его кинетическая энергия еU_a переходит в излучение:

. (1)

В действительности торможение электрона занимает конечное время, и частота излучения, определяемая из уравнения (1), является максимально возможной:

. (2)

С учетом (с – скорость света) находим минимальную длину волны

. (3)

Подставляя величины h, c, e в формулу (3) и выражая анодное напряжение в киловольтах, получим длину волны в нанометрах:

=. (4)

Например, при анодном напряжении 100 кВ длина волны рентгеновского излучения будет равна 0,012 нм, т.е. примерно в 40000 раз короче средней длины волны оптического диапазона.

Теоретическое распределение энергии тормозного излучения по частоте выведено Крамером и экспериментально получено Куленкампфом. Спектральная плотность I_n непрерывного спектра рентгеновского излучения при анодном токе i_a c анода, вещество которого имеет порядковый номер Z, выражается соотношением

.

Составляющая BZ не зависит от частоты и на называется характеристическим излучением. Обычно ее доля пренебрежимо мала, поэтому будем считать

. (5)

Распределение интенсивностей по длинам волн можно получить из равенства

, где .

Используя формулу (5), с учетом и находим

. (6)

Интенсивность тормозного излучения найдем, используя формулу (5)

или, с учетом соотношения (2),

, где . (7)

Таким образом, интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна анодному току, квадрату анодного напряжения и атомному номеру вещества анода.

Место падения электронов на анод называется фокусом. Его диаметр составляет несколько миллиметров, а температура в нем достигает 1900^оС. Отсюда понятен выбор вольфрама в качестве материала для насадки: он имеет большой атомный номер (74) и высокую температуру плавления (3400^оС). Напомним, что атомный номер меди равен 29, а температура плавления «всего» 1700^оС.

Из формулы (7) следует, что интенсивность рентгеновского излучения можно регулировать, изменяя ток анода (ток накала катода) и анодное напряжение. Однако во втором случае кроме интенсивности излучения будет меняться и его спектральный состав. Формула (6) показывает, что спектральная интенсивность является сложной функцией длины волны. Она начинается из нуля при , достигает максимума при 1,5 и затем асимптотически стремится к нулю. Составляющие рентгеновского излучения с длинами волн, близкими к называют жестким излучением, а имеющие длины волн, намного большие – мягким излучением.

Анод простейшей рентгеновской трубки охлаждается конвекционно, и поэтому такие трубки имеют небольшую мощность. Для ее повышения применяют активное охлаждение маслом. Анод трубки делают полым и подают в него масло под давлением 3 – 4 атм. Этот способ охлаждения не очень удобен, так как требует дополнительно громоздкого оборудования: насос, шланги и др.

При больших мощностях трубок наиболее эффективным способом охлаждения является применение вращающегося анода. Анод выполнен в виде усеченного конуса, образующая которого составляет с основанием угол 11–15^о. Боковая поверхность анода армирована вольфрамом. Анод вращается на стержне, соединенном с металлическим стаканом, к которому

подводится анодное напряжение. На колбу надевается трехфазная обмотка, являющаяся статором. Обмотка статора питается током промышленной или повышенной частоты, например 150 Гц. Статор создает вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор. Частота вращения анода достигает 9000 об/мин. При вращении анода фокус перемещается по его поверхности. В силу тепловой инерции площадь теплоотдачи увеличивается во много раз по сравнению с неподвижным анодом. Она равна 2pr×D_ф, где D_ф – диаметр фокусного пятна, а r – его радиус вращения. Трубки с вращающимся анодом допускают очень большие нагрузки. В современных трубках обычно два фокуса и соответственно две спирали накала.

В табл. 1 приведены параметры некоторых медицинских рентгеновских трубок.

Таблица 1. Параметры рентгеновских трубок

2. Виды рентгеновских исследований

Большинство рентгеновских исследований основано на преобразовании рентгеновского излучения, прошедшего через ткани человека. При прохождении рентгеновских лучей через вещество часть лучистой энергии в нем задерживается. При этом происходит не только количественное изменение – ослабление интенсивности, но и качественное – изменение спектрального состава: более мягкие лучи задерживаются сильнее и излучение на выходе становится в целом более жестким.

