Введение в медицинскую радиологию

Медицинская радиология начала развитие с конца XIX века

Медицинская радиология начала развитие с конца XIX века, ознаменовавшегося тремя выдающимися научными открытиями. В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения (названного им X-лучи, в нашей стране его принято называть рентгеновским), способного проникать в материалы, являющиеся препятствием для света. В 1896 г. А. Беккерель установил, что уран способен испускать лучи, по свойствам напоминающие те, что были открыты Рентгеном. Спустя еще два года П.Кюри и М.Склодовская-Кюри показали, что такие же лучи способны выделять открытые ими Ra и Ро. По предложению М. Кюри явление назвали естественной радиоактивностью.

Искусственная радиоактивность

Новый период в развитии ядерной физики начался фундаментальными открытиями. 15 января 1934 г. на заседании Парижской Академии наук Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе. Явление, открытое Жолио-Кюри, получило название «искусственная радиоактивность».

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение – электромагнитное (квантовое) или корпускулярное излучение, способное производить непосредственно или косвенно ионы при прохождении через вещество.

Ионизирующее излучение – электромагнитное

Ионизирующее излучение – электромагнитное – рентгеновское, гамма, тормозное излучение высоких энергий.

Рентгеновское излучение

Рентгеновским называется электромагнитное излучение с длинами волн от 0,001 до 10 нм. Рентгеновские лучи возникают либо при квантовых переходах электрона с высших слоев атома на внутренние слои, либо при торможении заряженных частиц.

Энергия рентгеновского излучения, как и других видов ионизирующих излучений, измеряется в электрон-вольтах

Электрон- вольт – единица энергии частиц и фотонов, равная 1, 602×10^-19 джоуля. Это энергия, которую приобретает электрон при прохождении им разности потенциалов в 1 вольт. Диапазон энергий рентгеновского излучения составляет от 1 кэВ до 1 МэВ.

Для получения тормозного излучения высоких энергий (6-20 МэВ) используют торможение резко ускоренных электронов в вакуумных системах линейных и циклических ускорителей.

Гамма-излучение

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с дискретным спектром с длиной волны от 0,001 до 1 ангстрем (10^-10 метра) и энергией квантов от десятков кэВ до десятков МэВ, возникающее при изменении энергетического состояния ядра атома или аннигиляции частиц.

Корпускулярное излучение

К корпускулярному излучению относятся альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны, пи-мезоны и тяжелые ионы. Они представляют собой поток быстролетящих заряженных или нейтральных (нейтроны) частиц – корпускул.

Альфа излучение

Альфа-излучение (a-частицы) – это поток частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т.е. поток ядер атомов гелия. Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов. Альфа-излучение естественных радиоактивных изотопов (энергия до 9 МэВ) обладает очень малой проникающей способностью, составляющей в тканях человека 50-70 мк. Оно применяется только в виде общих или местных радоновых ванн (²²²Rn) в физиотерапевтической практике. Альфа-частицы супервольтной энергии (800 МэВ), полученные на циклических ускорителях, обладают высокой проникающей способностью.

Бета излучение

Бета-излучение (b-частицы) – это частицы, имеющие отрицательный или положительный заряд и массу, равную 1/1840 массы атома водорода. Их энергия варьирует в значительных пределах: от минимальной, практически нулевой, до максимальной – в несколько миллионов электрон-вольт. Источниками бета-излучения являются естественные и искусственные радиоактивные вещества (³²Р, ⁹⁰Y, ¹³¹I), а также линейные и цикличные ускорители.

Нейтронное излучение

Нейтронное излучение – поток нейтронов, представляющих собой элементарные частицы, не имеющие электронного заряда, с массой, равной 1,00897 атомной единицы массы. В клинической практике находят применение быстрые нейтроны с энергией от 20 кэВ до 20 МэВ. Основными источниками нейтронов, используемых с лечебной целью, являются ускорители и ядерные реакторы (для дистанционного облучения), а также радиоактивный калифорний (²⁵²Сf) для контактного облучения.

Протонное излучение

Протонное излучение – поток элементарных частиц с массой, равной 1,00758 атомной единицы массы, и положительным зарядом. Протоны – это ядра атомов водорода, образующиеся при ионизации атомов водорода. Источником протонов для медицинских целей служат ускорители. Преимуществом протонов и получаемых на ускорителях альфа-частиц перед перечисленными ранее видами излучений является их способность образовывать в конце своего пробега в тканях максимум ионизации, именуемый пиком Брэгга. При этом доза в пике превосходит таковую в окружающих тканях в 2,5 – 3,5 раза.

Пи-мезонное излучение

Пи-мезонное излучение – поток элементарных частиц, имеющих массу, промежуточную между массой электрона и протона. Мезоны могут быть положительными (p++), отрицательными (p-) и нейтральными (p). Заряд положительных и отрицательных пи-мезонов равен заряду электрона, а масса составляет 273,2 массы электрона. Как и у протонов, плотность ионизации у пи-мезонов растет к концу пробега (пик Брэгга). Однако, в отличие от протонов, остановившиеся отрицательные пи-мезоны захватываются ядрами атомов кислорода, углерода, азота или водорода, а затем расщепляют ядра с высвобождением громадного количества энергии, т.е. образуется максимум ионизации. При этом соотношение дозы в пике к дозе в окружающих тканях достигает 10/1. Основным источником мезонов являются ускорители.

