1. Природа и свойства ионизирующих и других электромагнитных и упругих колебаний в лучевой диагностике и лучевой терапии
 Скачать 386.5 Kb.
|
|
1. Природа и свойства ионизирующих и других электромагнитных и упругих колебаний в лучевой диагностике и лучевой терапии. Медицинская радиология – область медицины, разрабатывающая теорию и практику применения излучения в медицинских целях. Включает в себя: - лучевую диагностику(диагностическая радиология) - лучевая терапия ( радиационную терапию) В состав лучевой диагностики входят рентгенодиагностика (рентгенология), радионуклидная диагностика, ультразвуковая диагностика, рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, медицинская термография (тепловидение). Кроме того, к ней относится так называемая интервенционная радиология, в задачи которой входит выполнение лечебных вмешательств на базе лучевых диагностических процедур. Все излучения, используемые в медицинской радиологии, делят на две большие группы: неионизирующие и ионизирующие. Как показывает само наименование, первые в отличие от вторых при взаимодействии со средой не вызывают ионизации атомов, т.е. их распада на противоположно заряженные частицы — ионы. К числу неионизирующих излучений принадлежат тепловое (инфракрасное — ИК) излучение и резонансное, возникающее в объекте (тело человека), помещенном в стабильное магнитное поле, под действием высокочастотных электромагнитных импульсов. Кроме того, к неионизирующим излучениям условно относят ультразвуковые волны, представляющие собой упругие колебания среды. Инфракрасное излучение испускают все тела, температура которых выше абсолютного нуля. Интенсивным источником такого излучения являются ткани человеческого тела. Как известно, инфракрасные волны относятся к электромагнитным излучениям. По длине они занимают промежуточное положение между видимым светом и радиоволнами. Диапазон ИК-лучей — от 0,76 до 1000 мкм. Интенсивность ИК-излучения пропорциональна 4-й степени температуры тела, т.е. возрастание температуры тела в 2 раза приведет к увеличению интенсивности ИК-излучения в 16 раз. Максимальное излучение тела человека лежит в области длинноволнового ИК-излучения и составляет в среднем 9,6 мкм. Энергия ИК-лучей меньше, чем световых, поэтому они не действуют на фотоматериалы. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц упругой среды. В зависимости от частоты колебаний звуковые волны делят на инфразвук — до 20 колебаний в секунду — 20 герц (Гц), собственно звук — от 20 Гц до 20 килогерц (кГц) и ультразвук — свыше 20 кГц. В медицинской диагностике применяют ультразвук частотой от 0,8 до 15 млн герц (МГц). Ионизирующие излученияспособны ионизирующих атомы окружающей среды, в том числе атомы, входящие в состав тканей человека. Все эти излучения подразделяются на квантовые (т. е. состоящие из фотонов) и корпускулярные (состоящие из частиц). Это деление в значительной мере условно, так как любое излучение имеет двойственную природу и в определенных условиях проявляет то свойства волны, то свойства частицы. Однако для радиологической практики это деление удобно по ряду соображений. К квантовым ионизирующим излучениям относят тормозное излучение (в частности, рентгеновское) и гамма-излучение. К корпускулярным излучениям причисляют пучки электронов, протонов, нейтронов, мезонов и других частиц. Рентгеновское излучение занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучением и представляет собой поток квантов (фотонов), распространяющихся со скоростью света (300 000 км/с). Эти кванты не имеют электрического заряда. Масса кванта составляет ничтожно малую часть атомной единицы массы. Энергию квантов измеряют в джоулях (Дж), но на практике часто используют внесистемную единицу электрон-вольт (эВ). Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых элек- тронов в электрическом поле атомов вещества (тормозное излучение) или при перестройке внутренних оболочек атомов (характеристическое излу- чение). Различают естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. Первым естественным источником является космическое излучение, приходящее из Вселенной на Землю. В его состав входят протоны, нейтроны, атомные ядра и другие частицы. Они нередко обладают исключительно высокой энергией, но в атмосфере тратят эту энергию, главным образом на взаимодействие с атомами воздуха. На поверхности Земли интенсивность космического излучения сравнительно мала. Вторым естественным источником являются радиоактивные элементы, распределенные в земных породах, воздухе, воде, живых организмах, в том числе в тканях человека. Все указанные источники определяют радиоактивность окружающей нас среды - естественный радиационный фон. Искусственными источниками ионизирующих излучений являются различные технические устройства, созданные человеком. В лучевой диагностике в качестве таких устройств выступают рентгеновские трубки, радионуклиды и ускорители заряженных частиц. 2. Действие излучений на организм (общее и местное). Отличительные особенности медицинского облучения: - медицинское облучение характеризуется очень высокой мощностью дозы, в миллион раз превосходящей природное облучение; - оказывает воздействие, как правило, на больной и ослабленный организм, поэтому может оказаться более патогенным; - данный вид облучения преимущественно воздействует на одни и те же радиочувствительные органы; - более часто облучаются группы повышенного риска: дети, люди репродуктивного возраста. Ионизирующие излучения при воздействии на организм человека могут вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни). При диагностических исследованиях тканевые дозы у пациентов, как правило (за исключением некоторых интервенционных исследований), находятся в области стохастических радиобиологических эффектов (риск индукции рака и генетических эффектов) и намного ниже порогов детерминистских тканевых реакций. Напротив, при лучевой терапии целью является уничтожение злокачественных новообразований большими дозами радиации, лучевые тканевые реакции соседних органов и тканей практически неизбежны. Ионизирующие излучения любого вида не имеют избирательного действия, т. е. они влияют на все ткани и системы организма без исключения. Величина поглощенной энергии радиоактивного излучения, при которой наступает заметный биологический эффект, незначительна. Невелико и число ионизированных молекул в биологических тканях даже при смертельных дозах. Наши органы чувств не улавливают ионизирующего излучения, т. е. мы не ощущаем изменения свойств окружающей среды в момент излучения ни по температуре, ни по шуму, свету, давлению, запаху, цвету и т. д. Установлено, что любое воздействие ионизирующего излучения небезразлично для организма. Процессы взаимодействия ИИ с веществом клетки, в результате которого образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, являются первым этапом развития лучевого поражения. И свободные электроны, и ионизированные атомы, и молекулы не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как "свободные радикалы" (Н+;ОН-;НО2 - пероксид). Образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами, и через цепочку реакций могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки. Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к злокачественным новообразованиям. ИИ вызывают острые поражения организма, т. е. острую лучевую болезнь, только начиная с некоторой минимальной или "пороговой" дозы облучения. Этим порогом является величина эквивалентной дозы 100 бэр. Начиная со 100 до 600 бэр биологический эффект облучения прямо пропорционален дозе излучения. В этом диапазоне доз можно конкретно ответить на вопрос, какие симптомы возникнут у человека и когда: 100 бэр - острая лучевая болезнь; 500 бэр в течение года - хроническая лучевая болезнь; 300 бэр - катаракта; 300 бэр - стерилизация; 400 бэр - эпиляция. Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Большая часть лучевых поражений возникает спустя длительный срок после острого однократного или хронического облучения. Они являются так называемыми отдаленными эффектами облучения, в отличие от непосредственных эффектов, к которым относят острую лучевую болезнь и сопутствующий ей симптомокомплекс. К отдаленным эффектам относятся: 1. Сокращение продолжительности жизни. Дополнительное облучение в дозе 1 бэр сокращает продолжительность жизни от 3 до 7 дней. 2. Лучевые катаракты, которые возникают через несколько лет. 3. Злокачественные новообразования. Проявляются в период от нескольких до 40 лет. В среднем лейкемия появляется через 15 лет после облучения, рак - через 10-15 лет. 4. Эмбриотоксические эффекты, т. е. последствия облучения плода. Установлено, что плод весьма чувствителен к облучению, особенно в период органогенеза, т. е. на 4-12-й нед. беременности. 5. Генетические эффекты - врожденные уродства и нарушения, передающиеся по наследству. Появление тех или иных эффектов облучения в организме человека зависит от ряда факторов: 1. От величины дозы. 2. От вида излучения (α-, β-, γ-частицы, нейтроны, рентгеновское излучение) и способа облучения (внешнее или внутреннее). 3. От длительности и дробности излучения, т. е. от мощности дозы. Если одну и ту же дозу давать более дробно, то средняя смертельная доза снижается. 4. От объема облучаемых тканей. Чем больше объем облучаемых тканей, тем более выражен эффект действия ИИ. 600 бэр - абсолютно смертельная доза при облучении всего тела человека. Если же облучить одномоментно только кисть дозой 600 бэр, возникает только легкий дерматит. 5. От радиочувствительности и функционального значения облучаемых органов. В зависимости от радиочувствительности выделяют три группы критических органов, т. е. органов, которые наиболее поражаются в результате ИИ, или преимущественного накопления радионуклидов (при внутреннем облучении), или в результате максимальной радиочувствительности (при внешнем облучении): I группа - все тело, гонады, красный костный мозг (сейчас некоторые относят сюда и эпителий тонкого кишечника); II группа - все внутренние органы; III группа - кожа, предплечья, кисти, лодыжки. От функционального значения органа, т. е. насколько важна эта функция для жизнедеятельности организма в целом, также зависит характер ответа организма. От индивидуальных особенностей организма человека, которые определяются: - полом (женщины, особенно в репродуктивном периоде, более чувствительны к воздействию ИИ, так как красный костный мозг работает более интенсивно); - возрастом (наиболее чувствителен плод от 5 до 12 нед., максимальная чувствительность у новорожденного, по мере роста ребенка чувствительность к ИИ снижается). Минимальная радиочувствительность - с 18-20 до 60 лет. После 60 лет чувствительность к ИИ повышается, так как со старением ослабевают механизмы организма; - функциональным состоянием организма. В состоянии нервно-психического возбуждения чувствительность к ИИ повышается, так как увеличивается интенсивность обмена веществ, а во время сна чувствительность организма к ИИ минимальна. Чем больше кислорода в организме, тем более активно образуются в организме свободные радикалы. 3. Методы и задачи дозиметрии. Назначение и принципы работы дозиметров. Дозиметрия (ионизирующих излучений) — раздел прикладной ядерной физики, предметом исследования которого является определение физических величин, характеризующих воздействие ионизирующих излучений на среду, и разработка методов и средств для измерения этих величин. В круг задач дозиметрии входят: измерение и расчет доз в полях источников излучений и в биологических объектах (тканевая дозиметрия), измерение активности радиоактивных препаратов и др. Дозиметрия основана на измерении ионизации, которую производит излучение в воздухе или газе, или на измерении энергии излучения, поглощенной средой. Образующиеся при ионизации газовой среды отрицательные и положительные ионы начинают двигаться в электрическом поле к соответствующим электродам, и в цепи возникает электрический ток, величина которого измеряется регистрирующим прибором. Методы измерения поглощенной энергии в плотных средах основаны на ряде физических явлений, сопутствующих прохождению излучений через вещество. Фотографический метод. Этим методом были получены первые сведения о новом виде энергии. Фотопленку можно использовать и для измерения величины доз, так как степень почернения пленки пропорциональна поглощенной энергии. Сцинтилляционный метод основан на регистрации световых вспышек (сцинтилляции), которые испускают возбужденные ионизирующими излучениями атомы и молекулы. Световые вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем , включенным в соответствующую электронную