Ослабление рентгеновского излучения происходит за счет поглощения и рассеивания. При поглощении рентгеновские кванты выбивают электроны из атомов вещества, т.е. ионизируют его, в чем и проявляется вредное воздействие рентгеновского излучения на живые ткани. Спектральный коэффициент поглощения пропорционален . Таким образом, мягкие лучи поглощаются значительно сильнее, чем жесткие (и, как на первый взгляд ни странно, приносят больше вреда). Ослабление за счет рассеяния в основном сказывается при очень коротких волнах, которые в медицинской рентгенологии не используются.

Установлено, что если относительный коэффициент поглощения рентгеновского излучения воды (для излучения средней жесткости) принять равным единице, то для воздуха он составит 0,01; для жировой ткани – 0,5; углекислого кальция – 15,0; фосфорнокислого кальция – 22,0. Другими словами, в наибольшей степени рентгеновские лучи поглощаются костями, в значительно меньшей степени мягкими тканями и меньше всего тканями, содержащими воздух.

Преобразователи рентгеновского излучения обычно имеют большую активную площадь, на точки которой воздействуют отдельные лучи, прошедшие по определенным направлениям через объект. При этом они испытывают разное затухание, зависящее от свойств тканей и сред, встречающихся на направлении луча. Наиболее важным параметром для визуализации рентгеновских изображений является линейный коэффициент ослабления m. Он показывает, во сколько раз уменьшается интенсивность рентгеновского излучения на очень маленьком отрезке пути луча, на котором ткань или среду можно считать однородной.

I_B = I₀ exp(-).

Коэффициент линейного затухания m меняется вдоль пути луча и общее затухание определяется поглощением всеми тканями, встречающимися на нем.

Р = (8)

Энергетическая зависимость коэффициента ослабления рентгеновского излучения – с ростом энергии он уменьшается – приводит и к его зависимости от расстояния, пройденного лучом. Действительно, по мере движения луча отсеиваются его более мягкие компоненты и остаются все более жесткие, которые поглощаются меньше. Эта специфическая особенность не создает каких-либо проблем для обычных рентгеновских исследований, однако имеет большое значение в рентгеновской компьютерной томографии.

В связи с изменением спектрального состава рентгеновского излучения, прошедшего через вещество, усложняется и зависимость интенсивности I_П прошедшего излучения от анодного напряжения

,

где n = 2–6.

Одним из самых распространенных видов рентгеновских исследований до сих пор остается рентгенография – получение рентгеновских снимков на специальной рентгеновской пленке.

Излучение от рентгеновского источника вначале проходит через фильтр – тонкий лист из алюминия или меди, который отсеивает мягкие составляющие. Для диагностики они не имеют большого значения, а пациенту несут дополнительную лучевую нагрузку и могут вызвать рентгеновский ожог. Пройдя через объект, рентгеновское излучение попадает на приемник, который имеет вид кассеты. В ней размещены рентгеновская пленка и усилительный экран. Экран представляет собой плотный лист картона. Его сторона, обращенная к пленке, покрыта люминесцирующим слоем, например, вольфрамата кальция CaWO₄ или ZnS×CdS×Ag, способным светиться под действием рентгеновских лучей. Оптическое излучение засвечивает эмульсионный слой рентгеновской пленки и вызывает реакцию в соединениях серебра. Между интенсивностями излучений обоих видов сохраняется пропорциональность, поэтому участки объекта, соответствующие более сильному поглощению рентгеновского излучения (например, костные ткани), на снимке выглядят более светлыми.

На ранней стадии развития рентгеновской техники применялась прямая съемка – без усилительного экрана. Однако ввиду малой толщины эмульсионного слоя в нем задерживалась очень небольшая часть общей энергии излучения, и для получения качественного снимка приходилось использовать большое время съемки. Это приводило к значительным лучевым нагрузкам на пациентов и обслуживающий персонал. Первым результаты этого воздействия ощутил на себе сам Рентген.

