Рентгеновское и гамма- изображения

Рентгеновское и гамма - излучения являются наиболее распространенными видами излучения, при помощи которых получают световые изображения в медицинской диагностике. Получение световых изображений можно описать с помощью цепочки преобразований вида

g_f®g_n - hv₁®hv_n,

где g_f - кванты рабочего пучка излучения источника; g_n - кванты радиационного изображения, т.е. изображения, сформированного излучением в результате взаимодействия рабочего пучка с ослабляющей средой; hv₁ - фотоны (кванты), конвертируемые первичным преобразователем “ионизирующее излучение - свет”; hv_n - фотоны изображения, непосредственно воспринимаемые глазом человека.

Радиационное изображение в большинстве случаев представляет собой карты интегралов коэффициентов ослабления рентгеновского излучения излучаемой средой, которые зависят от её химического состава и физического состояния. Поэтому в радиационных изображениях в основном представлена морфологическая информация. Например, рентгеновский снимок грудной клетки даёт в большинстве случаев информацию об анатомическом строении органов человека. Однако в части изображений содержится информация о физиологическом состоянии органов человека. Так, если пациент ингалирует воздух, содержащий нуклид ¹³³Хе, то в этом случае вариации распределения нуклида в легких будут давать информацию о пространственных характеристиках воздушного потока в легких. Указанное распределение может быть визуализировано при помощи гамма-излучения, испускаемого ксеноном.

Как и любую систему передачи информации систему радиационной диагностики можно представить в виде пространственно-временного фильтра, составленного из нескольких каскадов:

1) каскада генерации ионизирующего излучения (рентгеновская трубка, гамма- источник или радионуклид);

2) каскада модуляции, который представляется неравномерностью исследуемого объекта или пространственно-временной вариацией распределения радионуклида в органах пациента;

3) каскада детектерирования ( канала регистрации радиационного изображения);

4) каскада преобразования в световое изображение и его диагностической оценки.

Представленным выше каскадам соответствуют процессы: 1) генерация излучения, его 2)взаимодействия с органами пациента и 3) формирования радиационного изображения, преобразование последнего в световое, 4) просмотр светового изображения и его профессиональная оценка.

Первые три процесса имеют физико-технический смысл, хотя некоторые из них связаны с физиологическими функциями органа или анатомической системы пациента; четвертый, помимо физических проблем, включает и физиологические, связанные со зрительным аппаратом рентгенолога. Пятый процесс - чисто профессиональный - заключается в том, чтобы из всего многообразия отображенных деталей в световом изображении выделить необходимые, руководствуясь опытом и знанием других клинических данных, поставить правильный диагноз.

Рентгенология как наука берет своё начало от 8 ноября 1995 г., когда немецкий физик профессор Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи, впоследствии названные его именем. Сам Рентген назвал их X-лучами. Это название сохранилось на его родине и в странах запада.

Профессор Рентген, как и многие физики того времени, занимался изучением свойств катодных лучей (катодные лучи, как было установлено в 1869 году, возникают в стеклянном сосуде с воздухом, разряженным до 1/100000 атмосферного давления, при пропускании через него электрического тока высокого напряжения. Катодные лучи являются потоком отрицательно заряженных частиц-электронов).

Особенность его опытов состояла в том, что трубка Крукса была закрыта черным картонным футляром. Эксперименты шли в вечернее время суток и по счастливой случайности недалеко от трубки на столе лежала пластинка (экран), покрытая платиносинеродистым барием, обладающая светящимся свойством при воздействии на нее солнечных лучей. Рентген заметил, что каждый раз при пропускании тока высокого напряжения через трубку, возникало свечение пластинки, покрытой этим флюоресцирующим веществом. Не трудно было заключить, что здесь имеется какой-то новый источник лучистой энергии, т.к. катодные лучи не могли пройти сквозь черный картон, покрывающий трубку Крукса, а дневного света не было. Все сомнения были отброшены, когда, поместив свою руку на пути движения этих лучей, между трубкой и светящейся пластинкой, он увидел темные тени костей руки на экране. Рентген назвал эти лучи X- лучами, отмечая этим неясность природы и свойств обнаруженного излучения. В ближайшие дни Рентген изучил почти все свойства этих лучей и в январе 1896 году в Вюрцбургском научном обществе естествоиспытателей сделал публичное сообщение о своём открытии. Там было принято решение о присвоении X-лучам имени Рентгена. Открытие рентгеновских лучей вскоре привело к открытию естественной радиоактивности ( Анри Беккерель, март 1896 г., радия супругами Кюри, декабрь 1898 года).

Эти два открытия в области лучевой энергии решающим образом повлияли на прогресс науки и помогли проникнуть в тайны строения вещества и внутриатомной энергии. Открытие рентгеновских лучей обогатило науку и нашло применение почти во всех её областях.

Природа рентгеновских лучей. Хотя Рентгеном и были изучены почти все основные свойства этой лучистой энергии, природу их удалось раскрыть только в 1912 году. Физиками Лауэ, Фридрихом и Книппингом было установлено, что рентгеновы лучи подобно видимому свету представляют собой электромагнитные колебания, но с очень малой длиной волны.

Основные свойства рентгеновских лучей

1.Рентгеновы лучи, исходя из фокуса рентгеновской трубки, распространяются прямолинейно.

2. Они не отклоняются в электромагнитном поле.

3. Скорость распространения их равняется скорости света.

4.Рентгеновы лучи невидимые, но поглощаясь некоторыми веществами, они заставляют их светиться ярким зеленоватым светом. Это свечение называется флюоресценцией, оно лежит в основе рентгеноскопии.

5. Рентгеновы лучи обладают фотографическим действием. На этом свойстве рентгеновых лучей основывается рентгенография (общепринятый в настоящее время метод производства рентгеноснимков). Это по существу фотография при помощи рентгеновых лучей.

6.Лучи обладают ионизирующим действием и придают воздуху способность проводить электрический ток. Ни видимые, ни тепловые, ни радиоволны не могут вызвать это явление. На основе этого свойства рентгеновы лучи, как и лучи радиоактивных веществ, называются ионизирующим излучением.

7. Однако главное, поистине чудесное свойство рентгеновских лучей - их проникающая способность, т.е. способность свободно проходить через тело и предметы. Как воздух, чистая вода или стекло прозрачны для лучей солнца, так и для лучей Рентгена относительно прозрачны ткани человеческого тела, одежда, дерево, бумага и даже некоторые металлы. Проникающая способность рентгеновых лучей зависит от качества лучей. Чем короче длина рентгеновых лучей (т.е. чем жестче рентгеновское излучение), тем глубже проникают эти лучи и наоборот, чем длиннее волна лучей (чем мягче излучение), тем на меньшую глубину они проникают, от объема исследуемого тела: чем толще объект, тем труднее рентгеновы лучи “пробивают” его.

Проникающая способность рентгеновских лучей зависит от химического состава и строения исследуемого тела. Чем больше в веществе, подвергаемом действию рентгеновых лучей, атомов элементов с высоким атомным весом и порядковым номером (по таблице Менделеева), тем сильнее оно поглощает рентгеновы лучи и, наоборот, чем меньше атомный вес, тем прозрачнее вещество для этих лучей. Чем же объяснить проникающую способность рентгеновых лучей? Объяснение этого явления в том, что в электромагнитных колебаниях с очень малой длиной волны, каковыми являются рентгеновы лучи, сосредоточена большая энергия.

8. Лучи Рентгена обладают активным биологическим действием. При этом критическими структурами являются ДНК и мембраны клетки. На использовании этого свойства основана лучевая терапия ионизирующими излучениями.

Необходимо учитывать еще одно обстоятельство. Рентгеновы лучи подчиняются закону обратных квадратов, т.е. интенсивность рентгеновских лучей обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Гамма-лучи обладают такими же свойствами, но эти виды излучений различаются по способу их получения: рентгеновские лучи получают на высоковольтных электрических установках, а гамма -излучение - вследствие распада ядер атомов.

Методы рентгенологического исследования делятся на основные и специальные, частные. К основным методам рентгенологического исследования относятся: рентгенография, рентгеноскопия, электрорентгенография, компьютерная рентгеновская томография.

Рентгеноскопия - просвечивание органов и систем с применением рентгеновских лучей.

Рентгеноскопия- анатомо-функциональный метод, который предоставляет возможность изучения нормальных и патологических процессов и состояний организма в целом, отдельных органов и систем, а также тканей по теневой картине флюоресцирующего экрана.

Преимущества: а) общедоступность; позволяет исследовать больных в различных проекциях и позициях, в силу чего можно выбрать положение, при котором лучше выявляется патологическое тенеобразование; б) возможность изучения функционального состояния ряда внутренних органов: легких, при различных фазах дыхания; пульсацию сердца с крупными сосудами; в) тесное контактирование врача-рентгенолога с больными, что позволяет дополнить рентгенологическое исследование клиническим (пальпация под визуальным контролем, целенаправленный анамнез) и т.д.

Недостатки: большая лучевая нагрузка на больного и обслуживающий персонал; малая пропускная способность за рабочее время врача; ограниченные возможности глаза исследователя в выявлении мелких тенеобразований и тонких структур тканей и т.д.; необходимость работать в затемненном помещении, что ограничивает возможности применения рентгеновых лучей при хирургических операциях, зондировании сосудов и т.д.

Показания к рентгеноскопии ограничены.

Рентгенография - фотосъёмка посредством рентгеновых лучей. При рентгенографии снимаемый объект должен находиться в тесном соприкосновении с кассетой, заряженной плёнкой. Рентгеновы лучи, выходящие из трубки, направляются перпендикулярно на центр плёнки через середину объекта (расстояние между фокусом и кожей больного в обычных условиях работы 60 - 100 см.) Необходимым оснащением для рентгенографии являются кассеты с усиливающими экранами, отсеивающие решетки и специальная рентгеновская пленка. Кассеты делаются из светонепроницаемого материала и по величине соответствуют стандартным размерам выпускаемой рентгеновской пленки ( 13 x18, 18x24, 24x 30, 30x40 и 35x 35 см и др.).

Усиливающие экраны предназначены для увеличения светового эффекта рентгеновых лучей на фотопленку. Они представляют картон, который пропитывается специальным люминофором (вольфрамо-кислый кальций), обладающий флюоресцирующим свойством под влиянием рентгеновых лучей. Использование усиливающих экранов сокращает в значительной степени время экспозиции при рентгенографии.

Для отсеивания мягких лучей первичного потока, который может достигнуть пленки, а также вторичного излучения, используются специальные подвижные решетки. Обработка заснятых пленок проводится в фотолаборатории. Процесс обработки сводится к проявлению, полосканию в воде, закреплению и тщательной промывке плёнки в текучей воде с последующей сушкой. Сушка пленок проводится в сушильных шкафах, что занимает не менее 15 мин или происходит естественным путём, при этом снимок бывает готовым на следующий день. При использовании проявочных машин снимки получают сразу после исследования.

Преимущество: 1) устраняет недостатки Р-скопии; 2) документация.

Недостатки: 1) статика; 2) не отражает функционального многообразия; 3) дороговизна ( серебро ).

Электрорентгенография. Метод получения рентгеновского изображения на полупроводниковых пластинах. Принцип метода: при попадании лучей на высокочувствительную селеновую пластину в ней меняется электрический потенциал. Селеновая пластинка посыпается порошком графита. Отрицательно заряженные частицы порошка притягиваются к тем участкам селенового слоя, в которых сохранились положительные заряды, и не удерживаются в тех местах, которые потеряли заряд под действием рентгеновского излучения. ЭРГ позволят в 2-3 минуты перенести изображение с пластины на бумагу. На одной пластине можно произвести более 1000 снимков.

Преимущество: 1) быстрота; 2) дешевизна.

Недостаток: недостаточно высокая разрешающая способность при исследовании внутренних органов. Метод применяется в основном при исследовании костей и суставов в травмопунктах. В последнее время применение этого метода все более ограничивается.

Компьютерная рентгеновская томография.

Разработка и внедрение в клиническую практику рентгеновской компьютерной томографии (КТ) явились крупнейшим достижением науки и техники. Со времени открытия рентгеновского излучения в конце прошлого века не было в медицине более значительного сообщения, чем разработка КТ. Свидетельством этого является присуждение Нобелевской премии в 1979 г. известным физикам Cormokt ( США) и Hounsfield ( Англия) за создание клинического испытания КТ.

Компьютерная томография позволяет изучить положение, форму, размеры и структуру различных органов, а также их соотношение с другими органами и тканями.

Это фактически осуществление идей великого русского хирурга Н.И.Пирогова: получение в клинических условиях данных о топографии и структуре органов в поперечных срезах. Основой для разработки и создания КТ послужили различные модели математической реконструкции рентгеновского изображения объектов. Успехи, достигнутые с помощью КТ в диагностике различных заболеваний, послужили стимулом быстрого технического совершенствования аппаратов и значительного увеличения их моделей. Если первое поколение КТ имело один детектор, и время для сканирования составляло 5-10 мин, то на томограммах третьего -четвертого поколений при наличии от 512 до1100 детекторов и ЭВМ большой емкости время для получения одного среза уменьшилось до 2-5 с, что практически позволяет исследовать все органы и ткани, включая сердце и сосуды. В настоящее время применяется спиральная КТ, позволяющая проводить продольную реконструкцию изображения, исследовать быстро протекающие процессы (сократительную функцию сердца).

Компьютерная томография основана на принципе создания рентгеновского изображения органов и тканей с помощью ЭВМ. В основе рентгеновского КТ лежит регистрация X - лучей чувствительными дозиметрическими детекторами. Принцип метода заключается в том, что после прохождения лучей через тело пациента они попадают не на экран, а на чувствительные детекторы, в которых возникают электрические импульсы, передающиеся после усиления в ЭВМ, где по специальному алгоритму они реконструируются и создают изображение объекта, который из ЭВМ подаётся на телемонитор. Изображение органов и тканей на КТ, в отличие от традиционных рентгеновских снимков, получается в виде поперечных, наподобие пироговских срезов. Современные установки позволяют получить срезы толщиной от 2 до 8 мм. Рентгеновская трубка и приёмник излучения движутся вокруг тела больного. КТ обладает рядом преимуществ перед обычным рентгенологическим исследованием:

а) прежде всего высокой чувствительностью, что позволяет отдифференцировать отдельные органы и ткани друг от друга по плотности в пределах до 0,5 %; на обычных рентгенограммах этот показатель составляет 10-20% .

б) КТ позволяет получить изображение органов и патологических очагов только в плоскости исследуемого среза, что даёт чёткое изображение без наслоения лежащих выше и ниже образований;

в) КТ даёт возможность получить точную количественную информацию о размерах и плотности отдельных органов, тканей и патологических образований;

г) КТ позволяет судить не только о состоянии изучаемого органа, но и о взаимоотношении патологического процесса с окружающими органами и тканями, например, инвазию опухоли в соседние органы, наличие других патологических изменений;

д) КТ позволяет получить топограммы, т.е. продольное изображение исследуемой области наподобие рентгеновского снимка, путем смещения больного вдоль неподвижной трубки. Топограммы используются для установления протяженности патологического очага и определения количества срезов.

е) планирование лучевой терапии ( составление карт облучения и расчёт доз) .

Данные КТ могут быть использованы для диагностической пункции, она может с успехом применяться не только для выявления патологических изменений, но и для оценки эффективности лечения и, в частности, противоопухолевой терапии, а также определение рецидивов и сопутствующих осложнений.

Диагностика с помощью КТ основана на прямых рентгенологических признаках, т.е. определении точной локализации, формы, размеров отдельных органов и патологического очага и, что особенно важно, на показателях плотности или абсорбции. Показатель абсорбции основан на степени поглощения или ослабления пучка рентгеновского излучения при прохождении через тело человека. Каждая ткань в зависимости от плотности атомной массы по-разному поглощает излучение, поэтому в настоящее время для каждой ткани и органа в норме разработан коэффициент абсорбции (КА) по шкале Хаунсфилда. Согласно этой шкале, КА воды принимают за 0, кости, обладающие наибольшей плотностью - за +1000, воздух, обладающий наименьшей плотностью, - за -1000.

Минимальная величина опухоли или другого патологического очага, определяемого с помощью КТ, колеблется от 0,5 до 1 см при условии, что КА пораженной ткани отличается от такового здоровой на 10 - 15 ед.

Как в КТ, так и при рентгенологических исследованиях возникает необходимость для увеличения разрешающей способности методики “усиления изображения”.

Методика “усиления“ осуществляется перфузионным или инфузионным введением контрастного вещества.

Такие методы называются специальными. Органы и ткани человеческого организма становятся различными, если они поглощают рентгеновские лучи в различной степени. В физиологических условиях такая дифференциация возможна только при наличии естественной контрастности, которая обусловливается разницей в плотности (химическом составе этих органов), величине, положении. Хорошо выявляется костная структура на фоне мягких тканей, сердца и крупные сосуды на фоне воздушной легочной ткани, однако его камеры невозможно выделить отдельно и т.д. (органы брюшной полости). Необходимость изучения рентгеновыми лучами органов и систем, имеющих одинаковую плотность, привело к созданию методики искусственного контрастирования. Сущность этой методики заключается во введении в исследуемый орган искусственных контрастных веществ, т.е. веществ, имеющих плотность, различную от плотности органа и окружающей его среды.

Искусственные контрастные вещества принято подразделять на вещества с высоким атомным весом (рентгено-позитивные контрастные вещества) и низким (рентгено-негативные легкие контрастные вещества). Контрастные вещества должны быть безвредными.

Тяжелые контрастные вещества, которые интенсивно поглощают рентгеновы лучи - это: взвеси солей тяжелых металлов - сернокислый барий, применяемый для исследования ЖКТ. Он не всасывается и выводится через естественные пути - водные растворы органических соединений йода - кардиотраст, трийодтраст, диодон, верографин, билигност и мн. др., которые вводятся в сосудистое русло, с током крови попадают во все органы и дают кроме контрастирования сосудистого русла контрастирование других систем - мочевыделительной, желчного пузыря и т.д.; масляные растворы органических соединений йода - йодолипол и др., которые вводятся в бронхи, свищи и т.д.

Неионные водорастворимые -“Ультравист” - отсутствие в химической структуре ионных групп, с низкой осмолярностью, минутное взаимодействие с биомембранами.

Рентгено-негативные или отрицательные контрастные вещества - воздух, газы “не поглощают” Х-лучи и поэтому хорошо оттеняют исследуемые органы и ткани, которые обладают большой плотностью.

Искусственное контрастирование по способу введения контрастных препаратов подразделяется на:

1. Введение контрастных веществ в полость исследуемых органов (самая большая группа). Сюда относятся исследования ЖКТ, бронхография, исследования свищей, все виды ангиографии.

2. Введение контрастных веществ вокруг исследуемых органов - ретропневмоперитонеум, пневморен, пневмомедиастинография.

3. Введение контрастных веществ в полость и вокруг исследуемых органов. Сюда относится париетография.

Париетография при заболеваниях органов ЖКТ заключается в получении снимков стенки исследуемого полого органа после введения газа вначале вокруг органа, а затем в полость этого органа. Обычно проводят париетографию пищевода, желудка и толстой кишки.

4. Способ, в основе которого лежит специфическая способность некоторых органов концентрировать отдельные контрастные препараты и при этом оттенять его на фоне окружающих тканей. Сюда относятся выделительная урография, холецистография.