Какво е рентгеново лъчение и как се използва в медицината. Рентгенови лъчи в медицината, приложение Рентгеновите лъчи са резултат от

Признаци на бременност след имплантиране на ембрион

Съвременната медицинска диагностика и лечение на определени заболявания не може да се представи без устройства, които използват свойствата на рентгеновите лъчи. Откриването на рентгеновите лъчи се случи преди повече от 100 години, но дори и сега продължава работата по създаването на нови методи и апарати за минимизиране на отрицателния ефект на радиацията върху човешкото тяло.

Кой и как е открил рентгеновите лъчи

При естествени условия потокът от рентгенови лъчи е рядък и се излъчва само от определени радиоактивни изотопи. Рентгеновите лъчи или рентгеновите лъчи са открити едва през 1895 г. от немския учен Вилхелм Рьонтген. Това откритие стана случайно, по време на експеримент за изследване на поведението на светлинните лъчи при условия, близки до вакуума. Експериментът включваше катодна газоразрядна тръба с понижено налягане и флуоресцентен екран, който всеки път започваше да свети в момента, в който тръбата започваше да действа.

Интересувайки се от странен ефект, Рьонтген провежда серия от изследвания, показващи, че полученото лъчение, невидимо за окото, е в състояние да проникне през различни препятствия: хартия, дърво, стъкло, някои метали и дори през човешкото тяло. Въпреки липсата на разбиране за самата природа на случващото се, дали подобно явление е причинено от генерирането на поток от непознати частици или вълни, беше отбелязана следната закономерност - радиацията лесно преминава през меките тъкани на тялото и много по-трудно чрез твърди живи тъкани и неживи вещества.

Рентген не е първият, който изучава този феномен. В средата на 19 век французинът Антоан Мейсън и англичанинът Уилям Крукс изследват подобни възможности. Рентген обаче е първият, който изобретява катодната тръба и индикатор, който може да се използва в медицината. Той е първият, който публикува научен труд, който му носи титлата на първия Нобелов лауреат сред физиците.

През 1901 г. започва плодотворно сътрудничество между тримата учени, които стават бащи-основатели на радиологията и радиологията.

Рентгенови свойства

Рентгеновите лъчи са неразделна част от общия спектър на електромагнитното излъчване. Дължината на вълната е между гама и ултравиолетовите лъчи. Рентгеновите лъчи имат всички обичайни вълнови свойства:

  • дифракция;
  • пречупване;
  • намеса;
  • скорост на разпространение (тя е равна на светлината).

За изкуствено генериране на рентгенов поток се използват специални устройства - рентгенови тръби. Рентгеновото лъчение възниква от контакта на бързи волфрамови електрони с вещества, изпаряващи се от горещ анод. На фона на взаимодействието възникват електромагнитни вълни с малка дължина, които са в спектъра от 100 до 0,01 nm и в енергийния диапазон 100-0,1 MeV. Ако дължината на вълната на лъчите е по-малка от 0,2 nm - това е твърдо излъчване, ако дължината на вълната е по-голяма от определената стойност, те се наричат ​​меки рентгенови лъчи.

Показателно е, че кинетичната енергия, произтичаща от контакта на електроните и анодното вещество, се превръща 99% в топлинна енергия и само 1% е рентгенова енергия.

Рентгеново лъчение - спирачно и характеристично

Рентгеновото лъчение е суперпозиция на два вида лъчи - спирачно и характеристично. Те се генерират в слушалката едновременно. Следователно рентгеновото облъчване и характеристиката на всяка конкретна рентгенова тръба - спектърът на нейното излъчване, зависи от тези показатели и представлява тяхна суперпозиция.

Bremsstrahlung или непрекъснатите рентгенови лъчи са резултат от забавяне на електрони, изпаряващи се от волфрамова нишка.

Характеристичните или линейни рентгенови лъчи се образуват в момента на пренареждане на атомите на веществото на анода на рентгеновата тръба. Дължината на вълната на характеристичните лъчи зависи пряко от атомния номер на химическия елемент, използван за направата на анода на тръбата.

Изброените свойства на рентгеновите лъчи им позволяват да се използват на практика:

  • невидими за обикновеното око;
  • висока проникваща способност през живи тъкани и неживи материали, които не пропускат видима светлина;
  • йонизиращ ефект върху молекулярните структури.

Принципи на рентгеновото изображение

Свойството на рентгеновите лъчи, на което се базира изобразяването, е способността или да се разлагат, или да предизвикват светене на някои вещества.

Рентгеновото облъчване предизвиква флуоресцентно сияние в кадмиевите и цинковите сулфиди - зелено, а в калциевия волфрамат - синьо. Това свойство се използва в техниката на медицинска рентгенова трансилюминация и също така увеличава функционалността на рентгеновите екрани.

Фотохимичният ефект на рентгеновите лъчи върху светлочувствителните сребърнохалогенни материали (осветяване) дава възможност за извършване на диагностика - правене на рентгенови изображения. Това свойство се използва и при измерване на количеството на общата доза, която лаборантите получават в рентгенови кабинети. Носимите дозиметри имат специални чувствителни ленти и индикатори. Йонизиращият ефект на рентгеновото лъчение дава възможност да се определят качествените характеристики на получените рентгенови лъчи.

Еднократно излагане на конвенционални рентгенови лъчи увеличава риска от рак само с 0,001%.

Области, където се използват рентгенови лъчи

Използването на рентгенови лъчи е приемливо в следните отрасли:

  1. Безопасност. Стационарни и преносими устройства за откриване на опасни и забранени предмети на летища, митници или на многолюдни места.
  2. Химическа промишленост, металургия, археология, архитектура, строителство, реставрация - за откриване на дефекти и извършване на химичен анализ на веществата.
  3. Астрономия. Помага за наблюдение на космически тела и явления с помощта на рентгенови телескопи.
  4. военна индустрия. За разработването на лазерни оръжия.

Основното приложение на рентгеновите лъчи е в областта на медицината. Днес секцията по медицинска радиология включва: лъчева диагностика, лъчелечение (рентгенова терапия), радиохирургия. Медицинските университети произвеждат високоспециализирани специалисти – рентгенолози.

Рентгенова радиация - вреда и полза, въздействие върху тялото

Високата проникваща способност и йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи могат да причинят промяна в структурата на ДНК на клетката, поради което са опасни за хората. Вредата от рентгеновото лъчение е правопропорционална на получената доза радиация. Различните органи реагират на облъчване в различна степен. Най-податливите включват:

  • костен мозък и костна тъкан;
  • леща на окото;
  • щитовидната жлеза;
  • млечни и полови жлези;
  • белодробна тъкан.

Неконтролираното използване на рентгеново лъчение може да причини обратими и необратими патологии.

Последици от облъчването с рентгенови лъчи:

  • увреждане на костния мозък и появата на патологии на хемопоетичната система - еритроцитопения, тромбоцитопения, левкемия;
  • увреждане на лещата с последващо развитие на катаракта;
  • клетъчни мутации, които са наследени;
  • развитие на онкологични заболявания;
  • получаване на радиационни изгаряния;
  • развитие на лъчева болест.

важно! За разлика от радиоактивните вещества, рентгеновите лъчи не се натрупват в тъканите на тялото, което означава, че няма нужда от отстраняване на рентгеновите лъчи от тялото. Вредното действие на рентгеновите лъчи приключва с изключване на медицинското изделие.

Използването на рентгенови лъчи в медицината е допустимо не само за диагностични (травматология, стоматология), но и за терапевтични цели:

  • от рентгенови лъчи в малки дози се стимулира метаболизма в живите клетки и тъкани;
  • определени ограничаващи дози се използват за лечение на онкологични и доброкачествени новообразувания.

Методи за диагностициране на патологии с помощта на рентгенови лъчи

Радиодиагностиката включва следните методи:

  1. Флуороскопията е изследване, при което се получава изображение на флуоресцентен екран в реално време. Наред с класическото изобразяване на част от тялото в реално време, днес съществуват рентгенови телевизионни трансилюминационни технологии - изображението се прехвърля от флуоресцентен екран на телевизионен монитор, разположен в друга стая. Разработени са няколко цифрови метода за обработка на полученото изображение, последвано от прехвърлянето му от екрана на хартия.
  2. Флуорографията е най-евтиният метод за изследване на гръдните органи, който се състои в направата на малка снимка с размери 7х7 см. Въпреки възможността за грешка, това е единственият начин за провеждане на масов годишен преглед на населението. Методът не е опасен и не изисква изтегляне на получената доза облъчване от организма.
  3. Рентгенография - получаване на обобщено изображение върху филм или хартия за изясняване на формата на органа, неговото положение или тон. Може да се използва за оценка на перисталтиката и състоянието на лигавиците. Ако има избор, тогава сред съвременните рентгенови устройства не трябва да се дава предпочитание нито на цифрови устройства, където потокът на рентгеновите лъчи може да бъде по-висок от този на старите устройства, а на нискодозови рентгенови устройства с директен плосък полупроводникови детектори. Те ви позволяват да намалите натоварването на тялото с 4 пъти.
  4. Компютърната рентгенова томография е техника, която използва рентгенови лъчи за получаване на необходимия брой изображения на участъци от избран орган. Сред многото разновидности на съвременни КТ устройства, КТ скенери с ниска доза и висока разделителна способност се използват за серия от повтарящи се изследвания.

Лъчетерапия

Рентгеновата терапия се отнася до местните методи на лечение. Най-често методът се използва за унищожаване на ракови клетки. Тъй като ефектът от експозицията е сравним с хирургично отстраняване, този метод на лечение често се нарича радиохирургия.

Днес рентгеновото лечение се извършва по следните начини:

  1. Външно (протонна терапия) - лъчевият лъч навлиза в тялото на пациента отвън.
  2. Вътрешна (брахитерапия) - използването на радиоактивни капсули чрез имплантирането им в тялото, като се поставят по-близо до раковия тумор. Недостатъкът на този метод на лечение е, че докато капсулата не бъде извадена от тялото, пациентът трябва да бъде изолиран.

Тези методи са щадящи и използването им в някои случаи е за предпочитане пред химиотерапията. Такава популярност се дължи на факта, че лъчите не се натрупват и не изискват отстраняване от тялото, те имат селективен ефект, без да засягат други клетки и тъкани.

Безопасна скорост на рентгеново излагане

Този показател за нормата на допустимата годишна експозиция има свое име - генетично значима еквивалентна доза (GED). Няма ясни количествени стойности за този показател.

  1. Този показател зависи от възрастта и желанието на пациента да има деца в бъдеще.
  2. Зависи от това кои органи са изследвани или лекувани.
  3. GZD се влияе от нивото на естествения радиоактивен фон на района, в който живее човек.

Днес са в сила следните средни GZD стандарти:

  • нивото на облъчване от всички източници, с изключение на медицинските, и без отчитане на естествения радиационен фон - 167 mRem годишно;
  • нормата за годишен медицински преглед е не повече от 100 mRem годишно;
  • общата безопасна стойност е 392 mRem на година.

Рентгеновото лъчение не изисква отделяне от тялото и е опасно само при интензивно и продължително излагане. Съвременното медицинско оборудване използва нискоенергийно лъчение с кратка продължителност, така че използването му се счита за относително безвредно.

Радиологията е клон на радиологията, който изучава ефектите на рентгеновото лъчение върху тялото на животните и хората, произтичащи от това заболяване, тяхното лечение и профилактика, както и методи за диагностициране на различни патологии с помощта на рентгенови лъчи (рентгенова диагностика). . Типичният рентгенов диагностичен апарат включва захранване (трансформатори), токоизправител за високо напрежение, който преобразува променливия ток на електрическата мрежа в постоянен ток, контролен панел, статив и рентгенова тръба.

