Физика ионизирующего излучения
Все излучения, используемые в медицинской радиологии, разделяют на две большие группы: неионизирующие и ионизирующие.
Для медицинских целей наиболее активно используют вид искусственного наружного излучения — рентгеновское.
Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный стеклянный сосуд, в концы которого впаяны два электрода — катод и анод.
Катод выполнен в виде тонкой вольфрамовой спирали. При его нагревании вокруг спирали 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.), для равномерного распределения частиц и предупреждения расплавления анода.
В результате торможения электронов на аноде часть их кинетической энергии превращается в электромагнитное излучение.
Рентгеновское излучение это разновидность тормозного излучения.
Другим источником ионизирующих излучений для медицинских целей являются радиоактивные нуклиды. Их получают в атомных реакторах на ускорителях заряженных частиц, или при помощи 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 полем или электрическим.
По характеру ускоряемых частиц в них различают ускорители электронов(бетатрон, микротрон, линейный ускоритель) и тяжелых частиц — протонов и т.д. (циклотрон, синхрофазотрон).
В диагностике ускорители используют для получения радионуклидов, преимущественно с коротким и ультракоротким периодом полураспада.
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.
Перечисленные методы лучевой диагностики основаны на исследовании органов путем получения их изображений с помощью различных полей и излучений (Medical Imaging).
Визуализация может быть получена обработкой пропускаемого, испускаемого или отраженного электромагнитного излучения либо механической вибрации (ультразвук).
В основу современной медицинской визуализации положены следующие физические явления:
-
поглощение в тканях рентгеновского излучения (рентгенодиагностика);
-
возникновение радиочастотного излучения при возбуждении непарных ядер атомов в магнитном поле (МРТ);
-
испускание гамма-квантов радионуклидами, сконцентрированными в определенных органах (радионуклидная диагностика);
-
отражение в сторону датчика высокочастотных лучей направленных ультразвуковых волн (УЗИ);
-
самопроизвольное испускание тканями инфракрасных волн (инфракрасная визуализация, термография).
Все эти методы, за исключением ультразвукового, основаны на электромагнитном излучении в различных областях энергетического спектра.
Ультразвуковая визуализация основана на улавливании колебаний,генерируемых пьезоэлектрическим кристаллом.
Методы визуализации можно сгруппировать и по следующему признаку: получают изображение всего объема ткани или ее тонкого слоя.
При обычном рентгеновском исследовании трехмерный объем отображается как двухмерное изображение. На пленке получают суммационное изображение различных органов.
При аксиальной визуализации, например,КТ, излучение направляется только на тонкий слой тканей.
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.
Проходя через любую среду, в том числе ткани человека, все ионизирующие излучения действуют практически одинаково: все они передают свою энергию атомам этих тканей, вызывая их возбуждение и ионизацию.
Протоны и особенно альфа-частицы имеют большую массу, заряд и энергию. Поэтому они движутся в тканях прямолинейно, образуя густые скопления ионов. Иначе говоря, у них большая линейная потеря энергии в тканях. Длинна же их пробега зависит от исходной энергии частицы и характера вещества, в котором она перемещается.
Электрон в тканях имеет извилистый пробег. Это связано с его малой массой и изменчивостью своего направления под действием электрических полей атомов. Но электрон способен вырывать орбитальный электрон из системы встречного атома — производить ионизацию вещества.
Образующиеся пары ионов распределены по пути следования электрона менее густо, чем в случае протонного пучка или альфа-частиц.
Быстрые нейтроны теряют свою энергию главным образом в результате столкновений с ядрами водорода. Эти ядра вырываются из атомов и сами создают в тканях короткие густые скопления ионов. После замедления нейтроны захватываются атомными ядрами, что может сопровождаться выделением гамма-квантов высокой энергии или протонов высокой энергии,которые в свою очередь дают плотные скопления ионов. Часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора, хлора, вследствие взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными. Поэтому после облучения человека потоком нейтронов в его теле остаются радионуклиды, являющиеся источником излучения (это явление наведенной радиоактивности).
Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц с атомами человеческих тканей происходит ионизация вещества тканей. При этом для каждого вида излучения характерно определенное микрораспределение ионов (энергии) в тканях.
Поток фотонов ослабляется в любой среде, в том числе в биосубстрате,за счет двух факторов: рассеяния фотонов в пространстве и их взаимодействие с атомами среды.
Пространственное ослабление происходит также, как ослабление лучей видимого света: чем дальше от источника, тем в большем объеме рассеиваются фотоны и тем меньше их приходится на единицу облучаемой поверхности. Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения (закон»обратных квадратов»).
Таким образом, при основных процессах взаимодействия тормозного и гамма-излучения с веществом часть их энергии превращается в кинетическую энергию электронов, которые производят ионизацию среды.
Процесс ионизации обуславливает биологические эффекты излучений.
Все излучения способны вызывать изменения в биологических объектах.
Но энергия ультразвуковых волн и высокочастотных электромагнитных колебаний, используемых в диагностике, значительно ниже энергии, которая сопровождается механической и химической реакцией тканей. Вопрос о биологическом действии ультразвука, стабильного магнитного поля и высокочастотных радиоволн продолжает изучаться, хотя до настоящего времени не получено достоверных сведений об их вредном воздействии.
Совершенно другое действие производят ионизирующие излучения.
Первый этап биологического воздействия представляет собой физический процесс взаимодействия излучений с веществом. Все излучения сами или опосредованно вызывают возбуждение или ионизацию атомов биосистем. В результате в тканях появляются возбужденные и/или ионизированные атомы и молекулы, обладающие высокой химической активностью. Они вступают во взаимодействие друг с другом и окружающими атомами — под влиянием облучения возникает большое количество высокосвободных радикалов.
Затем разворачивается уже их действие. Все биологические последствия облучения сводятся не только к клеточным и тканевым реакциям — они лишь лежат в основе сложных процессов нарушения деятельности нервной, кроветворной,эндокринной и др. систем организма.