Биологическое действие рентгеновского излучения
В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Их мерой служит величина поглощенной дозы, ее мощность, вид излучения. В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.
Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10-13 сек. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10-10 сек образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10-б сек, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.
Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.
Дозы излучения и единицы измерения
Основные радиологические величины и единицы
|
Величина
|
Наименование и обозначение
единицы измерения
|
Соотношения между
единицами
|
Внесистемные
|
Си
|
Экспозицион-
ная доза, X
|
Рентген (Р, R)
|
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
|
1 Р=2.58·10-4 Кл/кг
1 Кл/кг=3.88·103 Р
|
Поглощенная доза, D
|
Рад (рад, rad)
|
Грей (Гр, Gy)
|
1 рад-10-2 Гр
1 Гр=1 Дж/кг
|
Эквивалентная доза, Н
|
Бэр (бэр, rem)
|
Зиверт (Зв, Sv)
|
1 бэр=10-2 Зв
1 Зв=100 бэр
|
Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :
X = dQ/dm
Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р) - это экспозиционная доза рентгеновского излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1Р соответствует 2.08·109 пар ионов (2.08·109 = 1/(4.8·10-10)).
Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.
Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
D = dE/dm
Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.
Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы Dr, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель wr (называемый еще - коэффициент качества излучения)/
Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).
Влияние облучения носит неравномерный характер. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного характера влияния облучения на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено понятие эффективной эквивалентной дозы Еэфф применяемое при оценке возможных стохастических эффектов - злокачественных новообразований.
Эффективная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях:
где wt - тканевый весовой множитель (таблица 12), а Ht -эквивалентная доза, поглощенная в
ткани - t. Единица эффективной эквивалентной дозы - Зиверт.
Значения тканевых весовых множителей wt для различных органов и тканей.
|
Ткань или орган
|
wt
|
Ткань или орган
|
wt
|
Половые железы
|
0.20
|
Печень
|
0.05
|
Красный костный мозг
|
0.12
|
Пищевод
|
0.05
|
Толстый кишечник
|
0.12
|
Щитовидная железа
|
0.05
|
Легкие
|
0.12
|
Кожа
|
0.01
|
Желудок
|
0.12
|
Поверхность костей
|
0.01
|
Мочевой пузырь
|
0.05
|
Остальные органы
|
0.05
|
Молочные железы
|
0.05
|
|
|
Предельно допустимые дозы облучения
По отношению к облучению население делится на 3 категории:
Категория А облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.
Категория Б облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.
Категория В облучаемых лиц или население - население страны, республики, края или области.
Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.
Устанавливается три группы критических органов:
1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг.
2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.
3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.
Дозовые пределы внешнего и внутреннего облучения (бэр/год).
|
Категории лиц
|
Группы критических органов
|
1
|
2
|
3
|
Категория А, предельно допустимая доза (ПДД)
|
5
|
15
|
30
|
Категория Б, предел дозы(ПД)
|
0.5
|
1.5
|
3
|
Меры радиационной защиты персонала и населения регламентируются нормами радиационной безопасности (НРБ-76/87) и основными санитарными правилами (ОСП-72-87).Способы противолучевой защиты персонала и пациентов в медицинских учреждениях регламентируются САНПИН 2.6.1.802 -99 «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов».
Борьба с ионизирующим компонентом осуществляется несколькими путями:
Назначение исследования должно быть четко аргументированным и целесообразным
Временем (ограничение пребывания в зоне воздействия)
Расстоянием (расстояние до аппарата должно быть максимально большим)
Экранированием
Показания к рентгенографии
Круг показаний (патологий) к проведению рентгенографии очень широк, но в основном рентгенография используется при:
необходимости установить поражения различных внутренних органов, а также структур скелета;
необходимости проверки корректности установки трубок, катетеров и др.;
контроле эффективности и результативности курса терапии.
Относительные противопоказания
возраст до 16 лет
беременные женщины
Абсолютные противопоказания появляются при применении в исследовании контрастных веществ – их непереносимость
|
Показания к рентгеноскопии
патология желудочно-кишечного тракта
многоосевой осмотр очага поражения при ряде других патологий (сложные переломы костей, злокачественные образования органов грудной полости и т.п.)
под контролем рентгеноскопии проводятся пункции и другие интервенционные манипуляции.
Относительные противопоказания
возраст до 16 лет
беременные женщины
Абсолютных противопоказаний нет
|
Флюорографию проходят:
с профилактической целью все люди старше 16 лет, не реже 1 раза в два года;
первичные больные поликлиники и других медицинских заведений при отсутствии предварительного исследования;
лица, проживающие совместно с беременными женщинами и новорожденными детьми;
призывники военкоматов – как срочники, так и контрактники;
ВИЧ инфицированные.
На внеплановую флюорографию врач направляет пациента при подозрении на:
туберкулёз легких;
новообразования легких и органов средостения;
воспалительные и другие заболевания легких и плевры (пневмонии, плевриты и т.д.);
Относительные противопоказания
возраст до 16 лет
беременные женщины
тяжелое общее состояние либо другие причины, не позволяющие больному стоять
боязнь закрытых помещений
Абсолютных противопоказаний нет
|
Время экспозиции должно быть как можно меньшим.
Облучаться должна только исследуемая область (располагаемая максимально близко к детектору), остальные ткани (особенно высокочувствительные – щитовидная железа, хрусталики, гонады) организма должны быть защищены экранированием. Уменьшение поля облучения достигается также ограничением в поперечнике рабочего пучка, с помощью тубусов, диафрагмы и т.п.
Увеличение расстояния между рентгеновской трубкой и пленкой уменьшает экспозицию, однако это уменьшает и количество полезного сигнала, увеличивая количество вторичного излучения. Оптимальное расстояние пациента до трубки – 1 метр.
Защитное экранирование
Представляют собой комплекс сооружений, основной характеристикой которых служит «свинцовый эквивалент»:
Стационарных строительных конструкций (стены, ставни, двери, окна, баритовая штукатурка и др.) из соответствующих материалов – свинца и др.
Передвижных конструкций (ширмы и экраны)
Средств индивидуальной защиты (очки, фартуки, жилеты, пояса из материалов с добавлением свинца)
Рабочий персонал должен иметь индивидуальные дозиметры, располагая их в области высокочувствительных тканей организма. При этом может использоваться более 1 дозиметра.
Библиографический список
1. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.1:Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба.-М.:Мир,1991.- 408 с.
2. Антонов А.О., Антонов О.С.,Лыткин С.А.//Мед.техника.-1995.- № 3 - с.3-6
3. Беликова Т.П., Лапшин В.В., Яшунская Н.И.//Мед.техника.-1995.- № 1-с.7
4. D.R. Dance, S. ChristofidesDiagnostic Radiology Physics // International atomic energy agency - Vienna, 2014
ТОМОГРАФИЯ
Линейная томография
Томогра́фия (др.греч. τομή — сечение, слой) - метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях.
Впервые метод томографии был предложен в 1914 году Маером. Его идеи значительно доработал и дополнил Бокаж, который в 1917 году приступил к работе над получением послойных рентгеновских изображений, и в 1921 году разрешил эту проблему, создав систему в целом аналогичную современным линейным томографам. Внедрение линейной томографии значительно замедлялось сложностью и дороговизной аппаратов. В 1933-1934 годах Гросманну удалось решить многие имеющиеся на то время технические проблемы и создать относительно простой и надежный рентгеновский линейный томограф. В 1934 году немецкая фирма Sanitas первой в мире начала серийное производство относительно дешевых линейных томографов.
На данный момент иерархию томографических методов можно представить как:
двумерная томография: много ракурсов в одной плоскости>набор одномерных проекций+математическая обработка>двумерная томограмма
трёхмерная послойная томография: много ракурсов во множестве параллельных плоскостей>набор одномерных проекций+математическая обработка>набор двумерныхтомограмм>трехмерная томограмма
трехмерная произвольная томография: много ракурсов во множестве произвольных (в том числе пересекающихся) плоскостей>набор одномерных проекций+математическая обработка>трехмерная томограмма
Здесь под математической обработкой понимается решение обратной томографической задачи – например, обращение преобразования Радона (КТ, МРТ) или экспоненциального преобразования Радона (радионуклидная томография). Именно обратная томографическая задача приводит к необходимости в многократном просвечивании в различных пересекающихся направлениях, т.к. один ракурс дает принципиально недостаточно информации.
Обычная рентгеновская томография (в прошлом наиболее распространенный метод послойного исследования) основана на синхронном перемещении в пространстве одного из трех компонентов рентгеновской съемки (в основном, это пара излучатель-кассета). Это позволяет «размыть» ненужные данные, оставив только с необходимого слоя:
На обычной рентгенограмме получается суммационное изображение всей толщины исследуемой части тела. Изображения одних анатомических структур частично или полностью накладываются на изображение других. В силу этого теряется тень многих важных структурных элементов органов. Томография служит для получения изолированного изображения структур, расположенных в какой-либо одной плоскости, т.е. для расчленения суммационного изображения на составляющие его изображения отдельных слоев объекта.