Рентгеновите лъчи са вид електромагнитни трептения, които се образуват в рентгенова тръба по време на рязко забавяне на ускорените електрони в момента на сблъсъка им с атомите на анодното вещество. Понастоящем е общоприето мнението, че рентгеновите лъчи по своята физическа природа са един от видовете лъчиста енергия, чийто спектър включва също радиовълни, инфрачервени лъчи, видима светлина, ултравиолетови лъчи и гама лъчи на радиоактивни елементи. Рентгеновото лъчение може да се характеризира като съвкупност от най-малките му частици - кванти или фотони.

Ориз. 1 - мобилен рентгенов апарат:

А - рентгенова тръба;
B - захранване;
B - регулируем статив.


Ориз. 2 - Контролен панел на рентгеновия апарат (механичен - отляво и електронен - ​​отдясно):

A - панел за регулиране на експозицията и твърдостта;
B - бутон за захранване с високо напрежение.
Ориз. 3 е блокова схема на типичен рентгенов апарат

1 - мрежа;
2 - автотрансформатор;
3 - повишаващ трансформатор;
4 - рентгенова тръба;
5 - анод;
6 - катод;
7 - понижаващ трансформатор.

Механизъм на генериране на рентгенови лъчи

Рентгеновите лъчи се образуват в момента на сблъсък на поток от ускорени електрони с материала на анода. Когато електроните взаимодействат с мишена, 99% от тяхната кинетична енергия се преобразува в топлинна енергия и само 1% в рентгенови лъчи.

Рентгеновата тръба се състои от стъклен контейнер, в който са запоени 2 електрода: катод и анод. Въздухът се изпомпва от стъкления цилиндър: движението на електрони от катода към анода е възможно само при условия на относителен вакуум (10 -7 -10 -8 mm Hg). На катода има нишка, която е плътно усукана волфрамова нишка. Когато към нишката се подаде електрически ток, възниква емисия на електрони, при която електроните се отделят от спиралата и образуват електронен облак близо до катода. Този облак се концентрира върху фокусиращата чаша на катода, която задава посоката на движение на електроните. Чаша - малка вдлъбнатина в катода. Анодът от своя страна съдържа волфрамова метална пластина, върху която се фокусират електроните - това е мястото на образуване на рентгенови лъчи.


Ориз. 4 - Устройство за рентгенова тръба:

А - катод;
B - анод;
B - волфрамова нишка;
G - фокусираща чаша на катода;
D - поток от ускорени електрони;
E - волфрамова цел;
G - стъклена колба;
З - прозорец от берилий;
И - образувани рентгенови лъчи;
K - алуминиев филтър.

Към електронната тръба са свързани 2 трансформатора: понижаващ и повишаващ. Понижаващ трансформатор загрява волфрамовата нишка с ниско напрежение (5-15 волта), което води до емисия на електрони. Повишаващ или високоволтов трансформатор отива директно към катода и анода, които се захранват с напрежение от 20–140 киловолта. Двата трансформатора се поставят във високоволтовия блок на рентгеновия апарат, който е запълнен с трансформаторно масло, което осигурява охлаждане на трансформаторите и тяхната надеждна изолация.

След образуването на електронен облак с помощта на понижаващ трансформатор, повишаващият трансформатор се включва и към двата полюса на електрическата верига се прилага напрежение с високо напрежение: положителен импулс към анода и отрицателен импулс към катода. Отрицателно заредените електрони се отблъскват от отрицателно зареден катод и се стремят към положително зареден анод - поради такава потенциална разлика се постига висока скорост на движение - 100 хиляди km / s. При тази скорост електроните бомбардират плочата на волфрамовия анод, завършвайки електрическа верига, което води до рентгенови лъчи и топлинна енергия.

Рентгеновото лъчение се подразделя на спирачно и характеристично. Bremsstrahlung възниква поради рязко забавяне на скоростта на електроните, излъчени от волфрамова нишка. Характеристичното излъчване възниква в момента на пренареждане на електронните обвивки на атомите. И двата типа се образуват в рентгенова тръба в момента на сблъсък на ускорени електрони с атоми на анодния материал. Емисионният спектър на рентгенова тръба е суперпозиция на спирачно лъчение и характеристични рентгенови лъчи.


Ориз. 5 - принципът на образуване на спирачно лъчение рентгенови лъчи.
Ориз. 6 - принципът на формиране на характерните рентгенови лъчи.

Основни свойства на рентгеновите лъчи

  1. Рентгеновите лъчи са невидими за зрителното възприятие.
  2. Рентгеновото лъчение има голяма проникваща способност през органите и тъканите на живия организъм, както и през плътните структури на неживата природа, които не пропускат видимите светлинни лъчи.
  3. Рентгеновите лъчи причиняват светене на определени химически съединения, наречено флуоресценция.
  • Цинковите и кадмиевите сулфиди флуоресцират в жълто-зелено,
  • Кристали от калциев волфрамат - виолетово-сини.
  • Рентгеновите лъчи имат фотохимичен ефект: те разлагат сребърните съединения с халогени и причиняват почерняване на фотографските слоеве, образувайки изображение на рентгенова снимка.
  • Рентгеновите лъчи предават енергията си на атомите и молекулите на околната среда, през която преминават, проявявайки йонизиращ ефект.
  • Рентгеновото лъчение има изразен биологичен ефект върху облъчените органи и тъкани: в малки дози стимулира метаболизма, в големи дози може да доведе до развитие на радиационни увреждания, както и до остра лъчева болест. Биологичното свойство позволява използването на рентгенови лъчи за лечение на туморни и някои нетуморни заболявания.

    • Скала на електромагнитните трептения

    Рентгеновите лъчи имат определена дължина на вълната и честота на трептене. Дължината на вълната (λ) и честотата на трептенията (ν) са свързани с връзката: λ ν = c, където c е скоростта на светлината, закръглена до 300 000 км в секунда. Енергията на рентгеновите лъчи се определя по формулата E = h ν, където h е константата на Планк, универсална константа, равна на 6,626 10 -34 J⋅s. Дължината на вълната на лъчите (λ) е свързана с тяхната енергия (E) по отношение: λ = 12,4 / E.

