Рентгенологические методы исследования
1. Понятие рентгеновского излучения
Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10~5 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым Y-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревной катод испускает электроны. Анод, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская, трубка с вращающимся анодом. В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение. Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют также и сплошным.
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона.
Коротковолновое рентгеновское излучение, обычно, обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения. Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли.
Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О2 и Н2 О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием и для названия характеристическое.
Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада, который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.
Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
В зависимости от соотношения энергии фотона и энергии ионизации имеют место три главных процесса
Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает если энергия фотона меньше энергии ионизации. Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгенструктурного анализа.
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации. Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения, на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А) и сообщение электрону кинетической энергии.
Существенно, что в этом явлении наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия £к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.
Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.
Перечислим некоторые процессы, наблюдаемые при действии рентгеновского излучения на вещество.
Рентгенолюминесценция – свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.
Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример - воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.
Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.
Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).
Рентгенологический метод — это способ изучения строения и функции различных органов и систем, основанный на качественном и/или количественном анализе пучка рентгеновского излучения, прошедшего через тело человека. Рентгеновское излучение, возникшее в аноде рентгеновской трубки, направляют на больного, в теле которого оно частично поглощается и рассеивается, а частично проходит насквозь. Датчик преобразователя изображения улавливает прошедшее излучение, а преобразователь строит видимый световой образ, который воспринимает врач.
Типичная рентгеновская диагностическая система состоит из рентгеновского излучателя (трубки), объекта исследования (пациента), преобразователя изображения и врача-рентгенолога.
Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60—120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально X3 ), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя. Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении атом представлен в веществе, поэтому можно легко сравнить массовые коэффициенты ослабления кости, мягкой ткани или воды. Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.
Современная рентгенодиагностическая установка представляет собой сложное техническое устройство. Оно насыщено элементами телеавтоматики, электроники, электронно-вычислительной техники. Многоступенчатая система защиты обеспечивает радиационную и электрическую безопасность персонала и больных.
Рентгенодиагностические аппараты принято делить на универсальные, позволяющие производить рентгеновское просвечивание и рентгеновские снимки всех частей тела, и аппараты специального назначения. Последние предназначены для выполнения рентгенологических исследований в неврологии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, маммологии, урологии, ангиологии. Созданы также специальные аппараты для исследования детей, для массовых проверочных исследований (флюорографы), для исследований в операционных. Для рентгеноскопии и рентгенографии больных в палатах и реанимационном отделении применяют передвижные рентгеновские установки.
В состав типового рентгенодиагностического аппарата входят питающее устройство, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка. Она-то, собственно, и является источником излучения. Установка получает питание из сети в виде переменного тока низкого напряжения. В высоковольтном трансформаторе сетевой ток преобразуется в переменный ток высокого напряжения. Чем сильнее поглощает исследуемый орган излучение, тем интенсивнее тень, которую он отбрасывает на рентгеновский флюоресцентный экран. И, наоборот, чем больше лучей пройдет через орган, тем слабее его тень на экране.
Для того чтобы получить дифференцированное изображение тканей, примерно одинаково поглощающих излучение, применяют искусственное контрастирование. С этой целью в организм вводят вещества, которые поглощают рентгеновское излучение сильнее или, наоборот, слабее, чем мягкие ткани, и тем самым создают достаточный контраст по отношению к исследуемым органам. Вещества, задерживающие излучение сильнее, чем мягкие ткани, называют рентгенопозитивными. Они созданы на основе тяжелых элементов — бария или йода. В качестве же рентгенонегативных веществ используют газы: закись азота, углекислый газ, кислород, воздух. Основные требования к рентгеноконтрастным веществам очевидны: их максимальная безвредность (низкая токсичность), быстрое выведение из организма.
Существуют два принципиально различных способа контрастирования органов. Один из них заключается в прямом (механическом) введении контрастного вещества в полость органа — в пищевод, желудок, кишечник, в слезные или слюнные протоки, желчные пути, мочевые пути, в полость матки, бронхи, кровеносные и лимфатические сосуды. В других случаях контрастное вещество вводят в полость или клетчаточное пространство, окружающее исследуемый орган (например, в забрюшинную клетчатку, окружающую почки и надпочечники), или путем пункции - в паренхиму органа.
Второй способ контрастирования основан на способности некоторых органов поглощать из крови введенное в организм вещество, концентрировать и выделять его. Этот принцип — концентрации и элиминации — используют при рентгенологическом контрастировании выделительной системы и желчных путей.