схему. Химический метод дозиметрии заключается в выявлении необратимых химических изменений, происходящих под действием излучений в веществе, чаще всего в водных растворах. В этих целях широко используется реакция превращения двухвалентного железа в трехвалентное (в ферро-сульфатном дозиметре). Регистрацию необратимых химических изменений осуществляют различными физическими или химическими методами. Люминесцентные методы дозиметрии. Под действием ионизирующих излучений в некоторых веществах образуются скрытые центры свечения (люминесценции), которые проявляются при последующем световом (фотолюминесценция) или тепловом (термолюминесценция) воздействии на облученные вещества. При этом свечение регистрируется ФЭУ. Перспективным является использование полупроводников для целей дозиметрии . Наиболее точным, но технически сложным методом дозиметрии является калориметрический, состоящий в прямом измерении тепловой энергии, в которую преобразуется в конечном счете энергия излучения. Особый интерес представляет тканевая дозиметрия; так как непосредственное измерение поглощенных доз в живом организме невозможно, изготовляют тканеэквивалентные фантомы) человека или животных, внутри которых и измеряют излучения одним из вышеописанных способов. Определение активности радиоактивных препаратов, используемых для лечения опухолей, изучение процессов переноса и обмена веществ в организме и др. производится путем измерения числа частиц, испускаемых препаратом в единицу времени. Этот раздел дозиметрии называется радиометрией Виды дозиметров и принцип их работы. Воспринимающими устройствами дозиметрических приборов является ионизационные камеры и ионизационные счетчики. Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объем, в котором помещены положительный и отрицательный электроды. Анодом в ней служит токопроводящий слой, катодом - металлический стержень. К электродам подводится ток от источника питания, которое образует в камере электрическое поле. Если ионизирующих лучей нет, то воздух в камере ионизированный и не проводит электрический ток. Под влиянием излучения воздух в камере ионизируется, цепь замыкается и по ней проходит ионизационный ток. Он поступает в электрическую схему прибора, усиливается, преобразуется и изменяется микроамперметром, шкала которого «отградуирована» в рентгенах в час или миллирентгенах в час. Подобные ионизационные камеры применяются в приборах, с помощью которых измеряют мощность дозы гамма - излучения (уровень радиации) на местности. Газоразрядный счетчик представляет собой металлический (или стеклянный) цилиндр, заполненный разреженной смесью инертных газов с небольшими добавками, которые улучшают его работу. Анодом служит тонкая металлическая нить, натянутая внутри корпуса, который является катодом (в стеклянных счетчиков катод - тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность корпуса.) Газоразрядные счетчиков применяются в приборах, предназначенных для обнаружения и измерения степени загрязненности различных поверхностей радиоактивными веществами. Они также могут использоваться для измерения мощности дозы гамма - излучения (уровня радиации). В зависимости от выполнения задания приборы дозиметрического контроля разделяются на: • Измерители мощности дозы, при помощи которых измеряются уровни (ДП-3Б, КПД-21С, КПД-21Б) • Измерители мощности дозы - ДП-5А, Б, В, КПД-12, при помощи которых микродиапазоны комбинированные приборы; • Измерители поглощения дозы - (ИД-1, ИД-11) (гамма - нейтронные излучения) - это приборы индивидуального дозиметрического контроля, при помощи которых обнаруживают, какую дозу получил человек (персонально), в какой ситуации или за соответствующий период; • Дозиметры - (ДК-02, ДКП-50, ДП-22В, ДП-24) для одного вида излучения; • Газосигнализаторы автоматические (ГСА-12, АСП, ГСП-11, ГС-СОМ), при помощи которых производится автоматический контроль окружающей среды с целью выявления паров отравляющих, радиационных веществ, аэрозолей; • декадные - расчетная установка (ГП-100, ГП-100 АДМ), предназначенная для измерения количества электрических импульсов при выявлении степени зараженности радиационными изотопами воды, продовольствия, воздуха, проб почвы и т. д. |