Лекція №12. Рентгенівське випромінювання та його застосування в медицині

Рентгенівські промені були виявлені випадково в 1895 році відомим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядній трубці низького тиску за високої напруги між її електродами. Незважаючи на те, що трубка містилася в чорній скриньці, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, який випадково опинився поряд, щоразу світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати крізь папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки в півтора сантиметра.
 
Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, яке має велику проникну здатність. Вчений не міг визначити, чи було це випромінювання потоком частинок, чи хвиль, і вирішив дати йому назву X-промені. Згодом їх назвали рентгенівськими променями
 
Тепер відомо, що X-промені - вид електромагнітного випромінювання, яке має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нм до 10^-5нм. Чим коротша довжина хвилі X-променів, тим більша енергія їхніх фотонів і більша проникна здатність. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (понад 10 нм) називаються м'якими. Довжина хвилі 1 – 10нм характеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникну здатність.

Рентгенівські промені виникають, коли швидкі електрони, або катодні промені, зіштовхуються зі стінками або анодом газорозрядної трубки низького тиску. Сучасна рентгенівська трубка являє собою вакуумований скляний балон із розташованими в ньому катодом і анодом. Різниця потенціалів між катодом і анодом (антикатодом) сягає кількох сотень кіловольт. Катод являє собою вольфрамову нитку, яку нагрівають електричним струмом. Це призводить до випускання катодом електронів унаслідок термоелектронної емісії. Електрони прискорюються електричним полем у рентгенівській трубці. Оскільки в трубці дуже мало 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. Більша частина енергії електронів розсіюється у вигляді тепла. Тому анод необхідно штучно охолоджувати. Анод у рентгенівській трубці має бути виготовлений із металу, що має високу температуру плавлення, наприклад, із вольфраму.
 
Частина енергії, не розсіяна у формі тепла, перетворюється на енергію електромагнітних хвиль (рентгенівські промені). Таким чином, рентгенівські промені є результатом бомбардування електронами речовини анода. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівне і характеристичне.

Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає під час гальмування електронів, що рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів неоднакові. У результаті в енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їхньої кінетичної енергії.
 
Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання не залежить від природи речовини анода. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їхню частоту і довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання не є монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яку може бути подано суцільним (неперервним) спектром.

Рентгенівські промені не можуть мати енергію, більшу за кінетичну енергію електронів, які 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 має не суцільний, а лінійчастий спектр. Цей тип випромінювання виникає, коли швидкий електрон, досягаючи анода, проникає у внутрішні орбіталі атомів і вибиває один з їхніх електронів. У результаті з'являється вільне місце, яке може бути заповнене іншим електроном, що спускається з однієї з верхніх атомних орбіталей. Такий перехід електрона з вищого на нижчий енергетичний рівень спричиняє рентгенівське випромінювання певної дискретної довжини хвилі. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання має лінійчастий спектр. Частота ліній характеристичного випромінювання повністю залежить від структури електронних орбіталей атомів анода.
 
Лінії спектра характеристичного випромінювання різних хімічних елементів мають однаковий вигляд, оскільки структура їхніх внутрішніх електронних орбіталей ідентична. Але довжина їхньої хвилі і частота, завдяки енергетичним відмінностям між внутрішніми орбіталями важких і легких атомів.
 
Частота ліній спектра характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється відповідно до атомного номера металу і визначається рівнянням Мозлі: v^1/2=A(Z-B), де Z - атомний номер хімічного елемента, A і B - сталі.

Для первинної взаємодії між рентгенівським випромінюванням і речовиною характерні три механізми:
 
1. Когерентне розсіяння. Ця форма взаємодії відбувається, коли фотони рентгенівських променів мають меншу енергію, ніж енергія зв'язку електронів з ядром атома. У такому разі енергія фотона виявляється недостатньою для звільнення електронів з атомів речовини. Фотон не поглинається атомом, але змінює напрямок поширення. При цьому довжина хвилі рентгенівського випромінювання залишається незмінною.
 
2. Фотоелектричний ефект (фотоефект). Коли фотон рентгенівського випромінювання досягає атома речовини, він може вибити один з електронів. Це відбувається в тому разі, якщо енергія фотона перевищує енергію зв'язку електрона з ядром. При цьому фотон поглинається, а електрон вивільняється з атома. Якщо фотон несе більшу енергію, ніж потрібно для вивільнення електрона, він передасть решту енергії звільненому електрону у формі кінетичної енергії. Це явище, яке називають фотоелектричним ефектом, відбувається під час поглинання відносно низькоенергетичного рентгенівського випромінювання.
 
Атом, який втрачає один зі своїх електронів, стає позитивним іоном. Тривалість існування вільних електронів дуже коротка. 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 розсіяння (ефект Комптона). Цей ефект виявив американський фізик Комптон. Він відбувається, якщо речовина поглинає рентгенівські промені малої довжини хвилі. Енергія фотонів таких рентгенівських променів завжди більша, ніж енергія іонізації атомів речовини. Ефект Комптона 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 випромінюється у вигляді фотона рентгенівського випромінювання більшої довжини хвилі під певним кутом до напрямку руху первинного фотона. Вторинний фотон може іонізувати інший атом і т. д. Ці зміни напрямку і довжини хвилі рентгенівських променів відомі як ефект Комптона.

Як було згадано вище, рентгенівські промені здатні збуджувати атоми й молекули речовини. Це може спричиняти флуоресценцію певних речовин (наприклад, сульфату цинку). Якщо паралельний пучок рентгенівських променів спрямувати на непрозорі об'єкти, то можна спостерігати, як промені пройдуть крізь об'єкт,  поставивши екран, вкритий флуоресцентною речовиною.
 
Флуоресцентний екран можна замінити фотографічною плівкою. Рентгенівські промені діють на фотографічну емульсію так само, як і світло. Обидва методи використовуються в практичній медицині.
 
Іншим важливим ефектом рентгенівського випромінювання є його іонізуюча здатність. Вона залежить від 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.

Під час проходження рентгенівських променів крізь речовину їхня енергія зменшується внаслідок поглинання і розсіяння. Ослаблення інтенсивності паралельного пучка рентгенівських променів, що проходять крізь речовину, визначається законом Бугера:  I = I0·e^-μd, де I₀ - початкова інтенсивність рентгенівського випромінювання; I - інтенсивність рентгенівських променів, що пройшли крізь шар речовини, d – товщина шару, що поглинає, μ - лінійний коефіцієнт ослаблення. Він дорівнює сумі двох величин: t - лінійного коефіцієнта поглинання і σ - лінійного коефіцієнта розсіяння: μ = τ+σ

В експериментах виявлено, що лінійний коефіцієнт поглинання залежить від атомного номера речовини і довжини хвилі рентгенівських променів:
 
τ = kρZ³λ³,      де k - коефіцієнт прямої пропорційності, ρ  - густина речовини, Z – атомний номер елемента,  λ - довжина хвилі рентгенівських променів.
 
Залежність від Z дуже важлива з практичного погляду. Наприклад, коефіцієнт поглинання кісток, які складаються з фосфату кальцію, майже в 150 разів перевищує коефіцієнт поглинання м'яких тканин (Z=20 для кальцію і Z=15 для фосфору). Під час проходження рентгенівських променів крізь тіло людини кістки чітко виділяються на тлі м'язів, сполучної тканини тощо.
 
Відомо, що травні органи мають таку саму величину коефіцієнта поглинання, як і інші м'які тканини. Але тінь стравоходу, шлунка й кишківника можна розрізнити, якщо пацієнт прийме всередину контрастну речовину - сульфат барію (Z=56 для барію). Сульфат барію дуже непрозорий для рентгенівських променів і часто використовується для рентгенологічного обстеження шлунково-кишкового тракту. Певні непрозорі суміші вводять у кров'яне русло для того, щоб дослідити стан кровоносних судин, нирок тощо. Як контрастну речовину  в цьому випадку  використовують йод, атомний номер якого становить 53.
 
Залежність поглинання рентгенівських променів від Z використовують також для захисту від можливої шкідливої дії рентгенівського випромінювання. Для цієї мети застосовують свинець, величина Z якого дорівнює 82.

Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці стала його висока проникна здатність, одна з основних властивостей рентгенівського випромінювання. Спочатку після відкриття рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого для дослідження переломів кісток і визначення місцезнаходження сторонніх тіл (наприклад, куль) у тілі людини. Нині застосовують кілька методів діагностики за допомогою рентгенівських променів (рентгенодіагностика).
 
Рентгеноскопія. Рентгенівський прилад складається з джерела рентгенівських променів (рентгенівської трубки) і флуоресцентного екрана. Після проходження рентгенівських променів крізь тіло пацієнта лікар спостерігає його тіньове зображення. Між екраном і очима лікаря має бути встановлене свинцеве вікно для того, щоб захистити лікаря від шкідливої дії рентгенівських променів. Цей метод дає можливість вивчити функціональний стан деяких органів. Наприклад, лікар може безпосередньо простежити рухи легень, проходження контрастної речовини шлунково-кишковим трактом. Недоліки цього методу – недостатньо контрастні зображення і порівняно великі дози випромінювання, які отримує пацієнт під час процедури.
 
Флюорографія. Цей метод полягає в отриманні фотографії із зображенням частини тіла пацієнта. Використовують, як правило, 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 роблять зазвичай у двох перпендикулярних площинах. Цей метод має деякі переваги. Рентгенівські фотографії містять більше деталей, ніж зображення на флуоресцентному екрані, і тому вони більш інформативні. Їх можна зберегти для подальшого аналізу. Загальна доза випромінювання менша, ніж застосовувана в рентгеноскопії.
 
Комп'ютерна рентгенівська томографія. Осьовий томографічний сканер, оснащений обчислювальною технікою, є найсучаснішим апаратом рентгенодіагностики, який дає змогу отримати чітке зображення будь-якої частини людського тіла, включно з м'якими тканинами органів.
 
Перше покоління комп'ютерних томографів (КТ) включає спеціальну рентгенівську трубку, прикріплену до циліндричної рами. На пацієнта спрямовують тонкий пучок рентгенівських променів. Два детектори рентгенівських променів прикріплені до протилежного боку рами. Пацієнт перебуває в центрі рами, яка може обертатися на 180⁰ навколо його тіла.
 
Рентгенівський промінь проходить крізь нерухомий об'єкт. Детектори отримують і записують показники поглинання різних тканин. Записи роблять 160 разів, поки рентгенівська трубка переміщується лінійно вздовж площини сканування. Потім рама повертається на 1⁰, і процедура повторюється. Запис триває, доки рама не повернеться на 180⁰. Кожен детектор записує 28800 кадрів (180x160) протягом дослідження. Інформація обробляється комп'ютером, і за допомогою спеціальної комп'ютерної програми формується зображення вибраного шару.
 
Друге покоління КТ використовує кілька пучків рентгенівських променів і до 30 їхніх детекторів. Це дає змогу 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 кількома сотнями детекторів. Час, потрібний для дослідження, скорочується до 5-6 секунд.
 
КТ має безліч переваг порівняно з більш ранніми методами рентгенодіагностики. Вона характеризується високою роздільною здатністю, яка дає змогу розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які не можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дає змогу зменшити дозу рентгенівського випромінювання, яку отримують у процесі діагностики пацієнти.