Podstawy Radiologii (3),
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Klasyczne metody rentgenowskie
W listopadzie 1895 roku Wilhelm Konrad Roentgen dokonał epokowego odkrycia
nowego rodzaju promieni, które ze względu na ich tajemniczą nieznaną wówczas naturę nazwał
promieniami X.
Wiadomość o niewidzialnym promieniowaniu, które przenika przez ciała
nieprzeźroczyste obiegła świat lotem błyskawicy. Użyteczność nowo odkrytych promieni zastała
doceniona już wkrótce po ich odkryciu. W 1896 roku zaczęto stosować promienie rentgenowskie
do uwidocznienia kości kończyn, rozpoznania złamania lub lokalizacji ciał obcych. Były to
poczÄ…tki rentgenodiagnostyki - nowej dziedziny nauk lekarskich.
Promienie rentgenowskie szybko znalazły zastosowanie na ziemiach polskich. W lutym
1896r. prof. A. Obaliński, na podstawie zdjęcia rentgenowskiego rozpoznał zwichnięcie w stawie
łokciowym. W tym samym roku M. Brunner zorganizował pierwszą na ziemiach polskich
pracownię rentgenowską. Zdjęcia wykonywano na szklanych kliszach posługując się
prymitywnymi urządzeniami. Czas ekspozycji musiał być niezwykle długi - często kilka minut
do przeszło 2 godzin.
Już w pierszych miesiącach stosowania promieni rentgenowskich zauważono pewne
ujemne skutki działania tego promieniowania. U osób eksponowanych na działanie promieni
zaobserwowano oparzenia skóry dłoni. To z kolei zwróciło uwagę na efekt biologiczny.
Promienie rentgenowskie znalazły zastosowanie w leczeniu chorób skóry. Równocześnie z
rengenodiagnostyką zaczęła się rozwijać rentgenoterapia. Dysponując już pewnym
doświadczeniem w zakresie działania promieni rentgenowskich na żywą tkankę rozpoczęto próby
leczenia nowotworów. W latach 1901-1902 rozpowszechniła się radioterapia, która wspólnie z
rentgenodiagnostyką i rentgenoterapią składa się na nową dziedzinę nauki - radiologię lekarską.
Lata 1900-1920 stanowiÄ… okres intensywnej pracy nad doskonaleniem aparatury
rentgenowskiej, poszukiwaniem nowych materiałów światłoczułych, odpowiednich do
wykonywania zdjęć, oraz środków cieniujących umożliwiających uwidocznienie szczegółów
budowy narządów wewnętrznych, normalnie nie widocznych na zdjęciu rentgenowskim. Wysiłki
naukowców owego okresu nie były daremne. Stworzono materialne podstawy dalszego rozwoju
radiologii klinicznej.
W latach 1920-1930 krystalizuje się technika badań rentgenowskich, które dzisiaj
uważamy za badania podstawowe. Rozwinęła się diagnostyka przewodu pokarmowego, została
opracowana technika cholecystografii, badania narzÄ…du oddechowego wzbogacono o
bronchografię i tomografię. Do badań układu naczyniowego wprowadzono cewnikowanie serca,
powstały podstawy neuroradiologii, rozwinęła się urografia jako metoda badania nerek i dróg
moczowych.
Wybitny postęp technologiczny w latach pięćdziesiątych umożliwił wprowadzenie
wzmacniaczy elektronowych obrazu oraz urządzeń telewizyjnych zmniejszając czas trwania
prześwietlenia do rozsądnych granic. W latach powojennych radiologia lekarska wzbogaciła się o
zupełnie nowy dział - medycynę nuklearną. Rozwinęły się również dwie techniki
pararadiologiczne - termografia i ultrasonografia. W latach siedemdziesiÄ…tych wprowdzono do
diagnostyki tomografiÄ™ komputerowÄ…, a w osiemdziesiÄ…tych tomografiÄ™ magnetycznego
rezonansu jądrowego. Współczesna radiologia lekarska jest ściśle powiązana ze wszystkimi
dziedzinami medycyny doświadczalnej i klinicznej. Niemal każdy dzień przynosi coś nowego w
dziedzinie metodyki, aparatury lub urządzeń pomocniczych.
Wybrane wiadomości z fizyki promieniowania rentgenowskiego
Promienie X są falami elektromagnetycznymi o długości od ok. 6pm do ok. 100pm.
