Вченого з Німеччини Вільгельма Конрада Рентгена можна вважати основоположником рентгенографії і першовідкривачем ключових особливостей рентгенівських променів.

Тоді в далекому 1895 році він навіть не підозрював про широту застосування та популярності, відкритих ним Х-випромінювань, хоча вже тоді вони підняли широкий резонанс у світі науки.

Навряд чи винахідник міг здогадуватися, яку користь чи шкоду дасть плід його діяльності. Але ми з вами сьогодні спробуємо з'ясувати, який вплив має цей різновид випромінювання на людське тіло.

• Х-випромінювання наділене величезною проникаючою здатністю, але вона залежить від довжини хвилі та щільності матеріалу, що опромінюється;
• під впливом випромінювання деякі предмети починають світитись;
• рентгенівський промінь впливає на живих істот;
• завдяки Х-променям починають протікати деякі біохімічні реакції;
• рентген промінь може забирати в деяких атомів електрони і тим самим іонізувати їх.

Навіть самого винахідника насамперед хвилювало питання, що саме собою представляють відкриті їм промені.

Після проведення цілої серії експериментальних досліджень, вчений з'ясував, що Х-промені – це проміжні хвилі між ультрафіолетом та гамма-випромінюванням, довжина яких становить 10 -8 см.

Властивості рентгенівського променя, які перераховані вище, мають руйнівні властивості, проте це не заважає застосовувати їх з корисними цілями.

То де ж у світі можна використовувати Х-промені?

1. З їхньою допомогою можна вивчати властивості багатьох молекул і кристалічних утворень.
2. Для дефектоскопії, тобто перевіряти промислові деталі та прилади щодо дефектів.
3. У медичній галузі та терапевтичних дослідженнях.

В силу малих довжин всього діапазону даних хвиль та їх унікальних властивостей стало можливим найважливіше застосування випромінювання, відкритого Вільгельмом Рентгеном.

Оскільки тема нашої статті обмежена впливом Х-променів на організм людини, який стикається з ними лише при поході до лікарні, то далі ми розглядатимемо виключно цю галузь застосування.

Вчений, який винайшов рентгенівські промені, зробив їх безцінним даром для всього населення Землі, оскільки не став патентувати своє дітище для подальшого використання.

Починаючи з часів Першої морової війни, портативні установки для рентгена врятували сотні життів поранених. Сьогодні рентгенівські промені мають два основні спектри застосування:

1. Діагностика за його допомогою.

Рентгенологічна діагностика застосовується за різних варіантів:

• рентгеноскопія чи просвічування;
• рентгенографія чи знімок;
• флюорографічне дослідження;
• томографування з допомогою рентгена.

Тепер потрібно розібратися, чим ці методи відрізняються один від одного:

1. Перший метод передбачає, що обстежуваний розташовується між спеціальним екраном з флуоресцентною властивістю та рентгенівською трубкою. Лікар на основі індивідуальних особливостей підбирає необхідну силу променів та отримує зображення кісток та внутрішніх органів на екрані.
2. При другому методі пацієнта кладуть спеціальну рентгенівську плівку в касеті. При цьому апаратура розташовується над людиною. Дана методика дозволяє отримати зображення в негативі, але з дрібнішими деталями, ніж при рентгеноскопії.
3. Масові обстеження населення щодо захворювання легень дозволяє провести флюорографія. У момент процедури з великого монітора зображення переноситься на спеціальну плівку.
4. Томографія дозволяє отримати зображення внутрішніх органів у кількох варіантах перерізу. Вироблятиметься ціла серія знімків, які надалі називаються томограмою.
5. Якщо до попереднього методу підключити допомогу комп'ютера, спеціалізовані програми створять цілісне зображення, зроблене за допомогою рентгенівського сканера.

Всі ці методики діагностики проблем зі здоров'ям ґрунтуються на унікальній властивості Х-променів засвічувати фотоплівку. При цьому проникаюча здатність у відсталих та інших тканин нашого тіла різна, що відображається на знімку.

Після того, як було виявлено ще одну властивість променів рентгена впливати на тканини з біологічної точки зору, ця особливість стала активно застосовуватися при терапії пухлин.

Клітини, особливо злоякісні, діляться дуже швидко, а іонізуюча властивість випромінювання позитивно позначається при лікувальній терапії та уповільнює ріст пухлини.

Але іншою стороною медалі є негативний вплив рентгену на клітини кровотворної, ендокринної та імунної системи, які також швидко діляться. Внаслідок негативного впливу Х-променя проявляється променева хвороба.

