 |
|
АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология |
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. В 1895 году Рентген обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воздух до давления 103 мм рт
В 1895 году Рентген обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воздух до давления 103 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то анод выделяет особые, неизвестные до тех пор, невидимые глазом лучи. Он назвал их Х-лучами. В России и во многих других странах их стали называть рентгеновскими лучами. Рентген, исследуя их свойства, обнаружил следующее: 1.Они обладают сильной проникающей способностью, которая зависит от природы вещества и толщины его. Благодаря этому свойству они получили широкое распространение в медицине и промышленности. 2.Вызывают свечение (люминесценцию) некоторых тел. С помощью экранов из таких веществ их можно наблюдать. 3.Оказывают действие на фотопленку (фотохимическое действие). 4.Способны активно ионизировать воздух и другие вещества. 5.Оказывают биологическое действие на ткани организма, что нашло применение в лечении злокачественных опухолей. Однако природу рентгеновских лучей сам Рентген не раскрыл. Многие исследователи находили сходство между рентгеновскими лучами и световыми - они распространялись прямолинейно и не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. Но, если предположить одинаковую природу света и рентгеновских лучей, то рентгеновские лучи должны были бы обладать волновыми и квантовыми свойствами. Однако дифракцию рентгеновских лучей долгое время получить не удавалось. В 1910 году П.Н. Лебедев предложил использовать в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей естественные кристаллы, а в 1912 году немецкий физик Лауэ выполнил этот опыт. Поток рентгеновского света направлялся через диафрагму на кристалл, при этом на экране или фотопленке вокруг центрального светлого пятна (недифрагировавшие лучи) возникал ряд светлых точек, расположенных в определенном порядке.
Расстояние между атомами кристаллической решетки, порядка 1А°, соизмеримо с длиной волны и эти промежутки являются центрами вторичных волн, которые, дифрагируя, дают максимумы в виде белых пятен. Но т.к. атомы расположены не строго один около другого как щели дифракционной решетки, то максимумы расположены в сложном порядке, нежели в дифракционной решетке. Такая картина называется лауэграммой. Этот опыт показал, что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Опыт Лауэ позволил использовать дифракцию рентгеновских лучей: 1. Для определения длины волны, зная расстояние между атомами. 2. Для определения структуры веществ по лауэграмме, зная длину волны рентгеновских лучей. Метод изучения молекулярных структур, т.е. определение положения атомов в молекуле и их природы с помощью рентгеновских лучей, получил название рентгеноструктурный анализ. Для исследования биологических структур быть использованы различные явления взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: поглощение, рассеяние и дифракция, инактивация (изменение структуры молекул и функций их составных частей под действием рентгеновского излучения). Метод рассеяния и дифракции рентгеновских лучей использует их волновые свойства. Рентгеновские лучи, рассеиваемые атомами, входящими в состав молекул, интерферируют и дают картину - лауэграмму, на которой положение и интенсивности максимумов зависят от положения атомов в молекуле и от взаимного расположения молекул. Если молекулы расположены хаотически, например, в растворах, то рассеяние не зависит от внутренней структуры молекул, а в основном от их размеров и формы. В дальнейшем были изучены и другие свойства рентгеновских лучей: 1. Интерференция. 2. Преломление. 3. Полное внутреннее отражение. 4. Поляризация. 5. Спектральный состав. 6. Взаимодействие с веществом. Получают рентгеновские лучи с помощью рентгеновской трубки. Она состоит из стеклянного баллона с возможно высоким вакуумом (10-6- 10-7 мм. рт. ст.), в котором находятся два электрода.
Катод - является источником электронов и выполняется в виде спирали. Анод состоит из массивного медного стержня, на торцевом срезе которого расположена пластина из вольфрама (зеркальце анода). Электроны разгоняется в электрическом поле и взаимодействуют с зеркальцем анода. В результате взаимодействия образуется поток рентгеновских лучей. Вся трубка окружена свинцовым кожухом, имеется лишь небольшое окно для выхода излучения. Т.к. анод при работе сильно разогревается, его охлаждают водой или маслом. В некоторых трубках анод делают вращающимся. Длина волны рентгеновских лучей от 0,001 до 2 нм. Рентгеновское излучение характеризуется интенсивностью и жесткостью. Интенсивность - это величина энергии, которую несут рентгеновские лучи, через площадку 1 см2 за 1 с. Жесткость рентгеновского излучения определяется его способностью проходить через вещество, а проникающая способность зависит от длины волны. Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия потока электронов с атомами зеркальца анода.
