Что такое поглощение рентгеновских лучей
И опять кое-что о рентгене. Е. В. Штрыкова (№1, 2016)
главный специалист-эксперт отдела
за радиационной безопасностью
Межрегиональное управление № 153
Федерального медико-биологического агентства
(Межрегиональное управление № 153 ФМБА России)
Статья предназначена для самого широкого круга читателей журнала, поскольку слово «радиация» часто обладает магическим и, порой, пугающим многих людей каким-то ужасным воздействием. Все мы слышали слово «рентген». Так что же это такое – «рентген»?
Рентгенологические обследования (а также рентгенохирургические методы операбельного вмешательства) являются одними из наиболее распространенных методов в современной российской и в мировой медицине.
Рентгеновское излучение используется для получения простых рентгеновских снимков костей и внутренних органов, в флюорографии, в компьютерной томографии, в ангиографии и прочих рентгеновских методах диагностики и лечения.
Рентгенологические методы обследования используются гораздо реже в случае беременных женщин и детей, однако даже у этих категорий пациентов, в случае необходимости, рентгенологическое обследование может проведено, без существенного риска для развития беременности или здоровья ребенка.
Ключевые слова: рентгенологические обследования, эффективная доза, единица измерения эффективной дозы общего облучения человеческого тела, уровень безопасности, процедура.
Введение
Что представляют собой волны рентгеновских лучей, и какое влияние они оказывают на организм человека?
Рентгеновские лучи являются видом электромагнитного излучения, другими формами которого являются свет или радиоволны. Характерной особенностью рентгеновского излучения является очень короткая длина волны, что позволяет этому виду электромагнитных волн нести большую энергию и придает ему высокую проникающую способность. В отличие от света, рентгеновские лучи способны проникать сквозь тело человека («просвечивать его»), что позволяет врачу рентгенологу получить изображения внутренних структур тела человека.
Чтотакое растр или «отсеивающая решётка»?
Растр был изобретен в 1913 году доктором Густавом Баки.
Принцип действия растра.
Когда рентгеновский аппарат посылает излучения через тело, происходит поглощение и изменение направления рентгеновских лучей. Только около 1 процента рентгена проходят через тело по прямой линии и вызывают изменения на средстве визуализации (рентгеновская пленка, CR или DR-детектор. Остальные лучи являются лишними и их фильтрация улучшает качество рентгенограммы.
Основу растра составляет сетка из свинца, никеля и алюминия. Полоски металла должны быть очень тонкими. Это позволяет расположить большое количество ячеек на 1 мм. При 2-3 ячейках, расположенных на 1 мм растра, возможно увидеть саму решетку на рентгенограмме в виде тонкой сетки. При 6 ячейках и больше, расположенных на 1 мм растра, сетка на растре не видна. Одним из показателей растра является соотношение размера грани ячейки к ее протяженности. Чем это соотношение больше, тем лучше степень фильтрации и тем больше требований к перпендикулярности системы рентгеновский луч (детектор). В компьютерной рентгенографии растр на изображении убирается программой отцифровщика.
Изобретение относится к разделу рентгеновской техники. Оно предназначено для ограничения пучка рентгеновского излучения, выходящего из рентгеновского излучателя, и формирования узкого веерного пучка излучения в рентгенодиагностических аппаратах сканирующего типа, например цифровом флюорографе. Техническим результатом является обеспечение возможности световой имитации пучка излучения в рентгенодиагностических аппаратах сканирующего типа. Рентгеновский щелевой коллиматор содержит две плоскопараллельные пластины из материала с высоким атомным номером, закрепленные взаимно параллельно с небольшим зазором, образующим щелевой канал коллиматора, дополнен оптико-электронной системой, включающей оптически сопряженные лазер, две прямоугольные призмы и зеркальный отражатель. Лазер и первая призма находятся с внешней стороны одной из плоскопараллельных пластин и закрыты свето- и рентгенозащитным кожухом, а вторая призма и зеркальный отражатель, изготовленные из материала, слабо поглощающего рентгеновские лучи, размещены в отверстиях между плоскопараллельными пластинами и перекрывают щелевой канал коллиматора. Зеркальный отражатель, представляющий собой прямоугольный многогранник с отражающими боковыми гранями, соединен своим основанием с осью электродвигателя, проходящей перпендикулярно к щелевому каналу коллиматора, кроме того, на выходе щелевого канала установлена бленда из светонепроницаемого и рентгенопрозрачного материала.
Известен рентгеновский щелевой коллиматор, входящий в состав цифрового рентгенодиагностического аппарата сканирующего типа. Рентгеновский коллиматор имеет корпус, изготовленный из металла с высоким атомным номером, в форме плоского тубуса. Коллиматор соединен с рентгеновским излучателем. Рабочий канал коллиматора формирует узкий веерный рентгеновский пучок.
Известен также рентгеновский щелевой коллиматор, входящий в состав рентгенографической установки для медицинской диагностики. Рентгеновский коллиматор представляет собой пластину из металла с высоким атомным номером, в которой выполнена узкая продольная щель, формирующая узкий веерный пучок рентгеновского излучения.
Рентгенологические обследования являются одними из наиболее распространенных в современной медицине. Рентгеновское излучение используется для получения простых рентгеновских снимков костей и внутренних органов, флюорографии, в компьютерной томографии, в ангиографии и пр.
Исходя из того,что рентгеновское излучение относится к группе радиационных излучений, оно (в определенной дозе) может оказывать негативное влияние на здоровье человека. Проведение большинства современных методов рентгенологического обследования подразумевает облучение обследуемого ничтожно малыми дозами радиации, которые совершенно безопасны для здоровья человека.
Основная часть.
Медицинские исследования рентгеновскими лучами (рентгенологические исследования) во многих случаях предоставляют важную информацию о состоянии здоровья обследуемого человека и помогают врачу поставить точный диагноз в случае целого ряда сложных заболеваний.
Большая проникающая способность и энергия рентгеновских лучей делают их довольно опасными для организма человека. Рентгеновское излучение является одним из наиболее распространенных видов радиации. Во время прохождения через организм человека рентгеновские лучи взаимодействуют с его молекулами и ионизируют их. Говоря проще, рентгеновские лучи способны «разбивать» сложные молекулы и атомы организма человека на заряженные частицы и активные молекулы. Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени. Подавляющее большинство медицинских обследований в рамках которых применяется рентгенологическое излучение, используют рентгеновские лучи с низкой энергией и облучают тело человека очень малые промежутки времени в связи с чем, даже при их многократном повторении они считаются практически безвредными для человека.
Дозы рентгеновского излучения, которые используются в обычном рентгене грудной клетки или костей конечностей не могут вызвать никаких немедленных побочных эффектов и лишь очень незначительно (не более чем на 0,001%) повышают риск развития рака в будущем.
Измерение дозы облучения при рентгенологических обследованиях
Как уже было сказано выше, влияние рентгеновских лучей на организм человека зависит от их интенсивности и времени облучения. Произведение интенсивности излучения и его продолжительности представляет дозу облучения.
Единица измерения дозы общего облучения человеческого тела это мили-Зиверт (мЗв). Также, для измерения дозы рентгеновского излучения используются и другие единицы измерения, включая внесистемную единицу «Рентген (Р)».
Разные ткани и органы организма человека обладают различной чувствительностью к облучению, в связи с чем, риск облучения различных частей тела в ходе рентгенологического обследования значительно варьирует.
Термин эффективная доза используется в отношении риска облучения всего тела человека.
Например, при рентгенологическом обследовании области головы, другие части тела практически не подвергаются прямому воздействию рентгеновских лучей. Однако, для оценки риска, представленного здоровью пациента, рассчитывается не доза прямого облучения обследуемой зоны, а определяется доза общего облучения организма – то есть, эффективная доза облучения. Определение эффективной дозы осуществляется с учетом относительной чувствительности разных тканей, подверженных облучению. Так же, эффективная доза позволяет провести сравнение риска рентгенологических исследований с более привычными источниками облучения, такими как, например, радиационный фон, космические лучи и пр.
Расчет дозы облучения и оценка риска рентгенологического облучения.
Необходимо отметить, что указанные в таблице дозы являются ориентировочными и могут варьироваться в зависимости от используемых рентгеновских аппаратов и методов проведения обследования.
Процедура
Эффективная доза облучения
Сопоставимо с природным облучением, полученным за указанный промежуток времени
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ. При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (твердым, жидким или газообразным) регистрируется интенсивность прошедшего или дифрагированного излучения. Эта интенсивность интегральна и связана с различными процессами взаимодействия. Чтобы отделить друг от друга эти процессы, используют их зависимости от условий эксперимента и физических характеристик исследуемого объекта.
Эффект рассеяния рентгеновских лучей связан с тем, что силы переменного электромагнитного поля, создаваемого пучком рентгеновских лучей, приводят в колебательное движение электроны в исследуемом материале. Колеблющиеся электроны испускают рентгеновские лучи той же длины волны, что и первичные, при этом отношение мощности лучей, рассеянных 1 г вещества, к интенсивности падающего излучения приближенно составляет 0,2. Этот коэффициент несколько увеличивается для рентгеновских лучей с большой длиной волны (мягкое излучение) и уменьшается для лучей с малой длиной волны (жесткое излучение). При этом сильнее всего рассеиваются лучи в направлении падающего пучка рентгеновских лучей (и в обратном направлении) и слабее всего (в 2 раза) в направлении, перпендикулярном первичному.
