1. Доклад по математике. Рентгеновское излучение в медицине
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ Салимов А.А.,149 группа ФГБОУ ВО ЮУГМУ Минздрава России Кафедра Математики, медицинской информатики, информатики и статистики, физики Преподаватель – доцент, кандидат технических наук, Сафронова И. В. ВВЕДЕНИЕ Немецкому физику В. К. Рентгену присваивают открытие рентгеновского излучения. Данное событие 8 ноября 1895 г. вызвало широкий резонанс у учёных всего мира и оказало колоссальное влияние на дальнейшие достижения в изучении естественных наук . На данный момент рентгеновское излучение имеет широкую степень применения в научной, сельскохозяйственной и промышленной деятельности человека. АКТУАЛЬНОСТЬ Рентгеновское излучение, обладая высокой разрешающей и большой проникающей способностью, не смогло обойти и медицину, где нашло своё место в медицинской радиологии и получило широкое применение в виде методов лучевой диагностики различных заболеваний. Цель исследования Изучить понятие «рентгеновское излучение в медицине» и его физическую основу. Задачи: 1. Изучить принцип явления рентгеновского излучения; 2. Дать объяснение физической основы рентгеновского излучения; 3. Привести примеры применения данного явления в медицинской практике. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма- излучением. В период открытия данное излучение использовалось для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел в организме человека. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумированный стеклянный баллон с расположенными в нём катодом, представляющим собой зачастую нить из тяжёлого металла (W, Pt, и т.п.) подогреваемую электрическим током (I накаливания (нак.)) с напряжением 1–500 кВ, и анодом, являющимся металлом, имеющим высокую температуру плавления. Разность потенциалов между этими компонентами достигает нескольких сотен киловольт, в результате чего возникает термоэлектронная эмиссия, а с ней и испускание электронов катодом. Электроны ускоряются электрическим полем, находясь в вакуумированной рентгеновской трубке, на пути к аноду и достигая его с очень большой скоростью, практически не теряют своей энергии. Хотя большая часть энергии рассеивается в виде тепла, рентгеновские лучи всегда образуются при столкновении с материалом анода. Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода. Схема процесса и устройства рентгеновской трубки представлены на рисунке 1. Рисунок 1 – Схема рентгеновской трубки. Различают два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Тормозное, исходя из названия, представляет собой результат торможения электрона электрическим полем анода, тем самым в рентгеновское излучение переходит часть кинетической энергии электрона. Природа анода не влияет на спектр данного излучения, так как длина волны и частота рентгеновских лучей определяется энергией фотонов, то есть характеризуется сплошным спектром длин волн. Следует отметить, что с увеличением разности потенциалов в рентгеновской трубке уменьшаются получаемые длины волн рентгеновского излучения. Характеристическое излучение возникает наряду с тормозным в момент, когда после столкновения электронов с атомами анода из последних выбиваются электроны, образуя тем самым вакантную ячейку перехода электронов из внешних электронных уровней. В результате разность энергии уровней излучается в виде фотонов характеристического излучения, имеющего линейчатый спектр. Данное излучение появляется лишь тогда, когда напряжение на трубке начинает превышать определённое значение, зависящее от материала анода. Различают три главных процесса взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества: 1. Когерентное рассеивание – возникает, когда энергия фотона меньше энергии ионизации. Отражаясь от атомов, рентгеновские лучи могут интерферировать и давать информацию о молекулярном строении веществ. 2. Некогерентное рассеивание – возникает, когда энергия фотона значительно превышает энергию ионизации. Явление обусловлено взаимодействием атома с энергией фотона, так та расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией на отрыв от атома электрона и сообщение последнему кинетической энергии. 3. Фотоэффект – при данном явлении рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего атом ионизируется, однако если энергии будет недостаточно для ионизации, то фотоэффект проявится в возбуждении атома без вылета электрона. Таким образом после образования заряженных частиц и выделения электромагнитных волн, те, проходя сквозь объект расположенный на пути их спектра действия (мишень), просвечивают поверхности и ткани с невысокой структурной плотностью. В настоящее время существует несколько методов диагностики, основанных на рентгеновском излучении, однако у них есть свои недостатки, обусловленные ионизирующем и вместе с тем биологическим свойствами данного воздействия. Основными свойствами рентгеновских лучей являются: 1. Проникающая способность – свойство, зависящее, в частности, от плотности тканей и на котором основан метод рентгенодиагностики. 2. Флюоресцирующее свойство − способность вызывать свечение некоторых химических веществ. Благодаря этому свойству существует рентгеноскопия, представляющая собой получение теневого изображения на рентгеновском экране с помощью куска картона, покрытого химическим составом. 3. Фотохимическое свойство − способность вызывать почернение плёнки благодаря разложению галоидных соединений серебра, составляющих основу фотослоя. Данное свойство позволило использовать рентгеновские лучи для рентгенографии. 4. Ионизирующее свойство заключается в прохождении рентгеновских лучей в любой среде с образованием ионов, по количеству которых судят о дозе излучения. 5. Биологическое, или повреждающее, – свойство, обусловленное необходимостью защиты как кабинетов, так и людей при осуществлении методов рентгенодиагностики, поскольку длительное воздействие ионизирующего излучение оказывает пагубное влияние на процессы жизнедеятельности человека. Рентгенодиагностика представляет собой процесс исследования различных органов и систем человека на основе данных рентгенологического исследования. В более широком смысле рентгенодиагностику рассматривают как раздел рентгенологии, разрабатывающий диагностические методы, основанные на использовании рентгеновского излучения. Для диагностики используются фотоны с энергией 60–120 кэВ, действие которых в основном определяется фотоэффектом. Итак, в медицинской практике используют следующие методы рентгенологического исследования. 1. Рентгеноскопия – метод диагностики, позволяющий получить изображение на флуоресцентном экране посредством неравномерного поглощения рентгеновских лучей органами и тканями человека в реальном времени. На сегодняшний день принято использовать усилители, позволяющие воспринимать, усиливать и передавать изображение с флуоресцентного экрана на обозримый с предоставлением возможность записи результатов обследования. К достоинствам данного метода относятся его невысокая стоимость, лёгкость в проведении исследования, возможность оценки двигательной функции объектов исследования (сердца, диафрагмы, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ)), осуществление контроля над процессом инвазивных процедур. К недостаткам же – наличие противопоказаний для применения, низкая разрешающая способность, а вместе с этим и чёткость изображения, высокая лучевая нагрузка даже при использовании аппаратуры с электронно-оптическим преобразователем (от 3,3 (грудная клетка) до 20 мЗв (ЖКТ)). 2. Рентгенография – метод диагностики с записью изображения в двух перпендикулярных плоскостях. Часто данный метод применяется с использованием различных контрастирующих веществ с целью повышения информативности. Запись осуществляется на плёнку или же, что в наше время гораздо чаще, на цифровой носитель, что позволяет сохранить результат диагностики для дальнейшего анализа. К достоинствам метода относятся: низкая стоимость, лёгкость в проведении исследования, небольшая лучевая нагрузка (от 0,03 до 0,2мЗв), высокая разрешающая способность, отсутствие ограничений во времени для анализа результатов. К недостаткам – наличие противопоказаний применения, фиксация одного момента состояния организма, низкая точность исследования без применения контрастирующих веществ, а также отражение проекционного наслоения всех органов, что затрудняет дифференциацию отдельных анатомических структур. 3. Компьютерная томография – метод, основанный на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления различными по плотности тканями рентгеновского излучения. Осуществляется в процессе перемещения рентгеновской трубки и вместе с тем веерообразным расхождением излучения, в процессе которого происходит послойное исследование как изучаемого органа, так и любой области тела. К достоинствам метода относятся: высокое разрешение и контрастность получаемого изображения с возможностью преобразования того в 3D, отсутствие суперпозиции структур, расположенных на разной глубине, наибольшая точность исследования. К недостаткам относятся: наличие противопоказаний, высокая стоимость оборудования, большая доза облучения (от 0,05 (зубы, челюсть) до 14 мЗв (ЖКТ)). Результаты сравнительного анализа методов представлены на рисунке 2. Рисунок 2 – Результаты сравнительного анализа методов рентгенодиагностики. Пояснения к рисунку 2: «Здесь и сейчас» означает получение изображения в реальном времени. «Полнота картины» означает возможность получения изображения органа по срезам. «Широкая доступность» означает возможность широкого применения данного метода. На начальном этапе развития рентгенодиагностики рентгеновские снимки создавались только с помощью аналоговых устройств на специальной плёнке, а изображение было недостаточно чётким для выявления небольших патологических очагов. В настоящее время используются аппараты с электронной матрицей, что снизило получаемую дозу облучения в десяток раз, а также позволило просматривать изображение на экране, передавать его на электронные носители. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Для точного и разностороннего понимания рентгеновского излучения в медицине были изучение медицинские и физические литературные источники. Благодаря подробному изучению всех вышеописанных данных можно выделить следующие несколько выводов: 1. Рентгеновское излучение имеет широкий спектр применения в диагностической деятельности, способствуя изучению большого количества патологий и заболеваний с особенностью их протекания, а также позволяет оценить качество результатов лечения. 2. Соответственно, на данном явлении основаны методы, обладающие ключевыми особенностями настоящего времени – безболезненность, точность, быстрота и широкий спектр применения данного. Всё это способствует активному применению данного излучения в современной медицине, в частности в диагностических целях. Список литературы: 1. В.Г. Лещенко., Медицинская и биологическая физика : учебное пособие / В.Г. Лещенко, Г.К. Ильич. – М. : ИНФРА-М 2012. – 552 с. 2. Илясова Е.Б., Лучевая диагностика : учебное пособие : Илясова Е. Б., Чехонацкая М. Л., Приезжева В. Н. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2016. - 280 с. 3. Маркварде М.М., Рентгенологические технологии / М.М. Маркварде, Г.В. Гришкевич – Минск. : РИПО, 2014. - 143 с. 4. Терновой С.К., Основы лучевой диагностики и терапии : национальное руководство / Под ред. С.К. Тернового - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 992 с. 5. Федорова В.Н., Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами : учебное пособие / Федорова В.Н., Фаустов Е.В. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 592 с. 6. Компьютерная томография (КТ) [Электронный ресурс]: сайт. Режим доступа: https://online-diagnos.ru/analiz/komputernaya-tomografiya , свободный. Дата обращения: 07.12.2020. 7. Рентгеновское излучение и его применение в медицине [Электронный ресурс]: сайт. Режим доступа: https://all-fizika.com/article/index.php?id_article=1983 , свободный. Дата обращения: 07.12.2020. 8. Рентгеноскопия [Электронный ресурс]: сайт. Режим доступа: https://www.who.int/diagnostic_imaging/imaging_modalities/dim_fluoroscopy/ru/ , свободный. Дата обращения: 07.12.2020. |