Двигающийся направленно электрон можно представить электрическим током. Попадая в электрическое поле атома, движение электрона замедляется, что соответствует уменьшению тока. Уменьшение тока вызовет изменяющееся магнитное поле вокруг электрона, а изменяющееся магнитное поле наведет в смежных точках изменяющееся электрическое поле и т.д., т.о. при торможении электрона атомом возникает электромагнитная волна. Существует и квантовая теория, объясняющая возникновение тормозного рентгеновского излучения. Кроме круговых или эллиптических стационарных орбит, называемых периодическими, существуют и не замкнутые орбиты электронов (параболические, гиперболические), по которым может двигаться электрон, не излучая и не поглощая энергии. Подлетая к атому со скоростью υ1, электрон двигается по стационарной не замкнутой орбите с энергией Е1, тормозясь, он переходит на другую стационарную орбиту с энергией Е2, при этом излучается квант энергии. Начальная кинетическая энергия электрона зависит только от ускоряющего напряжения mυ12/2=eU и есть величина постоянная. Конечная энергия в зависимости от условий торможения может принимать любые значения от mυ12/2 до 0. Следовательно, энергия излученного кванта может быть любой в промежутке от 0 до mυ12/2. Спектр излучения сплошной, ограниченный со стороны коротких длин волн. hv =(mυ12)/2 – (mυ22)/2 Минимальная энергия кванта определяется из этого уравнения, если (mυ22)/2= 0, тогда или hvmin =(mυ12)/2 hc/λmax =eU, откуда λmax = (hc)/(eU) Электрон, взаимодействуя с атомом анода, может удалить орбитальный электрон с ближайшей к ядру орбиты К, L, М на более отдаленную или вообще за пределы атома. На освободившееся место перейдет электрон с более удаленной орбиты. При этом излучается квант рентгеновского излучения, длина волны которого определяется разностью дозволенных энергетических состояний атома (hv = E2- E1). Следовательно, излучение может быть только определенных длин волн, спектр такого излучения будет линейчатым, а излучение называют характеристическим.
При бомбардировке вещества анода электронами существуют оба вида излучения. Рассмотрим схему рентгеновского аппарата. В состав рентгеновского аппарата входят следующие узлы: 1. Рентгеновская трубка (РТ) 2. Повышающий трансформатор (ТР2). 3. Понижающий трансформатор (ТР,). 4. Автотрансформатор (АТР). 5. Высоковольтный выпрямитель (В).
Первичная обмотка повышающего трансформатора питается от сети переменного тока через автотрансформатор. Автотрансформатор служит для регулировки напряжения между анодом и катодом. Изменение напряжения изменяет длину волны λmin=l,24/ U, а длина волны характеризует жесткость излучения, т.о. автотрансформатор служит для регулировки жесткости рентгеновского излучения. Напряжение между анодом и катодом рентгеновской трубки в медицинских рентгеновских аппаратах до 60 кВ, в промышленных - 200 - 250 кВ. Питается трубка постоянным током. В качестве выпрямителя используются высоковольтные диоды или кенотроны, используются однополупериодные и двухполупериодные схемы. Для питания накала трубки служит понижающий трансформатор ТР1. В первичную цепь этого трансформатора ставится реостат R. Изменяя сопротивление, мы изменяем ток накала катода, а, следовательно, его температуру и число испускаемых электронов. Число электронов характеризует интенсивность рентгеновского излучения, т.о. реостат R служит для изменения интенсивности излучения, которая определяется следующей формулой: Ф = kJU2Z', где J - анодный ток, U - напряжение между катодом и анодом трубки, Z - порядковый номер вещества зеркальца анода. Защита от воздействия рентгеновского излучения, даваемого лечебными и диагностическими аппаратами, сводится к следующему: 1.Экранизация источника излучения. Рентгеновская трубка самозащитная. Камера закрывается свинцовыми листами. 2.Индивидуальная защита обслуживающего персонала (фартук, перчатки, стекло экрана делается из просвинцованного материала). 3. Охраняются законом (меньший рабочий день, дополнительный отпуск, спецпитание и др.) При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом, часть их отражается от поверхности, часть проходит через вещество без взаимодействия, часть проходит вовнутрь вещества, взаимодействуя с атомами. При этом могут возникнуть три случая взаимодействия. 1. Если фотон не обладает достаточной энергией для перевода орбитального электрона на более высокий энергетический уровень, то взаимодействие происходит путем упругого соударения, изменяется направление фотона, а энергия и длина волны остаются прежними hv1 = hv2 Это взаимодействие называется когерентным или классическим рассеянием.