Таким образом, рентгенодиагностические аппараты для обычной рентгеновской томограммы состоят из подвижной системы излучатель-кассета, механизмов их перемещения, устройства для размещения пациента, электронных управляющих устройств.Томографы подразделяют на продольные (необходимый слой параллелен продольной оси человека), поперечные (выбранный слой перпендикулярен оси тела человека) и панорамные (выбранный слой имеет форму изогнутой поверхности – обычно используется в дентальной томографии). В зависимости от положения тела пациента во время исследования томографы могут быть горизонтальными, вертикальными, наклонными. По характеру перемещения подвижной системы излучатель-кассета они могут быть линейными, нелинейными, круговыми и комбинированными (синусоидальные и др.). Возможности довольно широкие, но единственным обязательным условием выполнения исследования является синхронное движение излучателя и кассеты во взаимно противоположных направлениях. При таком перемещении изображение большинства деталей на рентгенограмме оказывается нечетким, размазанным. А резкое изображение дают только те образования, которые находятся на уровне центра вращения системы трубка — пленка. Соответственно показаниям рентгенолог устанавливает глубину выделяемого слоя (обязательно маркируется на томограмме), его толщину и оптимальную проекцию. Толщина зависит от угла перемещения излучателя и пленки. Чем больше этот угол, тем тоньше выделяемый слой. Обычная величина угла — от 20 до 50°. Если же выбирают очень малый угол перемещения, порядка 3— 5°, то получают изображение толстого слоя, по существу целой зоны. Этот вариант томографии получил название зонографии. Если необходимо сделать несколько томограмм, то появляется другой показатель, так называемыйтомографический шаг - расстояние между срезами.
Традиционная линейная продольная томография
На данный момент цифровые томографы (в виде отдельных аппаратов) используют движение по сложным криволинейным траекториям. Но наибольшее распространение получили продольные горизонтальные линейные томографы на основе стационарных рентгеновских аппаратов, оснащенных специальным механизмом для перемещения излучателя и кассеты.Методикой 3-х мерного пространственного исследования является компьютерная томография.
Показания к томографии достаточно широки: в России это в основном заболевания легких (выявление абсцессов, каверн на фоне массивных инфильтративных/плевральных наслоений; выявление и установление причины увеличения внутригрудных лимфатических узлов; исследование трахеи и бронхов при раке легкого; исследование гортани и т.п.)
История возникновения КТ. Поколения КТ
Первые математические алгоритмы для КТ были разработаны в 1917 году австрийским математиком И. Радоном (см. преобразование Радона). Физической основой метода является экспоненциальный закон ослабления излучения, который справедлив для чисто поглощающих сред. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется с высокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы были впервые применены именно для рентгеновской компьютерной томографии
В 20-х гг. ХХв. французский врач Бокаж изобрёл и запатентовал томографический механический сканер, который должен был оставлять на рентгенограмме неразмытым только заданный слой тела пациента–классический томограф.
В 1930 г. итальянский инженер А. Валлебона реализовал идею сканера, предложенную Бокажем, на практике.
В 1934 г. В. И. Феоктистов создал первый в СССР действующий рентгеновский томограф.
В 1937 г. польский математик Качмаж опубликовал алгоритм, который впоследствии был использован Кормаком и Хаунсфилдом без ссылки на автора.
В 1941 г. А. Н. Тихонов изобрёл метод регуляризации, сделавший возможным реконструкцию при неточных проекциях.
В 1953 г. И. А. Бочек изобрёл стохастическую версию алгоритма Качмажа, избавившую реконструкции от регулярных артефактов и значительно увеличивший качество изображений.
В 1953 г. советский математик Вайнштейн доказал теорему о связи минимального достаточного количества проекций с группой симметрии объекта, резко упростившую томографию.
В 1963 году американский физик А. Кормак повторно (но отличным от Радона способом) решил задачу томографического восстановления.
В 1969 году английский инженер-физик Г. Хаунсфилд из фирмы EMI Ltd. сконструировал «ЭМИ-сканер» (EMI-scanner) — первый компьютерный рентгеновский томограф, чьи клинические испытания прошли в 1972 году.
В 1979 году Кормак и Хаунсфилд «за разработку компьютерной томографии» были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Аллен Кормак Годфри Хаунсфилд
Таким образом, КТ появилась на стыке прорывов в математике, разработке электронных вычислительных систем и модернизации классической томографии.
В последующие годы сотрудники и ученые крупных корпораций, таких как Siemens, GE, Toshiba, Phillipsи др. занимались модернизацией их идей, делая аппараты совершеннее, а программное обеспечение быстрее.
 
|