В некоторых случаях рентгенологическое исследование проводят одновременно с двумя рентгеноконтрастными средствами. Наиболее часто таким приемом пользуются в гастроэнтерологии, производя так называемое двойное контрастирование желудка или кишки: в исследуемую часть пищеварительного канала вводят водную взвесь сульфата бария и воздух.
Можно выделить 5 типов приемников рентгеновского излучения: рентгеновскую пленку, полупроводниковую фоточувствительную пластину, флюоресцирующий экран, рентгеновский электронно-оптический преобразователь, дозиметрический счетчик. На них соответственно построены 5 общих методов рентгенологического исследования: рентгенография, электрорентгенография, рентгеноскопия, рентгенотелевизионная рентгеноскопия и дигитальная рентгенография (в том числе компьютерная томография).
2. Рентгенография (рентгеновская съемка)
Рентгенография — способ рентгенологического исследования, при котором изображение объекта получают на рентгеновской пленке путем ее прямого экспонирования пучком излучения.
Пленочную рентгенографию выполняют либо на универсальном рентгеновском аппарате, либо на специальном штативе, предназначенном только для съемки. Пациент располагается между рентгеновской трубкой и пленкой. Исследуемую часть тела максимально приближают к кассете. Это необходимо, чтобы избежать значительного увеличения изображения из-за расходящегося характера пучка рентгеновского излучения. Кроме того, это обеспечивает необходимую резкость изображения. Рентгеновскую трубку устанавливают в таком положении, чтобы центральный пучок проходил через центр снимаемой части тела и перпендикулярно к пленке. Исследуемый отдел тела обнажают и фиксируют специальными приспособлениями. Все остальные части тела покрывают защитными экранами (например, просвинцованной резиной) для снижения лучевой нагрузки. Рентгенографию можно производить в вертикальном, горизонтальном и наклонном положении больного, а также в положении на боку. Съемка в разных положениях позволяет судить о смещаемости органов и выявлять некоторые важные диагностические признаки, например растекание жидкости в плевральной полости или уровни жидкости в петлях кишечника.
Снимок, на котором изображена часть тела (голова, таз и др.) или весь орган (легкие, желудок), называют обзорным. Снимки, на которых получают изображение интересующей врача части органа в оптимальной проекции, наиболее выгодной для исследования той или иной детали, именуют прицельными. Их нередко производит сам врач под контролем просвечивания. Снимки могут быть одиночными или серийными. Серия может состоять из 2—3 рентгенограмм, на которых зафиксированы разные состояния органа (например, перистальтика желудка). Но чаще под серийной рентгенографией понимают изготовление нескольких рентгенограмм в течение одного исследования и обычно за короткий промежуток времени. Например, при артериографии производят с помощью специального устройства — сериографа — до 6—8 снимков в секунду.
Среди вариантов рентгенографии заслуживает упоминания съемка с прямым увеличением изображения. Увеличения достигают тем, что рентгеновскую кассету отодвигают от объекта съемки. В результате на рентгенограмме получается изображение мелких деталей, неразличимых на обычных снимках. Эту технологию можно использовать только при наличии специальных рентгеновских трубок, имеющих очень малые размеры фокусного пятна — порядка 0,1 — 0,3 мм2 . Для изучения костно-суставной системы оптимальным считается увеличение изображения в 5—7 раз.
На рентгенограммах можно получить изображение любой части тела. Некоторые органы хорошо различимы на снимках благодаря условиям естественной контрастности (кости, сердце, легкие). Другие органы достаточно четко отображаются только после их искусственного контрастирования (бронхи, сосуды, полости сердца, желчные протоки, желудок, кишки и пр.). В любом случае рентгенологическая картина формируется из светлых и темных участков. Почернение рентгеновской пленки, как и фотопленки, происходит вследствие восстановления металлического серебра в ее экспонированном эмульсионном слое. Для этого пленку подвергают химической и физической обработке: ее проявляют, фиксируют, промывают и сушат. В современных рентгеновских кабинетах весь процесс полностью автоматизирован благодаря наличию проявочных машин. Применение микропроцессорной техники, высокой температуры и быстродействующих реактивов позволяет сократить время получения рентгенограммы до 1 —1,5 мин.