2. Если энергия кванта равна или незначительно превышает работу выхода электрона из металла, то при взаимодействии возникает фотоэффект, энергия фотона затрачивается на работу по выходу электрона из атома и сообщение ему кинетической энергии. hv1 = Aвых + (mυ2)/2
Если энергия меньше работы выхода, но достаточна для того, чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую (с более высоким энергетическим уровнем), то может произойти излучение в видимой части спектра, рентгенолюминесценция или активация молекул. Оба вида взаимодействия объединены общим названием - истинное поглощение. 3. Если энергия фотона значительно превышает работу по выходу электрона, что более характерно для жесткого коротковолнового излучения и внешних электронов атома, то при взаимодействии фотон отдает часть энергии. Возникает фотон с меньшей энергией и фотоэлектрон отдачи. Это явление называется не когерентным рассеянием или комптон-эффектом.
Возникающие новый фотон и электрон называют вторичным излучением. Вторичное излучение может вызывать новые реакции (когерентное рассеяние, истинное поглощение, комптон-эффект) с образованием третичных электронов, квантов и т.д. В результате всех этих процессов возникает ионизация вещества и излучение с большей длиной волны, которое рассеивается по всем направлениям. Параллельный поток рентгеновских лучей при прохождении через вещество ослабляется. Ослабление подчиняется закону Бугера: Ф = Ф0e-μd Фо - поток, падающий на вещество, Ф - поток, прошедший через вещество, μ - линейный коэффициент ослабления, d - толщина слоя вещества. Для рентгеновского излучения применяемого в медицине с энергией фотонов 150-200 кэВ при глубокой терапии; 60-100 кэВ при диагностике; коэффициент ослабления определяется по формуле: μ = kpZ3λ3, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, р - плотность вещества, Z - порядковый номер элемента, λ - длина волны излучения. Если на пути рентгеновского излучения поместить неоднородное вещество, то на флюоресцирующем экране получим тени отдельных деталей вещества. Таким неоднородным веществом является организм человека. Просвечивая его рентгеновскими лучами, по форме и размерам, а так же по интенсивности теневого изображения, судят о нормальном или патологическом состоянии органов. Такой метод диагностики заболеваний носит название рентгенодиагностики. Существует два основных метода рентгенодиагностики: рентгеноскопия и рентгенография. При рентгеноскопии теневое изображение органов наблюдается на люминесцентном экране. На экране более плотные ткани (сердце, кровеносные сосуды) видны темными, мало поглощающие ткани (легочные поля) - светлыми.При рентгенографии теневое изображение фотографируют на фотопленку. Изображение получают негативное (обратное) по отношению к изображению на экране. Кроме основных методов, используются специальные приемы рентгенодиагностики. 1. Контрастная рентгенография. Для получения более контрастного изображения используются особые вещества, вводимые в ткани - отрицательные контрастные вещества (воздух, кислород) используются в плотных тканях (головной мозг), положительные контрастные вещества (соли бария, коллоиды на основе йода) для мало поглощающих тканей. 2. Флюорография. Фотографирование рентгеновского изображения с экрана на пленку небольшого формата. Экран, оптика и пленка с фотокамерой объединяются в большую светонепроницаемую систему, что позволяет делать съемку в незатемненном помещении. Этот метод применяется для массового обследования населения. 