РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1. Природа рентгеновского излучения, его получение.

2. Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.

3. Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).

4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

5. Закон ослабления рентгеновского излучения, слой половинного ослабления.

6. Использование рентгеновского излучения в медицине: рентгенодиагностика и рентгенотерапия.

Рентгеновское излучение (X – лучи) открыто К. Рентгеном, который в 1895 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.

1. Природа рентгеновского излучения, его получение

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длиной от 80 до 10^–5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ-излучением, коротковолновое – длинноволновым g-излучением.

Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках (рис.1).

К – катод

А – анод

1 – пучок электронов

2 –рентгеновское излучение

Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.

Трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу (давление воздуха в ней порядка 10^–6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое постоянное напряжение U (в рентгенологии – 15 - 150 кВ в зависимости от цели исследования). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки, вдоль которой к аноду движутся электроны. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при его бомбардировке электронами. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама). Именно при взаимодействии электронов с атомами вещества этой пластинки и возникает R-излучение.

Различают тормозное и характеристическое R-излучение. Первое обычно используется в медицине, второе в рентгеноструктурном анализе.

2. Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.

Под действием высокого напряжения U между анодом и катодом электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий и больших скоростей. Напомним, что кинетическая энергия электрона равна mv²/2 и равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электрическом поле трубки:

mv²/2 = eU (1)

где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение.

Возникновение тормозного рентгеновского излучения обусловлено торможением электронов электростатическим полем ядер и электронов вещества анода. Дело в том, что изменение скорости электрона при торможении приводит к появлению у него ускорения, а всякий ускоренно движущийся электрический заряд становится источником электромагнитной волны. Длина волны зависит от величины ускорения. Условия, реализуемые при торможении электрона в R-трубке, таковы, что возникает излучение рентгеновского диапазона.

Спектр тормозного рентгеновского излучения представляет собой зависимость спектральной плотности потока рентгеновского излучения Φ_l[*] от длины волны и является сплошным. Причина этого в следующем. При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е₁ = Q), часть - на создание кванта (фотона) рентгеновского излучения (Е₂ = hv), иначе,

eU = hv + Q. (1^/)

Соотношение между этими частями случайное, а значит величина hv = h различна при торможении разных электронов. Так как h и c являются константами, то в спектре будет присутствовать излучение самых разных длин волн (частот). Спектры тормозного рентгеновского излучения, полученные при разных условиях, показаны на рис.2.

Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода.

Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны l_min. Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в электрическом поле R-трубки, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0):

eU = hv_max = hc/l_min, l_min = hc/(eU), (2)

l_min(нм) = 1,23/UкВ

Из формулы (2) видно, что спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение l_min и весь спектр смещаются в сторону коротких длин волн (рис. 2a).

Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью в вещество, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Регулировать степень жесткости можно, изменяя U.

При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б). Он так же не изменяется при замене вещества анода.

Поток энергии Ф* тормозного излучения (мощность излучения) прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:

Ф = kZU²I. (3)

где k = 10^–9 Вт/(В²А),

Вт/(В²А)= В^-1

3. Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).

Увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Это излучение специфично для материала анода.

Механизм его возникновения таков. При большом напряжении ускоренные электроны (с большой энергией) проникают в глубь атома и выбивают из его внутренних слоев электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате чего высвечиваются фотоны характеристического излучения.

Спектры характеристического рентгеновского излучения отличаются от оптических спектров. Их отличает:

– Однотипность.

Однотипность характеристических спектров обусловлена тем, что внутренние электронные слои у разных атомов одинаковы и отличаются только энергетически из–за силового воздействия со стороны ядер, которое увеличивается с возрастанием порядкового номера элемента Z. Поэтому характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Эта зависимость была экспериментально установлена Мозли и известна как закон, носящий его имя:

= A × (Z – В), (4)

где v – частота спектральной линии характеристического излучения, Z – атомный номер испускающего элемента, А и В – константы.

Важность закона Мозли заключается в том, что он позволяет по измеренной частоте рентгеновской линии узнать Z, а значит определить элемент – источник излучения. Эта возможность используется в рентгеноструктурном анализе вещества.

- Независимость от химического соединения.

Характеристические рентгеновские спектры атома не зависят от химического соединения, в которое входит данный атом. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О₂ и Н₂О, в то время как оптические спектры этих соединений отличаются. Эта особенность рентгеновского спектра атома и послужила основанием для названия "характеристическое излучение".

4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

Действие рентгеновского излучения на вещество определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

Рентгеновское излучение в веществе поглощается и рассеивается. При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона h и энергии ионизации А_и (энергия ионизации А_и – энергия, необходимая для удаления электрона за пределы атома или молекулы).

Рассмотрим возможные ситуации:

1). Энергия рентгеновского фотона h <А_и (длинноволновое R-излучение). В этом случае имеет место когерентное рассеяние (рассеяние без изменения частоты).

При этом у фотонов вследствие взаимодействия с электронами вещества изменяется только направление движения (рис.3, а), а энергия и длина волны остаются теми же.

Когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления распространения рентгеновских лучей.

2). Если фотон поглощается веществом, но его энергии недостаточно для отрыва электрона, то происходит возбуждение атома или молекулы (рис.3, б). Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого света (рентгенолюминесценция).

Фотоэффект происходит тогда, когда

³ А_и.

при этом фотон поглощается и электрон отрывается от атома вещества (рис. 3, в). Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию E_к = – A_и. Если эта энергия больше А_и, то электрон может ионизировать соседние атомы (вторичная ионизация).

3). Некогерентное рассеяние (эффект Комптона) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации:

» А_и.

При этом электрон выбивается из атома (такие электроны называются электронами отдачи), приобретая кинетическую энергию E_к, и образуются рассеянный рентгеновский фотон с меньшей энергией ( ) (рис. 3, г):

и . (5)

Образующееся таким образом рентгеновское излучение меньшей частоты называется вторичным. Вторичные рентгеновские фотоны с энергией >А_и и электроны отдачи также могут вызывать дальнейшую ионизацию вещества, в котором они распространяются.

Отрыв от атома электронов внутренних оболочек при ионизации приводит к образованию фотонов характеристического излучения, тоже вызывающих последующую ионизацию.

В результате первичная ионизация – следствие фотоэффекта и эффекта Комптона – мала по сравнению с тем количеством ионизированных и возбужденных атомов, которое возникает при взаимодействии вторичных электронов и фотонов с веществом.

Отметим, что для ионизации атомов большинства элементов, входящих в состав биоструктур, энергия ионизации составляет 10-15 эВ. Напомним, что электрон-вольт (эВ) – внесистемная единица измерения энергии, 1эВ – энергия, которую приобретает электрон, прошедший разность потенциалов 1В, т.е. 1эВ=e·1В=1,6·10^-19Кл·1В=1,6·10^-19Вт·с=

=1,6·10^-19Дж

Рис. 3. Механизмы взаимодействия рентгеновского излучения

с веществом (на рис. Я – символ ядра)

5 Закон ослабления рентгеновского излучения, слой половинного ослабления.

При падении рентгеновского излучения на вещество оно незначительно отражается от его поверхности, а в основном проходит вглубь, при этом частично поглощается и рассеивается, частично проходит насквозь.

В веществе поток рентгеновского излучения ослабляется по закону:

Ф = Ф₀е^{–m × х} (е≈2,7) (6)

здесь m – линейный коэффициент ослабления, который существенно зависит от плотности вещества. Он равен сумме трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию m_1, некогерентному рассеянию m₂ и фотоэффекту m₃:

m = m₁ + m₂ + m₃. (7)

Вклад каждого слагаемого определяется энергией фотона. Ниже приведены соотношения этих процессов для мягких тканей (обычно моделью мягких тканей является вода)(см. таб.1).

Таблица 1.

Отметим, что при рентгенодиагностике используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ, как видно из таблицы, и определяющими процессами здесь являются фото- и Комптон- эффекты.

Кроме линейного вводится также массовый коэффициент ослабления, который не зависит от плотности вещества r:

m_m = m/r. (8)

Массовый коэффициент ослабления зависит от длины волны R-излучения и от атомного номера вещества – поглотителя:

m_m = kl³Z³, тогда (9)

m = m _m r= kl³Z³r (9’)

Из формул (9, 9’) следует, что различные ткани человеческого по-разному ослабляют рентгеновское излучение. Это позволяет в теневой проекции на флюоресцирующем экране или фотопленке, на экране компьютера видеть изображение внутренних органов. Для справки: массовые коэффициенты ослабления кости и мягкой ткани (воды) отличаются в 68 раз: m_{m кости}/m_{m воды}= 68. Линейные коэффициенты ослабления еще в большей степени различаются между собой. Именно на этом основана рентгенодиагностика.

Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaS0₄), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354).

Остановимся на вопросе защиты от рентгеновского излучения. Здесь используется такое понятие как слой половинного ослабления.

Слой половинного ослабления – это такая толщина слоя некоторого вещества, которая ослабляет поток падающего излучения в два раза. Используя закон ослабления (6), легко найти связь между слоем половинного ослабления d_0,5 и линейным коэффициентом ослабления m.

