Компьютерная томография
В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Это метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Изображения тонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Обычный компьютерный монитор способен отображать до 256 оттенков серого цвета, некоторые специализированные медицинские аппараты способны показывать до 1024 оттенков. С математической точки зрения построение изображения сводится к решению системы линейных уравнений. Так, например, для получения томограммы размером 200×200 пикселей система включает 40000 уравнений. Для решения подобных систем разработаны специализированные методы, ориентированные на параллельные вычисления. Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс. Для регистрации прошедшего через среду рентгеновского излучения используются сверхчувствительные детекторы, конструкция и материалы, применяемые при изготовлении которых постоянно совершенствуются. Современный компьютерных томографов ( КТ 4-ого поколения) имеет 1088 люминесцентных датчика, расположенных по всему кольцу гентри. Вращается лишь рентгеновская трубка. Благодаря этому методу время вращения сократилось до 0,7 секунд. Но существенного отличия в качестве изображений с КТ аппаратами 3-го поколения не имеет. В 1992 была впервые представлена многословная компьютерная томография (МСКТ). Отличие такой томографии заключается в том, что по окружности гентри расположены не один, а два и более ряда детекторов. Для того чтобы рентгеновское излучение могло одновременно приниматься детекторами, расположенными на разных рядах, была разработана новая — объёмная геометрическая форма пучка. Позднее количество рядов детекторов начало увеличиваться. Сегодня же в некоторых больницах уже имеются 320-срезовые компьютерные томографы. Они позволяют не только получать изображения, но и дают возможность наблюдать почти что «в реальном» времени физиологические процессы, происходящие в головном мозге и в сердце. Особенностью подобной системы является возможность сканирования целого органа (сердце, суставы, головной мозг и т.д.) за один оборот лучевой трубки, что значительно сокращает время обследования, а также возможность сканировать сердце даже у пациентов, страдающих аритмиями. На рисунке изображена многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография с внутривенным контрастным усилением и трёхмерной реконструкцией изображения.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)
Еще один метод исследования внутренних органов человека или животного – радионуклидный томографический метод, который называется позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия.
Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. Позитронно-эмиссионная томография — это развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов (РФП). Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы: углерод, кислород, азот, фтор-18. Фтор-18 обладает оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией излучения. С одной стороны, относительно небольшой период полураспада фтора-18 позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. Низкая энергия позитронного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. С другой стороны, период полураспада фтора-18 достаточно велик.
Биологическое действие рентгеновского излучения
Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы.
Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения, которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных (вивисекция). К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) относятся:
временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения;
необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после длительного избыточного облучения;
рост заболеваемости раком (включая лейкемию);
более быстрое старение и ранняя смерть;
возникновение катаракт (помутнение хрусталика глаза, которое расстраивает зрение).
Ко всему прочему, биологические эксперименты на мышах, кроликах и мушках (дрозофилах) показали, что даже малые дозы систематического облучения больших популяций вследствие увеличения темпа мутации приводят к вредным генетическим эффектам. Большинство генетиков признает применимость этих данных и к человеческому организму. Что же касается биологического воздействия рентгеновского излучения на человеческий организм, то оно определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению. Так, например, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов, главным образом костного мозга.
Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.
Рентгеновская астрономия
Рентгеновская астрономия, начинавшаяся со спутников для обнаружения ядерных взрывов, теперь помогает раскрывать тайны космоса. Рентгеновская астрономия – порождение ракетно-космического века. Она не могла появиться раньше в силу неумолимых законов физики. Атмосфера надежно защищает поверхность нашей планеты от коротковолнового электромагнитного излучения, поэтому регистрация рентгеновских квантов внеземного происхождения возможна лишь на больших высотах. Рентген самых высоких энергий можно обнаружить с помощью приборов, размещенных на борту стратостатов, но целиком рентгеновский диапазон открывается только при выносе аппаратуры непосредственно в космическое пространство. После того как Фридманом в 1949 году было обнаружено, что солнце испускает рентгеновские лучи, астрофизики пришли к убеждению, что детекторы рентгена следует размещать на спутниковых платформах. В 1962 году за пределы солнечной системы был выпущен первый рентгеновский спутник. Этот аппарат за 2 года зарегистрировал 339 рентгеновских космических источников, в том числе и объект в созвездии Лебедя, который стал первым в истории астрономии претендентом на роль черной дыры. В 1978 в космос был выпущен первый рентгеновский телескоп «Эйнштейн», который регистрировал рентгеновские кванты в диапазоне 200 эВ – 20 кэВ. Эта станция впервые осуществила высококачественное спектрографирование остатков сверхновых и открыла множество очень слабых внегалактических источников рентгеновского излучения. Однако, астрономии XXI века был необходим инструмент, обладающий куда более широкими возможностями. Поэтому в 1999 году на орбиту был запущен телескоп с восемью зеркалами с максимальным диаметром 120 см, способный регистрировать в сто раз менее яркие рентгеновские источники, нежели «Эйнштейн». Обсерватория получила название «Чάндра». С этого времени «Чандра» непрерывно работает в штатном режиме. Первую фотографию, которую он прислал на Землю было великолепное рентгеновское изображение исполинского облака раскаленного газа, образовавшегося после взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи. Камера телескопа высокого разрешения дает возможность получать качественные изображения с точностью до 0,5 угловой секунды – это примерно 1/600 углового размера полной Луны. И в этом «Чандра» до сих пор не имеет равных. 
Зачем вообще нужна рентгеновская астрономия? И в нашей Галактике, и в совсем дальнем космосе имеется множество объектов настолько горячих, что их излучение смещено в рентгеновский диапазон. Таковы рентгеновские пульсары, быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, каждая из которых имеет в компаньонах обычную светящуюся звезду. Газ, перетекающий с этой звезды на темную нейтронную соседку, нагревается до сотен миллионов градусов и испускает рентгеновские кванты. Мощное рентгеновское излучение возникает и при падении вещества в черную дыру. Еще один интереснейший объект изучения – рентгеновские барстеры, космические рентгеновские вспышки, которые, по всей вероятности, тоже обязаны своим существованием нейтронным звездам и черным дырам. Источником рентгена может стать и горячий межгалактический газ, и звезды любого типа, в том числе самые маломощные коричневые карлики, и даже планеты. Именно ‘Чандра’ выявил в ядрах галактик множество сверхмассивных черных дыр и тем самым подтвердил, что эти объекты весьма распространены во Вселенной. Рекордная разрешающая способность ‘Чандры’ позволяет ему видеть дыры, разделенные очень малыми углами зрения, что раньше было невозможно. По этой же причине именно ‘Чандра’ первым сфотографировал процесс разрушения обычной звезды, которая, на свое несчастье, слишком близко подошла к черной дыре. А в 2004 году он впервые зарегистрировал мощные рентгеновские источники, которые могут оказаться черными дырами доселе неизвестного типа с массой в несколько сотен солнечных. Информация, полученная этой орбитальной обсерваторией, свидетельствует, что в наблюдаемой Вселенной содержится никак не меньше 300 млн. черных дыр.
Заключение
Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 – 102 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники – фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т. п.
Список литературы
Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989.
Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ, 2002
Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. – М.: Знание, 1968.
Кудрявцев П.С. Курс физики – М.: Просвещение, 1974.
|