Фотоэффект возникает, когда поглощение падающего рентгеновского излучения сопровождается выбросом электронов. После выброса внутреннего электрона происходит возврат к стационарному состоянию. Этот процесс может происходить либо без излучения с выбросом второго электрона (эффект Оже), либо сопровождаться характеристическим рентгеновским излучением атомов материала (см. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ). По своей природе это явление аналогично флюоресценции. Рентгеновская флюоресценция может происходить только при воздействии характеристического рентгеновского излучения какого-либо элемента на преграду из более легкого элемента (с меньшим атомным номером).
Суммарное поглощение рентгеновских лучей определяется суммированием всеми видами взаимодействия, ослабляющими интенсивность рентгеновского излучения. Для оценки ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество используют линейный коэффициент ослабления, характеризующий уменьшение интенсивности излучения при прохождении через 1 см вещества и равный натуральному логарифму отношения интенсивностей падающего и прошедшего излучения. Кроме того, как характеристику способности вещества поглощать падающее излучение используют толщину слоя половинного поглощения, т.е. толщина слоя, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.
Физические механизмы рассеяния рентгеновского излучения и возникновения вторичного характеристического излучения различны, но во всех случаях зависят от количества атомов вещества, взаимодействующих с рентгеновским излучением, т.е. от плотности вещества, поэтому универсальной характеристикой поглощения является массовый коэффициент поглощения – истинный коэффициент поглощения, отнесенный к плотности вещества.
Коэффициент поглощения в одном и том же веществе падает с уменьшением длины волны рентгеновского излучения, однако при некоторой длине волны происходит резкое увеличение (скачок) коэффициента поглощения, после чего продолжается его уменьшение (рис.). При скачке коэффициент поглощения увеличивается в несколько раз (иногда на порядок) и на разную величину для различных веществ. Возникновение скачка поглощения связано с тем, что при определенной длине волны возбуждается характеристическое рентгеновское излучение облучаемого вещества, что резко увеличивает потери энергии при прохождении излучения. В пределах каждого участка кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны (до и после скачка поглощения) массовый коэффициент поглощения меняется пропорционально кубу длины волны рентгеновского излучения и атомного номера химического элемента (материала преграды).
Когда через вещество проходит немонохроматическое рентгеновское излучение, например, излучение со сплошным спектром, возникает спектр коэффициентов поглощения, при этом коротковолновое излучение поглощается слабее длинноволнового и по мере увеличения толщины преграды результирующий коэффициент поглощения приближается к величине, характерной для коротковолнового излучения. Если вещество состоит из нескольких химических элементов, то суммарный коэффициент поглощения зависит от атомного номера каждого элемента и количества этого элемента в веществе.
Расчеты поглощения рентгеновского излучения в веществе имеют большое значение для рентгенодефектоскопии. При наличии дефекта (например, поры или раковины) в металлической пластине интенсивность прошедшего излучения увеличивается, а при включении из более тяжелого элемента – уменьшается. Зная величину коэффициента поглощения, можно рассчитать геометрические размеры внутреннего дефекта.
Рентгеновские фильтры.
При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн, при этом используется тот факт, что рост длины волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. Например, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения К-серии от железного анода ( l = 1,932 А), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода ( l = 0,708 А) и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.
При взаимодействии рентгеновского излучения с твердым телом могут возникать радиационные повреждения структуры, связанные с перемещением атомов. В ионных кристаллах возникают центры окраски, аналогичные явления наблюдаются в стеклах, в полимерах меняются механические свойства. Эти эффекты связаны с выбиванием атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. В результате образуются вакансии – отсутствие атомов в равновесных положениях в кристаллической решетке и внедренные атомы, находящиеся в равновесном положении в решетке. Эффект окрашивания кристаллов и стекла под действием рентгеновского излучения является обратимым и в большинстве случаев исчезает при нагреве или длительной выдержке. Изменение механических свойств полимеров при рентгеновском облучении связано с разрывом межатомных связей.
Основным направлением изучения взаимодействия рентгеновского излучения с твердым телом является рентгеноструктурный анализ, с помощью которого исследуют расположение атомов в твердом теле и его изменения при внешних воздействиях.
Действие рентгеновского излучения на человека
Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны, длина которых колеблется в интервале от 0,0001 до 50 нанометров. Излучение было открыто в ноябре в 1895 году физиком из Германии Вильгельмом Конрадом Рентгеном, работавшим в Вюрцбургском университете. Он охарактеризовал свойства лучей, обнаружив их способность проникания через мягкие непрозрачные ткани.
Применение и свойства рентгеновского излучения
Излучение делится два типа:
Лучи характеристического типа получаются при перестройке атомов анода рентгеновской трубки. Волны различаются длиной, на них воздействуют номера химических элементов, которые используются при получении трубки.
Тормозные лучи появляются из-за торможения электронов, которые испаряются из вольфрамовой спирали.
У электромагнитных волн существует ряд характеристик, объясняющихся их природой. Электромагнитные волны при перпендикулярном падении на плоскость не отражаются.
Это интересно! При перечне соблюдённых условий алмаз отразит их.
Электромагнитные волны пробиваются через непроницаемые предметы: бумага, металл, дерево, живые ткани. Чем поверхность материала плотнее и толще, тем лучи поглощаются интенсивнее и больше.
Рентгеновское излучение вызывает свечение некоторых элементов. Он останавливается после прекращения воздействия электромагнитных волн. Электромагнитные волны засвечивают фотоплёнку.
Излучение рентгена
При прохождении лучей в воздухе происходит его ионизация. В итоге воздух способен проводить ток. Облучение повреждает клетки, это связано с ионизацией биологических структур.
Благодаря рентгеновскому излучению можно просветить тело человека, чтобы получить снимок его костей. При современных технологиях также возможно выявление внутренних органов. С помощью обычных приборов получают двумерную проекцию, а благодаря компьютерным томографам возможно сделать объёмное изображение человеческих органов.
В этом промежутке времени существует такое понятие как рентгеновская дефектоскопия. С помощью неё выявляют повреждения в различных изделиях, к примеру, в варочных швах и в рельсах.
Во многих науках рентгеновское излучение применяется для выявления строения элементов на уровне атомов при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения. Это называется рентгеноструктурным анализом. В качестве примера можно привести выявление структуры ДНК.
Химический состав элементов также выявляется благодаря электромагнитным волнам. Вещество, по которому осуществляется анализ, облучается электронами, в процессе происходит ионизация атомов. Такой метод называется рентгено-флюоресцентным.
На сегодняшний момент применение рентгеновского излучения осуществляется в разных отраслях. В целях безопасности создаются переносные и стационарные приборы для выявления запрещённых или опасных для жизни предметов в таможнях, аэропортах и местах, где часто происходят столпотворения людей.
Виды рентгеновского излучения
Оно бывает нескольких видов и различается по проникающей способности и по протяжённости волны:
Действует подразделение по признакам спектра и механизмам действия:
Любые типы складываются благодаря рентгеновской трубке. Этот термин значит электровакуумный прибор, который предназначен для генерации электромагнитных волн. Основой работы служит термоэлектронная эмиссия.
Тормозное излучение образуется при помощи торможения электронов полем атомарных электронов. Его диапазон — непрерывный, определяется границами волн.
Влияние рентгеновского излучения на человека
После их открытия Вильгельмом Рентгеном, который опубликовал статью, назвав их х-лучами, выяснилось, что такое излучение влияет на организм человека.
Рентгеновское излучение в повышенных дозах провоцирует изменения в кожных покровах, которые похожи на ожог от солнечных лучей. Только при облучении происходит более глубокое и серьёзное повреждение верхнего слоя кожи. Появившиеся на коже язвы требуют затяжного по времени лечения.
Со временем исследователи выявили, что такого пагубного действия реально избежать, если уменьшить дозировку или время. При этом применяется дистанционное управление процедурой.
Вред от получаемых волн иногда проявляется не сразу, а только спустя промежуток времени, постепенно: случаются непрерывные или временные преобразования в структуре эритроцитов, повышается риск развития лейкемии. Возможно характерное образование последствия в виде преждевременного старения и утери эластичности кожи.
Применение рентгена
Влияние рентгеновского излучения зависит от того, какой внутренний орган подвержен излучению. Воздействие электромагнитных волн зависит от дозы лучей. При облучении половых органов у человека развивается бесплодие, при кроветворных органах – болезни крови.
Регулярное облучение даже в самых маленьких количествах и при коротких промежутках, приводит к изменениям на генетическом фоне. Они редко обратимы.
Электромагнитные волны проникают через ткани человеческого тела, при этом осуществляется ионизация в клетках, изменяется структура. Результатами таких воздействий становятся соматические осложнения или болезни в будущем поколении. Так проявляются генетические заболевания.
У людей, подвергшихся излучению, выявляются патологии крови. После маленьких доз возникают изменения её состава, которые ещё обратимы. Распадаются эритроциты и гемоглобин вследствие гемолитических изменений. Возможна тромбоцитопения.
При облучении нередки травмы хрусталика глаза, он мутнеет, и наступает катаракта.
Однократное облучение медицинской аппаратурой не влечёт за собой сильных перемен, т.к. содержит небольшую дозировку. При чувстве пациентом повышенной тревоги он вправе попросить у медика специальный защитный фартук. После выключения аппарата вредоносное действие тут же прекращается. Частое же влияние пагубно сказывается на человеческом организме.
Исследование последствий вредного облучения позволило создать международные стандарты, в которых указаны разрешённые минимальные дозы.