4. Использование рентгеновского излучения в медицине (рентгеноскопия, рентгенография, рентгеновская томография, флюорография, рентгенотерапия).

Одним из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в медицине является просвечивание внутренних органов с диагностической целью – рентгенодиагностика.

Для диагностики используются фотоны с энергией 60-120 кэВ. При этом массовый коэффициент поглощения определяется в основном фотоэффектом. Его значение пропорционально ³ (в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения) и пропорционально третьей степени номера атомов вещества – поглотителя: , где К–коэффициент пропорциональности.

Тело человека состоит из тканей и органов, имеющих различную поглощающую способность по отношению к рентгеновскому излучению. Поэтому при просвечивании его рентгеновскими лучами получается неоднородное теневое изображение на экране, которое дает картину расположения внутренних органов и тканей. Наиболее плотные поглощающее излучение ткани (сердце, крупные сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие ткани (легкие) – светлыми.

Во многих случаях можно при этом судить об их нормальном или патологическом состоянии. Рентгенодиагностика использует два основных метода: рентгеноскопию (просвечивание) и рентгенографию (снимок). Если исследуемый орган и окружающие его ткани примерно одинаково поглощают поток рентгеновского излучения, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, дают накануне рентгеновского исследования желудка или кишечника кашеобразную массу сульфата бария, в этом случае можно видеть их теневое изображение. При рентгеноскопии и рентгенографии рентгеновское изображение является суммарным изображением всей толщины объекта, через который проходят рентгеновские лучи. Наиболее четко очерчиваются те детали, которые ближе к экрану или пленке, а удаленные становятся нечеткими и размытыми. Если в каком-то органе есть патологически измененный участок, например, разрушение легочной ткани внутри обширного очага воспаления, то в ряде случаев этот участок на рентгенограмме в сумме теней может «потеряться». Чтобы сделать его видимым применяют специальный метод – томографию (послойная запись), которая позволяет получить снимки отдельных слоев изучаемой области. Такого рода послойные снимки–томограммы получают с помощью специального аппарата, называемого томографом, в котором периодически, совместно, в противофазе перемещают рентгеновскую трубку (РТ) и фотопленку (Фп) относительно области исследования. При этом рентгеновские лучи при любом положении РТ будут проходить через одну и ту же точку объекта (измененный участок), являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Теневое изображение участка будет зафиксировано на пленке. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойные изображения объекта. Используя тонкий пучек рентгеновского излучения, специальный экран (вместо Фп) состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения, можно с помощью ЭВМ обработать изображение при томографии. Такой современный вариант томографии называется компьютерной томографией. Томография широко применяется при исследовании легких, почек, желчного пузыря, желудка, костей и т.д.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависит от интенсивности рентгеновского излучения. При использовании его для диагностики интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательного биологического эффекта. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучающих яркость изображения при малых интенсивностях рентгеновского излучения. Одним из таких приспособлений является электронно-оптический преобразователь.

Другой пример – флюорография, при котором на чувствительной малоформатной пленке получается изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Флюорография сочетает в себе большую возможность обнаружения скрытно протекающих заболеваний (заболевания органов грудной клетки, желудочно-кишечного тракта, придаточных пазух носа и т.д.) со значительной пропускной способностью, в связи с чем является весьма эффективным методом массового (поточного) исследования.

Поскольку фотографирование рентгеновского изображения при флюорографии производится с помощью фотографической оптики, изображение на флюорограмме по сравнению с рентгеновским является уменьшенным. В связи с этим разрешающая способность флюорограммы (т.е. различимость мелких деталей) меньше, чем обычной рентгенограммы, однако, больше, чем при рентгеноскопии.

Сконструирован аппарат – томофлюорограф, позволяющий получать флюорограммы частей тела и отдельных органов на заданной глубине – так называемые послойные снимки (срезы) – томофлюорограммы.

Рентгеновское излучение используется также и для лечебных целей (рентгенотерапия). Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности клеток, особенно быстро развивающихся. В связи с этим рентгенотерапия применяется для воздействия на злокачественные опухоли. Можно подобрать дозу излучения достаточную для полного разрушения опухоли при относительно незначительном повреждении окружающих здоровых тканей, которые вследствие последующей регенерации восстанавливаются.

ЛЕКЦИЯ №27

РАДИОАКТИВНОСТЬ.

1. Основной закон радиоактивного распада. Активность.

Единицы активности.

Радиоактивностью называется свойство неустойчивых ядер некоторых элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием ионизирующего излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивный распад сопровождается незначительным выделением теплоты.

Различают радиоактивность искусственную и естественную.

Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называется радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций. Принципиального различия между естественной и искусственной радиоактивностью нет. Деление это условно, т.к. оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Особенностью радиоактивного распада является то, что ядра одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно в различные временные интервалы. Момент распада любого ядра не может быть указан заранее, однако, теория позволяет установить вероятность распада одного ядра за единицу времени, т.е. радиоактивный распад – это статистическое явление. При большой совокупности радиоактивных ядер можно получить статистический закон, выражающий зависимость количества не распавшихся ядер от времени.

Пусть за достаточно малый промежуток времени dt распадается dN ядер. Это число пропорционально интервалу времени dt, а также общему числу радиоактивных ядер, ещё не распавшихся к началу данного промежутка времени:

, (1)

где λ – постоянная распада (характеризует вероятность распада ядра в единицу времени и различная для различных радиоактивных ядер). Размерность постоянной распада c^-1. Знак минус указывает на убывание со временем величины N, т.е. dN<0. Выражение (1) представляет дифференциальное уравнение 1-го порядка с разделяющимися переменными. Разделим переменные и проинтегрируем с учётом того, что нижние пределы интегрирования соответствуют начальным условиям: при t=0, N=N₀, где N₀ – начальное количество радиоактивных ядер:

; ; ; ;

, (2)

т.е. число радиоактивных ядер, которые ещё не распались, убывают по экспоненциальному закону. Выражение (2) и есть основной закон радиоактивного распада. Если есть необходимость вычислить количество ΔN ядер, распавшихся к некоторому моменту времени t, то очевидно: .

С корость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада T. Это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер (рис.1). Установим связь между T и λ. Период полураспада можно определить из следующих соображений: при ; ; ; ; ; ; ; .

Период полураспада для различных элементов имеет значение от долей секунды до миллионов лет. Соответственно радиоактивные изотопы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы). Примеры: период полураспада Урана T=4,51·10⁹ лет; Лития T=0,89 секунды. Радиоактивные элементы чернобыльского выброса имеют период полураспада: - 26400 лет; - 30 лет; - 29 лет.

В условиях, когда радиоактивное излучение используется для каких-либо целей (например, в медицине), необходимо знать общее количество распадов в единицу времени в данном количестве (массе) радиоактивного элемента. Эта величина есть скорость распада и называется активностью (A). Она является существенной характеристикой радиоактивного препарата: , т.к. и , то . Начальная активность (t=0) . Тогда . Активность, рассчитанная на единицу массы изотопа, называется удельной активностью. Для растворов под удельной активностью понимают активность 1 мл радиоактивного раствора.

Активность препарата тем больше, чем больше радиоактивность ядер и чем меньше их период полураспада. Активность препарата во времени убывает по экспоненциальному закону.

Единица активности в СИ – Беккерель (Бк), что соответствует активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 секунду происходит 1 акт распада.

Наиболее употребляемой единицей является Кюри (Ки):

1Ки = 3,7·10¹⁰ Бк = 3,7·10¹⁰ с^-1.

Кроме этого существует ещё одна внесистемная единица - Резерфорд (Рд): 1Рд = 10⁶ Бк = 10⁶ с^-1.