Рентгеновское излучение: физика, свойства и медицина

Физические характеристики и параметры рентгеновского излучения. Для количественной и качественной оценки рентгеновского излучения рассматривают две его основные характеристики: интенсивность и жесткость.

Интенсивность рентгеновских лучей. Интенсивность рентгеновского излучения, как и любого электромагнитного излучения, обусловлена величиной энергии, переносимой излучением через единицу перпендикулярно расположенной площади в единицу времени. Для изменения интенсивности рентгеновских лучей необходимо регулировать ток накала катода (напряжение на катоде) рентгеновской трубки. Это приводит к изменению электронной эмиссии, возрастанию потока летящих электронов и, соответственно, к увеличению количества генерируемых рентгеновских квантов.

Жесткость рентгеновских лучей. Жесткость рентгеновского излучения определяется длиной его волны: чем короче длина волны, тем более жесткими являются лучи. Излучение с большей длиной волны называется мягким. Жесткость регулируется высоким напряжением на трубке (между анодом и катодом). При повышении ускоряющего напряжения возрастают скорость и кинетическая энергия электронов, летящих к аноду. Это приводит к более резкому торможению электронов при взаимодействии с веществом анода. Кроме того, высокоэнергетический электрон получает способность выбивать электроны с более глубоких внутренних орбит атома. Оба эти фактора приводят к уменьшению длины волны и возрастанию жесткости рентгеновского излучения.

Фундаментальные физические свойства рентгеновских лучей. Рентгеновское излучение обладает комплексом уникальных физико-химических и биологических свойств, обусловливающих его широкое практическое применение:

1. Прямолинейность распространения: рентгеновские лучи распространяются строго по прямым линиям. Это дает возможность использовать их для «просвечивания», так как формируемые теневые изображения исследуемого объекта оказываются геометрически аналогичными самому телу.

2. Отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях: данное свойство подтверждает электромагнитную природу излучения — рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами, а не потоком заряженных частиц.

3. Высокая проникающая способность: коэффициент поглощения рентгеновского излучения прямо пропорционален кубу порядкового номера элемента Z³ (в периодической системе Менделеева), кубу длины волны λ³ и зависит от толщины просвечиваемого тела. Элементы с большим атомным номером поглощают излучение значительно сильнее. Это приводит к тому, что на фоне мягких тканей организма (состоящих преимущественно из элементов с малым Z, главным образом воды) отчетливо контрастируют кости, содержащие большое количество кальция (Z = 20). Органы с низкой плотностью и малым Z (желудок, кишечник) становятся заметными на снимках при их заполнении контрастными веществами, например «бариевой кашей» (содержащей барий, Z = 56). Для повышения проникающей способности используют более жесткое излучение: его длина волны короче, и оно поглощается в тканях в кубически меньшей степени. Данное свойство лежит в основе рентгенодиагностики и промышленной дефектоскопии.

4. Способность вызывать фотолюминесценцию: рентгеновские лучи вызывают свечение (люминесценцию) ряда химических веществ, что используется в рентгеноскопии.

5. Фотохимическое действие: излучение вызывает химические превращения в эмульсии фотоматериалов (засвечивает фотопленку). Данное свойство лежит в основе рентгенографии.

6. Ионизирующее действие: рентгеновские лучи ионизируют атомы и молекулы среды, через которую проходят. Это свойство имеет ключевое значение для дозиметрии. Наиболее простым дозиметром является ионизирующая камера. В предварительно заряженной камере под действием рентгеновских лучей возникают ионы, разряжающие ее; по степени уменьшения заряда судят о дозе излучения.

7. Биологическое действие: выражается в воздействии излучения на живые ткани и клетки.

Биологическое действие и принципы радиационной защиты. Рентгеновский квант, взаимодействуя с веществом, выбивает из атома электрон и ионизирует среду. Обладая высокой энергией, первично выбитый электрон вызывает вторичную ионизацию соседних атомов. Этот процесс продолжается каскадно до тех пор, пока энергия электронов не снизится ниже ионизационного потенциала.

Биологические эффекты и рентгенотерапия. Наиболее чувствительны к ионизирующему излучению быстроделящиеся (пролиферирующие) клетки. Эту особенность необходимо учитывать при назначении диагностического просвечивания детям. В то же время данное свойство активно применяется в онкологии — рентгенотерапии. Злокачественные новообразования состоят из интенсивно делящихся клеток, для которых рентгеновское излучение губительно. Рационально подобранная доза позволяет разрушать опухолевые клетки с минимальным повреждением окружающих здоровых тканей (например, при лечении рака кожи). При лечении рака внутренних органов или для уничтожения единичных раковых клеток после хирургического удаления опухоли применяют глубокую рентгенотерапию жестким излучением, генерируемым при напряжении на трубке 200 кВ и выше.

Кумулятивный эффект и защита персонала. При длительном или повторном облучении организма развиваются патологические изменения. Опасность воздействия усугубляется тем, что рентгеновские лучи обладают кумулятивным действием (эффект облучения накапливается). В связи с этим требуется строгий дозиметрический контроль доз, получаемых пациентами и медицинским персоналом.

Исходя из закона поглощения рентгеновского излучения (пропорционального Z³), защита строится с использованием тяжелых элементов. Основным защитным материалом является свинец (Z = 82).

- Защита персонала: рентгеновскую трубку помещают в свинцовую капсулу с выходным отверстием (защитный кожух). Применяются свинцовые ширмы, стены с добавлением свинца, перчатки из просвинцованной резины и защитные смотровые стекла с высоким содержанием свинца, прозрачные для видимого света, но задерживающие X-лучи.

- Защита пациента: уменьшают время экспозиции и огранивают площадь облучения с помощью набора тубусов и диафрагм.

- Фильтрация излучения: спектр рентгеновского излучения содержит мягкую длинноволновую компоненту, которая полностью поглощается поверхностными тканями организма, не участвует в формировании изображения на экране и вызывает лучевые ожоги кожи. Для ее отсечения применяют фильтры (пластины из металлов). В диагностике (при напряжениях 40–100 кВ) используют алюминиевые фильтры, а в терапии (150–250 кВ) — медные фильтры.

Методы визуализации: рентгеноскопия и рентгенография. В основе методов визуализации лежит неравномерное ослабление пучка лучей при прохождении через неоднородные ткани организма.

Рис. 105. Схема получения рентгеновского изображения.

При проведении исследований исследуемый объект M помещается между рентгеновской трубкой T и регистрирующим устройством Э (рис. 105).

- Рентгеноскопия: в качестве регистратора используется рентгеновский флуоресцирующий экран. Современные экраны покрываются сульфидами цинка с добавлением активаторов (например, кадмия), дающими под действием рентгеновских лучей яркое желто-зеленое свечение, оптимально воспринимаемое глазом. Излучение, прошедшее вне тела (выше точки А и ниже точки Б), вызывает яркое свечение экрана. В области АБ пучок ослабляется телом M. Если деталь Д внутри тела поглощает лучи слабее окружающих тканей, экран за ней (участок ВГ) светится ярче; если деталь Д поглощает лучи сильнее, свечение экрана в этой зоне будет менее интенсивным, создавая контрастное теневое изображение.

- Рентгенография: вместо флуоресцирующего экрана устанавливается фотографическая пластинка или пленка. Зоны с большим прохождением лучей вызывают большее почернение эмульсии, а зоны с высоким поглощением — меньшее почернение.

На рентгенограмме отображается внутренняя структура органов. Поскольку каждый орган неоднороден по химическому составу и плотности, формируемая им тень имеет свой характерный рисунок. Изучение этой структуры составляет основу рентгеноанатомии — науки о нормальном строении человеческого тела в рентгеновском изображении. Сопоставляя снимки патологически измененных органов с рентгенограммами нормы, врач фиксирует отклонения и устанавливает диагноз.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.