Применение рентгеновского излучения в медицине

Открытие рентгеновского излучения оказало сильное влияние на развитие различных направлений науки, техники, медицины.

Впервые открыл рентгеновское излучение профессор физики Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген. Произошло это 8 ноября 1895г., когда закончив опыты с катодными лучами, возникающих в вакуумной трубке при подведении к ее полосам высокого напряжения, Рентген выключил свет и неожиданно заметил свечение кристаллов платиносинеродистого бария, находящегося рядом с трубкой.

Потом он понял, что забыл выключить проходивший через вакуумную трубку высокое напряжение, то так как трубка была обернута в черную бумагу, и катодные лучи так же, как и лучи видимого света, не могли проникнуть за ее пределы. Рентген сделал вывод, что столкнулся с какими-то новыми лучами. Проведя серию экспериментов, Вильгельм убедился в том, что свечение кристаллов вызывает какое-то неизвестное ранее излучение. Это излучение он назвал Х-лучами. В течение 7 недель Рентген изучал новый вид лучей. Результаты этой работы он опубликовал в середине января 1896г. в небольшой брошюре "О новом роде лучей".

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн (от 8·10^-6 до 10^-12 см). Рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц, чаще всего электронов, в электрическом поле атомов вещества. Образующиеся при этом кванты рентгеновского излучения имеют различную энергию и образуют непрерывный спектр. Максимальная энергия квантов в таком спектре равна энергии налетающих электронов. В рентгеновской трубке максимальная энергия квантов рентгеновского излучения, выраженная в килоэлектрон-вольтах, численно равна величине приложенного к трубке напряжения, выраженного в киловольтах. При прохождении через вещество рентгеновское излучение взаимодействует с электронами его атомов. Для квантов рентгеновского излучения с энергией до 100 кэв наиболее характерным видом взаимодействия является фотоэффект. В результате такого взаимодействия энергия кванта полностью расходуется на вырывание электрона из атомной оболочки и сообщения ему кинетической энергии. С ростом энергии кванта рентгеновского излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и преобладающим становится процесс рассеяния квантов на свободных электронах — так называемый комптон-эффект. В результате такого взаимодействия также образуется вторичный электрон и, кроме того, вылетает квант с энергией меньшей, чем энергия первичного кванта. Если энергия кванта рентгеновского излучения превышает один мегаэлектрон-вольт, может иметь место так называемый эффект образования пар, при котором образуются электрон и позитрон. Следовательно, при прохождении через вещество происходит уменьшение энергии рентгеновского излучения, т. е. уменьшение его интенсивности. Поскольку при этом с большей вероятностью происходит поглощение квантов низкой энергии, то имеет место обогащение рентгеновского излучения квантами более высокой энергии.

Применение рентгеновского излучения в медицине для диагностики и лечения основано на его способности:

1. проникать через различные вещества, в том числе через органы и ткани человеческого тела, не пропускающие лучи видимого света;

2. вызывать флюоресценцию — свечение некоторых химических соединений (активированные сульфиды цинка и кадмия, кристаллы вольфрамата кальция, платиносинеродистый барий). На этом свойстве основано рентгеновское просвечивание, а также использование усиливающих экранов при рентгенографии;

3. оказывать фотохимическое воздействие: разлагать соединения серебра с галогенами и вызывать почернение фотографических слоев (в том числе рентгенографической пленки). Это свойство лежит в основе получения рентгеновских снимков;

4. вызывать физиологические и патологические (в зависимости от дозы) изменения в облученных органах и тканях (оказывать биологическое действие). На этом свойстве основано использование рентгеновского излучения для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний. Однако при недостаточно контролируемом облучении в больших дозах возможно развитие острой или хронической лучевой болезни либо лучевых поражений;

5. передавать энергию излучения атомам и молекулам окружающей среды, вызывая их возбуждение, а также распад на положительные и отрицательные ионы — ионизационное действие. При определенных условиях между ионизационным эффектом и дозой облучения существует прямая зависимость. Это позволяет, оценивая с помощью специальных приборов (дозиметров) степень ионизации воздуха, определить количество и качество рентгеновских лучей, применяемых для диагностики или терапии.

Ниже приведены примеры использования рентгеновского излучения для диагностики заболеваний в медицине.

Флюорография. Этот метод диагностики заключается в фотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациент находится между источником рентгеновского излучения и плоским экраном из люминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновского излучения светится. Биологические ткани той или иной степени плотности создают тени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивности. Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране и ставит диагноз.

В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался на зрение. Сейчас имеются разнообразные системы, усиливающие изображение, выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памяти компьютера.

Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно на фотопленке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый орган располагается между источником рентгеновского излучения и фотопленкой, которая фиксирует информацию о состоянии органа в данный момент времени. Повторная рентгенография дает возможность судить о его дальнейшей эволюции.

Рентгенография чаще всего применяется для изучения состояния костно-мышечной системы благодаря наличию естественного контраста между костной тканью, больше задерживающей рентгеновские лучи, и так называемыми мягкими тканями — кожа, мышцы, жировая ткань. Чаще всего она выполняется при помещении пациента на спец. стол или у вертикальной стойки между рентгеновской трубкой и кассетой с рентгеновской пленкой. При рентгенологическом исследовании детей используют вспомогательные фиксирующие устройства. На рентгеновских снимках — рентгенограммах—хорошо видны контуры костей, их структура, взаимоотношение между отдельными костями. При болезненном процессе могут обнаруживаться изменение контуров кости, а также нарушение ее структуры в виде уплотнения или, наоборот, разрежения. Переломы и вывихи дают характерные признаки нарушения контуров, смещения отломков, нарушения взаимоотношения костей. Зная закономерности рентгеновской картины при различных заболеваниях, врачи ставят диагноз, назначают лечение и следят за динамикой развития болезненного процесса.

Рентгенография применяется не только при исследовании костной системы. Она необходима почти во всех случаях и как документальное подтверждение, которое может быть дополнительно неоднократно изучено, проконсультировано, сравнено с данными последующих или предыдущих исследований. Кроме того, рентгенограмма может зафиксировать то, что ускользнуло от внимания врача при рентгеноскопии.

Рентгеноскопия. Один из основных методов рентгенологического исследования, основанный на получении рентгеновского изображения на флуоресцентном экране или телевизионном экране рентгеновской установки.

Рентгеноскопия позволяет исследовать органы в процессе их функционирования, например дыхательные движения диафрагмы, сокращения сердца и т.д. Кроме того, под контролем Р. выполняют многие диагностические и лечебные манипуляции (катетеризацию бронхов и др.). В одних случаях, например при ориентировочном установлении характера патологических изменений и определении наилучшей проекции для их изучения, Р. предшествует рентгенографии, в других — ее проводят после анализа рентгенограмм для выявления функциональных признаков, которые не могут быть отражены на снимке.

Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела и полости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастным веществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать форму внутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные вещества пациент либо принимает внутрь, либо они вводятся внутривенно. В последние годы, однако, эти методы вытесняются методами диагностики, основанными на применении радиоактивных атомов и ультразвука. Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Изображения тонких слоев ("срезов") обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновской томографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностики инфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностики заболеваний мягких тканей внутри тела. Эта методика не требует введения инородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной, чем традиционные методики.