Powstają w wyniku hamowania elektronów swobodnych przyspieszonych w polu elektrycznym.
UrzÄ…dzeniami stosowanymi w diagnostyce lekarskiej do wytwarzania promieniowania rtg sÄ…
lampy próżniowe z dwiema elektrodami, w których elektrony wysyłane przez elektrodę ujemną
(katodę) zostają gwałtownie zahamowane na elektrodzie dodatniej (anodzie). Katoda zbudowana
jest ze skręconego spiralnie drutu wolframowego, zwanego włóknem żarzenia. Wolfram jest
pierwiastkiem o wysokiej liczbie atomowej (Z=74), ma wysokÄ… temperaturÄ™ topnienia (3370C),
małą skłonność do parowania i jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Rozgrzanie włókna
wolframowego do temp. 2200C powoduje zjawisko termoemisji elektronów. Anoda jest
zbudowana z bloku miedzianego, w który jest wtopiony krążek z wolframu. Katoda emituje
elektrony, które są przyspieszane w polu elektrycznym pomiędzy anodą i katodą. Wzrost
napięcia przyspieszającego powoduje wzrost energii elektronów, które są następnie hamowane na
powierzchi anody (w miejscu, gdzie w miedzianym bloku umieszczono krążek wolframowy). W
wyniku hamowania elektronów na anodzie powstaje promieniowanie rentgenowskie. Składa się
ono z:
1. promieniowania hamowania,
2. promieniowania charakterystycznego.
Promieniowanie hamowania daje widmo ciągłe (różne długości fal), którego rozkład nie zależy
od materiału elektrody hamującej. Wynika to stąd, że zamiana energii elektronu na energię
fotonu odbywa siÄ™ bez wzbudzenia atomu.
Ze wzbudzeniem atomu pierwiastka elektrody hamujÄ…cej jest zwiÄ…zane promieniowanie
charakterystyczne, dające widmo liniowe (jednakowa długość fali). Promieniowanie
charakterystyczne pojawia się, gdy energia elektronów przekroczy określoną dla danego
pierwiastka wartość. Dla wolframu napięcie potrzebne do uzyskania tego efektu wynosi 70 kV.
Wartość ta wynika z energii wiązania na powłoce K (najbliższej jądra) atomu wolframu.
Promieniowanie charakterystyczne stanowi niewielki odsetek całości promieniowania
rentgenowskiego. Tylko 1% energii kinetycznej elektronów jest zamieniany na energię
promieniowania rtg, 99% ich energii zostaje zamienione na ciepło. Dzieje się tak ponieważ
większość elektronów wytrąca elektrony z powłok zewnętrznych atomów wolframu i powoduje
ich silne ruchy, które dają emisję ciepła.
Napięcie szczytowe przyłożone do lampy rentgenowskiej decyduje o jakości
promieniowania rentgenowskiego. Natomiast na ilość promieni ma wpływ natężenie płynącego
prÄ…du mierzone w miliaperach (mA).
Wzajemne oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego i materii.
Część promieniowania rentgenowskiego przenikając przez materię ulega osłabieniu przez
ich wzajemne oddziaływanie. Istnieją trzy podstawowe procesy wzajemnego oddziaływania:
1. rozpraszanie spójne,
Występuje wtedy, gdy foton promieniowania rtg trafi na atom. Może to spowodować
wysłanie innego fotonu, o zmienionym kierunku, ale o tej samej długości fali. Spójne
rozpraszanie jako jedyne przebiega bez jonizacji atomu.
2. Zjawisko fotoelektryczne
Foton promieniowania rtg o energii nieco większej niż energia wiązania powłoki
elektronu atomu, na który trafia oddając całą swoją energię wytrąca ten elektron poza atom.
Nazywa się on wtedy fotoelektronem. Powstają jednocześnie dwa jony i dwa fotony
promieniowania charakterystycznego przez zmiany położenia elektronów na powłokach
wzbudzonego atomu. Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem pochłaniania promieniowania.
3. Rozpraszanie Comptona
Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron powłoki zewnętrznej atomu, która ma
niską energię wiązania. Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała energia fotonu
tworzy nowy foton o zmienionej długości fali (dłuższej) i zmienionym kierunku ( nawet o 180).
Atom pozbawiony elektronu staje siÄ™ jonem.
