Физика в медицине

Фаза быстрой деполяризации создается резким повышением проницаемости мембраны для ионов натрия, что приводит к возникновению быстрого входящего натриевого тока. Последний, однако, при достижении мембранного потенциала 30--40 мВ инактивируется и в последующем, вплоть до инверсии потенциала (около +30 мВ) и в фазу «плато», ведущее значение имеют кальциевые ионные токи. Деполяризация мембраны вызывает активацию кальциевых каналов, в результате чего возникает дополнительный деполяризирующий входящий кальциевый ток.

Рефрактерность миокарда практически совпадает не только с возбуждением, но и с периодом сокращения. Конечная реполяризация в клетках миокарда обусловлена постепенным уменьшением проницаемости мембраны для кальция и повышением проницаемости для калия. В результате входящий ток кальция уменьшается, а выходящий ток калия возрастает, что обеспечивает быстрое восстановление мембранного потенциала покоя. Длительность потенциала действия кардиомиоцитов составляет 300--400 мс, что соответствует длительности сокращения миокарда.

26. Основные функции сердца: автоматизм, возбудимость, проводимость, сократимость. Конструкция проводящей системы сердца, роль в формировании дипольных свойств сердца.

Функция автоматизма -- это способность сердца вырабатывать электрические импульсы при отсутствии внешних раздражений. Функцией автоматизма обладают только клетки синоатриального узла (СА-узла) и проводящей системы предсердий и желудочков (пейсмекеры). Сократительный миокард лишен функции автоматизма

Функция проводимости -- это способность кпроведению возбуждения волокон проводящей системы сердца и сократительного миокарда. Впоследнем случае скорость проведения электрического импульса значительна. Впредсердиях возбуждение распространяется от СА-узла по трем межузловым трактам (Бахмана, Венкебаха и Тореля) кАВ-узлу и по межпредсердному пучку Бахмана -- на левое предсердие. Вначале возбуждается правое, затем правое и левое, вконце -- только левое предсердие. Скорость проведения возбуждения 30--80 см/с, время охвата возбуждением обоих предсердий -- не превышает внорме 0,1 с.

Рис. 7

ВАВ-узле происходит физиологическая задержка возбуждения (скорость проведения снижается до 2-5 см/с). Задержка возбуждения вАВ-узле способствует тому, что желудочки начинают возбуждаться только после окончания полноценного сокращения предсердий. АВ-узел внорме «пропускает» из предсердий вжелудочки не более 180-220 импульсов вмин. При большей частоте синусового или предсердного ритма даже у здорового человека развивается неполная атриовентрикулярная блокада проведения импульсов от предсердий к желудочкам. В норме АВ-задержка не превышает 0,1с.

Возбудимость сердца - это способность сердечной мышцы возбуждаться от различных раздражителей физической или химической природы, сопровождающееся изменениями физико-химических свойств ткани.

Сократимость сердца - Сила сокращения сердечной мышцы прямо пропорциональна начальной длине мышечных волокон

Проводящая система сердца, роль в формировании дипольных св-в

Ветви внутрижелудочковой проводящей системы постепенно разветвляются до все более мелких ветвей. Конечные разветвления правой и левой ножек пучка Гиса постепенно переходят в волокна Пуркинье, которые непосредственно связываются с сократительным миокардом желудочков, пронизывая всю мышцу сердца. Поступающий по ним импульс вызывает возбуждение и сокращение миокарда желудочков сердца. Скорость распространения возбуждения по волокнам Пуркинье и миокарду желудочков составляет 4 - 5 м/с.

Волокна Пуркинье, по-видимому, также обладают функцией автоматизма (автоматический центр третьего порядка):их автоматизм - 15 - 30 импульсов в 1 мин. В миокарде желудочков волна возбуждения вначале охватывает межжелудочковую перегородку, а затем распространяется на оба желудочка сердца. В желудочках процесс возбуждения идет от эндокарда к их эпикарду. При возбуждении миокарда создается электродвижущая сила (ЭДС), которая распространяется на поверхность человеческого тела и служит основой для регистрации ЭКГ.

Таким образом, в сердце имеется множество клеток, обладающих функцией автоматизма. Они расположены в синусовом узле, атриовентрикулярном соединении, пучке Гиса и его ножках, а также в желудочках. Однако в норме существует только один водитель ритма, дающий импульсы для возбуждения всего сердца.

Это синусовый узел, обладающий наибольшим автоматизмом (автоматический центр первого порядка). Импульсы из синусового узла достигают ниже расположенных источников автоматизма до того, как в них закончится подготовка очередного импульса возбуждения, и разрушают этот процесс подготовки. Автоматические центры второго и третьего порядка проявляют свою автоматическую функцию только в патологических условиях - при понижении автоматизма синусового узла или при повышении их автоматизма. Автоматические центры третьего порядка становятся водителями ритма только при одновременном поражении автоматических центров первого и второго порядка или значительном повышении автоматизма центра третьего порядка. Проводящей системе сердца присуща способность проводить импульсы не только в обычном направлении - от предсердий к желудочкам, т.е. ортоградно или антеградно, но и в противоположном направлении - от желудочков к предсердиям, т.е. ретроградно.