Вплив рентгена на організм людини

Буквально відразу після такого гучного відкриття в науковому світі стало відомо, що промені Рентгена можуть впливати на тіло людини:

1. У ході досліджень властивостей Х-променів з'ясувалося, що вони можуть викликати опіки на шкірному покриві. Дуже схожі на термічні. Проте глибина поразки була значно більшою, ніж побутові травми, а гоилися вони гірше. Багато вчених, які займаються цими підступними випромінюваннями, втрачали пальці на руках.
2. Методом проб та помилок було встановлено, що якщо зменшити час та лозу опромінення, то опіків можна уникнути. Пізніше стали застосовуватися свинцеві екрани та дистанційний метод опромінення пацієнтів.
3. Довгострокова перспектива шкідливості променів показує, що зміни складу крові після опромінення призводить до лейкемії та раннього старіння.
4. Ступінь тяжкості впливу рентгенівських променів на організм людини прямо залежить від органу, що опромінюється. Так, при рентгенографії малого тазу може настати безпліддя, а при діагностиці кровотворних органів – хвороби крові.
5. Навіть найменші опромінення, але протягом тривалого часу можуть призвести до змін на генетичному рівні.

Звичайно, всі дослідження проводилися на тваринах, проте вченими доведено, що патологічні зміни поширюватимуться і на людину.

ВАЖЛИВО! На основі отриманих даних були розроблені стандарти рентгенівського опромінення, які є єдиними на весь світ.

Дози рентгенівського променя при діагностиці

Напевно, кожен, хто виходить з кабінету лікаря після проведеного рентгена, запитує, як ця процедура вплине на подальше здоров'я?

Радіаційне опромінення в природі також існує і з ним ми стикаємося щодня. Щоб було простіше зрозуміти, як рентген впливає на наш організм, ми порівняємо цю процедуру з природним опроміненням:

• при рентгенографії грудної клітки людина отримує дозу радіації, що прирівнюється до 10 днів фонового опромінення, а шлунка чи кишківника – 3 років;
• томограма на комп'ютері черевної порожнини або тіла - еквівалент 3 рокам опромінення;
• обстеження на рентгені грудей – 3 місяці;
• кінцівки опромінюється, практично не завдаючи шкоди здоров'ю;
• стоматологічний рентген у силу точної спрямованості променевого пучка та мінімального часу дії – також не є небезпечним.

ВАЖЛИВО! Незважаючи на те, що наведені дані, як би вони не звучали, відповідають міжнародним вимогам. Однак, пацієнт має повне право попросити додаткові засоби захисту у разі сильного побоювання за своє самопочуття.

Усі ми стикаємося з рентгенівським обстеженням, причому неодноразово. Проте одна категорія людей поза встановленими процедурами – це вагітні жінки.

Справа в тому, що Х-промені надзвичайно позначаються на здоров'ї майбутньої дитини. Ці хвилі здатні викликати вади внутрішньоутробного розвитку внаслідок впливу на хромосоми.

ВАЖЛИВО! Найнебезпечнішим періодом щодо рентгену є вагітність до 16 тижня. У цей період найуразливішими є тазова, черевна та хребетна область малюка.

Знаючи про таку негативну властивість рентгена, лікарі всього світу намагаються уникати призначення його проведення у вагітних.

Але існують інші джерела випромінювання, з якими може зіткнутися вагітна жінка:

• мікроскопи, що працюють на електриці;
• монітори кольорових телевізорів

Ті, хто готуватися стати мамою обов'язково повинні знати про небезпеку, що підстерігає їх. У період лактації рентгенівські промені не несуть загрози для організму годуючої та малюка.

Як бути після рентгенів?

Навіть найменші наслідки рентгенівського опромінення можна звести до мінімуму, якщо виконати кілька простих рекомендацій:

• відразу після процедури випити молока. Як відомо, воно здатне виводити радіацію;
• такі ж властивості має біле сухе вино або сік винограду;
• бажано спочатку їсти більше продуктів, що містять йод.

ВАЖЛИВО! Не варто вдаватися до жодних медичних процедур або використовувати лікувальні методи після відвідування рентген-кабінету.

Якими б негативними властивостями не мали, колись відкриті Х-промені, все одно користь від їх застосування значно перевищує шкоду, що завдається. У медичних закладах процедура просвічування проводитися швидко та з мінімальними дозами.

Рентгенівське випромінювання, з погляду фізики, це електромагнітне випромінювання, довжина хвиль якого варіюється в діапазоні від 0,001 до 50 нанометрів. Було відкрито 1895 німецьким фізиком В.К.Рентгеном.

За природою ці промені є спорідненими з сонячним ультрафіолетом. У спектрі найдовшими є радіохвилі. За ними йде інфрачервоне світло, яке наші очі не сприймають, але ми відчуваємо його як тепло. Далі йдуть промені від червоного до фіолетового. Потім - ультрафіолет (А, В та С). А відразу за ним рентгенівські промені та гамма-випромінювання.

Рентгенівське може бути отримано двома способами: при гальмуванні в речовині, що проходять крізь нього заряджених частинок і при переході електронів з вищих шарів на внутрішні при вивільненні енергії.

На відміну від видимого світла ці промені мають дуже велику довжину, тому здатні проникати через непрозорі матеріали, не відбиваючись, не заломлюючись і не накопичуючись у них.

Гальмівне випромінювання отримати простіше. Заряджені частки при гальмуванні випромінюють електромагнітне випромінювання. Чим більше прискорення цих частинок і, отже, різкіше гальмування, тим більше утворюється рентгенівське випромінювання, а довжина його хвиль стає меншою. У більшості випадків на практиці вдаються до вироблення променів у процесі гальмування електронів у твердих речовинах. Це дозволяє керувати джерелом цього випромінювання, уникаючи небезпеки радіаційного опромінення, тому що при відключенні джерела рентгенівське випромінювання повністю зникає.

Найпоширеніше джерело такого випромінювання - Випромінюване їй випромінювання неоднорідне. У ньому присутні і м'яке (довгохвильове), і жорстке (короткохвильове) випромінювання. М'яке характеризується тим, що повністю поглинається людським тілом, тому таке рентгенівське випромінювання приносить шкоду вдвічі більше, ніж жорстке. При надмірному електромагнітному опроміненні в тканинах організму людини іонізація може призвести до пошкодження клітин та ДНК.

Трубка – це з двома електродами – негативним катодом та позитивним анодом. При розігріванні катода з нього випаровуються електрони, потім прискорюються в електричному полі. Зіткнувшись з твердою речовиною анодів, вони починають гальмування, яке супроводжується випромінюванням електромагнітного випромінювання.

Рентгенівське випромінювання, властивості якого широко використовуються в медицині, базується на отриманні тіньового зображення об'єкта, що досліджується, на чутливому екрані. Якщо діагностований орган просвічуватиме пучком паралельних один одному променів, то проекція тіней від цього органу передаватиметься без спотворень (пропорційно). На практиці джерело випромінювання більш схоже на точкове, тому його розташовують на відстані від людини та від екрану.

Щоб отримати людина поміщається між рентгенівською трубкою та екраном або плівкою, що виступають у ролі приймачів випромінювання. В результаті опромінення на знімку кісткова та інші щільні тканини виявляються у вигляді явних тіней, виглядають контрастніше на тлі менш виразних ділянок, які передають тканини з меншим поглинанням. На рентгенівських знімках людина стає «напівпрозорою».

Поширюючись, рентгенівське випромінювання може розсіюватися та поглинатися. До поглинання промені можуть проходити сотні метрів у повітрі. У щільній речовині вони поглинаються набагато швидше. Біологічні тканини людини неоднорідні, тому поглинання променів залежить від щільності тканини органів. поглинає промені швидше ніж м'які тканини, тому що містить речовини, що мають великі атомні номери. Фотони (окремі частинки променів) поглинаються різними тканинами організму людини по-різному, що дозволяє отримувати контрастне зображення з допомогою рентгенівських променів.

Рентгенівські промені були виявлені випадково в 1895 знаменитим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядній трубці низького тиску за високої напруги між її електродами. Незважаючи на те, що трубка була в чорному ящику, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, що випадково був поруч, щоразу світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати через папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки півтора сантиметра.

Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, що має велику проникаючу здатність. Вчений не міг визначити, чи було це випромінювання потоком частинок або хвиль, і він вирішив дати йому назву X-промені. Надалі їх назвали рентгенівськими променями.

Тепер відомо, що X-промені – вид електромагнітного випромінювання, що має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нмдо 10 -5 нм. Чим коротша довжина хвилі X-променів, тим більша енергія їх фотонів і більша здатність, що проникає. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (більше 10 нм), називаються м'якими. Довжина хвилі 1 - 10 нмхарактеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникаючу здатність.

Отримання рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені виникають, коли швидкі електрони або катодні промені стикаються зі стінками або анодом газорозрядної трубки низького тиску. Сучасна рентгенівська трубка є вакуумізованим скляним балоном з розташованими в ньому катодом і анодом. Різниця потенціалів між катодом і анодом (антикатодом) досягає декількох сотень кіловольт. Катод є вольфрамовою ниткою, що підігрівається електричним струмом. Це призводить до випромінювання катодом електронів в результаті термоелектронної емісії. Електрони прискорюються електричним полем у рентгенівській трубці. Оскільки в трубці дуже невелика кількість молекул газу, то електрони на шляху до анода практично не втрачають своєї енергії. Вони досягають анода з дуже великою швидкістю.

Рентгенівські промені виникають завжди, коли електрони, що рухаються з високою швидкістю, гальмуються матеріалом анода. Більшість енергії електронів розсіюється як тепла. Тому аноді необхідно штучно охолоджувати. Анод у рентгенівській трубці повинен бути виготовлений з металу, що має високу температуру плавлення, наприклад, з вольфраму.

Частина енергії, що не розсіює у формі тепла, перетворюється на енергію електромагнітних хвиль (рентгенівські промені). Таким чином, рентгенівські промені є результатом бомбардування електронами речовини аноду. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівне та характеристичне.

Гальмівне рентгенівське випромінювання

Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів не однакові. У результаті енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їх кінетичної енергії.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від природи речовини анода. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їх частоту та довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання є монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яка може бути представлена суцільним (безперервним) спектром.

Рентгенівські промені не можуть мати енергію більшу, ніж кінетична енергія електронів, що їх утворюють. Найменша довжина хвилі рентгенівського випромінювання відповідає максимальній кінетичній енергії електронів, що гальмуються. Чим більша різниця потенціалів у рентгенівській трубці, тим менші довжини хвилі рентгенівського випромінювання можна отримати.

Характеристичне рентгенівське випромінювання

Характеристичне рентгенівське випромінювання має не суцільне, а лінійний спектр. Цей тип випромінювання виникає, коли швидкий електрон, досягаючи анода, проникає у внутрішні орбіталі атомів та вибиває один із їхніх електронів. В результаті з'являється вільне місце, що може бути заповнене іншим електроном, що спускається з однієї з верхніх атомних орбіталей. Такий перехід електрона з вищого на нижчий енергетичний рівень викликає рентгенівське випромінювання певної дискретної довжини хвилі. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання має лінійний спектр. Частота ліній характеристичного випромінювання залежить від структури електронних орбіталей атомів анода.

Лінії спектра характеристичного випромінювання різних хімічних елементів мають однаковий вигляд, оскільки структура їх внутрішніх електронних орбітальних ідентична. Але довжина їхньої хвилі і частота завдяки енергетичним відмінностям між внутрішніми орбіталями важких і легких атомів.

Частота ліній спектру характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється у відповідність до атомного номера металу і визначається рівнянням Мозлі: v 1/2 = A(Z-B), де Z- Атомний номер хімічного елемента, Aі B- Константи.

Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Для первинної взаємодії між рентгенівським випромінюванням та речовиною характерно три механізми:

1. Когерентне розсіювання. Ця форма взаємодії відбувається, коли фотони рентгенівських променів мають меншу енергію, ніж енергія зв'язку електронів із ядром атома. У такому разі енергія фотона виявляється недостатньою для звільнення електронів з атомів речовини. Фотон не поглинається атомом, але змінює напрямок поширення. У цьому довжина хвилі рентгенівського випромінювання залишається незмінною.

2. Фотоелектричний ефект (фотоефект). Коли фотон рентгенівського випромінювання досягає атома речовини, може вибити один з електронів. Це відбувається у разі, якщо енергія фотона перевищує енергію зв'язку електрона з ядром. У цьому фотон поглинається, а електрон вивільняється з атома. Якщо фотон несе більшу енергію, ніж необхідно для вивільнення електрона, він передасть енергію, що залишилася, звільненому електрону у формі кінетичної енергії. Цей феномен, званий фотоелектричним ефектом, відбувається при поглинанні відносно рентгенівського низькоенергетичного випромінювання.

Атом, який втрачає один із своїх електронів, стає позитивним іоном. Тривалість існування вільних електронів є дуже короткою. Вони поглинаються нейтральними атомами, які при цьому перетворюються на негативні іони. Результатом фотоелектричного ефекту є інтенсивна іонізація речовини.

Якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання менша, ніж енергія іонізації атомів, то атоми переходять у збуджений стан, але не іонізуються.

3. Некогерентне розсіювання (ефект Комптону). Цей ефект виявлено американським фізиком Комптоном. Він відбувається, якщо речовина поглинає рентгенівське проміння малої довжини хвилі. Енергія фотонів таких рентгенівських променів завжди більша, ніж енергія іонізації атомів речовини. Ефект Комптон є результатом взаємодії високоенергетичного фотона рентгенівських променів з одним з електронів зовнішньої оболонки атома, який має порівняно слабкий зв'язок з атомним ядром.

Високоенергетичний фотон передає електрону певну частину своєї енергії. Збуджений електрон вивільняється з атома. Решта енергії первинного фотона, що залишилася, випромінюється у вигляді фотона рентгенівського випромінювання більшої довжини хвилі під деяким кутом до напрямку руху первинного фотона. Вторинний фотон може іонізувати інший атом і т.д. Ці зміни напряму та довжини хвилі рентгенівських променів відомі як ефект Комптону.

Деякі ефекти взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Як згадувалося вище, рентгенівські промені здатні збуджувати атоми і молекули речовини. Це може спричинити флюоресценцію певних речовин (наприклад, сульфату цинку). Якщо паралельний пучок рентгенівських променів направити на непрозорі об'єкти, можна спостерігати як промені пройдуть крізь об'єкт, поставивши екран, покритий флюоресцирующим речовиною.

Флуоресцентний екран можна замінити на фотографічну плівку. Рентгенівські промені надають на фотографічну емульсію таку саму дію, як і світло. Обидва методи використовуються у практичній медицині.

Іншим важливим ефектом рентгенівського випромінювання є їхня іонізуюча здатність. Це залежить від їхньої довжини хвилі та енергії. Цей ефект забезпечує метод вимірювання інтенсивності рентгенівського випромінювання. Коли рентгенівські промені проходять через іонізаційну камеру виникає електричний струм, величина якого пропорційна інтенсивності рентгенівського випромінювання.

Поглинання рентгенівського випромінювання речовиною

При проходженні рентгенівських променів через речовину їх енергія зменшується через поглинання та розсіювання. Послаблення інтенсивності паралельного пучка рентгенівських променів, що проходять через речовину, визначається законом Бугера: I = I0 · e -μd, де I 0- Початкова інтенсивність рентгенівського випромінювання; I- Інтенсивність рентгенівських променів, що пройшли через шар речовини, d -товщина поглинаючого шару , μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Він дорівнює сумі двох величин: t- лінійного коефіцієнта поглинання та σ - лінійного коефіцієнта розсіювання: μ = τ+ σ

В експериментах виявлено, що лінійний коефіцієнт поглинання залежить від атомного номера речовини та довжини хвилі рентгенівських променів:

τ = kρZ 3 λ 3, де k- Коефіцієнт прямої пропорційності, ρ - Щільність речовини, Z- Атомний номер елемента, λ - Довжина хвилі рентгенівських променів.

Залежність від Z дуже важлива з практичного погляду. Наприклад, коефіцієнт поглинання кісток, що складаються з фосфату кальцію, майже в 150 разів перевищує коефіцієнт поглинання м'яких тканин ( Z=20 для кальцію та Z=15 для фосфору). При проходженні рентгенівських променів через тіло людини кістки чітко виділяються на тлі м'язів, сполучної тканини і т.п.

Відомо, що органи травлення мають таку ж величину коефіцієнта поглинання, як і інші м'які тканини. Але тінь стравоходу, шлунка і кишечника можна розрізнити, якщо пацієнт прийме внутрішньо контрастну речовину - сірчанокислий барій ( Z= 56 для барію). Сірчанокислий барій дуже непрозорий для рентгенівського проміння і часто використовується для рентгенологічного обстеження шлунково-кишкового тракту. Певні непрозорі суміші вводять у кров'яне русло у тому, щоб досліджувати стан кровоносних судин, нирок тощо. Як контрастне речовина у разі використовують йод, атомний номер якого становить 53.

Залежність поглинання рентгенівських променів від Zвикористовують також для захисту від можливої ​​шкідливої ​​дії рентгенівського випромінювання. Для цієї мети застосовують свинець, величина Zдля якого дорівнює 82.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці послужила їхня висока проникаюча здатність, одне з основних властивостей рентгенівського випромінювання. Спочатку після відкриття, рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого, для дослідження переломів кісток і визначення розташування сторонніх тіл (наприклад, куль) у тілі людини. В даний час застосовують кілька методів діагностики за допомогою рентгенівського проміння (рентгенодіагностика).

Рентгеноскопія . Рентгенівський прилад складається з джерела рентгенівських променів (рентгенівської трубки) та флуоресцентного екрану. Після проходження рентгенівських променів через тіло пацієнта лікар спостерігає його тіньове зображення. Між екраном та очима лікаря має бути встановлене свинцеве вікно для того, щоб захистити лікаря від шкідливої ​​дії рентгенівських променів. Цей метод дозволяє вивчити функціональний стан деяких органів. Наприклад, лікар безпосередньо може поспостерігати за рухами легень, проходження контрастної речовини по шлунково-кишковому тракту. Недоліки цього - недостатньо контрастні зображення і порівняно великі дози випромінювання, одержувані пацієнтом під час процедури.

Флюорографія . Цей метод полягає у отриманні фотографії із зображенням частини тіла пацієнта. Використовують зазвичай для попереднього дослідження стану внутрішніх органів пацієнтів за допомогою малих доз рентгенівського випромінювання.

Рентгенографія. (Радіографія рентгенівських променів). Це метод дослідження за допомогою рентгенівських променів, під час якого зображення записується на фотографічну плівку. Фотографії робляться зазвичай у двох перпендикулярних площинах. Цей метод має деякі переваги. Рентгенівські фотографії містять більше деталей, ніж зображення на флуоресцентному екрані, і тому є більш інформативними. Вони можуть бути збережені для подальшого аналізу. Загальна доза випромінювання менша, ніж застосовується в рентгеноскопії.

Комп'ютерна рентгенівська томографія . Оснащений обчислювальної техніки осьовий томографічний сканер є найсучаснішим апаратом рентгенодіагностики, який дозволяє отримати чітке зображення будь-якої частини людського тіла, включаючи м'які тканини органів.

Перше покоління комп'ютерних томографів (КТ) включає спеціальну рентгенівську трубку, що прикріплена до циліндричної рами. На пацієнта спрямовують тонкий пучок рентгенівських променів. Два детектори рентгенівських променів прикріплені до протилежного боку рами. Пацієнт знаходиться в центрі рами, яка може обертатися на 1800 навколо його тіла.

Рентгенівський промінь проходить через нерухомий об'єкт. Детектори отримують та записують показники поглинання різних тканин. Записи роблять 160 разів, поки рентгенівська трубка переміщається лінійно вздовж сканованої площини. Потім рама повертається на 10 і процедура повторюється. Запис триває, доки рама не повернеться на 180 0 . Кожен детектор записує 28 800 кадрів (180x160) протягом дослідження. Інформація обробляється комп'ютером, та за допомогою спеціальної комп'ютерної програми формується зображення вибраного шару.

Друге покоління КТ використовує кілька пучків рентгенівських променів та до 30 їх детекторів. Це дозволяє прискорити процес дослідження до 18 секунд.

У третьому поколінні КТ використовується новий принцип. Широкий пучок рентгенівських променів у формі віяла перекриває досліджуваний об'єкт, і рентгенівське випромінювання, що пройшло крізь тіло, записується декількома сотнями детекторів. Час, необхідний дослідження, скорочується до 5-6 секунд.

КТ має безліч переваг у порівнянні з більш ранніми методами рентгенодіагностики. Вона характеризується високою роздільною здатністю, яка дає можливість розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного у процесі діагностики пацієнтами.

Рентгенівським випромінюванням називають електромагнітні хвилі з довжиною приблизно від 80 до 10-5 нм. Найбільш довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим ультрафіолетовим, короткохвильове - довгохвильовим γ-випромінюванням. За способом збудження рентгенівське випромінювання поділяють на гальмівне та характеристичне.

31.1. ПРИСТРІЙ РЕНТГЕНІВСЬКОЇ ТРУБКИ. ГАЛЬМОВЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, яка є дво-електродним ваккумним приладом (рис. 31.1). Підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто антикатодом, має похилу поверхню, для того щоб направити рентгенівське випромінювання, що виникає. 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою або олією.

Для діагностичних трубок важливою є точковість джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати два протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних ділянках анода. Як один з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з анодом, що обертається (рис. 31.2).

Внаслідок гальмування електрона (або іншої зарядженої частинки) електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Механізм його можна пояснити так. З електричним зарядом, що рухається, пов'язане магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона. При гальмуванні зменшується магнітна

індукція та відповідно до теорії Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.

При гальмуванні електронів лише частина енергії йде створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається нагрівання анода. Оскільки співвідношення між цими частинами випадково, при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають суцільним. На рис. 31.3 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі λ (спектри) при різних напругах у рентгенівській трубці: U 1< U 2 < U 3 .

У кожному спектрі найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання λ ηίη виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона:

Зауважимо, що на основі (31.2) розроблено один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планки.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове, і називається жорстким,а довгохвильове - м'яким.

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як видно з рис. 31.3 та формули (31.3), і збільшують жорсткість.

Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів та сила струму у трубці. Це призведе до збільшення кількості фотонів рентгенівського випромінювання, що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його зміниться. На рис. 31.4 показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одному напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / н1< / н2 .

Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за такою формулою:

де Uі I -напруга та сила струму в рентгенівській трубці; Z- порядковий номер атома речовини аноду; k- Коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних антикатодів за однакових Uта I H , зображені на рис. 31.5.

31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧНЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. АТОМНІ РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна помітити на тлі суцільного спектра поява лінійчастого, який відповідає

характеристичного рентгенівського випромінювання(Рис. 31.6). Він виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають у глиб атома та з внутрішніх шарів вибивають електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів (рис. 31.7), внаслідок чого висвічуються фотони характеристичного випромінювання. Як видно з малюнка, характеристичне рентгенівське випромінювання складається із серій K, L, Мі т.д., найменування яких і послужило позначення електронних шарів. Так як при випромінюванні K-серії звільняються місця у більш високих шарах, одночасно випускаються і лінії інших серій.

На відміну від оптичних спектрів, характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. На рис. 31.8 показано спектри різних елементів. Однотипність цих спектрів обумовлена ​​тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, оскільки силова дія з боку ядра збільшується в міру зростання порядкового номера елемента. Ця обставина призводить до того, що характеристичні спектри зсуваються у бік великих частот із збільшенням заряду ядра. Така закономірність видно з рис. 31.8 і відома як закон Мозлі:

де v -частота спектральної лінії; Z-атомний номер випромінюючого елемента; Аі В- Постійні.

Є ще одна різниця між оптичними та рентгенівськими спектрами.

Характеристичний рентгенівський спектр атома залежить від хімічної сполуки, куди цей атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для, O 2 і Н 2 О, у той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівського спектру атома стала підставою для назви характеристичне.

Характеристичне випромінювання виникає завжди за наявності вільного місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причини, що його викликала. Так, наприклад, характеристичне випромінювання супроводжує один із видів радіоактивного розпаду (див. 32.1), який полягає у захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.

31.3. ВЗАЄМОДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів та молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії hvфотона та енергії іонізації 1 А і мають місце три головні процеси.

Когерентне (класичне) розсіювання

Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається переважно без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним.Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: hv< А в.

Так як у цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання та атома не змінюється, то когерентне розсіювання саме по собі не викликає біологічної дії. Проте за створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напряму первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення рентгеноструктурного аналізу (див. 24.7).

Некогерентне розсіювання (ефект Комптону)

У 1922 р. А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка порівняно з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більша, ніж падаючого. Розсіяння рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а саме явище - ефектом Комптон.Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv > А і.

Це зумовлено тим, що з взаємодії з атомом енергія hvфотона витрачається на утворення нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv",на відрив електрона від атома (енергія іонізації А і) та повідомлення електрону кінетичної енергії Є до:

hv = hv" + А і + Ек.(31.6)

1 Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну видалення внутрішніх електронів межі атома чи молекули.

Так як у багатьох випадках hv>> А та й ефект Комптона відбувається на вільних електронах, то можна записати приблизно:

hv = hv"+ EK .(31.7)

Істотно, що у цьому явищі (рис. 31.9) поряд із вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hvфотона) з'являються електрони віддачі (кінетична енергія Є доелектрону). Атоми чи молекули у своїй стають іонами.

Фотоефект

При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, у результаті вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізація).

Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступних вторинних, третинних і т.д. явищ. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла (рентгенолюмінесценція) тощо.

На рис. 31.10 наводиться схема можливих процесів, що виникають у разі потрапляння рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних до зображеного, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно-теплового руху. Через війну відбудуться зміни молекулярного складу речовини.

Процеси представлені схемою рис. 31.10 лежать в основі явищ, що спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перерахуємо деякі з них.

Рентгенолюмінесценція- Світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке світіння платиносинеродистого барію дозволило Рентгенові відкрити промені. Це використовують для створення спеціальних екранів, що світяться з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.

Відома хімічна дія рентгенівського випромінювання, наприклад, утворення перекису водню у воді. Практично важливий приклад – вплив на фотопластинку, що дозволяє фіксувати такі промені.

Іонізуюча дія проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Цю властивість використовують

у дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.

Внаслідок багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону (29.3). Запишемо його у вигляді:

I = I 0 е-/", (31.8)

де μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Його можна представити з трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню μ κ , некогерентному μ ΗΚ та фотоефекту μ ф:

μ = μ до + μ hk + μ ф. (31.9)

Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, якою цей потік проходить. Якщо стиснути речовину вздовж осі X,наприклад, в bраз, збільшивши в bраз його щільність, то

31.4. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У МЕДИЦІНІ

Одне з найважливіших медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів із діагностичною метою (Рентгенодіагностика).

Для діагностики використовують фотони з енергією близько 60-120 кэВ. При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення переважно визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третьому ступеню енергії фотона (пропорційно λ 3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третьому ступеню атомного номера речовини-поглинача:

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє у тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодіагностику використовують у двох варіантах: рентгеноскопія - зображення розглядають на рентгенолюмінесцентному екрані, рентгенографія - Зображення фіксується на фотоплівці.

Якщо досліджуваний орган та навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок та кишечник кашоподібною масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані та час експозиції на фотоплівці залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків. Тому є ряд технічних пристосувань, що покращують зображення за малих інтенсивностей рентгенівського випромінювання. Як приклад такого пристрою можна вказати електронно-оптичні перетворювачі (див. 27.8). При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії – флюорографія, при якій на чутливій малоформатній плівці фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцентного екрану. Під час зйомки використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим та перспективним варіантом рентгенографії є ​​метод, званий рентгенівською томографією, та його «машинний варіант» - Комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання.

Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи та тканини затінюють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно (рис. 31.11) у протифазі переміщувати рентгенівську трубку РТта фотоплівку Фпщодо об'єкту Продослідження. У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружечками малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1, 2 і т.д.) проходять че-

рез ту саму точку об'єкта, що є центром, щодо якого відбувається періодичний рух РТі Фп.Ця точка, точніше, невелике непрозоре включення, показана темним кружком. Його тіньове зображення переміщається разом із Фп,займаючи послідовно положення 1, 2 і т.д. Інші включення в тілі (кістки, ущільнення та ін) створюють на Фпдеякий загальний фон, оскільки рентгенівські промені який завжди затінюються ними. Змінюючи положення центру гойдання можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла. Звідси і назва томографія(Пошаровий запис).

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Фп),що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання (див. 32.5), та ЕОМ, обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати пошарові зображення тіла на екрані електронно-променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм за відмінності поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру та білу речовину мозку та бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

Відкриття і досягнення вивчення основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів, одразу набули величезного резонансу в ученому світі. Хоча тоді, далекого 1895 року, учений навряд міг припустити, яку користь, котрий іноді шкода може принести рентгенівське випромінювання.

Давайте з'ясуємо в цій статті, як цей вид випромінювання впливає на здоров'я людини.

Що таке рентгенівське випромінювання

Перше питання, яке зацікавило дослідника, - що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.

Застосування рентгенівського випромінювання

Всі перелічені аспекти руйнівного впливу таємничих X-променів зовсім не виключають напрочуд великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?

1. Вивчення структури молекул та кристалів.
2. Рентгенівська дефектоскопія (у промисловості виявлення дефектів у виробах).
3. Методи медичного дослідження та терапії.

Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими завдяки дуже малим довжинам всього діапазону цих хвиль та їх унікальним властивостям.

Оскільки нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження чи лікування, то далі ми розглядатимемо лише цю сферу застосування рентгену.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Незважаючи на особливе значення свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Уже Першої світової війни стали використовуватися рентгенівські установки, що дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів у медицині:

• рентгенодіагностика;
• рентгенотерапія.

Рентгенодіагностика

Рентгенодіагностика використовується у різних варіантах:

Розберемося на відміну від цих методів.

Всі перелічені методи діагностики засновані на здатності рентгенових променів засвічувати фотоплівку та на різній проникності їх для тканин та кісткового скелета.

Рентгенотерапія

Здатність рентгенових променів надавати біологічну дію на тканини, у медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуюча дія цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на клітини, що швидко діляться, якими і є клітини злоякісних пухлин.

Однак, слід знати і про побічні ефекти, що неминуче супроводжують рентгенотерапію. Справа в тому, що швидко діляться також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативно вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.

Вплив рентгенівського випромінювання на людину

Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.

Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак, генетики припускають, що такі наслідки можуть поширюватися і на організм людини.

Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандарти на допустимі дози опромінення.

Дози рентгенівського випромінювання при рентгенодіагностиці

Після відвідування рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації позначиться на здоров'ї?

Доза загального опромінення організму залежить від характеру процедури, що проводиться. Для зручності зіставлятимемо отримувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.

1. Рентгенографія: грудної клітки – отримана доза радіації еквівалентна 10 дням фонового опромінення; верхнього шлунка та тонкого кишечника – 3 рокам.
2. Комп'ютерна томографія органів черевної порожнини та тазу, а також всього тіла - 3 років.
3. Мамографія – 3 місяцях.
4. Рентгенографія кінцівок – практично нешкідлива.
5. Що стосується стоматологічного рентгену, доза опромінення – мінімальна, оскільки на пацієнта впливають вузькоспрямованим пучком рентгенівських променів із малою тривалістю випромінювання.

Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває тривоги, він має право попросити спеціальний захисний фартух.

Вплив рентгенівського випромінювання на вагітних

Рентгенівському обстеженню кожна людина змушена піддаватися неодноразово. Але є правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Ембріон, що розвивається, надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і, як наслідок, народження дітей із вадами розвитку. Найуразливішим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найнебезпечніший для майбутнього малюка рентген хребта, тазової та черевної області.

Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його у відповідальний період у житті жінки.

Проте є побічні джерела рентгенівських випромінювань:

• електронні мікроскопи;
• кінескопи кольорових телевізорів тощо.

Майбутнім мамам слід знати про небезпеку, що виходить від них.

Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не становить.

Що робити після рентгенівського випромінювання

Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:

• після рентгену випити склянку молока, - воно виводить малі дози радіації;
• дуже доречний прийом склянку сухого вина або виноградного соку;
• деякий час після процедури корисно збільшити частку продуктів з підвищеним вмістом йоду (морепродуктів).

Але ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!

Незважаючи на, безперечно, серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їхню небезпеку при медичних обстеженнях - вони проводяться лише на певних ділянках тіла і дуже швидко. Користь від них значно перевищує ризик цієї процедури для людського організму.