3. Электрорентгенография отличается от обычной рентгенографии способом получения изображения; при этом методе пучок рентгеновских лучей, прошедших через тело пациента, направляется на предварительно зараженную селеновую пластину. Прошедшие через организм рентгеновские лучи, изменяют потенциал пластины на разных ее участках, соответственно интенсивности попадающего на эти участки излучения - на пластинке возникает «скрытое электрическое изображение». Для «проявления» изображения селеновую пластинку напыляют графитовым порошком, который притягивается к тем местам, где сохранился заряд и не задерживается в тех местах, которые потеряли заряд под действием рентгеновских лучей. Это изображение легко переносится на обычную бумагу. После стирания порошка пластину можно использовать вновь. На одной пластине можно провести более 1000 снимков. Главные достоинства электрорентгенографии состоит в том, что она позволяет быстро получить снимки без затрат фотопленки, без мокрого фотопроцесса, без затемнения и обладает более высокой разрешающей способностью. 4. Рентгеновская компьютерная томография. Этот метод заключается в перемещении рентгеновской трубки по определенной траектории, для фотографирования объекта с различных положений. При этом на фотопленке изображение также перемещается. Однако съемка производится таким образом, что рентгеновский луч всегда проходит одну и ту же точку О. Если перемещать эту точку, то на снимке можно получить послойное теневое изображение (томография - послойная запись). Чтение таких изображений довольно сложное. Помогает врачу в этом вопросе вычислительная техника, поэтому добавляется слово компьютерная томография. Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать изображение с деталями около 1 мм, различаются по контрастности два образования с разностью в поглощении около 0,1 %. 5. Рентгенотелевидение. С помощью специальных фотоусилителей рентгеновского изображения (УРИ) регистрируют и усиливают слабое изображение на экране и, используя передающую телевизионную аппаратуру, получают изображение на экране телевизора. Изображение на экране телевизора значительной яркости, обеспечивает выявление сравнительно малых деталей объекта, позволяет производить фото - и киносъемку. Рентгеновские лучи используют для «лечения» злокачественных новообразований - рентгенотерапия. При облучении живых тканей рентгеновскими лучами изменяется функциональное состояние клеток. Первичный эффект воздействия рентгеновских лучей на вещество - ионизация. Выявлено, что при летальных дозах в клетке образуется около 1 млн. ионов (всего в клетке 1014 атомов). При первичном размене энергии никаких видимых структурных изменений в атомах и молекулах не происходит. Современная физиология рассматривает первичные эффекты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом (в том числе и рентгеновского) в двух аспектах: взаимодействие с молекулами воды в водных растворах и действие на органические соединения. В водных растворах образуются радикалы (ОН-, Н+), гидроперекисные и перекисные соединения (Н2О2), обладающие большой химической активностью. При воздействии на органические соединения образуются возбужденные молекулы, радикалы, ионы, перекиси, которые так же в химическом отношении весьма активны. Т.о. первичное взаимодействие происходит по физическим законам возбуждения и ионизации молекул. Ионизация атомов и молекул вызывает вторичные процессы, развивающиеся по биологическим законам. Активные перекисные соединения окисляют и изменяют клеточные ферменты, что вызывает нарушение нормального протекания биохимических процессов - клетки теряют способность синтезировать определенные типы белков, без которых невозможно деление клетки. Возникают мутации, изменяется течение белкового, углеводного, пептидного и холестеринового обмена веществ. При таких реакциях белковые молекулы могут разрушаться и распадаться на аминокислоты, вплоть до образования весьма токсичных гистаминоподобных соединений, под влиянием которых развиваются дистрофические и некротические изменения. Особенно сильно рентгеновские лучи действуют на быстрорастущие, малодифференцированные клетки - кроветворные органы, кожу, гонады, что позволяет использовать рентгеновские лучи для облучения раковых опухолей этих образований. Следует помнить, что излучение действует не только на биологический объект, подвергнутый облучению, но и на последующие поколения, через наследственный аппарат клеток. Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 768 | Нарушение авторских прав |
