Физические принципы рентгенодиагностики

Показатель поглощения рентгеновских лучей веществом сильно зависит от состава вещества и длины волны:

m_n = k l³ Z³,(6)

где k – коэффициент пропорциональности; Z – атомный номер вещества-поглотителя; l - длина волны излучения.

Из-за различной структуры тканей и органов, составляющих тело человека, поглощение ими рентгеновских лучей различно. Поэтому при просвечивании рентгеновским излучением возникает теневое изображение внутренних органов, которое наблюдается на люминесцирующем экране или фиксируется на фотопленке. Для рентгенодиагностики используется излучение с энергией фотонов, при которой первичные процессы его взаимодействия с веществом определяются, в основном, фотоэффектом.

Из формулы (6) следует, что чем больше по своему химическому составу отличается морфологические структуры, образующие тело человека, тем более отчетливо их изображение на экране или фотопленке – велика разница в показателях поглощения. Так изображение костей очень отчетливо проявляется на фоне изображения мышечной ткани. Сложнее в рентгенодиагностике различать изменения в структуре мягкой ткани. В этом случае показатели поглощения рентгеновского излучения для ее различных участков могут отличаться незначительно и выявление, например, очагов патологии затруднительно.

Рентгенодиагностика создает значительную лучевую нагрузку на организм, особенно при рентгеноскопии- когда изображение рассматривают на люминесцирующем экране. Это побуждает искать способы 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 уменьшения лучевой нагрузки) 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, чем фотографические эмульсии, и вызывают интенсивную люминесценцию экрана. Свет люминесценции почти 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 фиксирования изображения-рентгенографииприменяются не только фотопленки, в состав эмульсии которых входит дорогостоящее серебро. При ксерорентгенографиидля 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 в рентгенодиагностике вместо фотопленки. Под действием излучения в слое фотопроводника, создается распределение электрических зарядов, соответствующее распределению интенсивности рентгеновского излучения – то есть 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 не происходит уменьшения дозы облучения по сравнению с обычной рентгенографией, однако, ее применение в ряде случаев вполне оправдано – некоторое увеличение лучевых нагрузок допускается, если при этом увеличивается объем диагностической информации и в экстренных ситуациях ускоряется ее получение.

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

В упрощенном виде принцип усиления рентгеновского изображения проиллюстрирован на рис.1.7. Рентгеновское излучение, проходя через объект исследования попадает на входной рентгеновский экран, на котором за счет люминесценции возникает световое изображение. За экраном располагается рентгеновский электронно-оптический преобразователь, который преобразует оптическое изображение в электронное: под действием света, попадающего на фотокатод преобразователя, выбиваются электроны, которые ускоряются электрическим полем, фокусируются специальной электростатической системой и попадают на выходной экран преобразователя.

В результате на выходном экране (опять же за счет люминесценции) возникает уменьшенное световое изображение объекта, яркость которого в тысячи раз превосходит яркость изображения на обычном экране 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. На экране видеоконтрольного устройства изображение рассматриваемого объекта воспроизводится в натуральную величину.

Использование электронно-оптических преобразователей и телевизионной техники позволяет не только снизить дозу облучения пациента, но и предоставляет ряд преимуществ перед 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.

Важной задачей рентгенодиагностики является получение не только изображения внутренних органов в целом, но и получение изображений его различных сечений. Для этого используется томография- методы рентгенологического исследования, заключающиеся в получении теневого изображения отдельных слоев исследуемого объекта, лежащих на разной глубине. Техническая реализация этих методов многообразна. Принцип томографии можно проиллюстрировать рис.1.8.

Допустим, что требуется получить изображение некоторого участка расположенного на сечении Sв глубине объекта. Пусть источник и приемник рентгеновского излучения синхронно перемещаются относительно центра вращения, расположенного на сечении S. Тогда происходит «размазывание» теневых изображений слоев, лежащих выше и ниже плоскости, в которой лежит 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 перемещаются источник и приемник, получают изображение другого сечения и т.д.

Развитие томографических методов рентгеновского исследования привело к созданию вычислительнойили компьютерной рентгеновской томографии.Ее принципиальное отличие от традиционных теневых методов рентгенодиагностики состоит в том, что изображение сечений органов создается путем компьютерной обработки электрических сигналов, возникающих при попадании рентгеновских лучей на чувствительные детекторы. Один из многообразных приемов просвечивания и детектирования излучения для такого исследования проиллюстрирован на рис.1.9.

Расходящийся веерный пучок рентгеновских лучей, 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 одновременно 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, определяются разницей в показателях поглощения рентгеновских лучей на пути их распространения в исследуемом объекте.

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.

Контрольное задание

1. Опишите механизм возникновения тормозного рентгеновского излучения.

2. Как осуществляется регулировка интенсивности и жесткости рентгеновского излучения в рентгеновских аппаратах?

3. Какое излучение будет более жестким: рентгеновское, возникающее при напряжении 150 кВ на трубке, или гамма-излучение с энергией кванта
0,074 МэВ?

4. Напряжение на трубке цветного телевизора составляет 20 кВ. Найдите минимальную длину волны, возникающего тормозного рентгеновского излучения.

5. Сравните спектры теплового излучения и тормозного рентгеновского излучения. В чем их сходство и различия?

6. Во сколько раз максимальная энергия кванта рентгеновского тормозного излучения, возникающего при напряжении на трубке 80 кВ, больше энергии фотона, соответствующего зеленому свету с длиной волны 500 нм?

7. Определите минимальную длину волны в спектре излучения, возникающего в результате торможения на мишени электронов, ускоренных в бетатроне до энергии 60 МэВ.

8. Каковы различия в механизмах образования оптических спектров атомов и спектров, характеристического рентгеновского излучения?

9. Линии К-серии спектра характеристического излучения для вольфрама начинают проявляться начиная с напряжения на трубке, примерно равному 70кВ, а при меньших напряжениях они не возникают. С чем это связано?

10. Почему жесткое рентгеновское излучение (которое в меньшей степени поглощается веществом) более вредно по своему биологическому действию, чем мягкое?

11. Слой половинного ослабления монохроматического рентгеновского излучения в некотором веществе составляет 10мм. Найдите показатель ослабления этого излучения в данном веществе.

12. Сравните физические принципы ультразвуковой и рентгеновской диагностики.

13. За счет чего снижаются дозы облучения пациента при использовании в рентгенодиагностике усиливающих экранов, электронно-оптических преобразователей и телевизионных систем?

14. Что служит детектором рентгеновского излучения в рентгеновской компьютерной томографии? Какова роль ЭВМ в реконструкции рентгеновского изображения?

Поиск по сайту: