Рентгеновское излучение. Что это, свойства лучей, механизм, виды, источники, дозы, мощность, длина волны, защита, открытие и характеристики

Рентгеновское излучение является основой важного диагностического метода, который используется во всех отраслях современной медицины. Позволяет обнаружить патологии опорно-двигательного аппарата, костных, мягких, паренхиматозных тканей. Это направленный пучок электромагнитных волн, которые возникают при ускорении заряженных частиц.

Что такое рентгеновское излучение и лучи

Рентгеновское излучение состоит из электромагнитных волн направленного спектра действия. Это энергия фотонов, которая проходит между потоком ультрафиолета и гамма-излучением. Электромагнитные волны возникают в момент взаимодействия заряженных электронов катода с твердой поверхностью анода, которые находятся в полости вакуумной трубки.

При ударении электронов об анод, происходит выделение большого количества кинетической энергии.

В условиях закрытого пространства и быстро протекающего физического процесса – этот энергетический потенциал трансформируется в частицы кванты (фотоны). Так получают спектр волн с положительно заряженными элементами, с помощью которых можно просвечивать человеческое тело, а также предметы, обладающие невысокой степенью плотности.

Различают следующие виды рентгеновского излучения:

• с широким спектром – возникает при масштабном рассеивании потоков электромагнитных волн, которые образуют пики и линии неправильной формы (чаще всего встречается в условиях неконтролируемых физических процессов между электронами и поверхностью анода);
• с узким спектром – это целенаправленный поток электромагнитных волн с положительно заряженными частицами – фотонами, которые используются в медицине для определения патологических состояний отдельных участков тела и внутренних органов.

Рентгеновские лучи всех типов имеют оболочки, либо еще их называют энергетическими уровнями. Они маркируются символами – М, К и L в зависимости от близости расположения к центру электромагнитной оболочки.

История открытия рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение – это диагностический метод исследования человеческого организма, который был открыт абсолютно случайно. Произошло это в 1895 г. во время проведения опытов немецким физиком, профессором Вюрцбургского университета – В. Рентгеном.

Ученый находился в лаборатории учебного заведения, где являлся заведующим кафедрой. Он проводил эксперименты с физическими свойствами катодных лучей (потоком положительно заряженных электронов внутри разрядных трубок).

В процессе работы профессор заметил, что поверхность экрана, которая была покрыта слоем кристаллов из цианоплатинита бария, начала светиться ярким светом. При этом объект находился в непосредственной близости к вакуумной трубке, где происходило движение положительно заряженных частиц.

Данная реакция очень удивила ученого, так как вакуумная трубка была закрыта плотным слоем картона, покрашенного в черный цвет.

В своем заключении уникального лабораторного эксперимента В. Рентген указал, что им было открыто ранее неизвестное науке излучение. Для научного обозначения профессор идентифицировал их, как Х-лучи. Ученый установил, что степень проницаемости излучения напрямую зависит от плотности структуры объекта, на который направлен поток электромагнитных волн.

В этот же день В. Рентген поместил кисть своей руки между экраном с цианоплатинитом бария и разрядной трубкой, которая выделяла катодные лучи. Так был получен первый примитивный рентгеновский снимок костей верхней конечности. Следом за открытием немецкого ученого последовали новые исследования в этом направлении.

Большой вклад в историю изучения и применения рентгеновского излучения, внесли такие ученые, как Фридрих, Книппинг, Лауэ. Эти физики продемонстрировали миру свойства лучей рентгена при взаимодействии с кристаллическими веществами. В 1913 г. профессор Г. Мозли смог установить прямую взаимосвязь между длиной волны излучения и атомным номером химического вещества, на которое направлены лучи.

В этом же году ученый сконструировал первую рентгеновскую трубку, которая являлась высоковакуумной, а также работала с подогретым катодом.  Данное устройство давало возможность получать более мощное рентгеновское излучение, которое имело большую длину электромагнитных волн.

В 1915 г. физику Л. Брэгги удалось продвинуться еще дальше, и он смог разработать научную базу для рентгеноструктурного анализа, который лег в основу использования рентгена, как диагностической методики в области медицины. За свои труды в этом же году ученый получил Нобелевскую премию.

Свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение – это невидимые для человеческого глаза электромагнитные волны, которые активно используют в области медицины и машиностроения.

Выделяют следующие физические свойства рентгеновских лучей, которые были установлены методом длительных научных исследований:

• способны проникать сквозь мягкие ткани, кости, мышечные волокна, которые не просвечиваются лучами естественного света, что делает рентгеновские лучи незаменимыми в области медицины (в процессе определения патологий костей и внутренних органов);
• вызывают флюоресценцию отдельных химических соединений и веществ, что также используется для проведения лабораторных исследований;
• обладают уникальными фотохимическими свойствами, так как за короткий отрезок времени разлагают соединения на основе ионов серебра, обеспечивают почернение слоев фотографической пленки, формируя анатомическое изображение на поверхности рентгеновского снимка;
• в момент распространения в условиях окружающей среды, электромагнитные волны вызывают ионизацию молекул и атомов других веществ, находящихся в спектре их действия (это является негативным и побочным эффектов излучения);
• в тканях и клетках человеческого организма, которые подверглись даже незначительному рентгеновскому облучению, ускоряются обменные процессы, но данный эффект является краткосрочным (при получении больших доз облучения происходит обратный результат, возрастает риск развития лучевой болезни);
• электромагнитные волны применяются для лечения злокачественных новообразований (излучение данного типа разрушительно воздействует на ткани опухоли, нарушая ее клеточное деление, но данный метод терапии подходит не для всех онкологических заболеваний).

Все вышеперечисленные свойства рентгеновских лучей востребованы в инструментальной и лабораторной диагностике болезней опорно-двигательного аппарата и тканей внутренних органов.

По мере развития технологического процесса происходит усовершенствование медицинского оборудования, обеспечивающего синтез электромагнитных волн направленного спектра действия с положительно заряженными фотонами.

Механизм действия рентгеновских лучей

После образования заряженных частиц и выделения электромагнитных волн, они проходят сквозь объект, который расположен на пути их спектра действия. Если же это медицинский аппарат, то поток рентгеновских лучей направляется на конкретную мишень.

За счет физического свойства заряженных фотонов просвечивать поверхности и ткани с невысокой структурной плотностью, происходит прохождение лучей сквозь тело человека и друге объекты. Мягкие ткани внутренних органов, которые не имеют морфологических изменений, являются здоровыми, хорошо просвечиваются фотонами без отображения дефектов.

Если же присутствуют участки тканей с патологическими состояниями (например, легкие, пораженные палочкой туберкулеза), то они отображаются в виде темных пятен. Это дает возможность врачу определить масштабы воспалительного процесса и очаги локализации патогенных микроорганизмов, либо формирования посторонних новообразований.

Кости отличаются более плотной структурой. Поэтому они практически не просвечиваются рентгеновским излучением. Отчетливо отображаются только элементы скелета без их полой структуры.

Если по каким-либо причинам произошел перелом кости или образовалась трещина, то в дефектный участок тканей проникает большое количество фотонов. Это позволяет определить место разрушенной части кости и предпринять неотложные меры лечения больного.

Виды рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны и заряженные частицы, которые классифицируют по видам исходя из их целевого назначения, конструкции, природы происхождения и типа анода. В таблице ниже указаны виды рентгеновского излучения, а также их краткое описание.

Вид рентгеновского излучения	Характеристика
Диагности-ческое	Используется в медицине для обнаружения заболеваний костной ткани и внутренних органов. Электромагнитные лучи вырабатываются рентгенологическими аппаратами. В лабораторных условиях излучение применяется для создания эффекта флуоресценции.
Терапевти-ческое	Рентгеновские лучи широко используются в качестве одного из методов комплексного лечения злокачественных опухолей. Электромагнитная терапия раковых новообразований целесообразна только в том случае, если ее клетки проявляют положительную динамику к воздействию ионизации.
Структурно-аналитическое	Широко применяется в машиностроении, а также при изучении структуры объектов. Например, метод структурного анализа с помощью рентгеновского излучения, востребован для проверки целостности объемных деталей, изготовленных методом литья.
Однофокусное	Вырабатывается в том случае, если на катоде установлена только одна спираль, а на аноде находится не более 1 фокусного пятна.
Двухфокусное	Рентгеновское излучение образуется в результате того, что на катод установлены сразу 2 спирали разных размеров, а на поверхности анода находится 2 фокусных пятна.
Стационарное	Анод вакуумной трубки является неподвижным, а спектр положительно заряженных частиц движется в одном и том же направлении.
Вращающееся	Характеризуется наличием подвижного анода, за счет которого обеспечивается рассеивание спектра электромагнитных волн.
Синхротронное	Данный вид рентгеновского излучения также получают искусственным путем, но только уже в специальных аппаратах, которые ускоряют движение электронов. Длина синхротронных электромагнитных волн больше, чем у тех, которые получены в условиях вакуумной трубки с помощью катода и анода.

Источники рентгеновского излучения

Основным источником рентгеновского излучения является вакуумная трубка, в которой установлен катод и анод. Происходит нагрев катода и выработка электронов, которые ускоряются за счет образования электромагнитного поля, а затем ударяются об поверхность анода.

Подобными устройствами оборудованы рентгенологические аппараты, функциональным предназначением которых является исследование мягких тканей человека и элементов его опорно-двигательного аппарата.

В лабораторных условиях источником рентгеновского излучения могут быть специальные лампы, которые применяются в проведения биохимических реакций, требующих использования метода флуоресценции. Кроме устройств, созданных человеком для получения рентгеновского излучения в медицинских целях, существуют источники, образующие электромагнитные волны данного типа.

Они такие:

• радиоактивные металлы в период их распада;
• космические объекты, которые преодолели плотные слои атмосферы и попали на поверхность Земли;
• минеральные породы и полезные ископаемые, содержащие в своем составе примеси радиоактивных металлов.

Природные источники электромагнитных волн рентгеновского типа встречаются в окружающей среде крайне редко, а частота их излучения значительно ниже, чем в искусственно созданной вакуумной трубке на основе катода и анода.

Характеристики рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение – это физическое явление, которое характеризуется пучком лучей, выходящих из вакуумной трубки за конкретный промежуток времени. В связи с этим электромагнитные волны данного типа имеют собственную физическую характеристику, которая классифицируется по следующим параметрам.

Интенсивность

Данная величина лучей измеряется в единицах – миллиамперы. По сути интенсивность рентгеновского излучения – это количество лучей, образующихся в процессе взаимодействия катода и анода вакуумной трубки.

Каждый электрон, попадая на анод, воспроизводит один или несколько частиц света – квантов. В связи с этим интенсивность их излучения регулируется путем сокращения выработки количества электронов на катоде.

Жесткость

Это качественная величина рентгеновских лучей. Она измеряется в киловольтах и зависит от величины электростатического напряжения внутри вакуумной трубки. Жесткость определяет степень проникаемости излучения в структуру тканей и плотных объектов. Процесс регулировки жесткости производится с помощью трансформатора, который повышает или снижает напряжение внутри трубки.

Существует прямая взаимосвязь между разностью потенциалов на электродах трубки и скоростью движения электронов.

Чем выше напряжение и резонанс на электродах, тем стремительнее электроны двигаются от катода и ударяют об поверхность анода. Такое излучение считается жестким, так как длина электромагнитной волны становится короткой, но очень проникающей. Лучи данного типа используются в медицине для проведения рентгенологического исследования костной ткани и внутренних органов.

Колебание частоты рентгеновских лучей составляет 1,5-3х10-3 нм. Для человеческого организма является безопасным, если излучение находится около кожного покрова на фокусном расстоянии от 30 до 150 см при условии, что напряжение внутри вакуумной трубки будет находиться в пределах 180-400 кВ.

Это показатели, которые характерны для рентгенологических и флюорографических аппаратов в момент их работы и фотофиксации отдельных частей тела пациента. При лучевой терапии используют электромагнитные волны, которые вырабатываются при напряжении 20-60 кВ и фокусном расстоянии от поверхности кожи от 3 до 7 см.

Данная методика широко применяется при лечении опухолевых новообразований, клетки которых разрушаются под воздействием рентгеновских лучей, либо же существенно замедляют свой рост.

Применение рентгеновских лучей в медицине

Первые рентгеновские аппараты давали возможность врачам изучать исключительно структуру костных тканей, определять их целостность, а также участки возможных повреждений. Развитие технического прогресса привело к сокращению продолжительности экспозиции при фотофиксации, а также улучшило качество съемки.

Современное рентгенологическое оборудование позволяет докторам изучать даже мягкие ткани, своевременно определять их патологии и начинать лечение. В медицинской практике электромагнитные волны рентгеновского типа используются в процессе проведения следующих диагностических процедур:

Флюорография

Этот метод исследования предусматривает фотофиксацию теневого изображения. Пациент занимает исходную позицию между источником излучения и специальным экраном, поверхность которого выполнена из иодида цезия. Под воздействием электромагнитного излучения указанный элемент начинает светиться.

Ткани внутренних органов, оказавшиеся на пути лучей, создают эффект тени, которые имеют разную степень затемненности. Врач-рентгенолог, который проводит обследование пациента, фиксирует снимок на люминесцентном экране, увеличивает изображение и определяет участки патологического состояния тканей легких и сердца.

Современное оборудование позволяет увеличить фотографию до максимальных пределов, чтобы доктор не полагался исключительно на остроту своего зрения. Также используются компьютеры, которые сохраняют данные об истории болезни конкретного пациента.

Рентгенография

Это процесс записи изображения на рентгеновскую пленку. В данном случае исследуемый участок тела находится между источником ионизирующего излучения и пленкой, которая закреплена в аппарате. Заряженные частицы лучей проходят сквозь тело пациента, после чего изображение внутренних органов, мягких тканей или костей, переносится на снимок.

Как и в случае с флюорографией, врач выполняет изучение полученной информации. Данный метод особенно эффективен при диагностике трещин, переломов, вывихов, определении воспалительных процессов в костной ткани.

Контрастные вещества

Отдельные внутренние органы человеческого организма имеют полую структуру, либо становятся бесцветными под воздействием ионизирующего излучения, не создают тени на снимке (например, кишечник, мочевой пузырь, почки).

В таком случае используют контрастные вещества, который пациент употребляет в желудочно-кишечный тракт (соли бария) или же ему их вводят внутривенно (иодсодержащий раствор). После этого выполняется рентгенологическая фиксация внутреннего органа, который имеет признаки болезни.

Компьютерная томография

Была разработана в 1970 г. Это разновидность рентгеновской диагностики. Принцип проведения обследования с использованием данного способа заключается в том, что пациент помещается в специальный бокс, а медицинское оборудование осуществляет съемку всего тела. Это компьютерная рентгеновская томография.

Позволяет обнаружить опухолевые процессы в тканях внутренних органов и костях, обнаружить вялотекущие и острые воспаления, внутренние кровотечения. Преимущество данного метода заключается в том, что в организм пациента не требуется вводить контрастные вещества и прочие растворы.

Защита от рентгеновских лучей

В связи с тем, что избыток рентгеновского излучения способен нарушать работу эпителиальных клеток и тканей внутренних органов, существуют следующие меры защиты от ионизирующего излучения, которые в обязательном порядке применяются в медицине.

Перечень мер:

• фильтр-пластинка – устанавливается на выходе из вакуумной трубки, чтобы обеспечить поглощение мягких лучей, которые наносят вред верхнему слою кожи;
• просвинцованный фартук – состоит из резины, внутри которой находятся свинцовые пластины, сквозь них не проходит ионизирующее излучение (одевается на врача-рентгенолога, а также с помощью него защищаются участки тела пациента, которые не обследуются);
• металлический тубус – фиксируется непосредственно на вакуумной трубке, где происходит физическая реакция (обеспечивает эффективный контроль над пучками рентгеновских лучей, а также предотвращает их хаотическую ионизацию);
• просвинцованное стекло – располагается на передней поверхности экрана, чтобы оградить тело от избыточного количества ионизирующего излучения;
  
• передвижная ширма – это деревянная конструкция, внутри которой находятся свинцовые пластины, используется, как мобильный барьер от излучения (размеры защитного средства — 1,5 м высота и 1 м ширина).

Использование вышеперечисленных средств, предназначенных для защиты от рентгеновского излучения (в процессе обследования пациентов) – это обязательное условие сохранения здоровья врача-рентгенолога. Допустимая норма облучения, которая не опасна для здоровья и не влечет за собой негативных последствий – это 0,03 рентгена в день.

Рентгеновское излучение является физическим явлением, открытие которого изменило жизнь и дальнейшую историю человечества. Оно до сегодняшнего времени используется в медицине и позволяет диагностировать серьезнейшие патологии костной ткани и внутренних органов.

Оформление статьи: Лозинский Олег

Видео о рентгеновском излучении

История рентгена и как он работает: