 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Ставропольский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
Кафедра медицинской радиологии с курсом ДПО
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ РЕНТГЕНОЛОГИИ
Учебно-методическое пособие
Авторы:
Боева О.И., Чернышева А.А.
Соавторы:
Акопян Г.Б., Гужева К.А.
В учебно-методическом пособии освещены новейшие научные данные по вопросам традиционной рентгенодиагностики, рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Изложены физико-технические основы медицинской рентгенологии, возможности отдельных технологий медицинской визуализации при исследовании различных органов и систем. Представлены их ограничения и недостатки.
Рассмотрены аспекты радиационной безопасности при применении различных методов лучевой диагностики.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех факультетов медицинских вузов, врачей-интернов и клинических ординаторов.
Ставрополь, 2016
Оглавление
История открытия Х-лучей
Свойства рентгеновского излучения
Устройство рентгеновской трубки. Образование рентгеновского излучения
Устройство аналогового рентгенодиагностического аппарата
Процесс создания R-снимка
Критерии качественного снимка
Устройство цифрового рентгеновского аппарата
Рентгеноскопия
Контрастирование
Биологическое действие рентгеновского излучения. Дозы. Противолучевая защита
Показания/противопоказания к использованию методики
Библиографический список
Линейная томография
История возникновения КТ. Поколения КТ
Устройство КТ
Процесс создания изображения
Сбор данных
Реконструкция
МСКТ и другие методики
Качество изображений
Анализ изображений
Артефакты
Преимущества и недостатки КТ
Показания/противопоказания к использованию методики
Библиографический список
Магнитно-резонансный томограф
История возникновения МРТ
Явление ядерно-магнитного резонанса (основы квантовой физики)
Процесс сканирования, создания МР изображения
Релаксация Т1/Т2
Кодирование сигнала
К-пространство
Импульсные последовательности
Контрастирование
-
Набор параметров, необходимых к пониманию каждым оператором
Устройство МРТ
Артефакты
Преимущество/недостатки МРТ
Показания/противопоказания к использованию исследования
Библиографический список
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
История открытия
В январе 1896 г. мир узнал о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена. Немецкий физик,и без того уже снискавший в научных кругах того времени репутацию «тонкого классического физика-экспериментатора», в 1894 г приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках.
Вечером 8 ноября 1895 г. Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет, и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказалось, светился экран из синеродистого бария. Но почему он светится? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызывать свечения, катодная трубка выключена, да и вдобавок закрыта черным чехлом из картона. Рентген еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, он забыл ее выключить. Нащупав рубильник, ученый выключил трубку. Исчезло и свечение экрана; включил трубку вновь — и вновь появилось свечение. Значит, свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи задерживаются чехлом, да и метровая прослойка из воздуха между трубкой и экраном для них является непреодолимым препятствием. Рентген начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные им Х-лучами. Оставив футляр на трубке, чтобы катодные лучи были закрыты, он с экраном в руках начал двигаться по лаборатории. Оказывается, полтора-два метра для этих неизвестных лучей не преграда. Они легко проникают через книгу, стекло, станиоль… А когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране силуэт ее костей! Жутковато! Фантастично! Следующим шагом Рентгена был шаг к шкафу, где лежали фотопластинки: увиденное нужно было закрепить на снимке. Ученый выявил, что лучи засвечивают пластинку.
Утром обессиленный Рентген ушел домой, чтобы немного передохнуть, а потом вновь начать работать с неизвестными лучами. Большинство ученых уже на данном этапе опубликовали бы сообщение об открытии. Рентген же полагал, что сообщение произведеткуда большее впечатление, если удастся привести какие-то данные об их свойствах и природе. Поэтому он в течение нескольких месяцев напряженно работал, проверяя все предположения, которые только приходили ему в голову. 
28 декабря 1895 г. Рентген решил ознакомить своих коллег с проделанной работой. На 30 страничной брошюре «О новом роде лучей. Предварительное сообщение» он описал выполненные опыты и разослал ее вместе с фотографиями ведущим физикам Европы.
В течение следующего года Рентген выступил еще с двумя сообщениями, в которых дал исчерпывающее описание природы открытых лучей. В нем он описал опыты по ионизирующему действию лучей и по изучению возбуждения Х-лучей различными телами. Необходимо отметить, что Рентген пользовался катодно-лучевой трубкой, разработанной Й. Хитторфом и В. Круксом, впоследствии модернизировав ее и установив общие принципы строения рентгеновской трубки.
Открытие Рентгена вызвало огромный резонанс во многихстранах. В Санкт-Петербурге, например, уже 22 января 1896 г. опыты Рентгена были воспроизведены во время лекции по физике в аудитории университета.
Рентген не взял патента, подарив свое открытие всему человечеству. Это дало возможность конструкторам разных стран мира беспрепятственно изобретать разнообразные рентгеновские аппараты а также проводить дальнейшие исследования (в числе которых, например:
Чарльз Баркл: измерения рассеянных лучей с использованием способности лучей Рентгена разряжать наэлектризованные тела - Нобелевская премия 1917 г.;
Лауэ: дифракция рентгеновских лучей - Нобелевская премия 1914 г.;
отец и сын Брэгги: точное определение расстояния между атомами в кристаллах с помощью рентгеновских лучей - Нобелевская премия 1915 г.), благодаря которым информация о Х лучах копилась.
Новоявленное физическое явление прочно утверждало свои позиции в научной и технологической жизни человечества: с помощью рентгеновских лучей можно было исследовать строение кристаллов, выявлять сдвиги цепочек атомов в глубине непрозрачных для света металлов и полупроводников. Рентгеновская дефектоскопия пригодилась в технологическом производстве (выявление дефектов в сварочных швах, деталях и тп.).Более того, мощные источники лучей Рентгена были найдены вне пределов Земли (в недрах новых и сверхновых звезд идут процессы, во время которых возникает рентгеновское излучение большой интенсивности. Измеряя приходящие к Земле потоки рентгеновского излучения, астрономы могут судить о явлениях, происходящих за многие миллиарды километров от нашей планеты.) – возникла новая область науки – рентгеноастрономия…
Но, пожалуй, врачи нашли им лучшее применение: ведь, с помощью рентгеновских лучей можно заглянуть внутрь живого организма. Вскоре они смогли не только судить о недугах пациентов, но и лечить – появилась рентгенотерапия.
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. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена – Абрама Фёдоровича Иоффе.
Однако, необходимо отметить, что с данным физическим явлением до Рентгена сталкивались многие – например, ещё за 8 лет до описанных выше событий - в 1887 году–ученый Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм – и из-за этого не придал серьёзного значения этому явлению.
Свойства рентгеновского излучения
Рентгеновские лучи являются одним из видов электромагнитных волн, энергия фотонов которых в общеволновом спектре занимает место между ультрафиолетовыми лучами и γ-лучами (см. рис.). Они отличаются от радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения меньшей длиной волны.
Рентгеновские лучи невидимы.
Скорость распространения рентгеновских лучей равна скорости света - 300 000 км/с.
Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно, поэтому рентгеновское изображение всегда повторяет форму исследуемого объекта. Они нейтральны, т.е. не отклоняются в электрическом, либо магнитном поле.
Рентгеновские лучи обладают типичными волновыми свойствами - они способны, например:
поглощаться (часть рентгеновских лучей с наибольшей длиной волны исчезает, полностью передавая свою энергию веществу)
рассеиваться (часть лучей при прохождении границы раздела сред отклоняется от первоначального направления.Рассеянное рентгеновское излучение не несет полезной информации.)
поляризовываться (изменение характеристик векторов напряженности электрического поля и магнитной индукции при распространении в определенной плоскости).
Для рентгеновских лучей, как и для остальных электромагнитных волн, характерныдифракция и интерференция.
Рентгеновские лучи обладают проникающей способностью обратно пропорциональной плотности среды.
Рентгеновские лучи, проходя через некоторые вещества, вызывают их флюоресценцию (свечение). Вещества, обладающие этим свойством, называются люминофорами и широко применяются в рентгенологии (рентгеноскопия, флюорография).
Рентгеновские лучи оказывают фотохимическое действие. Как и видимый свет, попадая на фотографическую эмульсию, они воздействуют на галогениды серебра, вызывая химическую реакцию восстановления серебра. На этом основана регистрация изображения на фоточувствительных материалах.
Рентгеновские лучи вызывают ионизацию вещества. Тем самым и опосредовано ихбиологическое действие.
Возникновение рентгеновского излучения
Возможно при двух процессах:
При сильном ускорении заряженных частиц с последующим резким торможением
При высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул
В медицине большая часть излучения создается благодаря первому процессу(посредством использования рентгеновской трубки).
Рентгенологический метод заключается в изучении строения и функции различных органов и систем, основанном на количественном и качественном анализе пучка рентгеновского излучения, прошедшего через тело человека.
При рентгенологическом исследовании через тело исследуемого пропускают однородный пучок рентгеновского излучения. Согласно свойствам излучения этот пучок ослабляется в теле пациента в основном за счет поглощения в органах и на выходе из тела человека становится неоднородным.Это фиксируется детектором и используется врачом для анализа.
Устройство рентгеновской трубки
Схематичное изображение рентгеновской трубки:
Х – рентгеновские лучи
К – катод
А – анод
С – теплоотвод
W (in/out) – впуск/выпуск охлаждающего вещества
U (h/a) – напряжение накала катода и ускоряющее напряжение, соответственно.
Основные компоненты рентгеновской трубки это анод и катод, расположенные в стеклянной колбе со сформированным вакуумом.
Катод представляет собой тугоплавкую нить (чаще из вольфрама), которая крепится на молибденовых стержнях и помещается в металлический колпак, направляющий пучок электронов в сторону центральной части анода. Количество катодов может быть различным (например, может быть две нити в «двухфокусных трубках»).
Анод представляет собой медную пластину, впаянную в керамический обод. В центральной части скошенного анода (под углом в 45-70 градусов) имеется два фокуса: большой и малый – впаянные вольфрамовые пластинки. Фокус это обычно участок в 10-15 мм2. Анод при этом может также иметь различные модификации (например, может быть вращающимся, с целью охлаждения; защищенным охлаждающим раствором под давлением и т.д.)
Образование излучения
При подаче тока низкого напряжения катод накаляется, образуя облачко свободных электронов (явление термоэлектронной эмиссии). Как только между катодом и анодом возникает разность потенциалов (при подаче тока высокого напряжения), свободные электроны устремляются к аноду. Скорость движения электронов при этом прямо пропорциональна величине напряжения. Попав на фокус анода, они резко тормозятся. При торможении электронов в веществе анода часть их кинетической энергии (около 2%) идет на образование электромагнитных колебаний с очень малой длиной волны -рентгеновских лучей. Эти лучи свободно выходят за пределы рентгеновской трубки и распространяются в разных направлениях. Остальная часть кинетической энергии (до 98%) переходит в тепловую.
Таким образом, рентгеновские лучи в зависимости от способа возникновения делятся на первичные (лучи торможения) и вторичные (лучи характеристические).
Первичные – возникают при ударе электрона об анод, что приводит с одной стороны к выделению тепловой энергии, с другой к преобразованию кинетической энергии движения электронов в рентгеновские лучи.
Вторичные – это рентгеновские лучи, возникающие при переходе атомов анода из возбужденного состояния в состояние покоя. Они будут обладать строгими характеристиками, зависящими от материала анода и не будут зависеть от скорости электронов, как в первом случае.
Чтобы направить сформированный пучок Х-лучей в строго определенном направлении, необходим коллиматор – он представляет собой длинное отверстие с той или иной формой поперечного сечения, проделанное в поглощающем кожухе (обычно из свинца), в котором и располагается трубка.
|