Следует помнить, что рентгеновский снимок по отношению к изображению, видимому на флюоресцентном экране при просвечивании, является негативом. Поэтому прозрачные участки на рентгенограмме называют темными («затемнениями»), а темные — светлыми («просветлениями»). Но главная особенность рентгенограммы заключается в другом. Каждый луч на своем пути через тело человека пересекает не одну, а громадное количество точек, расположенных как на поверхности, так и в глубине тканей. Следовательно, каждой точке на снимке соответствует множество действительных точек объекта, которые проецируются друг на друга. Рентгеновское изображение является суммационным, плоскостным. Это обстоятельство приводит к потере изображения многих элементов объекта, поскольку изображение одних деталей накладывается на тень других. Отсюда вытекает основное правило рентгенологического исследования: исследование любой части тела (органа) должно быть произведено как минимум в двух взаимно перпендикулярных проекциях — прямой и боковой. Дополнительно к ним могут понадобиться снимки в косых и аксиальных (осевых) проекциях.
Рентгенограммы изучают в соответствии с общей схемой анализа лучевых изображений.
Метод рентгенографии применяют повсеместно. Он доступен для всех лечебных учреждений, прост и необременителен для пациента. Снимки можно производить в стационарном рентгеновском кабинете, в палате, в операционной, в реанимационном отделении. При правильном выборе технических условий на снимке отображаются мелкие анатомические детали. Рентгенограмма является документом, который может храниться продолжительное время, использоваться для сопоставления с повторными рентгенограммами и предъявляться для обсуждения неограниченному числу специалистов.
Показания к рентгенографии весьма широки, но в каждом отдельном случае должны быть обоснованы, так как рентгенологическое исследование сопряжено с лучевой нагрузкой. Относительными противопоказаниями служат крайне тяжелое или сильно возбужденное состояние больного, а также острые состояния, требующие экстренной хирургической помощи (например, кровотечение из крупного сосуда, открытый пневмоторакс).
3. Электрорентгенография
Электрорентгенография — метод получения рентгеновского изображения на полупроводниковых пластинах с последующим перенесением его на бумагу.
Электрорентгенографический процесс включает в себя следующие этапы: зарядка пластины, ее экспонирование, проявление, перенос изображения, фиксация изображения.
Зарядка пластины. Металлическую пластину, покрытую селеновым полупроводниковым слоем, помещают в зарядное устройство электрорентгенографа. В нем полупроводниковому слою сообщается электростатический заряд, который может сохраняться в течение 10 мин.
Экспонирование. Рентгенологическое исследование проводят так же, как при обычной рентгенографии, только вместо кассеты с пленкой используют кассету с пластиной. Под влиянием рентгеновского облучения сопротивление полупроводникового слоя уменьшается, он частично теряет свой заряд. Но в разных местах пластины заряд меняется не одинаково, а пропорционально количеству попадающих на них рентгеновских квантов. На пластине создается скрытое электростатическое изображение.
Проявление. Электростатическое изображение проявляется путем напыления на пластину темного порошка (тонера). Отрицательно заряженные частицы порошка притягиваются к тем участкам селенового слоя, которые сохранили положительный заряд, причем в степени, пропорциональной величине заряда.
Перенос и фиксация изображения. В электроретинографе изображение с пластины коронным разрядом переносится на бумагу (чаще всего используют писчую бумагу) и фиксируется в парах закрепителя. Пластина после очищения от порошка вновь пригодна для употребления.
Электрорентгенографическое изображение отличается от пленочного двумя главными особенностями. Первая заключается в его большой фотографической широте - на электрорентгенограмме хорошо отображаются как плотные образования, в частности кости, так и мягкие ткани. При пленочной рентгенографии добиться этого значительно труднее. Вторая особенность - феномен подчеркивания контуров. На границе тканей разной плотности они кажутся как бы подрисованными.
Положительными сторонами электрорентгенографии являются: 1) экономичность (дешевая бумага, на 1000 и более снимков); 2) быстрота получения изображения - всего 2,5-3 мин; 3) все исследование осуществляется в незатемненном помещении; 4) «сухой» характер получения изображения (поэтому за рубежом электрорентгенографию называют ксерорадиографией - от греч. xeros — сухой); 5) хранение электрорентгенограмм намного проще, чем рентгеновских пленок.
Вместе с тем необходимо отметить, что чувствительность электрорентгенографической пластины значительно (в 1,5-2 раза) уступает чувствительности комбинации пленка - усиливающие экраны, применяемой в обычной рентгенографии. Следовательно, при съемке приходится увеличивать экспозицию, что сопровождается возрастанием лучевой нагрузки. Поэтому электрорентгенографию не применяют в педиатрической практике. Кроме того,
8-09-2015, 19:47