ЛЕКЦ № 14 ИЯ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ шкала электромагнитных волн ионизирующее излучение
ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Вильгельм РЕНТГЕН (1845 -1923 гг), немецкий физикэкспериментатор, основатель научной школы, лауреат Нобелевской премии (1901 г) В. Рентген – автор фундаментальных работ в различных областях экспериментальной физики. В 1895 г. он открыл новый вид лучей, названных им Х -лучами и известных теперь как рентгеновские лучи. Им были произведены первые рентгеновские снимки – собственной руки и руки жены. Лаборатория В. Рентгена первый рентгеновский снимок кисти руки жены В. Рентгена
КОНСТРУКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Водяное охлаждение анода 1. Катод (К) нагревается переменным током ( ) и испускает электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией 2. Под действием электрического поля ( )электроны (-) движутся к аноду (+) и тормозятся электромагнитными полями его атомов, в результате чего возникает большая часть потока рентгеновского излучения (Ф):
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ По механизму возникновения ТОРМОЗНОЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ По длине волны (частоте квантов)
ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ λ 1. Тормозное рентгеновское излучение возникает в результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полематомов вещества ядра анода. 2. Лишь частькинетической энергии электронов на создание фотона рентгеновско идет излучения ~1%), другая часть~99%) расходуется на нагревание анода. ( ( 3. При торможении большого количества электронов образуется непрерывный спек рентгеновского излучения соотношение между кинетической энергией электро , т. к. перешедшей в квант рентгеновского излучения и в теплоту, для каждого электро случайно. 4. Максимальная частота (длина волны) рентгеновских квантов определяется усло что в них преобразовалась вся кинетическая энергия электрона:
ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ При больших напряжениях в рентгеновской трубке на фоне сплошного спектра тормозного излучения возникает линейчатый спектр характеристического рентгеновского излучения происходит, если ускоренные электроны проникают. Это вглубь атома анода и из внутренних орбиталей выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, а разность энергий уровней излучается в виде фотонов характеристического рентгеновского излучения. ЗАКОН МОЗЛИ где А, В= const Z – , порядковый номер элемент
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ КОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ ФОТОЭФФЕКТ НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ (ЭФФЕКТ КОМПТОНА) Механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом зависят от соотношения между энергией его фотонов E=hν и энергией ионизации Аи , которая необходима для удаления электронов за пределы атома или молекулы. КОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ Возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения меньше, чем энергия ионизации атомов вещества. Фотон, взаимодействуя с электромагнитными полями атомов, изменяет только направление распространения без изменения частоты (поэтому рассеяние называют когерентным).
ФОТОЭФФЕКТ НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ Если энергия фотона hν значительно превышает работу выхода электрона: E>>АВ, то происходит комптонэффект или некогерентное рассеяние. Электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи, так как обладают значительной кинетической энергией и способны вызывать вторичную ионизацию атомов вещества). Энергия рентгеновского фотона уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается; изменяется также и направление движения фотона. Образующееся при этом излучение с большей длиной волны называется вторичным, оно рассеивается по всевозможным направлениям, вызывая вторичную ионизацию атомов (если фотоны имеют достаточную энергию).
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВОМ В результате взаимодействия с веществом первичный пучок рентгеновского излучения ослабевает. Этот процесс подчиняется закону Бугера, согласно которому интенсивность Фd параллельного монохроматического рентгеновского излучения, достигающего слоя на глубине d от поверхности однородного вещества, связана с интенсивностью Ф 0 излучения, падающего на поверхность, зависимостью: где μ называют линейным коэффициентом ослабления. Он зависит от природы вещества (от плотности ρ и от атомного номера Z) и от длины волны λ (энергии фотона) излучения. Массовый коэффициент ослабления равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества: 1. Разные вещества в различной степени поглощают рентгеновское излучение (используется в рентгенодиагностике). Чем больше плотность и атомный номер вещества, тем сильнее оно поглощает излучения (свинец для защиты от излучен контрастные вещества для увеличения поглощения). 2. Жёсткое излучение поглощается хуже, чем мягкое, т. к. поглощение пропорционально λ 3. Относительно жёсткое излучение применяют в рентгенодиагностике , которая основана на регистрации излучения, прошедшего сквозь тело. Мягкое излучение применяют в рентгенотерапии.
ПРИРОДА ТЕНЕВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении атом представлен в веществе, поэтому легко можно сравнить массовые коэффициенты ослабления μmк кости Ca 3(PO 4)2 и μmв мягкой ткани или воды H 2 O. Атомные номера Ca, P, O и H соответственно равны 20, 15, 8 и 1. Поэтому получим отношение коэффициентов ослабления для кости и мягкой ткани: Кости лучше поглощают рентгеновские лучи, чем вода, изза разного химического состава Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть его теневое изображение
ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ТЕНЕВОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ 1. Через тело пропускают однородный поток рентгеновского излучения. 2. Он становится неоднородным после прохождения через тело, так различные ткани поглощают в разной степени. 3. Неоднородный поток попадает на приёмник излучения (фотоплёнку, люминесцентный экран, аналого-цифровой преобразователь), формируя изображение участка тела. Недостаток – низкая разрешающая способность.
РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА РЕНТГЕНОСКОПИЯ изображение рассматривают на люминесцирующем экране РЕНТГЕНОГРАФИЯ изображение фиксируется на фотопленке РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ (tomo (греч)– слой) полученное цифровое изображение, позволяет визуально с помощью компьютера, оценить слой, лежащий на определен глубине. а б
РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ В 1973 году группа английских специалистов разработала рентгеновский компьютерный томограф для исследования органов и их систем у человека. В первом томографе точечный источник рентгеновских лучей и полупроводниковый детектор рентгеновского излучения синхронно перемещались с противоположных сторон объекта. Детектор регистрировал интенсивность прошедшего излучения. Система излучатель-детектор многократно поворачивалась на несколько градусов относительно центра объекта и сканирование повторялось. Данные нескольких сотен сканирований поступали в компьютер и обрабатывались, синтезируя двумерное изображение слоя.
спиральная томография