При х = d_0,5 (6) можно записать так:

,

логарифмируя это выражение, получим:

или . (10)

Величина d_0,5 зависит от энергии рентгеновского фотона и вещества, ослабляющего излучение. Например, d_0,5 при напряжении на рентгеновской трубке 60 кВ составляет 1 мм для Al и 10 мм для H₂O, d_0,5 достаточно мала для свинца, поэтому данный материал чаще всего используется в средствах защиты от рентгеновского излучения.

6 Использования рентгеновского излучения в медицине: рентгенодиагностика и рентгенотерапия.

Рис.4

1. При рентгеноскопии рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жесткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но достаточно поглощалось плотными. В противном случае получается однородная тень. На экране сердце, ребра видны темными, легкие – светлыми.

2. При рентгенографии объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией. Рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения, чем в (1), поэтому наблюдаются детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании.

Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская компьютерная томография.

3. Рентгеновская компьютерная томография.

Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения (среза) тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами (рис. 5). Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальной программе вычисляет распределение плотности образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения вдесятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.

Рис. 5. Схема рентгеновского просвечивания среза исследуемого органа (точка 1 и точка 2 – два последовательных положения источника рентгеновского излучения)

4. При флюорографии на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого экрана (рис.6). При анализе снимки рассматриваются на специальном увеличителе .

Этот метод применяется для массового обследования населения. В данном случае радиационная нагрузка на пациента намного меньше, чем в традиционной рентгеноскопии.

Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для разрушения злокачественных образований.

Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности быстро размножающихся опухолевых клеток. При этом энергия R – фотонов составляет 150-200 кэВ.

Видеографы (аппараты с цифровой обработкой рентгеновского изображения) в современной стоматологии.

В стоматологии именно рентгенологическое исследование является основным диагностическим методом. Однако ряд традиционных организационно–технических особенностей рентгенодиагностики делают ее не вполне комфортной как для пациента, так и для стоматологических клиник. Это, прежде всего, необходимость контакта пациента с ионизирующим излучением, создающим часто значительную лучевую нагрузку на организм, это также необходимость фотопроцесса, а следовательно, необходимость фотореактивов, в том числе токсичных. Это, наконец, громоздкий архив, тяжелые папки и конверты с рентгеновскими пленками.

Кроме того, современный уровень развития стоматологии делает недостаточной субъективную оценку рентгенограмм человеческим глазом. Как оказалось, из многообразия оттенков серого тона, содержащегося в рентгеновском изображении, глаз воспринимает только 64.

Очевидно, что для получения четкого и подробного изображения твердых тканей зубо–челюстной системы при минимальной лучевой нагрузке нужны иные решения. Сегодня поиск привел к созданию, так называемых, радиографических систем, видеографов – систем цифровой рентгенографии(1987г., фирма Trophy).

Без технических подробностей принцип действия таких систем состоит в следующем. Рентгеновское излучение поступает через объект не на фоточувствительную пленку, а на специальный внутриоральный датчик (специальную электронную матрицу). Соответствующий сигнал от матрицы передается на преобразующее его в цифровую форму оцифровывающее устройство (аналого-цифровой преобразователь, АЦП), связанное с компьютером. Специальное программное обеспечение строит на экране компьютера рентгеновское изображение и позволяет обрабатывать его, сохранять на жестком или гибком носителе информации (винчестере, диске), в виде файла распечатывать его как картинку.

В цифровой системе рентгеновское изображение представляет собой совокупность точек, которым соответствуют различные значения оттенков серого тона. Предусмотренная программой оптимизация отображения информации дает возможность получить оптимальный по яркости и контрастности кадр при относительно малой дозе облучения.

В современных системах, созданных, например, фирмами Trophy (Франция) или Schick (США), при формировании кадра используется 4096 оттенков серого, время экспозиции зависит от объекта исследования и, в среднем, составляет сотые – десятые доли секунды, снижение лучевой нагрузки по отношению к пленке – до 90 % для внутриоральных систем, до 70 % для панорамных видеографов.

При обработке изображений видеографы позволяют:

1. Получать позитивные и негативные изображения, изображения в псевдоцвете, рельефные изображения.

2. Повышать контраст и увеличивать интересующий фрагмент изображения.

3. Оценивать изменение плотности зубных тканей и костных структур, контролировать однородность заполнения каналов.

4. В эндодонтии определять длину канала любой кривизны, а в хирургии подбирать размер имплантата с точностью 0,1 мм.

Уникальная система Caries detector с элементами искусственного интеллекта при анализе снимка позволяет обнаружить кариес в стадии пятна, кариес корня и скрытый кариес.

[*] Φ_l -- отношение энергии, излучаемой в узком интервале длин волн за 1с. к ширине этого интервала

* «Ф» в формуле (3) относится ко всему интервалу излучаемых длин волн и часто называется «Интегральный поток энергии».

Поиск по сайту: