1.3. Первичные физические эффекты, возникающие при взаимодействии рентгеновского излучения с веществомРассмотрим взаимодействие квантов рентгеновского излучения с атомами и молекулами вещества, в котором они распространяются. Очевидно, что результат этого взаимодействия зависит в первую очередь от энергии кванта, и здесь принято выделять следующие случаи.
Энергия кванта меньше энергии ионизации атома (А
v<А„). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты (рис. 1.5
а). Такое взаимодействие называется
когерентным рассеянием. Оно характерно для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения. Когерентное рассеяние приводит к изменению структуры падающего пучка рентгеновских лучей - если падающий на вещество пучок был параллельным, то появляются кванты, которые, подвергаясь частичному или полному поглощению веществом, распространяются в различных направлениях.
Энергия кванта несколько превышает энергию ионизации (А
v 2 А„). В этом случае электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию - происходит
фотоэффект (рис. ! .5
б). В результате фотоэффекта поглощенная энергия рентгеновского кванта вызывает ионизацию вещества.
Энергия кванта значительно превышает энергию ионизации атомов вещества (А v »/4„). Часть энергии
Н vпадающего кванта идет на вырывание электрона из электронной оболочки атома вещества, другая - на образование фотона другого направления распространения и меньшей энергии
И v', а также на сообщение выбитому или свободному электрону кинетической энергии
Ек:
Это явление называется
эффектам Комптона, а рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны -
некогерентным рассеянием (рис. 1.5
в). Вторичные рентгеновские кванты, обладая энергией Лс'>/(„, могут еще вызывать ионизацию вещества, в котором они распространяются. Получившие кинетическую энергию электроны отдачи могут также ионизировать соседние атомы вещества путем соударения.
Отмеченные первичные акты взаимодействия рентгеновского излучения и вещества могут порождать-ряд вторичных процессов. В частности, возбуждение
атомов и молекул вызывает рентгенолюминесценцию, что используется для создания люминесцирующих экранов, позволяющих наблюдать рентгеновские изображения. Если происходит отрыв электронов с внутренних оболочек атомов, то возникает характеристическое рентгеновское излучение (рис. 1.5 г).
Таким образом, жесткие рентгеновские лучи за счет эффекта Комптона, происходящего независимо и параллельно с ним фотоэффекта, и вторичных процессов вызывают значительную ионизацию вещества, с которым они взаимодействуют. Это приводит к сильным структурным и функциональным изменениям в биологических тканях.
1.4. Закон ослабления рентгеновского излучения в веществеРассмотренные выше первичные эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом обусловливают уменьшение интенсивности данного излучения. Это происходит за счет двух процессов:
поглощения - когда энергия рентгеновских квантов растрачивается на структурные перестройки в веществе (кванты прекращают существование) - и
рассеяния - когда рентгеновские кванты изменяют свое первичное направление распространения (рис. 1.6). Так, если
на вещество падает параллельный пучок рентгеновских лучей с интенсивностью
10, то при прохождении слоя толщиной
х интенсивность излучения, распространяющегося в прежнем направлении, принимает значение /. Ослабление интенсивности излучения в данном случае происходит по тому же экспоненциальному закону, что и ослабление интенсивности световых лучей:
где
- линейный показатель ослабления, характеризующий убыль интенсивности рентгеновских лучей за счет поглощения
и рассеяния
на единице толщины слоя:
Наряду с линейным показателем используют массовый показатель ослабления.^,), представляющий собой отношение линейного показателя к плотности
р вещества:
При рассмотрении закономерностей ослаоления потока тормозного рентгеновского излучения в веществе следует учитывать, что в этом излучении содержатся кванты различной энергии. Следовательно, они обладают различной проникающей способностью. Коэффициент
в формуле (1.5) постоянен для данного вещества лишь при
моноэнергетическом рентгеновском излучении, т.е. излучении определенной длины волны или частоты, состоящим из потока квантов с одним значением энергии
При использовании формулы (1.5) в случае потока рентгеновских фотонов с различными энергиями вводят некоторый эффектный показатель ослабления
Для качественной оценки проникающей способности рентгеновского излучения на практике используется понятие
слоя половинного ослабления - это такая толщина слоя поглотителя, которая ослабляет интенсивность падающего излучения в два раза. На рис. 1.7 слой половинного ослабления
(а\п) проиллюстрирован на графике зависимости интенсивности рентгеновского излучения (/) от толщины слоя
(х) вещества, через которое оно проходит. Связь между слоем половинного ослабления и показателем ослабления /и может быть легко установлена аналитически. Если в формуле
Таким образом:
Например, слой половинного ослаб-
ления для рентгеновского излучения при напряжении на рентгеновской трубке 60 кВ составляет 10 мм воды или 1 мм алюминия.
Когда рентгеновское излучение пройдет через слой половинного ослабления, то его спектральный состав изменится - излучение станет более жестким, так как более короткие рентгеновские лучи обладают большей проникающей способностью,
г мягкое излучение поглощаете; сильнее. Поэтому второй ело? половинного ослабления ока
жется толще первого. Например,
при указанных выше условиях для воды он составит уже 15,3 мм, а третий слой - 20 мм. Чем больше отличий слоев половинного ослабления, тем больше неоднородность спектрального состава излучения. Этот эффект используется для создания пучков моноэнергетических рентгеновских лучей - фильтрации рентгеновского излучения. Так, при напряжении на трубке 80 кВ и фильтре
в виде пластинки алюминия толщиной 20 мм излучение становится почти моноэнергетическим. Слой половинного ослабления при этом составляет 7 мм алюминия.
1.5.Физические принципы рентгенодиагностикиПоказатель поглощения рентгеновских лучей веществом сильно зависит от его состава и от длины волны:
где
- коэффициент пропорциональности;
2 - атомный номер вещества-поглотителя;
- длина волны излучения.
Из-за различий в структуре ткани органы, составляющие тело человека, по-разному поглощают рентгеновские лучи. Поэтому при просвечивании их рентгеновским излучением возникает теневое изображение внутренних органов, которое проецируется на люминесцирующем экране или фиксируется на фотопленке. Для рентгенодиагностики используется излучение с такой энергией фотонов, при которой первичные процессы его взаимодействия с веществом обусловливаются в основном фотоэффектом.
Из формулы (1.6) следует, что чем больше по химическому составу различаются морфологические структуры (велика разница в показателях поглощения), образующие тело человека, тем отчетливее их изображение на экране или фотопленке. Так, изображение костей очень отчетливо проявляется на фоне изображения мягких тканей. Сложнее в рентгенодиагностике различать изменения в структуре мягкой ткани. В таком случае показатели поглощения рентгеновского излучения разных ее участков различаются незначительно, поэтому очаги патологии выявляются трудно.
При осмотре полостей организма (желудок, кишечник и др.) применяют специальные контрастные вещества (сульфит бария в виде кашеобразной массы), заполняющие эти полости. За счет поглощения контрастным веществом рентгеновского излучения получается теневое изображение соответствующего органа.
Рентгенодиагностика создает значительную лучевую нагрузку на организм, особенно при
рентгеноскопии - когда изображение рассматривают на люминесцирующем экране. Это побуждает к поиску способов снижения дозы облучения за счет повышения разрешающей способности системы экран-глаз некоторыми особыми приемами.
Очевидно, что для получения четкого изображения на экране при сниженной (для уменьшения лучевой нагрузки) интенсивности рентгеновского излучения необходимо повышать чувствительность люминесцирующих экранов и фотоматериалов. Один из распространенных способов достижения этой цели состоит в применении специальных усиливающих экранов, которые поглощают рентгеновские лучи в десятки раз сильнее, чем фотографические эмульсии, и вызывают интенсивную люминесценцию экрана. Свет люминесценции почти полностью поглощается контактирующим с экраном фотоэмульсионным слоем фотопленки, который в десятки раз чувствительнее к видимому свету, чем к рентгеновским лучам. Поэтому при контактном фотографировании изображения с усиливающих экранов доза облучения пациента может быть снижена в десятки раз.
Следует отметить, что для регистрации изображения-
рентгенографии применяются не только фотопленки, в состав эмульсии которых входит дорогостоящее серебро. При
ксерорентгенографии для получения изображения используют пластины, покрытые слоем материала (фотопроводника), который под действием света и рентгеновских лучей приобретает проводимость. Пластине
сообщают электрический заряд в темноте, а затем используют ее в рентгенодиагностике вместо фотопленки. Под действием излучения в слое фотопроводника происходит распределение электрических зарядов, соответствующее распределению интенсивности рентгеновского излучения, т.е. возникает скрытое электростатическое изображение. Его проявляют заряженным порошком, переносят на бумагу электрическим полем и закрепляют. На каждой пластине можно получать около 2000 снимков.
При ксерорентгенографии доза облучения не уменьшается по сравнению с таковой при обычной рентгенографии, однако ее применение в ряде случаев вполне оправдано - некоторое увеличение лучевых нагрузок допускается, если при этом возрастает объем диагностической информации и в экстренных ситуациях ускоряется ее получение.
Существенное снижение дозы облучения при рентгенодиагностике и расширение диагностических возможностей достигается за счет применения
усилителей рентгеновского изображения и телевизионных систем.В упрощенном виде принцип усиления рентгеновского изображения проиллюстрирован на рис. 1.8. Рентгеновское излучение, проходя через объект исследования, попадает на входной рентгеновский экран, на котором за счет лю-
минесценции возникает световое изображение. За экраном располагается электронно-оптический преобразователь. Он преобразует оптическое изображение в электронное: под действием света, попадающего на фотокатод преобразователя, выбиваются электроны. Последние ускоряются электрическим полем, фокусируются специальной электростатической системой и попадают на выходной экран преобразователя, где создается электронное изображение.
В результате на выходном экране (опять же за счет катодолюминесцен-ции) возникает уменьшенное световое изображение объекта, яркость которого в тысячи раз превосходит яркость изображения на первом экране, обычном для рентгеноскопии. Это обусловлено как ускорением электронов, так и уменьшением размеров изображения.
Усиленное по яркости изображение можно наблюдать визуально. Однако чаще всего его подвергают дальнейшему преобразованию, используя для этого телевизионную систему. Применение электронно-оптических преобразователей и телевизионной техники не только позволяет снизить дозу облучения пациента, но и предоставляет ряд преимуществ по сравнению с прямым наблюдением: появляется возможность изменять контраст и яркость изображения, записывать его на видеомагнитофон, воспроизводить сразу на нескольких видеоконтрольных устройствах, создать более благоприятные условия для работы рентгенолога и др.
Важной задачей рентгенодиагностики является получение изображений не только внутренних органов в целом, но и их различных сечений. Для этого используется
томография - методы рентгенологического исследования, заключающиеся в получении теневого изображения отдельных слоев исследуемого объекта, лежащих на разной глубине. Техническая реализация этих методов многообразна. Принцип томографии иллюстрируется на рис. 1.9.
Допустим, требуется получить изображение некоторого участка, расположенного на сечении 5 в глубине объекта. Пусть источник и приемник рентгеновского излучения синхронно перемещаются относительно центра вращения
О, расположенного на сечении 5. Тогда происходит «размазывание» теневых изображений слоев, лежащих выше и ниже плоскости, в которой находится центр вращения, - эти слои засвечиваются излучением в течение весьма короткого времени. Сечение же, содержащее центр вращения, подвергается засветке существенно большее время, и за счет этого на фотопленке возникает его четкое изображение. Изменяя положение общего центра, относительно которого перемещаются источник и приемник, получают изображение другого сечения и т.д.
Совершенствование томографических методов рентгеновского исследования обеспечило создание
вычислительной, или
компьютерной, рентгенов-,ской томографии. От традиционных те-, невых методов рентгенодиагностики она принципиально отличается тем, что при ее использовании изображение сечений; органов создается путем компьютерной! обработки электрических сигналов, воз-| пикающих при попадании рентгеновских! лучей на чувствительные детекторы. Один из многообразных приемов про-] свечивания и детектирования излучения для такого исследования проиллюстрирован на рис. 1.10. Расходящийся веерный пучок рентгеновских лучей, проходя через объект, попадает на линейку детекторов, число которых достигает 300 и более (чем их больше, тем выше разрешающая способность метода). Система . излучатель-детекторы непрерывно вра щается, рентгеновское излучение включается импульсно и одновременно производится считывание сигнала со всех детекторов. При исследовании система совершает от половины до полного оборота и производит за это время 200-400 включений.
Р
азличия в электрических сигналах, поступающих на компьютерную обработку с отдельных детекторов, обусловливаются разницей в показателях поглощения рентгеновских лучей на пути их распространения в исследуемом объекте. Используя электрические сигналы детекторов в качестве первичной информации, компьютерная техника по соответствующим программам производит их анализ и реконструирует изображения органов в различных сечениях.
Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать послойное изображение органов при разнице показателей поглощения в 0,1% с деталями не менее 2 мм. Время исследования для получения одного сечения может достигать нескольких секунд.
Контрольное задание и вопросы
Опишите механизм возникновения тормозного рентгеновского излу
чения.
Как осуществляется регулировка интенсивности и жесткости рентге
новского излучения в рентгеновских аппаратах?
Какое излучение жестче: наиболее коротковолновое из спектра рент
геновского излучения, возникающего при напряжении 150 кВ на трубке, или
гамма-излучение с энергией кванта 0,074 МэВ?
Найдите минимальную длину волны, возникающего тормозного рент
геновского излучения, если напряжение на трубке цветного телевизора 20 кВ.
Сравните спектры теплового излучения и тормозного рентгеновского
излучения. В чем их сходство и различия?
Во сколько раз максимальная энергия кванта рентгеновского тормоз
ного излучения, возникающего при напряжении на трубке 80 кВ, больше энер
гии фотона, соответствующего зеленому свету с длиной волны 500 нм?
Определите минимальную длину волны в спектре излучения, возни
кающего в результате торможения на мишени электронов, ускоренных в бета
троне до энергии 60 МэВ.
В чем заключаются различия механизмов образования оптических
спектров атомов и спектров характеристического рентгеновского излучения?
Линии /<Г-серии спектра характеристического излучения для вольфра
ма начинают проявляться с возникновением напряжения на трубке, примерно
равного 70 кВ, а при меньших напряжениях они не появляются. С чем это свя
зано?
Почему жесткое рентгеновское излучение (которое в меньшей степе
ни поглощается веществом) более вредно по биологическому действию, чем
мягкое?
Слой половинного ослабления монохроматического рентгеновского
излучения в некотором веществе 10 мм. Определите показатель ослабления
этого излучения в данном веществе.
Скачать 0.63 Mb.
