Лекція
Методи рентгенологічних досліджень
Інтроскопія – (лат.intro всередині, грец. Σκοπέω –дивлюсь; дослівний переклад дивлюсь всередину) – неінвазивне дослідження внутрішньої структури обєкту і процесів, що перебігають в ньому з допомогою звукових хвиль, електромагнітного випромінювання різних діапазонів, постійного і змінного електромагнітного поля і потоків елементарних частинок.
Візуалізація внутрішніх органів (інтроскопія), недоступних для прямої діагностики, дозволяє лікарям оглядово аналізувати зображення органів і ставити діагнози. Не завжди тільки за допомогою двомірних перетинів можливо представити весь орган і його дефекти. Для цього двомірні перетини повинні бути представлені у такому вигляді, як бачить органи хірург або анатом. Це також завдання візуалізації.
Сучасна медична інтроскопія має в своєму арсеналі сотні різноманітних приладів, що використовують рентгенівське випромінювання (рентгенівська діагностика), гамма-випромінювання штучних радіоактивних ізотопів (ізотопна діагностика), інфрачервоне випромінювання людського тіла (теплобачення).
Рентге́нівське випромі́нювання
Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х-промені - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 10 нм до 0.01 нм. В електромагнітному спектрі діапазон частот рентгенівського випромінювання лежить між ультрафіолетом та гама-променями. Рентгенівське випромінювання виникає від різкого гальмування руху швидких електронів у речовині, при енергетичних переходах внутрішніх електронів атома. Воно використовується у науці, техніці, медицині.
Назва рентгенівське випромінювання походить від прізвища німецького фізика Вільгельма Конрада Рентґена. Інша назва - пулюївське випромінювання походить від імені українського фізика Івана Пулюя. Ряд вітчизняних і зарубіжних вчених вважають, що пріоритет винаходу Х-променів належить видатному українському вченому Івану Пулюю, який вперше застосував і дослідив їх у 1892 р.
Історична довідка про видатного вченого і.Пулюя
Іван Пулюй народився 2 лютого 1845 року в селі Гримайлів на Тернопільщині. закінчив богословський факультет та фізико-математичне відділення філософського факультету Віденського університету з відзнакою.
Іван Пулюй, як справжній український патріот, спробував почати свою наукову діяльність в Київському університеті, відіславши запит на кафедру фізики. Але, його захопленість українською культурою йому зашкодила - він отримав відмову, оскільки поліція Російської імперії вважала його неблагонадійним (Київ тоді був у складі Російської імперії). Отримавши відмову, молодий вчений залишається у Віденському університеті на скромній посаді асистента на кафедрі фізики, потім якийсь час він викладає фізику у Військово-морській академії в місті Фіумі (нині хорватське місто Рієка). В 1875 році Іван Пулюй стає стипендіатом австрійського Міністерства освіти і його відряджають удосконалювати свої професійні знання в Страсбургській університет до професора Августа Кундта. Там вперше і відбулася його зустріч з Вільгельмом-Конрадом Рентгеном, який був у той час асистентом професора Кундта. Саме там Він почав цікавитися явищами, породжуваними електричним струмом у вакуумі.
Успіхи на науковій ниві дозволили Івану Пулюю в 1877 році одержати ступінь доктора натуральної філософії Страсбургського університету, що стало першим визнанням його таланту науковою громадськістю.
Після повернення із Страсбурга до Відня доктор Пулюй працює у Віденському університеті на посаді приват-доцента, і, присвячуючи все більше часу проблемам електротехніки, продовжує займатися вивченням явищ в трубках. Успіх приходить досить швидко. Фізик винаходить так звану "лампу Пулюя" - прилад, в якій був встановлений антикатод. Антикатод був вмонтованою в трубку слюдяною пластинкою. Лампа створювала невидиме випромінювання, яке можна було зробити видимим за допомогою барієво-платиново-ціаністого екрану. Результати експериментів з лампою Пулюй публікує у "Віснику Віденської Академії наук" (1880-1882). Зокрема, заслуговує на увагу стаття «Сяюча матерія і четвертий стан речовини». Крім того, в 1890 – 1895-их роках в декількох європейських часописах були опубліковані знімки, одержані Пулюєм під час експериментів з лампою: знімок миші, руки дочки вченого, під якою чітко була видна шпилька.
11 січня празька газета Воhеmiа публікує матеріал під назвою "Відкриття Рентгеном нових властивостей так званого катодного випромінювання". Рентген з'ясував, що назовні з вакуумної трубки, по якій проходить струм, виходять якісь промені, названі ним, унаслідок відсутності у першовідкривача ясного уявлення про їх природу, Х-променями. Газетна публікація у Воhеmiа посилалася на статтю Рентгена під назвою "Про новий тип випромінювання" опубліковану 28-го грудня 1895 року в журналі Вюрцбургського фізико-медичного товариства. Пулюй, прочитавши дані повідомлення, із здивуванням побачив, що його давнішній знайомий Рентген жодним словом не згадав про нього. Він написав Рентгену лист з питанням, чи використовував він в своїх дослідженнях над Х-променями його лампу, але цей лист залишився без відповіді.
Через декілька днів після цього Іван Павлович Пулюй зробив доповідь про випромінювання в Празькій політехніці. Потім видав другу свою працю про Х- випромінювання "Про виникнення рентгенівського випромінювання його фотографічний ефект", в якій глибоко проаналізував природу і механізм виникнення цього випромінювання. В своїй публікації Пулюй довів, що нове випромінювання утворюється в тих місцях твердих тіл, куди потрапляє катодне випромінювання. Цим він підтверджував вірність висновків Рентгена. Для удосконалення конструкцій апаратів, що генерують Х-випромінювання, стаття мала величезне значення. Проте ще більш важливим моментом було розуміння Пулюєм механізму виникнення випромінювання як мікроскопічного процесу, що відбувається внаслідок взаємодії вирваних з катода негативно заряджених частинок з молекулами або атомами речовин. В звітах Рентгена про це не сказано жодного слова. Альберт Ейнштейн, дізнавшись про історію з Х-променями сказав: "Не можу Вас нічим утішити: що відбулося - не змінити. Хай залишається при Вас сатисфакція, що і Ви вклали свою частинку в епохальне відкриття. Хіба цього мало? А якщо на тверезу голову, то все має логіку. Хто стоїть за Вами, русинами, - яка культура, які акції? Прикро Вам це слухати, але куди подінешся від своєї долі? А за Рентгеном - вся Європа". Відповідь Пулюя була така: "Що повинне відбутися - відбудеться обов'язково, і те, що відбудеться, буде якнайкращим, тому що така воля Господня!"
Як не було це важко, але Пулюй визнав першість за Рентгеном і не став заперечувати навіть тоді, коли Рентгену вручили Нобелівську премію. Рентген же, за свідченням вчених того часу, всіляко ухилявся від пояснення природи свого відкриття і навіть не виступив з передбаченою протоколом промовою, на церемонії вручення Нобелівської премії. Він стверджував, що відкриття Х-променів здійснив 8 листопада 1895 року, затримавшись в лабораторії після того, як пішли всі асистенти. Відкриття відбулося випадково, коли він звернув увагу, що після включення струму в катодній трубці, закритій з усіх боків щільним чорним папером, кристали платиноціаністого барія, що лежали поруч, почали світитися зеленуватим світлом.
Сам Рентген спочатку скептично ставився до можливості широкого вживання Х-променів в медицині. Знімки, отримані ним, були невиразними, а через значне розсіювання променів час експонування розтягувався до 40-50 хвилин. Окрім зображення кисті руки дружини Рентгена Берти і зображення зламаного передпліччя, відісланого 15 лютого 1896 р. "Британському медичному журналу", знімків придатних для медичної діагностики Рентген не робив. В той же час Пулюй успішно розв'язав проблему концентрації променів в пучок і зміг скоротити час витримки до 2-5 секунд. Іван Павлович особисто зробив вперше в світовій практиці знімок скелета мертвонародженої дитини. Виконана ним серія знімків органів людини, завдяки їх чіткості, дозволила виявити патологічні зміни в тілах пацієнтів, що не тільки підняло на радикально новий рівень хірургію, але і дозволило значно полегшити працю терапевтів. Вже у 1896 році в клініці Київського університету була проведена операція із залученням засобів променевої діагностики. По суті, Пулюй стояв біля витоків медичної рентгенографії, яку, можливо, слід було б назвати "пулюєграфією".
Паралельно з науковими дослідженнями, Іван Павлович Пулюй продовжував займатися культурною діяльністю. Разом з Пантелеймоном Кулішем і Іваном Нечуй-Левицьким Іван Пулюй зробив перший переклад українською Нового і Старого Завіту, виданих в 1903 році Британським біблійним товариством. Він активно підтримував відкриття українського університету в Львові і публікував статті, в підтримку української мови. На посаді професора І. П. Пулюй організував стипендії для українських студентів в Австро-Угорщині. Був дійсним членом Наукового товариства імені Шевченка.
Серед учених-фізиків XIX століття, Пулюй користувався заслуженим авторитетом і визнанням, але чому наукова громадськість не "помітила" його відкриття, зробленого на 14 років раніше Рентгена - не зрозуміло. Деякі дослідники пояснюють цей факт тим, що Пулюй при описі в наукових публікаціях, винайденої ним лампи, не зовсім ясно висловлював свої ідеї і використовував застарілу термінологію. Залишимо можливість підтвердити або спростувати цю тезу фахівцям. Праці Пулюя в оригіналі без особливих зусиль можна знайти в архівах Празького університету, крім того в багатьох європейських університетах збереглися підшивки наукових журналів тих часів, існують переклади його статей англійською і українською мовами.
Необхідно також відзначити, що в подібній ситуації опинився і добрий знайомий Івана Пулюя - сербський фізик Нікола Тесла, чий пріоритет винаходу радіо також свого часу "не помітили". Проте, на відміну від Тесли, що прагнув запатентувати всі свої винаходи і привернути увагу спонсорів з числа промисловців готових їх упроваджувати, Іван Пулюй мав небагато патентів. Саме завдяки наявності патенту в 1943 році судом був підтверджений пріоритет винаходу радіо Теслою, а не Марконі, який одержав свій патент на декілька років пізніше, і не Поповим, який в своїх дослідах використовував антену Тесли. Але Пулюй відмовився патентувати свою унікальну катодну лампу, що, схоже, стало його фатальною помилкою. Тепер нам залишається тільки сподіватися, що коли-небудь справедливість переможе, і наукова громадськість все ж таки визнає першість відкриття Х-променів за Іваном Павловичем Пулюєм.
Рентгенівське проміння
Рентгенівське проміння виникає при бомбардуванні швидкими електронами пластинки анода в електронно-променевій трубці. Розрізняють суцільний та характеристичний спектри випромінювання. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівне і характеристичне.
Гальмівне випромінювання
Якщо енергія електронів, які падають на анод, менша за певну властиву матеріалу анода величину, то спостерігається тільки гальмівне випромінювання.
Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, які рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів не однакові. В результаті в енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їх кінетичної енергії.
Спектр цього випромінювання не залежить від матеріалу анода, спочатку його інтенсивність росте за частотою, досягає максимуму й потім зменшується. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їх частоту і довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання не є монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яке може бути представлене суцільним (безперервним) спектром.
Рентгенівські промені не можуть мати енергію більшу, ніж кінетична енергія електронів, що їх створюють. Найменша довжина хвилі рентгенівського випромінювання відповідає максимальній кінетичній енергії електронів, що гальмуються. Чим більше різниця потенціалів в рентгенівській трубці, тим менші довжини хвилі рентгенівського випромінювання можна отримати.
Характеристичне випромінювання виникає при більших прикладених напругах. Свою назву воно отримало завдяки тому факту, що воно характеризує матеріал анода. Характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр. Воно відповідає квантовомеханічним переходам між різними орбіталями атомів. При зіткненні електронів із анодом, вони можуть вибити із атомів анода внутрішній електрон. Характеристичне випромінювання виникає, коли один із зовнішніх електронів переходить на звільнену орбіталь. Спектральні лінії характеристичного випромінювання розбиваються на серії, які позначають великими латинськими літерами K, L, M, N.
Природу лінійчатого спектру характеристичного рентгенівського випромінювання можна зрозуміти, виходячи з уявлень про будову атома. Кількість електронів у атомах визначається зарядом їхніх ядер. Згідно з положеннями квантової механіки ці електрони можуть мати лише певні дискретні значення енергії й розташовуватися на певних орбіталях. Зовнішні електрони атомів визначають їхні хімічні властивості та оптичні спектри. Електрони внутрішніх оболонок обертаються навколо ядер із великою швидкістю та володіють значною енергією. Значення цієї енергії характерне для кожного хімічного елемента й для кожної орбіталі у ньому. Оскільки внутрішні електрони атомів не беруть участі в хімічних зв'язках, то їхня енергія не змінюється в залежності від сполуки, до якої входить той чи інший хімічний елемент.
Частота ліній спектру характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється у відповідність з атомним номером металу і визначається рівнянням Мозлі: v1/2=a(Z-B), де Z - атомний номер хімічного елементу, A і B - константи.
Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці послужила їх висока проникаюча здатність. Спочатку після відкриття, рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого, для дослідження переломів кісток і визначення місцеположення чужорідних тіл (наприклад, куль) в тілі людини. В даний час застосовують декілька методів діагностики за допомогою рентгенівських променів (рентгенодіагностика).