27. Электрический диполь. Токовый диполь. Механизм формирования дипольных свойств живого сердца

Электрический диполь - система из двух равных по величине, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Расстояние между зарядами называется плечом диполя.

Основной характеристикой диполя является векторная величина, называемая электрическим моментом диполя(P).

Электрический момент диполя - вектор, направленный от «-» к «+» и численно равный произведению положительного заряда на плечо диполя;

В сердце множество элементарных диполей. Все диполи можно просуммировать и заменить одним результирующим диполем.

Каждый заряд создает свое электрическое поле. Источником электрического поля является электрический диполь.

Электрическое поле диполя

Диполь является источником электрического поля, силовые линии и эквипотенциальные поверхности которого изображены на рис. 8



Рис. 8

Центральная эквипотенциальная поверхность представляет собой плоскость, проходящую перпендикулярно плечу диполя через его середину. Все ее точки имеют нулевой потенциал(ц= 0). Она делит электрическое поле диполя на две половины, точки которых имеют соответственно положительные(ц> 0) и отрицательные(ц< 0) потенциалы.

Токовый диполь

Рис. 9 Экранирование диполя в проводящей среде

В непроводящей среде электрический диполь может сохраняться сколь угодно долго. Но в проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает смещение свободных зарядов, диполь экранируется и перестает существовать (рис. 9).

Для сохранения диполя в проводящей среде необходима электродвижущая сила. Пусть в проводящую среду (например, в сосуд с раствором электролита) введены два электрода, подключенные к источнику постоянного напряжения. Тогда на электродах будут поддерживаться постоянные заряды противоположных знаков, а в среде между электродами возникнет электрический ток. Положительный электрод называютистоком тока,а отрицательный -стоком тока.

Двухполюсная система в проводящей среде, состоящая из истока и стока тока, называется дипольным электрическим генераторомилитоковым диполем.

В клинической электрокардиографии электрические явления, возникающие на поверхности возбудимой среды (волокна, сердца), принято описывать с помощью так называемой дипольной концепции распространения возбуждения в миокарде. Процесс распространения волны деполяризации и волны реполяризации по одиночному мышечному волокну можно условно представить как перемещение двойного слоя зарядов, расположенных на границе возбужденного (--) и невозбужденного (+) участков волокна. Эти заряды, равные по величине и противоположные по знаку, находятся на бесконечно малом расстоянии друг от друга и обозначаются как элементарные сердечные диполи. Положительный полюс диполя {+) всегда обращен в сторону невозбужденного отрицательный полюс (--) -- в сторону возбужденного участка миокардиального волокна. Диполь создает элементарную ЭДС.

ЭДС диполя -- векторная величина, которая характеризуется не только количественным значением потенциала, но и направлением -- пространственной ориентацией от (--) к (+).

28. Физические основы электрокардиографии. Теория эйнховера. Распределение эквипотенциальных линий на поверхности тела. Стандартные отведения

Электрокардиография - это физический метод регистрации электрической деятельности сердца с помощью усилителя биопотенциалов - электрокардиографа.

Теоретическое обоснование метода сводится к идее Эйнтховена о сердце, как электрическом диполе, помещенном в слабо проводящую среду.

Многочисленными исследованиями установлено, что эл. генератор сердца локализуется в синусном узле, этот узел обладает свойством автоматизма, т.к. генерирует эл. потенциалы периодически. В свою очередь СА-узел входит в состав так называемой проводящей системы сердца, включающей в себя АВ-узел, пучок Гиса, ножки пучка Гиса и волокна Пуркинье.

Сердце, как эл. диполь создает эл. поле некоторой напряженности Е и следовательно его силовые линии будут выходить на поверхность тела. Если это действительно так, то на поверхности тела модно выделить линии равного потенциала. Т.к. возбужденный участок сердца заряжается отрицательно по отношению к невозбужденному, то верхняя правая часть тела будет заряжена отрицательно, а нижняя левая положительно.

Таким образом, если некоторый чувствительный вольтметр подсоединить к тем двум участкам поверхности тела, которые различаются значениями своего потенциала, то он зарегистрирует разность потенциалов. Чтобы сделать измерение и запись ЭКГ стандартными Эйнтховен предложил считать, что сердце - диполь и помещено в центр равностороннего треугольника, а ткани организма имеют одинаковую эл. проводность во всех направлениях. Для унификации таких измерений он предложил измерять разность потенциалов между вершинами треугольника (конечностями). Соответственно пары точек были названы отведениями.

1 отведение - левая рука, правая рука

2 - права рука, левая нога

3 - левая нога, левая рука.

29. Электрокардиограмма здорового человека, кривая, формы и виды зубцов. Информационное значение зубцов

Любая ЭКГ состоит из зубцов, сегментов и интервалов.

ЗУБЦЫ - это выпуклости и вогнутости на электрокардиограмме. На ЭКГ выделяют следующие зубцы:

· P (сокращение предсердий),

· Q, R, S (все 3 зубца характеризуют сокращение желудочков),

· T (расслабление желудочков),

· U (непостоянный зубец, регистрируется редко).

СЕГМЕНТЫ Сегментом на ЭКГ называют отрезок прямой линии (изолинии) между двумя соседними зубцами. Наибольшее значение имеют сегменты P-Q и S-T. Например, сегмент P-Q образуется по причине задержки проведения возбуждения в предсердно-желудочковом (AV-) узле.

ИНТЕРВАЛЫ Интервал состоит из зубца (комплекса зубцов) и сегмента. Таким образом, интервал = зубец + сегмент. Самыми важными являются интервалы P-Q и Q-T.

Зубец Р - электрическая активность (деполяризация) предсердий. Регистрирует алгебраическую сумму возбуждений правого (восходящая часть) и левого (нисходящая часть) предсердий.

Зубец Q - отражает деполяризацияю межжелудочковой перегородки. Направлен вниз.

Зубец R - почти полный охват возбуждением обоих желудочков, направлен вверх, самй высокий зубец.

Зубец S - конечный элемент желудочкового комплекса, когда оба желудочка охвачены возбуждением.



Рис. 10

Зубец Т - заканчивается желудочковый комплекс, когда прекращается деполяризация, т. Е. наступает реполяризация обоих желудочков.

Интервал PQ - это расстояние (временной промежуток) от начала зубца P до начала зубца. Он соответствует времени прохождения возбуждения по предсердиям и атриовентрикулярному узлу до миокарда желудочков.

Сегмент ST - это отрезок кривой ЭКГ между концом комплекса QRS и началом зубца T, который соответствует периоду сердечного цикла, когда оба желудочка полностью охвачены возбуждением.

Интервал QT (электрическая систола желудочков) - время от начала комплекса QRT до конца зубца T.

30. Вектор ЭДС сердца, его построение, клиническое значение

Электрической осью сердца называется ось электрического диполя. Вектор ЭДС сердца можно построить с помощью треугольника Эйнтховена.

Для построения вектора ЭДС сердца нужно построить равносторонний треугольник и из его середин восстановить перпендикуляры до взаимного пересечения в точке О.

Затем в трех отведениях измерить амплитуды соответствующих зубцов, например зубцов R. Отложить полученные значения на сторонах треугольника. Восстановить перпендикуляры из концов векторов отведений до взаимного пересечения в точке О.

Отрезок ОО можно рассматривать теперь как вектор ЭДС сердца и прямую, на которой он лежит, как эл. ось сердца.

Для определения по зубцам ЭКГ направления ЭДС сердца нужно помнить, что зубец, расположенный над изоэлектрической линией, обусловлен направлением ЭДС сердца в продолжение соответствующего интервала времени в сторону положительного полюса данного отведения. Зубец, направленный вниз от изоэлектрической линии, свидетельствует об ориентации ЭДС в сторону отрицательного полюса данного отведения.

Учитывая, что направление и полярность осей отведения известны, определить направление и величину суммарной ЭДС сердца в любой момент возбуждения нетрудно. Суммарный вектор ЭДС сердца в норме во время деполяризации направлен влево и вниз, в связи с чем суммарный вектор возбуждения проецируется в основном на положительные части осей отведений во фронтальной плоскости.

Это приводит к тому, что доминирующим зубцом в этих отведениях будет положительный зубец (зубец R), Исключением является отведение aVR. Суммарный вектор ЭДС сердца проецируется на отрицательную часть этого отведения, и доминирующим зубцом будет отрицательный зубец.

По зубцам стандартных и однополюсных отведений от конечностей можно найти направление суммарного вектора ЭДС сердца во фронтальной плоскости. В практической электрокардиографии это положение применяется для определения направления электрической оси сердца. Аналогичным образом используются оси грудных отведений для изучения векторов ЭДС в горизонтальной плоскости.

Изменения зубцов ЭКГ в определенных отведениях при помощи известного расположения осей этих отведений позволяют определить отклонения в направлении и величине вектора ЭДС сердца, которые связаны обычно с преобладанием ЭДС какого-либо отдела сердца. Схему векторного анализа можно представить следующим образом: зубцы ЭКГ -- их проекция на оси отведений -- величина и направление вектора ЭДС сердца.

31 .Блок схема электрокардиорофа, назначение блоков. Виды электрокардиоргафов

Блок-схема:

Блок Калибровки<-Блок отведения ->Дифф усилитель -> УНЧ ->УНЧ -> УНЧ ->Усилит мощнос ->РУ

Блок питания -подсоединяется ко всем блокам, кроме РУ

С помощью специальных электродов разность потенциалов со стандартных отведений через блок отведений попадает в дифференциальный усилитель, где происходит очистка полезного сигнала от помех. Очищенный от помех полезный сигнал с выхода дифференциального усилителя подается на 3-х каскадный усилитель напряжения низкой частоты (УНЧ). При прохождении через УНЧ амплитуда полезного сигнала значительно увеличивается по сравнению с амплитудой входного сигнала. После усиления напряжения полезный сигнал поступает на усилитель мощности. В нем формируется мощность сигнала по закону P = U*I. Усиленный таким образом полезный сигнал, регистрируется на самописце или на экране монитора. В качестве регистрирующего устройства используется перьевая запись на теплочувствительной ленте. Нагретое перо соприкасается с бумажной лентой, покрытой воском. Бумажная лента протягивается под пером лентопротяжного механизма с постоянной скоростью. Любой ЭКГ содержит блок калибровки. Он представляет собой источник стабильного напряжения величиной 1 мВ. При нажатии кнопки калибровки, напряжение 1 мВ поступает на вход УНЧ вместо биопотенциала, усиливается и записывается в виде прямоугольного импульса на бумажную ленту.

Типы электрокардиографов

За последние тридцать лет внешний вид и принцип действия одноканального электрокардиографа, который все еще остается основным аппаратом в больницах, изменились очень мало. Однако в последние годы все шире вводятся в практику новые и радикально отличные от старых моделей типы электрокардиографов.

Автоматический трехканальный электрокардиограф

Если ежедневно необходимо записывать и монтировать большое число ЭКГ, то можно существенно уменьшить затраты труда персонала, применяя автоматические трехканальные электрокардиографы.

Электрокардиографы, обрабатывающие сигналы на ЭВМ

Все более широко используется автоматический анализ ЭКГ на ЭВМ . Этот метод требует, чтобы сигнал ЭКГ от стандартных отведений последовательно передавался к ЭВМ с помощью соответствующих средств; при этом должна также передаваться дополнительная информация о пациенте.

Электрокардиографические системы для испытаний под нагрузкой

Коронарная недостаточность часто не отражается в ЭКГ, если запись производится в состоянии покоя. В испытаниях с упражнениями на двух ступенях на сердечнососудистую систему дается физиологическая нагрузка. Перед записью ЭКГ пациенту предлагают подниматься и спускаться по специальной паре ступеней высотой около 23 см. На этом же принципе основаны и испытания под нагрузкой, во время которых пациент идет с определенной скоростью по бегущей дорожке, наклон которой можно изменять.

32. Ионизирующее излучение. Виды, физическая характеристика. Естественные и искусственные источники. Принципы защиты

Ионизирующее излучение - различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. Такими свойствами обладают радиоактивное излучение, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и т.д.

Виды ИИ:

Альфа-излучение - это поток положительно заряженных ядер атомов гелия, называемых альфа-частицами. Они образуются при распаде ядер, как правило тяжелых естественных элементов (радий, торий).Начальная скорость а-частиц 10-20 тыс км/с. Они обладают большой ионизирующей способностью, но мало проникающей. Линейная плотность ионизации i = (2-8)*10(в 6ст)пар ионов на метр, линейчатый спектр - энергия 4-9 мэВ.

Бета-излучение - это поток электронов, называемых бета-частицами. Они образуются при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Скорость в-частиц может достигать скорости света. Имеет меньшую чем у а-частицы ионизирующую способность, но большую проникающую. i = 4600 пар ионов на метр, энергия лежит в пределах от сотых долей до нескольких мэВ.

гамма-излучение - (кванты энергии) - электромагнитные волны, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Распространяются в воздухе со скоростью 300 тыс км/с на сотни метров. Считается, что энергия квантов г-излучения превышает 10(в 5 ст) эВ. Г-лучи имеют огромную проникающую способность. Ионизирующий эффект обусловлен как расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское облучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между УФ лучами и г-лучами в пределах длин волн (лямбда=10 (в кВ) - 10 (в -3ст) нм). По характеру во многом схоже с г-лучами. Ионизация в следствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение

Естественные источники радиации (100-150 мБер в год)

1) космические лучи

2) земная радиация - в 1 т. земли: Уран-238 (1-3 гр), Торий-232 (10-13 гр), Калий-40 (15-25 гр), Рубидий-87 (40 гр)

3) газ радон - невидимый тяжелый газ, высвобождается из земной коры, накапливается в непроветриваемых помещениях

4) внутреннее излучение поступает с пищей, водой, воздухом, накапливается в тканях.

Искусственные источники

1) ядерные взрывы (всего было 467)

2) атомная энергетика (аварии)

3) проф.облучение

4) источники в медицине

Защита от ионизирующих излучений

Защита работающих с радиоактивными изотопами от ионизирующих излучений осуществляется системой технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий. Основными методами защиты являются:

защита временем: чем меньше время облучения, тем меньше полученная доза;

защита расстоянием: чем дальше от источника излучения, тем меньше полученная доза;

защита экранированием: для защиты от ?-излучения достаточен лист бумаги. Применяют также экраны из плексигласа и стекла толщиной в несколько миллиметров. Экраны для защиты от ?-излучений изготовляют из материалов с малой атомной массой (алюминий) либо из плексигласа и карболита. Для защиты от ?-излучений применяют материалы с большой атомной массой и высокой плотностью: свинец, вольфрам и т. п. Для защиты от нейтронного излучения применяют материалы, содержащие водород (вода, парафин), а также бериллий, графит и др. Толщина защитных экранов определяется по специальным таблицам и номограммам.

Важное значение имеет организация работ с источниками ионизирующих излучений. Помещения, предназначенные для работы с радиоактивными изотопами, должны быть отдельными, изолированными от других помещений и специально оборудованными. Желательно в одном помещении проводить работу с веществами одной активности, что облегчает устройство защитных средств. Стены, потолки и двери делают гладкими, чтобы они не имели пор и трещин. Все углы в помещении закругляют для облегчения уборки помещений от радиоактивной пыли. Стены покрывают масляной краской на высоту 2 м, а при возможности поступления в воздушную среду помещений радиоактивных паров или аэрозолей как стены, так и потолки покрывают масляной краской полностью.

Полы изготовляют из плотных материалов, которые не впитывают жидкости, применяя для этого линолеум, полихлорвиниловый пластикат и т. п. Края линолеума и пластиката поднимают на высоту 20 см по стенам и тщательно заделывают.

В помещении необходимо предусматривать воздушное отопление. Обязательно устройство приточно-вытяжной вентиляции не менее чем с пятикратным обменом воздуха. В рабочих помещениях ежедневно проводят влажную уборку и не реже 1 раза в месяц - генеральную уборку с мытьём горячей мыльной водой стен, окон, дверей и всей мебели. Уборочный инвентарь из помещений не выносят и хранят в закрывающихся шкафах или металлических ящиках.

Средства индивидуальной защиты

При работе с радиоактивными изотопами в качестве спецодежды можно применять халаты, комбинезоны и полукомбинезоны из неокрашенной хлопчатобумажной ткани, а также хлопчатобумажные тапочки.

При опасности значительного загрязнения помещения радиоактивными изотопами поверх хлопчатобумажной одежды следует надевать плёночную одежду (нарукавники, брюки, фартук, халат, костюм), закрывающие всё тело или только места наибольшего загрязнения.

При использовании средств индивидуальной защиты следует обращать внимание на последовательность их надевания и снятия. Несоблюдение этого ведёт к загрязнению рук, одежды, оборудования.

Надевать и снимать перчатки следует так, чтобы их внешняя сторона не коснулась внутренней и чтобы голые пальцы не притрагивались к внешней загрязнённой стороне.

33. Рентгеновское излучение и его свойства. Рентгеновская трубка и принцип ее работы

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 11), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры.

Рис. 11. Рентгеновская трубка кулиджа

Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74. Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

34. Виды ренгеновского излучения и механизмы их образования. Спектры излучений

Рентгеновское излучение, возникающее при торможении быстрых электронов, называется тормозным. Возникновение тормозного излучения можно объяснить следующим образом. Движущиеся электроны, как и всякий электрический ток, образуют вокруг себя магнитное поле. Процесс резкого торможения электронов в веществе анода, равносилен ослаблению и исчезновению тока, что приводит к изменению магнитного поля, в результате чего и возникают электромагнитные волны. По теории Максвелла, такие тормозящиеся электроны должны излучать короткие электромагнитные волны. Тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр и поэтому часто называется “белым” излучением (по аналогии со сплошным спектром белого света).

По квантовой теории сплошной характер спектра тормозного излучения может быть объяснен следующим образом. Пусть кинетическая энергия электрона перед его соударением с анодом

Eк = mv_о²/2=eЧU,

где U - напряжение на рентгеновской трубке, е - заряд электрона, m - масса электрона, v_о - начальная скорость. В процессе соударения часть этой энергии Т превращается в тепло, тогда энергия фотона рентгеновского излучения

hn=(mЧv_о²/2)-Т

Так как при случайных соударениях величина Т может иметь различное значение, то и hn может быть различной. Следовательно, в тормозном рентгеновском излучении могут присутствовать фотоны с различными частотами, и спектр его будет непрерывным,

Спектр тормозного излучения определяется напряжением, приложенным к трубке, и не зависит от вещества анода. Распределение интенсивности тормозного излучения по длинам волн l при различных напряжениях U на рентгеновской трубке приведено на рис. 12.



Рис. 12.

Из вида зависимостей можно сделать следующие выводы:

1. Сплошной спектр имеет резкую границу со стороны коротких длин волн - л_min (3).

2. С увеличением напряжения, приложенного к трубке, весь спектр смещается в сторону коротких длин волн.

3. С увеличением напряжения, приложенного к трубке (и следовательно кинетической энергии электронов), возрастает как интенсивность любой длины волны, так и интегральная интенсивность (т. е. полное излучение во всем диапазоне длин волн).

Таким образом, при увеличении кинетической энергии Е_к электронов, коротковолновая граница л_min уменьшается. Эмпирический анализ зависимости между Е_к и л_min показал, что

Е_к = eU = const / л_min

Истолкование соотношения на основе представлений о свете как о волнах невозможно. По теории Максвелла, спектр излучения тормозящегося электрона должен иметь сплошной характер без ограничения со стороны коротких длин волн. Объяснение этого соотношения может быть получено лишь на основе квантовых представлений.

При торможении электрона часть его энергии излучается в виде кванта электромагнитного излучения. Какая часть энергии электрона перейдет в излучение зависит от степени торможения (например, от того, как близко электроны проходят от ядра). Чем большая энергия теряется при торможении, тем больше частота n и тем меньше, соответственно, длина волны кванта. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта. Следовательно, поскольку при этом вся кинетическая энергия электрона перейдет в электромагнитную, т.е. образуется один квант с энергией hn_max, то:

hn_max = eU ® eU = hc/l_min ® l_min = hc/eU

Подставляя в это уравнение численные значения для постоянных c, e, h, получим следующее соотношение: л_min (нм)=1.238/U(кВ) Т.е. действительно, л_min зависит только от напряжения, приложенного между анодом и катодом рентгеновской трубки.

Расчет интегральной интенсивности (I_инт) тормозного излучения, который был проведен на основе квантовых представлений, приводит к формуле

I_инт = k i ZU²,

где i - сила тока в рентгеновской трубке, Z - порядковый номер материала анода, U - разность потенциалов, приложенная к трубке, k - коэффициент пропорциональности. Таким образом, интегральная интенсивность рентгеновских лучей, возникающих в некотором объеме анода в каждый данный момент, пропорциональна току (т.е. количеству электронов, пролетающих в трубке), квадрату напряжения и атомному номеру вещества анода.

Этот вывод имеет практическое значение при выборе вещества анода для рентгеновской трубки. Для трубок, в которых получается сплошной спектр, аноды изготовляются чаще всего из вольфрама (Z_W = 74), имеющего высокий порядковый номер, а следовательно большую интенсивность тормозного спектра.

Коэффициент полезного действия (КПД) возбуждения рентгеновских лучей чрезвычайно мал: он составляет всего лишь примерно 1%, а остальные 99% представляют собой энергию летящих электронов, переходящую в тепловую энергию.

Таким образом, спектральный состав тормозного излучения меняется только с изменением напряжения, приложенного к трубе, и не зависит от вещества анода. Последнее влияет лишь на величину интенсивности спектра тормозного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Характеристическое излучение возникает в результате вырывания электронов с одной из близких к ядру оболочек атома (т. е. электронов, находящихся во внутренних слоях), которое осуществляется при ионизации быстрыми электронами атомов вещества анода. В атомах тяжелых элементов (например, платина, Z_Pt = 78), оболочки K, L, M, N заполнены. Электроны, находящиеся во внутренних слоях, испытывают сильное притяжение, обусловленное большой величиной заряда ядра, и вследствие этого оказываются сильносвязанными. Поэтому для удаления электронов из внутренних слоев необходимо затрачивать большую энергию. Например, для удаления электрона из K - оболочки платины требуется затратить энергию, равную 78Ч10³ эВ. Вот почему характеристические лучи возникают в результате бомбардировки веществ электронами большой энергии порядка 10⁴ эВ, а значит, возбуждение характеристического излучения происходит при вполне определенном для данного вещества напряжении на трубке U_о, которое называется потенциалом возбуждения. При всех напряжениях U > U_о на фоне сплошного спектра тормозного излучения будут присутствовать характеристические максимумы (рис. 13).

Рис. 13.

Повышение напряжения на трубке увеличивает интенсивность сплошного и характеристического излучений, но положение характеристических максимумов и соотношение их интенсивностей остаются неизменными.

Итак, характеристическое рентгеновское излучение образуется в результате взаимодействия падающих электронов с электронами внутренних оболочек атомов в веществе. Атом возвращается в обычное состояние в результате перехода электрона с наружной оболочки на вакансию во внутренней, теряя энергию на генерацию кванта рентгеновского излучения.

Как известно, электроны атома находятся на дискретных энергетических уровнях, описываемых квантовыми числами атома. Ограничения, накладываемые на эти квантовые числа, допускают наличие одного энергетического уровня для K-оболочки (n=1), трех энергетических уровней для L-оболочки (n = 2), пяти энергетических уровней для M - оболочки (n=3) и т.д., где n - главное квантовое число. Поскольку электроны находятся на дискретных энергетических уровнях, излучаемый рентгеновский квант будет также иметь дискретную величину энергий, равную разности энергии между начальным и конечным состояниями атома.

мембрана сердце электрокардиография кровь

Рис. 14

Таким образом, в процессе перестройки возбужденного атома он переходит в невозбужденное состояние путем заполнения электроном вакансии оболочки с меньшей энергией связи и в результате этого перехода выделяется энергия (рис. 14). Однако эта энергия может быть реализована не только в виде энергии рентгеновских квантов, некоторая часть может затрачиваться на то, чтобы удалить другие электроны атома, например, из L-оболочки.

Схема процесса возбуждения электронов, приводящего к образованию рентгеновского характеристического излучения или оже-электрона, приведена на рис. 15.

Подобно оптическим спектрам, рентгеновское характеристическое излучение состоит из нескольких серий, резко отличающихся по длине волны. Для тяжелых элементов найдено 5 таких серий линий, они обозначаются K, L, M, N, O. K-серия образована из волн, наиболее коротких, L-серия из более длинных, и т. д.



Рис. 15

Название серий отражает их связь с соответствующими электронными оболочками атома.

K-серия характеристического рентгеновского излучения возникает в результате удаления из атома одного из K-электронов. Освободившиеся место занимает один из электронов, находящийся на более высоких уровнях энергии. В одних атомах это место занимает электрон, находящийся в L оболочке, в других атомах электроны M и N оболочек, так что вся K-серия возникает вся сразу.

Важно отметить, что если электрон имеет достаточную энергию для того, чтобы выбить электрон с оболочки K, то он может также выбить любые электроны с оболочки L или M. Следовательно, одновременно появляются все спектральные линии, которые возникают в результате электронных переходов на самые глубокие оболочки атома и на более удаленные. Обычно одновременно появляются все линии серий K, L, M.

Различные переходы осуществляются с различной вероятностью. Поэтому интенсивность различных линий в характеристическом спектре различна. Наиболее интенсивными оказываются переходы между стационарными состояниями, для которых изменение орбитального квантового числа Dl= ±1. Из всех линий K-серии наиболее интенсивной оказывается линия называемая K_a, возникающая в результате переходов электронов с L-оболочки на K-оболочку (рис. 15).

Отметим, что для K-серии разность уровней намного больше, чем для других серий, следовательно, образующиеся кванты имеют большую частоту, а следовательно меньшую длину волны.

Таким образом, несмотря на то, что оболочки L, M, K имеют больше одного энергетического уровня, правило отбора ограничивают число возможных переходов электронов, и вид спектра получается довольно простым с содержанием только несколько важных линий для каждого элемента.

35. Поток рентгеновского излучения. КПД рентгеновской трубки

Поток рентгеновского излучения - это энергия, излучаемая рентгеновской трубкой в ед. времени.

Ф = КIU (в кВ) * Z ,

где U, I - напряжение и сила тока в рент. трубке, Z - порядковый номер атома вещества анода, К = 10 (в -9 ст) В (в -1 ст) - коэф. пропорциональности.

КПД РИ очень низкий

КПД = Nп/Nз * 100%

Nп = Ф, а Nз = IU, отсюда следует КПД = КIU(в кВ)Z/IU * 100% = КUZ * 100%

Только 3% электронов превращают свою энергию в рентгеновское излучение, а 97% уходит на тепловой эффект, поэтому Р.трубка сильно разогревается.

Чтобы повысить КПД, нужно охлаждать Р.трубку.

Способы охлаждения: вращение анода; воздушное масляное охлаждение

36. Первичные взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Существует 3 основных типа взаимодействия РИ с веществом: рассеяние и фотоэффект. При рассеянии направление движения фотона изменяется, при фотоэффекте фотон поглощается.

1) Когерентное упругое рассеяние происходит тогда, когда энергия Р.фотона недостаточна для внутренней ионизации атома (выбивание электрона с одной из внутренних оболочек). При этом изменяется направление движения фотона, а его энергия и длина волны не изменяются. h ню < A вых

Рис. 16 Схема когерентного рассеяния

2) Некогерентное (комптоновское) рассеяние происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии внутренней ионизации. При этом электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию Ек. Направление движения фотона при комптоновском рассеянии изменяется, а его энергия уменьшается.

hню(штрих) = h ню - Аи - Ек,

где h ню(штрих) - это энергия вторичного кванта. Комптоновское излучение связано с ионизацией атомов вещества.

Рис. 17 Схема некогерентного рассеяния

3) Фотоэффект имеет место тогда, когда энергия фотона h ню достаточна для ионизации атома. При этом Р.квант поглощается, а его энергия расходуется на ионизацию атома и сообщение Ек выбитому электрону.

Ек = h ню - Аи

Рис. 18 Схема фотоэффекта

Комптоновское рассеяние и фотоэффект сопровождаются характеристическим РИ, так как после выбивания внутреннего электрона происходит заполнение вакантных мест электронами внешних оболочек.

В некоторых веществах электроны и кванты комптоновского рассеяния, а также электроны фотоэффекта вызывают возбуждение молекул, которое сопровождается излучательными переходами в основное состояние, при этом возникает свечение, называемое рентгенолюминесценцией.

37. Закон ослабления потока РИ. Линейный и массовый коэффициент ослабления. Физические основы компьютерной диагностики

Рассеяние Н.лучей и фотоэффект приводят к тому, что по мере проникновения РИ вглубь первичный поток излучения ослабляется. Ослабление носит экспотенциальный характер:

Величина м зависит от поглощающего материала и спектра излучения. Для практических расчетов в качестве характеристики ослабле-

Где л - длина волны; Z - атомный номер элемента; k - некоторая константа.

В медицине рентгеновское излучение применяется в диагностических и терапевтических целях.

Рентгенодиагностика- методы получения изображений внутренних органов с использованием рентгеновских лучей.

Физической основой этих методов является закон ослабления рентгеновского излучения в веществе. Однородный по сечению поток рентгеновского излучения после прохождениянеоднородной ткани станет неоднородным. Эта неоднородность может быть зафиксирована на фотопленке, флуоресцирующем экране или с помощью матричного фотоприемника. Например, массовые коэффициенты ослабления костной ткани - Са₃(РО₄)₂- и мягких тканей - в основном Н₂О - различаются в 68 раз. Плотность кости также выше плотности мягких тканей. Поэтому на рентгеновском снимке получается светлое изображение кости на более темном фоне мягких тканей.

Для диагностики используют рентгеновское излучение с энергией фотонов 60-120 кэВ. В медицинской практике используют следующие методы рентгенодиагностики.

1.Рентгеноскопия. Изображение формируется на флуоресцирующем экране. Яркость изображения невелика. Недостаток - большая лучевая нагрузка на больного и врача.

