Рентгеновское и ионизирующее излучения, применение в медицине. Основы дозиметрии

Физические  основы применения рентгеновского излучения в медицине 

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике  послужила их высокая проникающая  способность. В первое время после  открытия, рентгеновское излучение  использовалось по большей части, для  исследования переломов костей и  определения местоположения инородных  тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют 

8

несколько методов  диагностики с помощью рентгеновских  лучей 

(рентгенодиагностика).

  Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.

Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.

  Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии.

Компьютерная  рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.

Первое поколение  компьютерных томографов (КТ) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок  рентгеновских лучей. Два детектора  рентгеновских лучей прикреплены  к противоположной стороне рамы.

9

Пациент находится  в центре рамы, которая может вращаться на вокруг его тела.

Рентгеновский луч проходит через неподвижный  объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская  трубка перемещается линейно вдоль  сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на , и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на . Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования.Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.

Второе поколение  КT использует несколько пучков рентгеновских  лучей и до 30 их детекторов. Это  дает возможность ускорить процесс  исследования до 18 секунд.

 В третьем  поколении КT используется новый  принцип. Широкий пучок рентгеновских  лучей в форме веера перекрывает  исследуемый объект, и прошедшее  сквозь тело рентгеновское излучение  записывается несколькими сотнями  детекторов. Время, необходимое для  исследования, сокращается до 5-6 секунд.

КТ имеет множество  преимуществ по сравнению с более  ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким  разрешением, которое дает возможность  различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие  патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КТ позволяет  уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики  пациентами. 
 

Радиоактивность. Основные типы радиоактивного распада 

   Радиоактивный  распад — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных  

10

частиц или  ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также

называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что  радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть, начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Э. Резерфорд  экспериментально установил (1899), что  соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются  в магнитном поле:

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц, их назвали α-лучами;
• лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Альфа – распад:

   α -распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α - частицу.

α-распад, как  правило, происходит в тяжёлых ядрах  с массовым числом А≥140 (хотя есть несколько  исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных  сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица  подвержена большему действию кулоновских  сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное  притяжение к нуклонам ядра, чем  остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы

11

проницаемость потенциального барьера экспоненциально  уменьшается,

поэтому время  жизни ядер с меньшей доступной  энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α- распада:

Пример: 

   В результате  α - распада элемент смещается  на 2 клетки к началу таблицы  Менделеева, массовое число дочернего  ядра уменьшается на 4.

Бета  – распад:

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов.β -распад — это проявление слабого взаимодействия.

β-распад (точнее, бета – минус- распад, β − распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков  в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение  нейтрона в протон с испусканием  электрона и антинейтрино: 

Правило смещения Содди для β – распада:

Пример: 

   После  β - распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется. 

12

Гамма – распад (изомерный  переход):

   Почти  все ядра имеют, кроме основного  квантового состояния, дискретный  набор возбуждённых состояний  с большей энергией (исключением являются ядра , , и ). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее нано - секунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма - квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета - и альфа-распадов. 
 

Основной  закон радиоактивного распада 

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году.

 Современная  формулировка закона:

что означает, что  число распадов за интервал времени  в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов .

   В этом  математическом выражении λ  — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность . Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

13

   Этот  закон считается основным законом  радиоактивности, из него было  извлечено несколько важных следствий,  среди которых формулировки характеристик  распада — среднее время жизни  атома и период полураспада. 
 

Взаимодействие  ионизирующего излучения  с веществом 

Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной  стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном, в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей  энергии, вызывая ионизацию или  возбуждение атомов (т.е. перевод  электрона с более близкой  на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия  ионизирующего излучения на биологическую  ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений  проникать через разные материалы, последние можно использовать как  для защиты человека, так и некоторых  объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом  зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий, от вида фотонов и их энергий, от типа и плотности вещества, от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие  ионизирующего излучения с веществом  зависит от соотношения масс и  энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

• заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

 

14

• при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;
• в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы;
• при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.