Рентгеновское излучение и его применение в медицине

Положение на шкале электромагнитных волн

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов — эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения — рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо связанных в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны характеристического (то есть испускаемого при переходах в электронных оболочках атомов) рентгеновского излучения имеют энергию от 10 до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 2·1015 до 6·1019 и длиной волны 0,005—100 (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткое рентгеновское излучение обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жёсткое рентгеновское излучение используется преимущественно в промышленных целях. Условная граница между мягким и жёстким рентгеновским излучением на шкале длин волн находится около 2 Å (≈6 кэВ)[1].

Как защититься от нежелательных последствий?

Существует три способа обезопаситься от вредоносного воздействия ионизирующего излучения:

• Время и промежутки между исследованиями – если не превышать рекомендуемые нормы и проводить сканирование согласно радиационному паспорту, организму не будет нанесено никакого вреда. Имеет значение и длительность исследования, поэтому желательно обследоваться у профессионалов, способных максимально сократить время нахождения пациента в радиоактивной среде.
• Меры индивидуальной защиты – рентгеновские лучи действуют не точечно, а рассеиваясь, поэтому возрастает риск облучения соседних зон. Именно поэтому в ходе сканирования рекомендуется надевать специальные свинцовые фартуки, способные отражать вредные лучи.

Лабораторные источники

Рентгеновские трубки

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, Uh
— напряжение накала катода,
Ua
— ускоряющее напряжение, Win — впуск водяного охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом

). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: ν = A ( Z − B ) , {\displaystyle {\sqrt {\nu }}=A(Z-B),} где
Z
— атомный номер элемента анода,
A
и
B
— константы для определённого значения главного квантового числа
n
электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.

Трубка Крукса.
В процессе ускорения-торможения лишь около 1 кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.

Ускорители частиц

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Так называемое синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.
Длины волн спектральных линий K-серий () для ряда анодных материалов.[2],[3]

Взаимодействие с веществом

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности, выяснилось, что их хорошо отражает алмаз[4].

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I

0
e-kd
, где
d
— толщина слоя, коэффициент
k
пропорционален
Z
³λ³,
Z
— атомный номер элемента, λ — длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

• Под фотопоглощением
  понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует
  граница поглощения
  . Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
• Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние
  . В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона[5].

Биологическое воздействие

Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Регистрация

• Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивают светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
• Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также, как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30—100 раз большая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
• В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n-переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
• Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).

Возможные последствия рентгенографии

Вреден ли рентген, и какие могут быть последствия от превышения рекомендуемых норм? Как уже было сказано, наиболее чувствительными к радиации являются органы кроветворения, поэтому возможны следующие отклонения:

• Незначительные изменения состава крови после невысоких доз облучения.
• Лейкемия – снижение числа лейкоцитов и нарушение их строения, за счет чего организм становится уязвимым, снижается иммунитет и возникают перебои в работе всего организма.
• Эритроцитопения – падение уровня эритроцитов (красных кровяных телец), отвечающих за транспортировку кислорода. В результате этого органы и ткани начинают испытывать кислородное голодание.
• Тромбоцитопения – снижение числа тромбоцитов, функция которых заключается в свертывании крови. Вследствие этого возрастает риск кровотечений.

Помимо этого, частое проведение рентгенографии может вызвать и другие патологии:

• Рост злокачественных новообразований (больше всего этому подвержены кожа, кости, молочные железы, яичники, кровь, щитовидная железа и легкие).
• Преждевременное старение кожи и всего организма.
• Патологические процессы в хрусталике с последующим развитием катаракты.
• Иммуносупрессия вплоть до иммунодефицита, в результате чего организм становится восприимчивым к различным инфекциям.
• Нарушение обменных процессов.
• Импотенция у мужчин и поражение яйцеклеток у женщин.
• У детей – нарушение физического и умственного развития.

Для того чтобы понять, насколько вреден рентген, следует знать, что ионизирующее излучение становится опасным только при длительном интенсивном воздействии. Использование рентгенографии в диагностических целях предусматривает кратковременное облучение низкими дозами. Современная медицинская аппаратура и вовсе оборудована цифровыми датчиками, снижающими уровень лучевой нагрузки в несколько раз, поэтому диагностика при помощи рентгена считается относительно безопасной даже в случае многократного сканирования. Выявлено, что однократное облучение цифровым рентгеном увеличивает риски развития злокачественных новообразований не более чем на 0,001%, а это очень мало.

Применение

• При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентгенография и рентгеноскопия). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z
  = 20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (
  Z
  = 1), углерода (
  Z
  = 6), азота (
  Z
  = 7), кислорода (
  Z
  = 8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

• Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

• В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллах (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

• При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.

• В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

• Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кВ и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия). Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

Естественное рентгеновское излучение

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате Комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как «Чандра» и «XMM-Ньютон».

Что вреднее – Манту или рентген?

На сегодняшний день практикующие медицинские специалисты уделяют большое внимание вопросу выявления заражения населения микобактерией туберкулеза и диагностирования заболевания на ранних этапах развития.

Детям ежегодно проводится проба Манту, у взрослых людей диагностику осуществляют при помощи таких исследований:

• профилактической флюорографии;
• обзорного рентгенографического исследования;
• бактериологического анализа мокроты;
• компьютерной или магнитно-резонансной томографии.

Реакция Манту – это введение в детский организм малой дозы продуктов жизнедеятельности туберкулезной микобактерии, которая вызывает иммунный ответ. Степень реакции организма ребенка соответствует наличию инфицирования.

Туберкулиновая проба имеет ряд отрицательных моментов. Величина постинъекционной папулы зависит от реактивности детского организма. При наличии у маленького пациента аллергии отмечается бурный иммунный ответ – размер пятнышка превышает допустимые 5 мм. Ослабление иммунной системы может привести к тому, что результат реакции можно оценить как негативный даже при наличии инфекции.

Диагностическую процедуру необходимо проводить в противотуберкулезном диспансере. Однако ее часто осуществляют в детских учреждениях, в которых персонал недостаточно хорошо владеет техникой выполнения пробы.

К тому же на место введения туберкулина не должна попадать вода, его нельзя тереть или травмировать, а дети не всегда выполняют такие требования. Это приводит к ложнопозитивной реакции.

Несмотря на малую дозу диагностической пробы, у ребенка, имеющего определенную восприимчивость, могут развиться клинические проявления аллергической реакции:

Низкая специфичность – точность метода не превышает 50%. Позитивный результат пробы наблюдается также после проведения прививки от туберкулеза (БЦЖ), которая стимулирует продукцию иммунных антител, обеспечивающих защиту организма при «встрече» с возбудителем заболевания, заражения непатогенными формами Тuberculosismycobacterium. Однако данную методику еще широко применяют детские фтизиатры из-за ее простоты и доступности.

История открытия

Сделанная В. К. Рентгеном фотография (рентгенограмма) руки Альберта фон Кёлликера.
Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Изучая экспериментально катодные лучи, 8 ноября 1895 года он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки картон, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в тёмной комнате. В течение нескольких следующих недель он изучил все основные свойства вновь открытого излучения, названного им X-лучами («икс-лучами»). 22 декабря 1895 года Рентген сделал первое публичное сообщение о своём открытии в Физическом институте Вюрцбургского университета[6]. 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей»[7].

Но ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.

Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа). За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи, хотя словосочетания, аналогичные русскому, (англ. Roentgen rays и т. п.) также употребляются. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.

Признаки облучения человека рентгеном

Самыми распространёнными формами лучевого отравления считаются желудочно-кишечный и костномозговой уровни воздействия, при которых происходят тяжёлые изменения в работе организма.

Основные признаки облучения рентгеном приведены в таблице.

При появлении вышеперечисленных симптомов следует немедленно обратиться к врачу.

Примечания

1. ↑ 12Блохин М.А.
   Рентгеновское излучение // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — С. 375—377. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
2. CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th ed. David R. Lide P.10-227. CRC Press ISBN 0-8493-0475-X
3. Crystallographica, v1.60a. Oxford Cryosystems 1995—1999.
4. Юрий Ерин.
   Подтверждена высокая отражательная способность алмаза в диапазоне жесткого рентгеновского излучения. Элементы — новости науки (03.03.2010). Проверено 11 мая 2010. Архивировано 27 августа 2011 года.
5. Рассеяние рентгеновского излучения на слоистых наносистемах с шероховатыми интерфейсами. — Наносистемы, 2012
6. Манолов К., Тютюнник В.
   Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М.: Мир, 1984. — С. 17—18. — 246 с.
7. W. C. Röntgen.
   Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.