2.Рентгенография. Изображение формируется на специальной пленке, чувствительной к рентгеновскому излучению. Снимки производятся в двух взаимно перпендикулярных проекциях (прямая и боковая). Изображение становится видимым после фотообработки. Готовый высушенный снимок рассматривают в проходящем свете. Достоинствами рентгенографии являются высокое разрешение, малое время облучения и практически полная безопасность для врача. К недостаткам относится статичность изображения (объект нельзя проследить в динамике).

3.Флюорография. При этом обследовании изображение, полученное на экране, фотографируется на чувствительную малоформатную пленку. Флюорография широко используется при массовом обследовании населения.

4.Электрорентгенография. Этот вид обследования отличается от обычной рентгенографии способом фиксации изображения. Вместо пленки используютселеновую пластину,которая электризуется под действием рентгеновских лучей. В результате возникает скрытое изображение из электрических зарядов, которое можно сделать видимым и перенести на бумагу.

5.Ангиография.Этот метод применяется при обследовании кровеносных сосудов. Через катетер в вену вводится контрастное вещество, после чего мощный рентгеновский аппарат выполняет серию снимков, следующих друг за другом через доли секунды.

38. Рентгеновская компьютерная томография: принципы и области применения в медицине

Современная лучевая диагностика является одной из наиболее динамично развивающихся областей клинической медицины. В значительной степени это связано с продолжающимся прогрессом в области физики и компьютерных технологий. Авангардом развития лучевой диагностики являются методы томографии: рентгеновской компьютерной (РКТ) и магнитно-резонансной (МРТ), позволяющие неинвазивно оценить характер патологического процесса в теле человека. В настоящее время стандартом РКТ является обследование с помощью многосрезового томографа с возможностью получения от 4 до 64 срезов с временным разрешением 0,1--0,5 сек. (минимально доступная длительность одного оборота рентгеновской трубки составляет 0,3 с). Таким образом, длительность томографии всего тела с толщиной среза менее 1 мм составляет около 10--15 секунд, а результатом исследования являются от нескольких сотен до нескольких тысяч изображений.

Фактически, современная мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) является методикой объемного исследования всего тела человека, так как полученные аксиальные томограммы составляют трёхмерный массив данных, позволяющий выполнить любые реконструкции изображений, в том числе мультипланарные, 3D-реформации, виртуальные эндоскопии. Применение контрастных препаратов при КТ позволяет повысить точность диагностики, а во многих случаях является обязательным компонентом исследования. Для увеличения контрастности тканей применяют водорастворимые йодсодержащие контрастные вещества, которые вводятся внутривенно (обычно в локтевую вену) с помощью автоматического инъектора (болюсно, т.е. в значительном объеме и с высокой скоростью). Ионные йод-содержащие контрастные препараты обладают целым рядом недостатков, связанных с высокой частотой развития побочных реакций при быстром внутривенном введении. Появление неионных низкоосмолярных препаратов (Омнипак, Ультравист) сопровождалось уменьшением частоты тяжелых побочных реакций в 5--7 раз, что превращает МСКТ с внутривенным контрастированием в доступную, амбулаторную, рутинную методику обследования.

Подавляющее большинство МСКТ исследований может быть стандартизовано и проводиться рентген-лаборантом, т.е. МСКТ является одним из наименее оператор-зависимых методов лучевой диагностики. Соответственно, МСКТ исследование, проведенное методически правильно и хранящееся в цифровом виде, может обрабатываться и интерпретироваться любым специалистом или консультантом без потери первичной диагностической информации. Длительность исследования редко превышает 5--7 минут (является несомненным преимуществом МСКТ) и может проводиться у пациентов, находящихся в тяжелом состоянии. Однако, время обработки и анализа результатов МСКТ занимает существенно больше времени, так как врач-рентгенолог обязан изучить и описать 500--2000 первичных изображений (до и после введения контрастного препарата), реконструкций, реформаций. МСКТ обеспечила переход в лучевой диагностике от принципа «от простого к сложному» к принципу «наибольшей информативности», заменив целый ряд ранее использовавшихся методик. Несмотря на высокую стоимость, присущую МСКТ представляет собой оптимальное соотношение стоимость/эффективность и высокая клиническая значимость, что определяет продолжающееся бурное развитие и распространение метода.

39. Радиоактивность. Альфа-распад. Характеристика алифа-распада

Взаимодействие альфа излучения с веществом.

Радиоактивность - самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения - радиоактивным распадом. Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство

M >?m_i.

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными. Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы). К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух нуклонов, а также испускание фрагментов (кластеров) - лёгких ядер от ¹²С до ³²S.

Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра - число протонов Z , массовое число А или и то и другое.

Важнейшей характеристикой радиоактивности является закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

N(t) = N₀e-^лt,

где N₀ - число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а л - постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени). Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра ф=1/л, а также период полураспада T_1/2=ln2/ф. Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое. Следует подчеркнуть, что процесс радиоактивного распада (как и все процессы в микромире) это случайный процесс и можно говорить лишь о вероятности его протекания.

Так если в образце N радиоактивных ядер, то в единицу времени не обязательно произойдёт лN актов радиоактивного распада. Это число может быть и больше и меньше лN, которое в данном случае является лишь средним (математическим ожиданием). На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад - электромагнитным.

...