Тяжелые ионы

Тяжелые ионы – ионы кислорода, азота, неона, аргона – имеют положительный заряд, обладают высокой плотностью ионизации и образуют пик Брэгга. Источником тяжелых ионов являются ускорители.

Схема основных процессов поглощения энергии фотонов рентгеновского и γ-излучения: А — фотоэффект, Б — эффект Комптона, В — эффект образования электронно-позитронных пар.

Поглощение энергии заряженных частиц

Ускоренную заряженную частицу можно рассматривать как перемещающийся в пространстве источник электрического поля. За счет взаимодействия электрического поля частицы с полем орбитального электрона последний приобретает определенный запас энергии. Если заряженная частица пролетает достаточно близко от орбитального электрона, то перенесенной энергии достаточно для ионизации: электрон отрывается от соответствующего атома или молекулы, и в результате образуются положительно заряженный ион и свободный электрон. Если же частица значительно удалена от электронных оболочек, то электрон приобретает запас энергии, недостаточный для ионизации, и переходит на более удаленную энергетическую орбиту в состоянии возбуждения.

Поглощение энергии заряженных частиц

При определенных скоростях (а значит, энергиях) частиц резко возрастает потеря энергии заряженных частиц и соответственно поглощенной дозы излучения. Этот максимум экспериментально доказан и известен под названием «пик Брэгга». Для электронов пик Брэгга наблюдается при энергии примерно 200 эВ, для протонов – между 60 и 100 кэВ.

Поглощение нейтронного излучения

Нейтрон, не имея заряда, тем не менее вызывает ионизацию атомов и молекул. Происходит это за счет косвенных эффектов, связанных со следующими типами взаимодействия нейтронов с ядром атома: упругое рассеивание, неупругое рассеяние, радиационный захват нейтрона ядром.

Упругое рассеяние

Упругое рассеяние – результат соударения нейтрона с ядром атома. В результате упругого рассеяния наибольшее количество энергии нейтронного излучения поглощает водород. Поэтому для экранирования нейтронных источников используют не свинец, а материал, богатый водородом, например, парафин или воду.

Неупругое рассеивание

Неупругое рассеяние нейтронов состоит в том, что часть их энергии идет на сообщение ядру запаса кинетической энергии, а часть – на возбуждение ядра. Возбужденное ядро переходит в основное состояние с испусканием одного или нескольких γ-квантов. Неупругое рассеяние становится возможным при энергии нейтронов больше нескольких кэВ. В результате этого эффекта помимо непосредственно ионизирующих частиц (ядра элементов) в веществе возникают γ-кванты

Радиационный захват нейтрона

Радиационный захват нейтрона ядром. Этот эффект становится вероятным при низких значениях скоростей нейтронов.

В результате захвата нейтрона образуется короткоживущее высоковозбужденное ядро (его называют «сложным ядром»), которое переходит в стабильное состояние с испусканием γ-квантов, протонов или α-частиц. При захвате нейтрона легкими ядрами, например, ядром водорода, испускается γ-квант.

Радиоактивность

Радиоактивность – самопроизвольное превращение нестабильных ядер атомов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений (альфа-, бета- и гамма- излучений). В основе радиоактивности лежат глубокие физические законы, не зависящие от взаимодействия атомов и молекул, от состояния их электронных оболочек, поэтому излучение радиоактивных элементов не зависит ни от состава химических соединений, куда эти элементы могли входить, ни от давления во всем диапазоне воздействий, которыми располагает наука и техника, ни от температуры, ни от магнитных, ни от электрических полей. Существование радиоактивности связано с нестабильной комбинацией нуклонов (протонов и нейтронов), что приводит к самопроизвольному распаду ядер атомов.

При захвате нейтронов ядрами атомов возникает наведенная радиоактивность. Наведенная радиоактивность – способность атомных ядер, подвергшихся облучению нейтронами, испускать ионизирующее излучение. Радионуклиды − это нуклиды, ядра которых радиоактивны.

Виды излучений при распаде ядер атомов

Атомные ядра могут испускать α-частицы, β-частицы, γ-излучение. Кроме того некоторые искусственно полученные радионуклиды являются источниками нейтронного и протонного излучения. Радиоактивный распад можно характеризовать количественно.

Закономерности радиоактивного распада

Скорость распада радиоактивных веществ постоянна и имеет определенную зависимость. Эта зависимость называется основным законом радиоактивного распада Время, за которое количество ядер радиоактивного вещества уменьшается вдвое вследствие распада, называется периодом полураспада (Т1/2).

Другой закон радиоактивного распада, вытекающий из природы самого излучения, называется правилом смещения, которое отражает закон сохранения заряда и массового числа.

Радиоактивность

Активностью называется мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени. Другими словами, это мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени. В системе СИ единицей активности является обратная секунда (с^-1), называемая беккерель (Бк), т.е. один распад в секунду. Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7 × 10¹⁰ Бк.