X-зраке
X-зраке, познате и као рентгенске зраке (по Рöнтгену), подручје су електромагнетског зрачења с валним дуљинама између 10 и 0,01 нм, што приближно одговара подручју између ултраљубичастог и гама зрачења. Најпознатија њихова примјена је у дијагностичкој радиографији и кристалографији. Због своје енергије убрајају се у ионизирајуће зрачење.
Рендгенске зраке се дијеле на тврде и меке, с обзиром на могућност продирања кроз разне материјале. Меке имају валну дуљину од 0,1 нм до 10 нм (0,12 то 12 кеВ). Тврде имају валну дуљину од 0,01 нм до 0,1 нм (12 то 120 кеВ). Основна разлика између рендгенских и гама зрака је у начину њиховог настајања. Рендгенске зраке настају у вањском електронском омотачу атома, док гама зраке настају у језгри атома. [1]
Откриће
[уреди | уреди извор]Wилхелм Цонрад Рöнтген објављује 1895. да је у модифицираној Цроокесовој цијеви открио невидљиве зраке које изазивају флуоресценцију, пролазе кроз материју, те се не отклањају у магнетском пољу. Рöнтген је те зраке назвао X-зраке због њихове непознате природе. Иако се послије показало да су такве зраке већ биле уочене у неким покусима, нпр. Никола Тесла произвео их је дјеловањем електричног поља високе фреквенције, Рöнтген их је истражио, примијенио и схватио њихову природу.
Рöнтген је одмах уочио многе сличности с видљивом свјетлошћу. Рендгенске зраке се шире у правцима, бацају оштре сјене, дјелују на фотографску плочу и у неким тварима изазивају флуоресценцију. Али по неким својствима чинило се да се разликују од видљиве свјетлости. Запазио је њихову изванредну продорност, и није их могао сабити с лећом у жариште, а покуси с ломом свјетлости (рефлексија) и рефракцијом нових зрака нису му успјели. Тек када је 1912. Маx вон Лауе доказао да рендгенске зраке могу огибати (дифракција), постало је јасно да су оне трансверзални електромагнетски валови, као и видљива свјетлост, од које се разликују по много краћим валним дуљинама. [2]
Добивање
[уреди | уреди извор]Рендгенско зрачење настаје када електрони великом брзином ударају у метал, при чему долази до њиховог наглог успоравања и избијања електрона из унутарњих љуски атома метала. При бомбардирању метала брзим електронима настају двије различите компоненте рендгенског зрачења. Наглим кочењем брзих електрона у металу настаје закочно зрачење (њем. бремсстрахлунг), с континуираним спектром интензитета по различитим валним дуљинама. Избацивањем електрона из атомских љуски нижих енергетских разина брзим електронима који ударају у метал, те попуњавањем тих празних мјеста електронима из виших енергетских разина, настаје рендгенско зрачење са само неколико валних дуљина, карактеристичних за кемијски елемент (метал) од којег је анода. То је карактеристично зрачење с линијским спектром.
Уобичајени начин добивања је у рендгенској цијеви. То је вакуумска цијев у којој се с једне стране налази анода, а с друге катода уз коју се налази жарна нит. Катода је на високом напону у односу на аноду. Када жарном нити тече електрична струја она се ужари (волфрам се ужари на око 2 600 К),па катода избацује електроне који се убрзавају у електричном пољу између катоде и аноде. Електрони ударају у у аноду која је начињена од материјала који су отпорни на високу температуру, попут молибдена и волфрама, а уједно се и врти како би имала што боље хлађење. При томе се 99 % енергије електрона претвара у топлину, а само 1 % одлази у облику ионизирајућег зрачења које под правим кутем излази кроз мали отвор на рендгенској цијеви. [3]
У природи рендгенско значење може настати код плинског ковитлаца око црне јаме. Рендгенске зраке настају кад се сударе брзи електрони и микровални фотони. При томе настају млазеви рендгенског зрачења дуги и по 10 свјетлосних година. Тако квазари свемирским телескопима дају додатне информације, јер осим што се на снимкама види квазар, рендгенско зрачење које прође кроз објекте на путу направи једну друкчију, рендгенску слику тих објеката, који неке путе нису дијелом људском оку видљива спектра. [4]
Закочно рендгенско зрачење
[уреди | уреди извор]Проласком електрона у непосредној близини атомске језгре, он се нагло успорава и брзина му се смањује. Посљедица тога је и велико смањење почетне енергије, а разлика енергије се претвара у фотон електромагнетског зрачења:
гдје је: ф – фреквенција и х - Планцкова константа. То се може и написати у другом облику:
гдје је: λ – вална дуљина и ц – брзина свјетлости у вакууму. Интензитет зрачења овиси и о материјалу аноде, и што је већи атомски број З метала од којег је анода, то је већи и интензитет зрачења. Интензитет зрачења овиси још и о анодном напону и о анодној јачини електричне струје (јер је она показатељ броја електрона који бомбардирају аноду). Мјерења су показала да је интензитет зрачења пропорционалан квадрату анодног напона.
| Анода | Кβ₁ | Кβ₂ | Кα₁ | Кα₂ |
|---|---|---|---|---|
| Фе | 0,17566 | 0,17442 | 0,193604 | 0,193998 |
| Цо | 0,162079 | 0,160891 | 0,178897 | 0,179285 |
| Ни | 0,15001 | 0,14886 | 0,165791 | 0,166175 |
| Цу | 0,139222 | 0,138109 | 0,154056 | 0,154439 |
| Зр | 0,070173 | 0,068993 | 0,078593 | 0,079015 |
| Мо | 0,063229 | 0,062099 | 0,070930 | 0,071359 |
Тек уз висок анодни напон (око 400 000 V) и велик атомски број З метала на аноди, може се постићи висок ступањ искориштења, а он је око 3 % рендгенског зрачења, а 97 % одлази на загријавање аноде.
Карактеристично рендгенско зрачење
[уреди | уреди извор]Неки од електрона који бомбардирају аноду избацују електроне из атомских љуски најнижих енергетских разина. Попуњавањем тих празних мјеста електронима с виших енергетских разина, зрачи се разлика енергије виших и нижих разина у облику фотона или карактеристичног рендгенског зрачења. На тај начин настаје зрачење точно одређене фреквенције или валне дуљине (линијски спектар), карактеристично за кемијски елемент од којег је анода. Уз карактеристично рендгенско зрачење увијек настаје и закочно рендгенско зрачење.
Гушење рендгенског зрачења у тварима
[уреди | уреди извор]Код рендгенских цијеви, којих се анода може сматрати приближно точкастим извором, интензитет зрачења опада с квадратом удаљености од извора. Проласком рендгенског зрачења кроз неку твар, зрачење се гуши (његов интензитет пада), овисно о дебљини слоја и коефицијенту гушења зрачења у тој твари. Коефицијент гушења зрачења овиси о упијању (апсорпцији) и распршењу рендгенског зрачења.
При апсорпцији се квант рендгенског зрачења дијелом троши на удаљавање електрона из његове љуске. На тај се начин рендгенско зрачење претвара у друге облике енергије, као што су свјетлосна или топлинска енергија. Коефицијент апсорпције пропорционалан је густоћи твари кроз коју зрачење пролази, атомском броју елемента и валној дуљини. Према томе, рендгенског зрачења краћих валних дуљина или тврдо рендгенско зрачење, бит ће мање апсорбирано, дакле је продорније од онога дуљих валних дуљина. Проласком кроз нехомогено тијело рендгенско зрачење се више апсорбира на мјестима веће густоће и на мјестима која су од елемената већег атомског броја. Управо та појава се користи у медицинској дијагностичкој радиографији, код снимања костију.
| Вршни напон рендгенског зрачења | Минимална дебљина олова |
|---|---|
| 75 кВ | 1,0 мм |
| 100 кВ | 1,5 мм |
| 125 кВ | 2,0 мм |
| 150 кВ | 2,5 мм |
| 175 кВ | 3,0 мм |
| 200 кВ | 4,0 мм |
| 225 кВ | 5,0 мм |
| 300 кВ | 9,0 мм |
| 400 кВ | 15,0 мм |
| 500 кВ | 22,0 мм |
| 600 кВ | 34,0 мм |
| 900 кВ | 51,0 мм |
Код класичног распршења фотон мијења смјер, па дио зрачења напушта основни сноп. При таквом распршењу не мијења се фреквенција распршеног зрачења. I тај је коефицијент класичног распршења пропорционалан атомском броју и валној дуљини. За валне дуљине краће од 0,03 нм коефицијент класичног распршења не овиси о валној дуљини.
Код Цомптонова распршења примарни фотон велике енергије ослобађа електрон из вањске љуске (Цомптонов електрон), који ће имати фреквенцију нижу од примарног електрона.
Олово је најчешћи материјал за заштиту од рендгенског зрачења, због своје велике густоће, једноставне уградње, великог атомског броја и релативно ниске цијене. У таблици имамо препоруке за заштиту с оловом, у овисности од анодног напона рендгенске цијеви.
Откривање рендгенског зрачења
[уреди | уреди извор]Рендгенски фотоматеријал
[уреди | уреди извор]Фотоматеријал који је поглавито осјетљив на рендгенско зрачење зове се рендгенски фотоматеријал. Данас је то рендгенски филм. Рендгенски филм може бити једнослојан или двослојан овисно о томе има ли један или два фотослоја. Рендгенски филм је фотографски материјал који на једној или на објема странама подлоге садржи фотонанос осјетљив на дјеловање рендгенских зрака. Рендгенски филм је најчешћи и најједноставнији медиј за похрањивање дијагностичких информација, које добивамо након излагања неког дијела тијела рендгенским зракама.
За рендгенски фотоматеријал се углавном употребљава фотослој са сребрним бромидом (АгБр), јер је спој сребра с бромом постојанији и за око 20 до 30 % осјетљивији на рендгенско зрачење од осталих сребрних халогенида. Кристали сребрног бромида су кубоидне форме. Уколико се кристализација одвија у идеалним увјетима, кристална је решетка правилна, али је при томе фотосензибилност кристала мања. Стога се технолошки контролираним поремећајем процеса кристализације производе дефектни кристали (субструктуре), што омогућава улазак нечистоћа у кристалну решетку. Кристале сребрног бромида се контаминира атомима сумпора. Ове нечистоће се називају клице осјетљивости или центри онечишћења кристала (енгл. сенситивитy спецкс). Настанак латентне слике на рендгенском филму се темељи на накупљање елементарног сребра управо у овим центрима онечишћења, будући да се у њима катиони сребра редуцирају у електронеутрално метално сребро.
Други важан саставни дио фотослоја је желатина у којој су распршени сребрни халогениди. Желатина је полипептид животињског подријетла који служи као носач фотосензибилних кристала зрна емулзије. Желатина има неколико јединствених својстава која ју и данас, у доба великог напретка синтетичке кемије, чине драгоцјеном у фотоиндустрији.
Фотографске и радиографске подлоге су различите дебљине: 0,21 мм за планфилм, 0,08 – 0,13 мм за рол – филм. У радиологији је у почетку као подлога фотонаносу употребљавано прозирно стакло, док данас употребљавају полиестерске подлоге.
Обично свјетло, због слабије продорности, дјелује само на најповршнији слој фотонаноса филма. Рендгенске зраке, као далеко продорније зрачење од обичног свјетла, дјелују на цјелокупну дубину фотослоја једнакомјерно. При томе фотослој апсорбира само 1 % свеукупне количине рендгенских зрака које су емитиране код снимања. Познато је да само апсорбирано зрачење дјелује на фотослој, према томе готово 99 % рендгенског зрачења пролази кроз филм без икаквог фотографског учинка.
С двослојни рендгенским филмовима се постигла боља искористивост дјеловање рендгенског зрачења. На таквим филмовима једном експозицијом добијемо рендгенску снимку на оба слоја фотонаноса, чиме се постиже исти ступањ зацрњења као да је такав филм био изложен дјеловању двоструко веће количине зрачења. Стога, двоструки фотонанос рендгенског филма омогућује двоструко краћу експозицију. Код упола краће експозиције оба фотослоја само посиве но кад их заједно проматрамо на негатоскопу, сивило једног фотослоја се точно поклапа са сивилом другог фотослоја, па добивамо дојам већег зацрњења. На тај начин се и смањује доза рендгенског зрачења којој је изложен болесник код снимања.
