Медицинская радиология. Л. Д. Линденбратена защищено 20 докторских и кандидатских диссертаций
 Скачать 10.64 Mb.
|
Рис. 1.2. Рентгенограмма кисти сизо- бражением иглы в мягких тканях, выполненная в 1897 г. на медицинском факультете Московского университета М.Н. Жуковского, СВ. Гольдберга, изучавших биологическое действие ионизирующих излучений. К сожалению, в те годы в России не было условий для развития медицинской радиологии электротехнической промышленности практически не существовало. Рентгеновские кабинеты были оснащены примитивным оборудованием, причем меры зашиты от излучения не применялись (рис. Во всей стране было лишь несколько десятков врачей-рентгенологов. Становление медицинской радиологии как самостоятельной научной и клинической дисциплины произошло только после первой мировой войны. Радиологи рассматривают это как второе ее рождение. В начале 1918 г. рентгенолог Женского медицинского института в Петрограде МИ. Неменов обратился к народному комиссару просвещения А.В. Луначарскому с предложением об организации научно-исследователь- ского рентгенологического и радиологического института. Бурное революционное время писал впоследствии МИ. Неменов.— Время от времени где-то потрескивают выстрелы. Кабинет народного комиссара по просве- 26 С.А. Рейнберг (1897-1966) щению на Чернышевском переулке. Я делаю краткий десятиминутный доклад о жалком положении рентгенологии в России и о той роли, которую она должна играть для советской науки, для советской медицины. Я выхожу из кабинета А.В. Луначарского с принципиальным постановлением об организации в Петрограде крупного научно-исследовательского института, посвященного вопросам рентгенологии и радиоактивности, первого науч- но-исследовательского учреждения, созданного Советской властью. Добавим, что при новом институте была создана первая в мире рентгенологическая клиника. Из темных сырых подвалов, где ютилась рентгенология в русских больницах и клиниках, она перешла, по образному выражению М.И. Неменова, в свой собственный дворец». Началась радостная и тревожная юность радиологии, совпавшая с годами гражданской войны и восстановления народного хозяйства. В 1919 г. в Институте усовершенствования врачей в Петрограде была учреждена первая кафедра рентгенологии, которую возглавил А.К. Яновский. С 1920 г. стал выходить журнал Вестник рентгенологии и радиологии. В последующие годы были организованы институты рентгенологии в Москве, Киеве, Харькове, Одессе, Ереване, Тбилиси и других городах, созданы заводы рентгено- аппаратостроения. Отечественная рентгенология уже в свои молодые годы сумела занять лидирующее положение в остеологии и остеопатологии, рент- геноанатомии, рентгенофизиологии и экспериментальной рентгенологии. Важнейшей особенностью российской рентгенологии явилась ее профилактическая и клиническая направленность. В развитии этих направлений особую роль сыграл выдающийся клиницист-рентгенолог С.А. Рейнберг. Рентгенология внесла живую струю в клиническую медицину и явилась важным фактором технической реконструкции здравоохранения Заканчивалась молодость отечественной рентгенологии, она вступала впору зрелости, но вероломное нападение фашистской Германии прервало ее мирное развитие. Лучшие силы рентгенологии были отданы фронту. Родилась военно-полевая рентгенология как новая организационно-тактичес- кая система. Рентгенологи достойно выполнили свой патриотический долг на фронте ив тылу. Послевоенные годы ознаменовались быстрым развитием рентгеновской службы, созданием специализированных радиологических отделений, немалыми успехами в совершенствовании лучевых методов диагностики и лечения болезней. В е годы эра традиционной рентгенодиагностики стала постепенно сменяться эрой комплексных лучевых технологий. В медицинскую практику начали внедрять новые методы лучевого исследования ангиографию, радионуклидную и ультразвуковую диагностику, компьютерную рентгеновскую томографию. Наступил новый период в развитии отечественной медицинской радиологии, утверждающий ее роль одного из лидеров диагностической медицины. Открылись удивительные перспективы, о которых мы расскажем в последующих главах. А пока нам предстоит познакомиться с некоторыми сведениями о физических свойствах и биологическом действии излучений. ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В МЕДИЦИНСКОЙ РАДИОЛОГИИ, ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ Современная реитгенорадиология служит связующим звеном между так называемыми точными естественными науками и медико-биологическими дисциплинами. Через рентгенорадиологические каналы в медицину проникают те замечательные новейшие достижения физики и техники, которыми вправе гордиться человеческий гений. С.А. Рейнберг Богат арсенал современной медицинской радиологии. При посредстве разнообразных технических устройств радиолог имеет возможность использовать целый набор излучений различной природы и энергии. Сих помощью удается получить изображение любого органа и изучить его структуру (лучевую морфологию, можно наблюдать и регистрировать функцию любого органа в нормальных и патологических условиях (лучевая физиология и лучевая функциональная патология. Лучевые методы позволяют исследовать элементный состав органов и тканей и содержание в них биологически активных веществ, что следует назвать прижизненной лучевой биохимией. Многие излучения оказывают выраженное биологическое действие, что можно использовать в лечебных целях (лучевая терапия . 1 . Группировка излучений, применяемых в радиологии Все излучения, используемые в медицинской радиологии, делят на две оольшие группы неионизирующие и ионизирующие Как показывает само наименование, первые в отличие от вторых при взаимодействии со средой не вызывают ионизации атомов, те. 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 неио- низирующим 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 й степени температуры тела, те. возрастание температуры тела в 2 раза приведет к увеличению интенсивности ИК-излучения враз. 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 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). Общим свойством ионизирующих излучений является их способность ионизировать атомы окружающей среды, в том числе атомы, входящие в состав тканей человека. Все эти излучения делят на две группы квантовые (те. состоящие из фотонов) и корпускулярные (состоящие из час- тиц). Это деление в значительной мере условно, так как любое излучение имеет двойственную природу ив определенных условиях проявляет то свойства волны, то свойства частицы. Однако в радиологической практике это деление по ряду соображений удобно. К квантовым ионизирующим излучениям относят тормозное (в частности, рентгеновское) излучение и гамма-излучение. К корпускулярным излучениям причисляют пучки электронов, протонов, нейтронов, мезонов и других частиц. Различают естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. Первым естественным источником является космическое излучение, приходящее на Землю из Вселенной. В его состав входят протоны, нейтроны, атомные ядра и другие частицы. Они нередко обладают исключительно высокой энергией, но благодаря наличию атмосферы (кстати, ее масса составляет около 5 000 000 млрд т) тратят эту энергию главным обра- ^,м а взаимодействие с атомами воздуха. На поверхности ^" »"««- сивность космического излучения сравнительно мала. Вторым естественным источником ионизирующих излучений являются радиоактивные элементы распределенные в земных породах, воздухе, воде, живых организмах в том числе в тканях человека. Все указанные источники определяют радиоактивность окружающей среды - естественный (природный) радиационный фон. Искусственными источниками ионизирующих излучении являются различные технические устройства, созданные человеком. Источники ионизирующих излучений, применяемых в радиологии Источниками ионизирующих излучений, используемых для медицинских целей, являются рентгеновские трубки, радиоактивные нуклиды и ускорители заряженных частиц. Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный стеклянный сосуд, в концы которого впаяны два электрода — катод и анод. Последний выполнен в виде тонкой вольфрамовой спирали, вокруг которой при ее нагревании образуется облако свободных электронов (термоэлектронная эмиссия. Под действием высокого напряжения, приложенного к полюсам рентгеновской трубки, они разгоняются и фокусируются на аноде. Последний вращается с огромной скоростью — до 10 тыс. оборотов в мин, чтобы поток электронов не попадал в одну точку и не вызвал расплавления анода из-за его перегрева. В результате торможения электронов на аноде часть их кинетической энергии превращается в электромагнитное излучение. Исторически сложилось так, что это излучение было впервые обнаружено Рентгеном и получило название рентгеновское. Таким образом, рентгеновское излучение — это разновидность тормозного излучения. Другим источником ионизирующих излучений, используемых для медицинских целей, являются радиоактивные нуклиды Их получают в атомных реакторах, на ускорителях заряженных частиц или с помощью генераторов радионуклидов. Ускорители заряженных частиц — это установки для получения заряженных частиц высоких энергий с помощью электрического поля. Частицы движутся в вакуумной камере. Управление их движением осуществляется магнитным или, реже, электрическим полем. В зависимости от траекторий движения частиц различают циклические и линейные ускорители, а по характеру ускоряемых частиц — ускорители электронов (бетатрон, микротрон, линейный ускоритель электронов) и тяжелых частиц — протонов и др. (циклотрон, синхрофазотрон) Ускорители являются источником не только заряженных частиц но и вторичных частиц - нейтронов, мезонов, а также тормозного электромагнитного излучения. Быстрые нейтроны генерируют на циклотроне В лучевой терапии ускорители заряженных частиц используют как источники электромагнитного излучения высоких энергий, реже — электронов и исключительно редко — протонов и нейтронов. В радионуклидной диагностике ускорители применяют для получения радионуклидов преимущественно с короткими ультракоротким периодом полураспада. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом Проходя через любую среду, в том числе через ткани организма человека, все ионизирующие излучения действуют в принципе одинаково передают свою энергию атомам этих тканей, вызывая их возбуждение и ионизацию. Распределение возникающих ионов по пути следования частиц или фотонов различно, так как оно зависит от их природы и энергии. Протоны и особенно частицы имеют большую массу, заряди энергию, поэтому они движутся в тканях прямолинейно, образуя густые скопления ионов, те. отмечается большая линейная потеря энергии этих частиц в тканях. Длина же их пробега зависит от исходной энергии частицы и характера вещества, в котором она перемешается Линейная потеря энергии (ЛПЭ) = ЕР, где Ε — энергия частицы Ρ — пробег ее в данной среде. Путь электрона в ткани извилист, так как последний имеет небольшую массу и изменяет направление движения под действием электрических полей атомов. Однако электрон способен вырвать орбитальный электрон из системы встречного атома, те. производить ионизацию вещества. Только образующиеся пары ионов распределены по пути следования электрона гораздо менее густо, чем при движении протонного пучка или α-частиц. Быстрые нейтроны теряют энергию главным образом в результате столкновений с ядрами водорода. Эти ядра вырываются из атомов и сами создают в тканях густые скопления ионов. После замедления движения нейтроны захватываются атомными ядрами, что может сопровождаться выделением гамма-квантов или протонов высокой энергии, которые в свою очередь образуют плотные скопления ионов. Часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора и хлора, вследствие взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными, поэтому после облучения человека потоком нейтронов в его теле остаются радионуклиды, являющиеся источником излучения (так называемая наведенная радиоактивность). Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц с атомами тканей организма человека происходит ионизация их вещества. При этом для каждого вида излучения характерно определенное микрораспределение ионов (энергии) в тканях. Поток фотонов уменьшается в любой среде, в том числе в биосубстра- теза счет двух факторов рассеяния фотонов в пространстве и их взаимодействия с атомами среды. Пространственное рассеивание происходит также, как ослабление лучей видимого света чем дальше от источника, тем в большем объеме рассеиваются фотоны и тем меньшее количество их при холится на единицу облучаемой поверхности. Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения (закон обратных квадратов»). Типы взаимодействия фотонов с атомами среды известны читателю из курса физики. При низких энергиях фотонов (5-50 кэВ) и для веществ с небольшим порядковым номером имеет значение фотоэффект. Фотон вырывает орбитальный электрон из атома и придает ему определенную энергию. Выбитый электрон вызывает ионизацию окружающих атомов. При более высоких энергиях фотонов преобладающее значение получает второй тип взаимодействия — неупругое рассеяние электронов на атомах. В этом случае как сам фотон, таки образуемые им электроны отдачи также вызывают ионизацию вещества. Однако и при фотоэффекте, и при комптоновском неупругом рассеянии все фотоны с энергией до 1 МэВ обусловливают максимум поглощения энергии в самом поверхностном слое тканей (до см, так как именно в этом слое образуется наибольшее количество вторичных электронов. Фотоны с энергией выше I МэВ вызывают максимум актов ионизации в глубине тканей — тем глубже, чем больше их энергия. При высоких энергиях фотонов приобретает значение третий тип взаимодействия — образование электронно-позитронных пар. Сам фотон исчезает, давая жизнь паре элементарных частиц — электрону и позитрону. Последний быстро теряет энергию и объединяется с встречным электроном. При этом обе частицы тоже исчезают (так называемая аннигиляция, а взамен возникают два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. Энергия каждого из этих фотонов вдвое меньше энергии исходного фотона. Таким образом, при основных типах взаимодействия тормозного излучения и излучения с веществом часть их энергии превращается в кинетическую энергию электронов, которые осуществляют ионизацию среды. Процесс ионизации обусловливает биологические эффекты излучений. Дозиметрия ионизирующих излучений — специальный раздел радиационной физики и техники. Дозиметрический анализ предполагает а) измерение активности источника излучения б) определение качества и количества испускаемых им излучений, те. создаваемого им поля излучения (лучевого поля в) определение величины и распределения энергии, поглощенной в любом объекте, находящемся в сфере действия данного источника (внесенном в лучевое поле. С характеристикой источника радиолог знакомится по паспорту установки или радиоактивного препарата. Единицей активности радионуклида в системе единиц СИ является бек- керель (Бк): 1 Бк равен 1 ядерному превращению за 1 с. На практике еще используют внесистемную единицу кюри (Ки): 1 Ки=3,7-10" ядерных превращении за 1 с, кратную единицу мегакюри (МКи): I МКи = / -JO" Кии дольные миллцкю Р и ( мКи У- IMKWI. 10> Ки; микрокюри (мкКи): 1 мкКи = , ,, Ки '" ан0К1 оР и № / · / нКи = 1.10-» Ки = 37 ядерных превращений за с. Нетрудно подсчитать, что 1 Бк равен 0,027 нКи. Характеристику поля излучения получают расчетным путем (по таблицам) или с помощью измерительных приборов. Их приемной частью - детекторами служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые кристаллы или химические системы. Однако решающее значение для оценки возможного биологического действия излучения имеет характеристика его поглощения в тканях Величина энергии, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, называется дозой, а та же величина, отнесенная к единице времени мощностью дозы излучения. Поглощенная доза (Д) — основная дозиметрическая единица. Она равна отношению средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единицей поглощенной дозы в СИ является грей (Гр 1 Гр = I Дж/кг. Поглощенную дозу определяют расчетным путем (используя для этой цели компьютеры и математические программы) или посредством введения миниатюрных датчиков излучения в облучаемые ткани и полости тела. При рентгенологической и радионуклидной диагностике, а также при терапевтическом облучении больного поглощенная энергия в его теле всегда распределена неравномерно, поэтому для более точной характеристики дозного поля введены дополнительные величины. Это, во-первых, интегральная доза — общее количество энергии, поглощенной в организме человека во-вторых,— гонадная, костномозговая дозы и доза в критическом органе. Как показывают эти термины, речь идет о дозах энергии, поглощенной в половых органах, костном мозге ив органе, который подвергается наиболее сильному облучению (при радионуклидной диагностике это орган, в котором создается наиболее высокая концентрация радионуклида). — Никак не могу найти себе помощника пожаловался однажды Эдисон Эйнштейну Каждый день заходят молодые люди, но ни один не подходит А как Вы определяете их пригодность — поинтересовался Эйнштейн. Эдисон показал ему листок с вопросами Кто на них ответит, тот и станет моим помощником. «Сколько миль от Нью-Йорка до Чикаго — прочел Эйнштейн и ответил Нужно заглянуть в железнодорожный справочник -Из чего делают нержавеющую сталь — Об этом можно узнать в справочнике по металловедению. Пробежав глазами остальные вопросы, Эйнштейн сказал Не дожидаясь отказа, свою кандидатуру снимаю сам. (ФИЗИКИ шутит М Мир, Сказка — ложь, нов ней намек. ». Читатель, надеемся, сам поймет и не будет увлекаться зазубриванием ряда справочных материалов, приведенных в учебнике. Биологическое действие излучений Все излучения, как неионизирующие, таки ионизирующие, способны вызывать изменения в живых организмах, те. характеризуются биологическим действием, которое является результатом поглощения энергии излучения элементами биоструктур. Однако энергия ультразвуковых волн и высокочастотных электромагнитных колебаний, используемых в диагностике, значительно ниже энергии, которая сопровождается механической и химической реакцией тканей. В настоящее время продолжается изучение биологического действия ультразвука, стабильного магнитного поля и высокочастотных радиоволн, но существенных вредных последствий от ультразвуковых и магнитно-резо- нансных исследований не зарегистрировано. Совсем иное дело — ионизирующие излучения. Их биологическое действие стало известно вскоре после открытия рентгеновского излучения. В частности, И.Р. Тарханов в 1896 г. на основании результатов экспериментов на лягушках, домашних мухах и бабочках установил влияние рентгеновского облучения наряд систем организма и прозорливо предсказал, что в недалеком будущем лучами этими будут пользоваться с лечебной целью. Родоначальником радиационной биологии считают Е.