Различают излученную и поглощенную дозы рентгеновского излучения. Обе они могут выражаться в рентгенах. В медицинской радиологии для оценки поглощенной дозы используют специальную единицу – Зиверт (Зв): 13 в эквивалентен примерно 84 Р. В отличие от излученной дозы поглощенная доза не может быть точно измерена. Она определяется расчетным путем или с помощью моделей (фантомов). Поглощенная доза характеризует степень облучения человека и, следовательно, вредного воздействия на организм. Во время одного рентгеновского снимка пациент получает от 0,5 до 5 мР.

Качество снимка (контрастность) зависит от выдержки и экспозиции. Экспозицией называется произведение интенсивности РИ на выдержку: H = It. Снимок одинакового качества можно получить при одинаковой экспозиции, т.е. при большой интенсивности и малой выдержке или при малой интенсивности и большой выдержке. Так как экспозиция представляет собой энергию, то она определяет и поглощенную дозу облучения.

Выше уже отмечался один из существенных недостатков рентгенографии – большой расход серебра (5–10 г. на 1 м² пленки). Поэтому ведется интенсивная разработка методов и средств для «беспленочных» рентгеновских исследований. Одним из таких путей является электрорентгенография. Рентгенологическое исследование проводят так же, как и при рентгенографии, только вместо кассеты с пленкой и усилительным экраном используют кассету с полупроводниковой (селеновой) пластиной. Пластину предварительно заряжают в специальном устройстве с однородным электрическим полем. Под действием рентгеновского облучения сопротивление полупроводникового слоя уменьшается, и пластина частично теряет свой заряд. На пластине создается скрытое электростатическое изображение, отражающее структуру снимаемого объекта. В дальнейшем это изображение с помощью графитового порошка переносится на плотную бумагу и закрепляется. Пластину очищают от остатков порошка и используют повторно. Метод электрорентгенографии отличается простотой и невысокой стоимостью материалов, однако он уступает по чувствительности в 1,5–2 раза обычной рентгенографии. Поэтому главной областью ее применения являются ургентные исследования – травматология конечностей, таза и других костных образований.

Быстро развивается другая важная отрасль рентгенодиагностики – ретгеноскопия. До сравнительно недавних пор (60-е годы ХХ столетия) применялась прямая рентгеноскопия. Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, попадало на люминесцирующий экран – металлический лист, покрытый слоем ZnS или CdS. Врач располагался позади экрана и наблюдал оптическое изображение. Для получения изображения достаточной яркости приходилось увеличивать интенсивность излучения. При этом и пациент, и врач (несмотря на защитные меры) подвергались сильному облучению. И все же яркость изображения оставалась небольшой, и наблюдение приходилось производить в затемненном помещении. В дальнейшем рентгеноскопия из своего первоначального вида разветвилась на два направления – флюорографию и рентгеновские телевизионные системы.

Флюорография является самым распространенным рентгенологическим исследованием и предназначена прежде всего для массовой диагностики туберкулеза.

Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, попадает на люминесцирующий экран, на котором возникает оптическое изображение. Световое излучение фокусируется и концентрируется оптической системой и засвечивает рулонную пленку, на которой получаются снимки размером 100100 или 7070. Качество флюорографических снимков несколько хуже рентгенографических, а доза облучения, получаемая при этом исследовании, достигает 5 мР. На флюорограммы ежегодно расходуются десятки млн. метров пленки.

Существенно уменьшить лучевую нагрузку на пациента и улучшить качество снимка позволяет применение преобразователей рентгеновского излучения в оптическое – рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП), устройство и принцип действия которых будут рассмотрены в разделе «Рентгеновские телевизионные системы».

Для того чтобы получить дифференцированное изображение тканей, примерно одинаково поглощающих излучение, применяют искусственное контрастирование. С этой целью в организм вводят вещества, которые поглощают рентгеновское излучение сильнее или, наоборот, слабее, чем мягкие ткани, и тем самым создают достаточный контраст по отношению к исследуемым органам. В качестве веществ, задерживающих рентгеновское излучение сильнее, чем мягкие ткани, используют йод или барий (для получения рентгеновских снимков пищеварительного тракта). Искуственное контрастирование применяют также в ангиографии – рентгенография кровеносных и лимфатических сосудов. Все манипуляции при ангиографии осуществляются под контролем рентгенотелевидения.