    Рентгеновото лъчение се различава от другите видове електромагнитни трептения по дължината на вълната (вижте таблицата) и квантовата енергия. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока е нейната честота, енергия и проникваща сила. Дължината на рентгеновата вълна е в диапазона

    . Чрез промяна на дължината на вълната на рентгеновото лъчение е възможно да се контролира неговата проникваща способност. Рентгеновите лъчи имат много къса дължина на вълната, но висока честота на трептене, така че са невидими за човешкото око. Поради огромната си енергия, квантите имат висока проникваща способност, което е едно от основните свойства, които осигуряват използването на рентгеновите лъчи в медицината и други науки.

    Рентгенови характеристики

    Интензивност- количествена характеристика на рентгеновото лъчение, която се изразява с броя на лъчите, излъчвани от тръбата за единица време. Интензитетът на рентгеновите лъчи се измерва в милиампери. Сравнявайки го с интензитета на видимата светлина от обикновена лампа с нажежаема жичка, можем да направим аналогия: например 20-ватова лампа ще свети с един интензитет или сила, а 200-ватова лампа ще свети с друга, докато качеството на самата светлина (нейния спектър) е същото. Интензитетът на рентгеновото лъчение всъщност е неговото количество. Всеки електрон създава един или повече радиационни кванта на анода, следователно броят на рентгеновите лъчи по време на експозицията на обекта се регулира чрез промяна на броя на електроните, които се стремят към анода, и броя на взаимодействията на електроните с атомите на волфрамовата цел , което може да стане по два начина:

    1. Чрез промяна на степента на нажежаване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, произведени по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е спиралата на волфрама, а броят на радиационните кванти ще зависи от броя на електроните);
    2. Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващия трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се подава към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните, което , поради тяхната енергия, могат да взаимодействат с няколко атома на анодното вещество на свой ред - виж фиг. ориз. 5; електроните с ниска енергия ще могат да влизат в по-малък брой взаимодействия).

    Интензитетът на рентгеновите лъчи (аноден ток), умножен по скоростта на затвора (времето на тръбата), съответства на рентгеновата експозиция, която се измерва в mAs (милиампера в секунда). Експозицията е параметър, който, подобно на интензитета, характеризира количеството лъчи, излъчвани от рентгенова тръба. Единствената разлика е, че експозицията отчита и времето на работа на тръбата (например, ако тръбата работи 0,01 сек, тогава броят на лъчите ще бъде един, а ако 0,02 сек, тогава броят на лъчите ще бъде различни - два пъти повече). Облъчването се задава от рентгенолога на контролния панел на рентгеновия апарат в зависимост от вида на изследването, размера на изследвания обект и диагностичната задача.

    Твърдост- качествена характеристика на рентгеновото лъчение. Измерва се с високото напрежение на тръбата - в киловолта. Определя проникващата способност на рентгеновите лъчи. Регулира се от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от повишаващ трансформатор. Колкото по-висока е потенциалната разлика на електродите на тръбата, толкова по-голяма сила се отблъскват електроните от катода и се устремяват към анода и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата способност на тази вълна (или твърдостта на лъчението, която, подобно на интензитета, се регулира от контролния панел чрез параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).

    Ориз. 7 - Зависимост на дължината на вълната от енергията на вълната:

    λ - дължина на вълната;
    Е - вълнова енергия

    • Колкото по-висока е кинетичната енергия на движещите се електрони, толкова по-силно е тяхното въздействие върху анода и толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение. Рентгеновото лъчение с дълга дължина на вълната и ниска проникваща способност се нарича "меко", с къса дължина на вълната и висока проникваща способност - "твърдо".
     Ориз. 8 - Съотношението на напрежението на рентгеновата тръба и дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение:
    • Колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика върху тях, следователно кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на техния сблъсък с материала на анода, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

    Класификация на рентгеновите тръби

    1. С уговорка
      1. Диагностика
      2. Терапевтичен
      3. За структурен анализ
      4. За трансилюминация
    2. По дизайн
      1. По фокус
    • Единичен фокус (една спирала на катода и едно фокусно петно ​​на анода)
    • Бифокална (две спирали с различни размери на катода и две фокусни точки на анода)
    1. По вид на анода
    • Стационарен (фиксиран)
    • Въртящ се

    Рентгеновите лъчи се използват не само за радиодиагностични цели, но и за терапевтични цели. Както беше отбелязано по-горе, способността на рентгеновото лъчение да потиска растежа на туморните клетки прави възможно използването му при лъчева терапия на онкологични заболявания. В допълнение към медицинската област на приложение, рентгеновото лъчение е намерило широко приложение в инженерната и техническата област, материалознанието, кристалографията, химията и биохимията: например, възможно е да се идентифицират структурни дефекти в различни продукти (релси, заварки и др.) с помощта на рентгеново лъчение. Видът на такова изследване се нарича дефектоскопия. А на летища, гари и други многолюдни места активно се използват рентгенови телевизионни интроскопи за сканиране на ръчен багаж и багаж за целите на сигурността.

    В зависимост от вида на анода, рентгеновите тръби се различават по конструкция. Поради факта, че 99% от кинетичната енергия на електроните се превръща в топлинна енергия, по време на работа на тръбата, анодът се нагрява значително - чувствителната волфрамова мишена често изгаря. В съвременните рентгенови тръби анодът се охлажда чрез въртене. Въртящият се анод има формата на диск, който разпределя топлината равномерно по цялата си повърхност, предотвратявайки локално прегряване на волфрамовата цел.

    Дизайнът на рентгеновите тръби също се различава по фокус. Фокусно петно ​​- участъкът от анода, върху който се генерира работният рентгенов лъч. То се подразделя на реално фокусно петно ​​и ефективно фокусно петно ​​( ориз. 12). Поради ъгъла на анода ефективното фокусно петно ​​е по-малко от реалното. Използват се различни размери на фокусното петно ​​в зависимост от размера на областта на изображението. Колкото по-голяма е площта на изображението, толкова по-широко трябва да е фокусното петно, за да покрие цялата област на изображението. По-малкото фокусно петно ​​обаче създава по-добра яснота на изображението. Следователно, когато се произвеждат малки изображения, се използва къса нишка и електроните се насочват към малка площ от анодната цел, създавайки по-малко фокусно петно.


    Ориз. 9 - рентгенова тръба с неподвижен анод.
    Ориз. 10 - рентгенова тръба с въртящ се анод.
    Ориз. 11 - устройство с рентгенова тръба с въртящ се анод.
    Ориз. 12 е диаграма на формирането на реално и ефективно фокусно петно.

    РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ

    рентгеново лъчение заема областта на електромагнитния спектър между гама и ултравиолетовото лъчение и е електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 10 -14 до 10 -7 м. Използва се рентгеново лъчение с дължина на вълната от 5 х 10 -12 до 2,5 х 10 -10 в медицината m, тоест 0,05 - 2,5 angstrom, а всъщност за рентгенова диагностика - 0,1 angstrom. Радиацията е поток от кванти (фотони), разпространяващи се по права линия със скоростта на светлината (300 000 km/s). Тези кванти нямат електрически заряд. Масата на кванта е незначителна част от единицата за атомна маса.

    Квантова енергияизмерено в джаули (J), но на практика те често използват извънсистемна единица "електрон волт" (eV) . Един електрон волт е енергията, която един електрон придобива, когато премине през потенциална разлика от 1 волт в електрическо поле. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Производните са килоелектронволт (keV), равен на хиляда eV, и мегаелектронволт (MeV), равен на милион eV.

    Рентгеновите лъчи се получават с помощта на рентгенови тръби, линейни ускорители и бетатрони. В рентгеновата тръба потенциалната разлика между катода и целевия анод (десетки киловолта) ускорява електроните, бомбардиращи анода. Рентгеновото лъчение възниква, когато бързите електрони се забавят в електрическото поле на атомите на анодното вещество (тормоза) или при пренареждане на вътрешните обвивки на атомите (характеристично излъчване) . Характерни рентгенови лъчи има дискретен характер и възниква, когато електроните на атомите на анодното вещество преминават от едно енергийно ниво на друго под въздействието на външни електрони или радиационни кванти. Рентген на спирачното лъчение има непрекъснат спектър в зависимост от анодното напрежение на рентгеновата тръба. Когато се забавят в материала на анода, електроните изразходват по-голямата част от енергията си за нагряване на анода (99%) и само малка част (1%) се преобразува в рентгенова енергия. В рентгеновата диагностика най-често се използва спирачното лъчение.

    Основните свойства на рентгеновите лъчи са характерни за всички електромагнитни лъчения, но има някои особености. Рентгеновите лъчи имат следните свойства:

    - невидимост - чувствителните клетки на човешката ретина не реагират на рентгенови лъчи, тъй като тяхната дължина на вълната е хиляди пъти по-малка от тази на видимата светлина;

    - праволинейно разпространение - лъчите се пречупват, поляризират (разпространяват се в определена равнина) и дифрактират, както видимата светлина. Коефициентът на пречупване се различава много малко от единица;



    - проникваща сила - проникват без значителна абсорбция през значителни слоеве от вещество, което е непрозрачно за видимата светлина. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-голяма е проникващата способност на рентгеновите лъчи;

    - попиваемост - имат способността да се абсорбират от тъканите на тялото, това е в основата на всяка рентгенова диагностика. Способността за абсорбиране зависи от специфичното тегло на тъканите (колкото повече, толкова по-голяма е абсорбцията); върху дебелината на обекта; върху твърдостта на излъчването;

    - фотографско действие - разлагат съединенията на сребърния халид, включително тези, открити във фотографски емулсии, което прави възможно получаването на рентгенови лъчи;

    - луминисцентен ефект - предизвикват луминесценцията на редица химични съединения (люминофори), това е в основата на техниката за предаване на рентгенови лъчи. Интензивността на сиянието зависи от структурата на флуоресцентното вещество, неговото количество и разстоянието от източника на рентгенови лъчи. Люминофорите се използват не само за получаване на изображение на изследваните обекти на флуороскопски екран, но и в радиографията, където позволяват да се увеличи радиационната експозиция на радиографски филм в касета поради използването на усилващи екрани, чийто повърхностен слой е изграден от флуоресцентни вещества;

    - йонизиращо действие - имат способността да предизвикват разпадането на неутралните атоми в положително и отрицателно заредени частици, на това се основава дозиметрията. Ефектът от йонизацията на всяка среда е образуването на положителни и отрицателни йони в нея, както и свободни електрони от неутрални атоми и молекули на веществото. Йонизацията на въздуха в рентгеновата зала по време на работа на рентгеновата тръба води до повишаване на електрическата проводимост на въздуха, увеличаване на статични електрически заряди върху предметите на кабинета. За да се елиминира такова нежелано влияние от тях в рентгеновите кабинети, се осигурява принудителна приточна и смукателна вентилация;

    - биологично действие - оказват въздействие върху биологични обекти, като в повечето случаи това въздействие е вредно;

    - закон на обратните квадрати - за точков източник на рентгеново лъчение интензитетът намалява пропорционално на квадрата на разстоянието до източника.

    Кратко описание на рентгеновото лъчение

    Рентгеновите лъчи са електромагнитни вълни (поток от кванти, фотони), чиято енергия се намира на енергийната скала между ултравиолетовото лъчение и гама лъчението (фиг. 2-1). Рентгеновите фотони имат енергия от 100 eV до 250 keV, което съответства на излъчване с честота от 3×10 16 Hz до 6×10 19 Hz и дължина на вълната 0,005–10 nm. Електромагнитните спектри на рентгеновите и гама лъчите се припокриват до голяма степен.

    Ориз. 2-1.Скала за електромагнитно излъчване

    Основната разлика между тези два вида радиация е начинът, по който се появяват. Рентгеновите лъчи се получават с участието на електрони (например при забавяне на техния поток), а гама-лъчите - с радиоактивно разпадане на ядрата на някои елементи.

    Рентгеновите лъчи могат да се генерират по време на забавяне на ускорен поток от заредени частици (така нареченото спирачно лъчение) или при възникване на високоенергийни преходи в електронните обвивки на атомите (характерно излъчване). Медицинските устройства използват рентгенови тръби за генериране на рентгенови лъчи (Фигура 2-2). Основните им компоненти са катод и масивен анод. Електроните, излъчени поради разликата в електрическия потенциал между анода и катода, се ускоряват, достигат до анода при сблъсък с материала, от който се забавят. В резултат на това се получават спирачни рентгенови лъчи. По време на сблъсъка на електрони с анода възниква и вторият процес - електроните се избиват от електронните обвивки на анодните атоми. Техните места са заети от електрони от други обвивки на атома. При този процес се генерира втори вид рентгеново лъчение - така нареченото характеристично рентгеново лъчение, чийто спектър до голяма степен зависи от материала на анода. Анодите най-често се изработват от молибден или волфрам. Има специални устройства за фокусиране и филтриране на рентгенови лъчи с цел подобряване на получените изображения.

    Ориз. 2-2.Схема на устройството с рентгенова тръба:

    Свойствата на рентгеновите лъчи, които предопределят използването им в медицината, са проникваща способност, флуоресцентен и фотохимичен ефект. Проникващата способност на рентгеновите лъчи и тяхното поглъщане от тъканите на човешкото тяло и изкуствените материали са най-важните свойства, които определят използването им в лъчевата диагностика. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-голяма е проникващата способност на рентгеновите лъчи.

    Различават се ʼʼʼʼʼ рентгенови лъчи с ниска енергия и честота на излъчване (съответно с най-голяма дължина на вълната) и ʼʼʼʼʼ, който има висока фотонна енергия и честота на излъчване и има къса дължина на вълната. Дължината на вълната на рентгеновото лъчение (съответно неговата "твърдост" и проникваща способност) зависи от големината на напрежението, приложено към рентгеновата тръба. Колкото по-високо е напрежението на тръбата, толкова по-голяма е скоростта и енергията на електронния поток и толкова по-къса е дължината на вълната на рентгеновите лъчи.

    При взаимодействието на рентгеновото лъчение, проникващо през веществото, в него настъпват качествени и количествени промени. Степента на поглъщане на рентгеновите лъчи от тъканите е различна и се определя от плътността и атомното тегло на елементите, изграждащи обекта. Колкото по-висока е плътността и атомното тегло на веществото, от което се състои изследваният обект (орган), толкова повече рентгенови лъчи се абсорбират. Човешкото тяло съдържа тъкани и органи с различна плътност (бели дробове, кости, меки тъкани и др.), което обяснява различното поглъщане на рентгеновите лъчи. Визуализацията на вътрешните органи и структури се основава на изкуствената или естествена разлика в поглъщането на рентгенови лъчи от различни органи и тъкани.

    За регистриране на преминалото през тялото лъчение се използва способността му да предизвиква флуоресценция на определени съединения и да оказва фотохимичен ефект върху филма. За тази цел се използват специални екрани за флуороскопия и фотоленти за радиография. В съвременните рентгенови апарати за регистриране на отслабена радиация се използват специални системи от цифрови електронни детектори - цифрови електронни панели. В този случай рентгеновите методи се наричат ​​цифрови.

    Поради биологичните ефекти на рентгеновите лъчи е важно да се предпазят пациентите по време на изследването. Това се постига

    възможно най-кратко време на облъчване, замяна на флуороскопията с радиография, строго обосновано използване на йонизиращи методи, защита чрез екраниране на пациента и персонала от излагане на радиация.

    Кратка характеристика на рентгеновото лъчение - понятие и видове. Класификация и особености на категорията "Кратка характеристика на рентгеновото лъчение" 2017, 2018г.

    Рентгеновите лъчи са електромагнитни вълни с дължина на вълната приблизително от 80 до 10 -5 nm. Най-дълговълновото рентгеново лъчение се покрива от късовълновия ултравиолет, късовълновото - от дълговълновото γ-лъчение. Според метода на възбуждане рентгеновото лъчение се разделя на спирачно и характеристично.

    31.1. АПАРАТ НА РЕНТГЕНОВА ТРЪБКА. Рентген на спирачното излъчване

    Най-често срещаният източник на рентгенови лъчи е рентгеновата тръба, която е двуелектродно вакуумно устройство (фиг. 31.1). Нагрят катод 1 излъчва електрони 4. Анод 2, често наричан антикатод, има наклонена повърхност, за да насочва получените рентгенови лъчи 3 под ъгъл спрямо оста на тръбата. Анодът е направен от материал с висока топлопроводимост за отстраняване на топлината, генерирана от въздействието на електрони. Анодната повърхност е направена от огнеупорни материали с голям атомен номер в периодичната таблица, като волфрам. В някои случаи анодът се охлажда специално с вода или масло.

    За диагностичните тръби е важна прецизността на рентгеновия източник, която може да се постигне чрез фокусиране на електрони в едно място на антикатода. Следователно, конструктивно трябва да се вземат предвид две противоположни задачи: от една страна, електроните трябва да падат на едно място на анода, от друга страна, за да се предотврати прегряване, е желателно електроните да се разпределят в различни части на анода. анода. Като едно от интересните технически решения е рентгенова тръба с въртящ се анод (фиг. 31.2).

    В резултат на забавяне на електрон (или друга заредена частица) от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони на веществото на антикатода, спирачно лъчение.

    Неговият механизъм може да се обясни по следния начин. Движещият се електрически заряд е свързан с магнитно поле, чиято индукция зависи от скоростта на електрона. При спиране, магнитното

    индукция и в съответствие с теорията на Максуел се появява електромагнитна вълна.

    Когато електроните се забавят, само част от енергията отива за създаване на рентгенов фотон, другата част се изразходва за нагряване на анода. Тъй като съотношението между тези части е произволно, когато голям брой електрони се забавят, се образува непрекъснат спектър на рентгеново лъчение. В тази връзка спирачното лъчение се нарича още непрекъснато. На фиг. 31.3 показва зависимостта на рентгеновия поток от дължината на вълната λ (спектри) при различни напрежения в рентгеновата тръба: U 1< U 2 < U 3 .

    Във всеки от спектрите спирачното лъчение с най-къса дължина на вълната λ ηίη възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергията на фотон:

    Отбележете, че въз основа на (31.2) е разработен един от най-точните методи за експериментално определяне на константата на Планк.

    Рентгеновите лъчи с къса дължина на вълната обикновено имат по-голяма проникваща способност от тези с дълга дължина на вълната и се наричат твърд,и дълги вълни мека.

    Чрез увеличаване на напрежението върху рентгеновата тръба се променя спектралният състав на лъчението, както се вижда от фиг. 31.3 и формули (31.3), и увеличаване на твърдостта.

    Ако температурата на катодната нишка се повиши, тогава електронната емисия и токът в тръбата ще се увеличат. Това ще увеличи броя на рентгеновите фотони, излъчвани всяка секунда. Неговият спектрален състав няма да се промени. На фиг. 31.4 показва рентгеновите спирачни спектри при същото напрежение, но при различни токове на катодната нишка: / n1< / н2 .

    Рентгеновият поток се изчислява по формулата:

    Където UИ аз-напрежение и ток в рентгеновата тръба; З- пореден номер на атом от анодното вещество; к- коефициент на пропорционалност. Спектри, получени едновременно от различни антикатоди Uи I H са показани на фиг. 31.5.

    31.2. ХАРАКТЕРНО РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ. АТОМНИ РЕНТГЕНОВИ СПЕКТРИ

    При увеличаване на напрежението върху рентгеновата тръба може да се забележи появата на линия, която съответства на

    характерни рентгенови лъчи(фиг. 31.6). Възниква поради факта, че ускорените електрони проникват дълбоко в атома и избиват електрони от вътрешните слоеве. Електроните от горните нива се преместват на свободни места (фиг. 31.7), в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване. Както се вижда от фигурата, характерното рентгеново лъчение се състои от серии К, Л, Ми т.н., чието име служи за обозначаване на електронните слоеве. Тъй като излъчването на K-серията освобождава място в по-високите слоеве, линиите на други серии се излъчват едновременно.

    За разлика от оптичните спектри, характерните рентгенови спектри на различните атоми са от един и същи тип. На фиг. 31.8 показва спектрите на различни елементи. Еднаквостта на тези спектри се дължи на факта, че вътрешните слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно, тъй като силовият ефект от ядрото се увеличава с увеличаване на атомния номер на елемента. Това обстоятелство води до факта, че характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Този модел се вижда от фиг. 31.8 и известен като Закон на Моузли:

    Където v-честота на спектралната линия; Z-атомен номер на излъчващия елемент; АИ IN- постоянен.

    Има и друга разлика между оптичния и рентгеновия спектър.

    Характерният рентгенов спектър на атома не зависи от химичното съединение, в което е включен този атом. Например, рентгеновият спектър на кислородния атом е еднакъв за O, O 2 и H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения са значително различни. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името Характеристика.

    Характеристичното излъчване възниква винаги, когато във вътрешните слоеве на атома има свободно пространство, независимо от причината, която го е предизвикала. Така например характеристичното излъчване придружава един от видовете радиоактивен разпад (виж 32.1), който се състои в улавянето на електрон от вътрешния слой от ядрото.

    31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА РЕНТГЕНОВОТО ЛЪЧЕНИЕ С ВЕЩЕСТВОТО

    Регистрирането и използването на рентгеново лъчение, както и неговото въздействие върху биологични обекти, се определят от първичните процеси на взаимодействие на рентгенов фотон с електрони на атоми и молекули на веществото.

    В зависимост от съотношението на енерг в.вфотон и йонизационна енергия 1 A и има три основни процеса.

    Кохерентно (класическо) разсейване

    Разсейването на рентгеновите лъчи с дълга дължина на вълната се извършва главно без промяна на дължината на вълната и се нарича съгласуван.Това се случва, ако енергията на фотона е по-малка от йонизационната енергия: в.в< А и.

    Тъй като в този случай енергията на рентгеновия фотон и атома не се променя, кохерентното разсейване само по себе си не предизвиква биологичен ефект. Въпреки това, когато се създава защита срещу рентгеново лъчение, трябва да се вземе предвид възможността за промяна на посоката на първичния лъч. Този вид взаимодействие е важно за рентгеновия дифракционен анализ (виж 24.7).

    Некохерентно разсейване (ефект на Комптън)

    През 1922 г. А.Х. Комптън, наблюдавайки разсейването на твърдите рентгенови лъчи, открива намаляване на проникващата способност на разсеяния лъч в сравнение с падащия лъч. Това означава, че дължината на вълната на разсеяните рентгенови лъчи е по-голяма от тази на падащите рентгенови лъчи. Разсейването на рентгеновите лъчи с промяна на дължината на вълната се нарича несвързан nym и самото явление - ефектът на Комптън.Това се случва, ако енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от йонизационната енергия: hv > A и.

    Това явление се дължи на факта, че при взаимодействие с атом енергията в.вфотонът се изразходва за образуването на нов разсеян рентгенов фотон с енергия hv",за отделяне на електрон от атом (енергия на йонизация A u) и придаване на кинетична енергия на електрона E до:

    hv \u003d hv " + A и + E k.(31.6)

    1 Тук йонизационната енергия се разбира като енергията, необходима за отстраняване на вътрешни електрони от атом или молекула.

    Тъй като в много случаи в.в>> A и и ефектът на Комптън възниква върху свободни електрони, тогава можем да запишем приблизително:

    hv = hv"+ E K .(31.7)

    Показателно е, че при това явление (фиг. 31.9), наред с вторичното рентгеново лъчение (енергия в.в" фотон) се появяват електрони на отката (кинетична енергия E доелектрон). След това атомите или молекулите стават йони.

    фотоелектричен ефект

    При фотоелектричния ефект рентгеновото лъчение се абсорбира от атом, в резултат на което електрон излита и атомът се йонизира (фотойонизация).