Przy wyższych energiach promieniowania rentgenowskiego (nie stosowanych w
diagnostyce medycznej) występuje jeszcze zjawisko tworzenia par i zjawisko rozpadu atomu.
Promieniowanie rentgenowskie ma następujące właściwości:
1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem odległości,
2. ulega osłabieniu przenikając przez materię,
3. wywołuje jonizację materii,
4. wywołuje zjawisko luminescencji,
5. działa na emulsję fotograficzną,
6. ma działanie biologiczne.
Zmiana natężenia z kwadratem odległości ma istotne znaczenie dla techniki
wykonywania zdjęć rentgenowskich oraz dla pacjenta i radiologa. Z właściwości tej wynika
prosta zasada, że odległość jest najlepszą ochroną przed promieniowaniem.
Osłabianie promieniowania, na które składa się zjawisko pochłaniania i rozpraszania ma
kluczowe znaczenie w diagnostyce radiologicznej. Obrazy rentgenowskie oglądane na zdjęciu i
podczas prześwietlania powstają dzięki zróżnicowanemu osłabianiu zależnemu od rodzaju
materiału. Za pochłanianie promieniowania jest odpowiedzialne zjawisko fotoelektryczne. Im
wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach atomowych, tym pochłanianie większe.
Tkanki miękkie zbudowane głownie z pierwiastków lekkich, takich jak wodór, węgiel czy tlen
wytwarzają bardzo mało fotoelektronów. Natomiast kości zawierające wapń dużo. Dlatego w
obrazie rentgenowskim występują różnice zaczernienia między np. gazem, tkankami miękkimi i
tkankÄ… kostnÄ….
Wzajemny udział pochłaniania i rozpraszania w osłabieniu promieniowania zależy energii
promieniowania i rodzaju materiału. Im wyższa energia promieniowania tym większe
rozpraszanie.
Jonizacja powstaje w wyniku oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią.
Luminescencja jest zjawiskiem emitowania światła widzialnego przez niektóre związki
chemiczne pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Luminescencję wykorzystuje się do
wzmocnienia promieniowania rtg podczas zdjęć (folie wzmacniające) oraz podczas prześwietleń
(ekrany wzmacniacza obrazu).
Działanie fotograficzne promieniowania rentgenowskiego wraz ze zjawiskiem
luminescencji umożliwia wykonywanie zdjęć rentgenowskich na kliszach fotograficznych.
Działanie biologiczne promieniowania rentgenowskiego wynika z jonizacji tkanek
poddanych napromieniowaniu. Fotony promieniowania rtg reagujÄ… z elektronami orbitalnymi
tkanek ( jonizacja lub wzbudzenie) doprowadzajÄ…c do zmian na poziomie molekularnym. W
sprzyjających warunkach energia wyzwolona w powyższych procesach może inicjować łańcuch
przemian fizykochemicznych i biochemicznych w komórce i przestrzeni zewnątrzkomórkowej, a
w efekcie w wyższych poziomach strukturalnych. Podstawową regułą określającą
promienioczułość komórek, a więc ich podatność na uszkodzenie, jest reguła sformułowana w
pierwszych latach XXw. przez Bergonie i Tribondeau, która głosi: "Wrażliwość komórek na
promieniowanie jest wprost proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i odwrotnie
proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania."
Z właściwości tej wynika zróżnicowany sposób szkodliwości promieniowania rtg w zależności
od rodzaju tkanki, a także możliwość wykorzystania promieni rtg w leczeniu, czyli
rentgenoterapia.
Aparatura rentgenowska i tworzenie obrazów rentgenowskich.
Badania diagnostyczne wykonywane są za pomocą aparatów rentgenowskich
składających się z lampy rentgenowskiej (jednej lub kilku), generatora wysokiego napięcia i
urządzeń pomocniczych umożliwiających wykonanie badania (zegar, stół kasety, przesłony itp.).
Zazwyczaj jeden aparat umożliwia wykonanie zarówno prześwietlenia jak i zdjęcia.
Wykorzystanie diagnostyczne zdjęcia rentgenowskiego lub obrazu prześwietleniowego
jest możliwe tylko wówczas, gdy obraz ten spełnia określone warunki w zakresie:
1. kontrastu,
2. zaczernienia,
3. ostrości,
4. zniekształceń geometrycznych badanego obiektu.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]