Физическое обоснование применения рентгеновских лучей в медицине

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом зависит от соотношения между энергией кванта излучения  и энергией связи  электрона в атоме вещества:

1. Если энергии кванта рентгеновского излучения недостаточно для ионизации атомов вещества , то наблюдается лишь изменение направления распространения (рассеяние) квантов без изменения частоты: . Данное явление получило название когерентное рассеяние (рис. 17.5а).

2. Если энергия кванта излучения сравнима с энергией ионизации , то возникает явление фотоэффекта (рис. 17.5б), при котором поглощение кванта сопровождается удалением электрона из атома и сообщением ему кинетической энергии: .

3. При больших энергиях кванта излучения  может произойти некогерентное рассеяние (эффект Комптона) (рис. 17.5в). Данное явление представляет собой взаимодействие фотонов с относительно слабо связанными электронами внешних орбиталей атомов. Кроме электрона отдачи в этом процессе появляется вторичный рентгеновский фотон с меньшей энергией: .

(а)	(б)	(в)
Рис. 17.5

 

 

Рассмотренные нами процессы (когерентное рассеяние, фотоэффект, эффект Комптона) обуславливают ослабление интенсивности рентгеновского излучения в веществе. Закон ослабления излучения (закон Бугера) имеет вид:

 

 ,

 

где  - интенсивность падающего на вещество рентгеновского излучения данной длины волны,  - интенсивность рентгеновского излучения, прошедшего в веществе слой толщины d,  - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом (рис. 17.6). На практике часто используют величину слоя половинного ослабления  - расстояние, после прохождения которого интенсивность рентгеновского излучения уменьшается в 2 раза:

 

,   .

 

Рис. 17.6

 

Линейный коэффициент ослабления представляет собой сумму коэффициента  истинного поглощения и коэффициента  рассеяния, т.е. . Коэффициент  истинного поглощения характеризует процессы фотоэффекта и, частично, эффекта Комптона.

Одним из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения является рентгенодиагностика - диагностика заболеваний различных внутренних органов при помощи просвечивания тела рентгеновскими лучами. При этом важную роль играет зависимость коэффициента ослабления вещества ткани от свойств ткани. Так как коэффициент  зависит от плотности  вещества, предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления . Для него справедливо следующее соотношение:

 

,

 

где k - коэффициент пропорциональности,  - длина волны излучения, Z - атомный номер вещества, составляющего ткань.

Для одного и того же вещества () , поэтому сильнее поглощается мягкое рентгеновское излучение с бóльшей длиной волны.

Мягкие ткани организма состоят в основном из элементов с атомным номером Z до 8 (H, C, N, O), тогда как минеральное вещество костей имеет Z = 15-20 (P и Ca). Поэтому для отношения массовых коэффициентов ослабления получаем:

 

.

 

Следовательно, кости значительно сильнее ослабляют рентгеновское излучение, чем мягкие ткани, в результате становится возможным получение контрастной картины рентгеновского изображения. На этом основаны следующие методы использования рентгенодиагностики:

a)   рентгеноскопия - наблюдение органов и тканей в проходящем рентгеновском излучении с помощью флуоресцирующего экрана;

б) рентгенография - получение изображения внутренних органов, просвечиваемых рентгеновскими лучами, на фотопленке, покрытой чувствительной эмульсией;

в) радиовизиография - просвечивание зубного ряда импульсным рентгеновским излучением (длительность импульса ~ 0,05 с) с получением его изображения при помощи небольшого датчика, помещаемого в полость рта;

г) рентгеновская томография - получение послойного рентгеновского изображения внутренних органов человека или организма в целом.

Рентгеновское излучение используется также для лечебных целей в рентгенотерапии. Биологическое действие рентгеновского излучения заключается в нарушении жизнедеятельности малодифференцированных и быстроразмножающихся клеток.

 

 

Глава 18

Радиоактивность