С. Лондона. Он изучил действие излучения радия на ферменты, токсины и различные ткани животных объектов и показал высокую чувствительность к облучению кроветворной системы и половых желез. Е.С. Лондону принадлежит первая в мире монография по радиобиологии Радий в биологии и медицине. В 1925 г. ГС. Филиппов и ГА. Надсон впервые в мире установили влияние излучений на наследственность. Эта работа явилась предтечей радиационной генетики. Первый этап биологического действия ионизирующих излучений представляет собой физический процесс взаимодействия излучения с веществом. Все излучения непосредственно или опосредованно вызывают возбуждение либо ионизацию атомов биосистем. В результате этого в тканях появляются возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, обладающие высокой химической активностью. Они вступают во взаимодействие друг с другом и с окружающими атомами, при этом под влиянием облучения возникает большое количество высокоактивных свободных радикалов и перекисей. Поглощение энергии излучения и первичные радиационно-химические реакции совершаются практически мгновенно — и течение миллионных долей се- кунды. Затем за тысячные доли секунды радиационно-химический процесс приводит к изменению расположения и структуры молекул и, следовательно, к нарушению биохимии клеток. Морфологические и функциональные изменения клеток проявляются уже впервые минуты и часы после облучения. Последнее воздействует на все компоненты клеток, нов первую очередь, особенно при сублетальных и летальных дозах излучения, поражаются ядерные структуры - ДНК, дезоксинуклеопротеиды и ДНК-мембран- ные комплексы. Прекращаются рост и деление клетки, в ней обнаруживают дистрофические изменения вплоть до гибели клетки. Изменения в хромосомном аппарате клетки отражаются на ее наследственных свойствах - приводят к радиационным мутациям. Они могут развиться в соматических клетках, обусловливая снижение жизнеспособности их потомства или появление клеток с новыми качествами. Полагают, что эти новые популяции клеток могут быть источником рака и лейкоза. Мутации, развившиеся в половых клетках, не отражаются на состоянии облученного организма, но могут проявиться в следующих поколениях, а это может вести к увеличению числа наследственных болезней, которых и без того много в человеческой популяции. Разумеется, биологические последствия облучения отнюдь не сводятся только к клеточными тканевым реакциям — они лишь лежат в основе сложных процессов нарушения деятельности нервной, кроветворной, эндокринной, иммунной и других систем организма. Биологический эффект в первую очередь определяется величиной поглощенной дозы и распределением ее в теле человека. При равной дозе наиболее значительные последствия наблюдаются при облучении всего тела, менее выражена реакция в случае облучения его отдельных частей. При этом не все равно, какие части облучены. Облучение живота, например, дает гораздо более выраженный эффект, чем воздействие в той же дозе на конечности. Вместе стем биологический эффект зависит от радиочувствительности облученных тканей и органов. Радиочувствительность — очень важное понятие в медицинской радиологии. Она определяется выраженностью лучевого повреждения клеток и тканей и способностью их к восстановлению после облучения. Чувствительность клетки к облучению зависит от многих факторов: вида излучения (энергии квантов или частиц, стадии митотического цикла, степени оксигенации, функционального состояния клетки в момент облучения. Особенно значительно поражаются клетки, которые в этот момент находились в состоянии повышенной активности (например, в периоде синтеза ДНК. Большую роль играют внешние условия температура, содержание воды, кислорода и т.д. Степень лучевых реакций тесно связана с парциальным напряжением кислорода в биосубстрате. Это явление получило название кислородный эффект. Чем меньше кислорода в клетке, тем меньше лучевое по- вреждение. Лучевые повреждения ярко проявляются в активно пролиферирующих тканях (лимфоидная, кроветворная и т.д.) и гораздо менее выражены и возникают в более отдаленные сроки в мало обновляющихся тканях (костная, хрящевая, мышечная, жировая. Малодифференцированные клетки более чувствительны к облучению. Рассматривая вопрос о тканевой радиочувствительности, нужно учитывать, что гибель части клеток компенсируется деятельностью систем клеточного обновления, а она зависит от общего числа стволовых клеток, интенсивности клеточной пролиферации, состояния кровотока и оксигенации клеток. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в главах, посвященных лучевой терапии опухолей. Мы лишь вкратце описали биологическое действие ионизирующих излучений. Подробнее с этой проблемой читатель может познакомиться в руко- |