    Трите основни процеса на взаимодействие, обсъдени по-горе, са първични, те водят до последващи вторични, третични и т.н. явления. Например, йонизираните атоми могат да излъчват характерен спектър, възбудените атоми могат да станат източници на видима светлина (рентгенова луминесценция) и т.н.

    На фиг. 31.10 е диаграма на възможните процеси, които възникват при навлизане на рентгеново лъчение в вещество. Няколко десетки процеси, подобни на показания, могат да възникнат, преди енергията на рентгеновия фотон да се преобразува в енергията на топлинното движение на молекулите. В резултат на това ще има промени в молекулния състав на веществото.

    Процесите, представени от диаграмата на фиг. 31.10, лежат в основата на явленията, наблюдавани при действието на рентгеновите лъчи върху материята. Нека изброим някои от тях.

    Рентгенова луминесценция- сиянието на редица вещества при рентгеново облъчване. Такова сияние на платина-цианоген барий позволи на Рентген да открие лъчите. Това явление се използва за създаване на специални светещи екрани с цел визуално наблюдение на рентгеновите лъчи, понякога за подобряване на действието на рентгеновите лъчи върху фотографска плака.

    Известно е химичното действие на рентгеновото лъчение, например образуването на водороден пероксид във вода. Практически важен пример е въздействието върху фотографска плака, което прави възможно откриването на такива лъчи.

    Йонизиращият ефект се проявява в повишаване на електропроводимостта под въздействието на рентгенови лъчи. Този имот се използва


    в дозиметрията за количествено определяне на ефекта от този вид радиация.

    В резултат на много процеси първичният рентгенов лъч се отслабва в съответствие със закона (29.3). Нека го запишем във формата:

    I = I0 д-/", (31.8)

    Където μ - линеен коефициент на затихване. Може да се представи като състоящ се от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване μ κ , некохерентно μ ΗΚ и фотоефект μ е:

    μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)

    Интензитетът на рентгеновото лъчение се отслабва пропорционално на броя на атомите на веществото, през което преминава този поток. Ако компресираме материята по оста х,например в bпъти чрез увеличаване bпо неговата плътност, тогава

    31.4. ФИЗИЧЕСКИ ОСНОВИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО НА РЕНТГЕНОВОТО ЛЪЧЕНИЕ В МЕДИЦИНАТА

    Едно от най-важните медицински приложения на рентгеновите лъчи е трансилюминацията на вътрешните органи за диагностични цели. (рентгенова диагностика).

    За диагностика се използват фотони с енергия около 60-120 keV. При тази енергия коефициентът на масово изчезване се определя главно от фотоелектричния ефект. Стойността му е обратно пропорционална на третата степен на енергията на фотона (пропорционална на λ 3), която проявява голяма проникваща способност на твърда радиация, и пропорционална на третата степен на атомния номер на абсорбиращото вещество:

    Значителна разлика в абсорбцията на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображения на вътрешните органи на човешкото тяло в проекция на сянка.

    Рентгеновата диагностика се използва в две версии: флуороскопия изображението се гледа на рентгенов луминисцентен екран, радиография - изображението е фиксирано върху филма.

    Ако изследваният орган и околните тъкани отслабват рентгеновите лъчи приблизително еднакво, тогава се използват специални контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашава маса от бариев сулфат, човек може да види техния сенчест образ.

    Яркостта на изображението на екрана и времето на експозиция на филма зависят от интензитета на рентгеновите лъчи. Ако се използва за диагностика, тогава интензитетът не може да бъде висок, за да не предизвика нежелани биологични последици. Поради това съществуват редица технически устройства, които подобряват изображението при нисък интензитет на рентгеновите лъчи. Пример за такова устройство са тръбите за усилване на изображението (вижте 27.8). При масово изследване на населението се използва широко вариант на радиография - флуорография, при която изображение от голям рентгенов луминесцентен екран се записва върху чувствителен филм с малък формат. При снимане се използва обектив с голяма апертура, готовите снимки се разглеждат на специална лупа.

    Интересен и обещаващ вариант за радиография е методът, наречен рентгенова томография, и неговата "машинна версия" - компютърна томография.

    Нека разгледаме този въпрос.

    Обикновената рентгенова снимка обхваща голяма част от тялото, като различни органи и тъкани се засенчват един друг. Можете да избегнете това, ако периодично премествате рентгеновата тръба заедно (фиг. 31.11) в противофаза RTи филм Fpспрямо обекта относноизследвания. Тялото съдържа редица включвания, които са непрозрачни за рентгеновите лъчи; те са показани с кръгове на фигурата. Както можете да видите, рентгеновите лъчи във всяка позиция на рентгеновата тръба (1, 2 и т.н.) преминават през

    изрязване на същата точка на обекта, която е центърът, спрямо който се извършва периодичното движение RTИ Fp.Тази точка, по-точно малко непрозрачно включване, е показано с тъмен кръг. Неговият образ на сянка се движи заедно fp,заемащи последователно позиции 1, 2 и т.н. Останалите включвания в тялото (кости, уплътнения и др.) създават върху Fpнякакъв общ фон, тъй като рентгеновите лъчи не са постоянно затъмнени от тях. Чрез промяна на позицията на центъра на люлеенето е възможно да се получи послойно рентгеново изображение на тялото. Оттук и името - томография(наслоен запис).

    Възможно е с помощта на тънък рентгенов лъч да се скринира (вместо Fp),състоящ се от полупроводникови детектори на йонизиращо лъчение (виж 32.5) и компютър за обработка на сенчестото рентгеново изображение по време на томография. Тази модерна версия на томографията (компютърна или компютърна рентгенова томография) ви позволява да получите наслоени изображения на тялото на екрана на катодна тръба или на хартия с детайли по-малки от 2 mm с разлика в абсорбцията на рентгеновите лъчи от до 0,1%. Това позволява например да се направи разлика между сивото и бялото вещество на мозъка и да се видят много малки туморни образувания.

    Свързани публикации