Двослојни рендгенски филм има укупно седам слојева. Фотослој дебљине 0,013 до 0,020 мм везан је на подлогу везивним или љепљивим слојем. Везивни или љепљиви слој филма веже фотосензибилни слој или емулзију за подлогу. Грађен је од алкохолом омекшане желатине и врло је танак. Заштитни слој прекрива фотослој и штити га од механичког оштећења. Грађен је од тврде желатине и врло је танак. [6]
Флуоресцентни застор
[уреди | уреди извор]Флуоресцентни застор се употребљава за директно проматрање рендгенског зрачења. Флуоресцентни материјал апсорбира зрачење које на њега пада и један дио претвара у секундарно зрачење друге валне дуљине. Стокесово правило каже да је вална дуљина секундарног емитираног флуоресцентног зрачења увијек већа од валне дуљине примарног зрачења. На тај се начин код избора одговарајућих флуоресцентних материјала рендгенског зрачење претвара у зрачење у видљивом дијелу спектра.
Као флуоресцентни материјал употребљава се цинков сулфид, кадмијев сулфид или цинков силикат. Да би дошло до флуоресценције, потребно је у кристалну структуру тих флуоресцентних материјала убацити мјеста с извјесним дефектом структуре или центре флуоресценције, који се додају као 0,1 % примјеса сребра или бакра.
Флуоресцентни застор састоји се од подлоге која врло слабо апсорбира рендгенско зрачење, рефлектирајућег слоја и флуоресцентног слоја. Усмјеравајућа решетка онемогућује приступ зрачења из других смјерова. Као посљедњи слој употребљавају се прозрачно стакло или пластична фолија с примјесом олова које застићује проматрача. [7]
Фосфоресцентни заслон
[уреди | уреди извор]Активни слој је нанесен на круту или флексибилну подлогу. У активном се слоју апсорбира рендгенске зраке, ствара и похрањује латентна слика и одвија стимулирана емисија свјетлости, док подлога (алуминиј, стакло, полиетилен терефталат=ПЕТ) осигурава глатку површину за осјетљиви фосфоресцентни слој, придоноси оптичким перформансама и омогућава руковање, примјерице пријенос заслона од радиографског уређаја до скенера. Дебљина активног слоја се прилагођава клиничкој апликацији. Слој садржи неправилне грануле фосфоресцентног материјала промјера 3-10 μм суспендиране у везивној твари. Заслон мора бити неосјетљив за рендгенско зрачење које прође наоколо и повратно се распршује од објеката иза њега. То је довело до примјене танких слојева олова у казети или на самом заслону (само код круте подлоге). Иако многи фосфоресцентни материјали имају својства похрањивања, најчешће се комерцијално употребљавају за израду заслона баријеви флуорохалиди (бромиди, клориди, јодиди) уз примјесу еуропија, према формули БаФX:Еу2+ (код тога X означује халогениде, примјерице клор, бром или јод).
Геигеров бројач
[уреди | уреди извор]Геигеров бројач је инструмент који се користи за откривање и мјерење радиоактивног зрачења, те се рутински примјењује за мјерење ступња озрачености из било којег извора: нуклеарних електрана, истраживачких лабораторија или атмосфере. Будући да јако нуклеарно зрачење представља опасност по живот, необично су важне поуздане и брзе детекције нуклеарног зрачења. Томе служи Геигеров бројач који је остао углавном непромијењен откако је први пута изумљен.
Сцинтилатор
[уреди | уреди извор]
Сцинтилатор користи гадолинијев оксисулфид или цезијев јодид као претворбени слој који апсорбира рендгенско зрачење. Тај се сустав назива неизравним (енгл. индирецт дигитал) јер користи интермедијарни корак стварања видљиве свјетлости. Равни детектор представља комбинацију детекторског низа аморфног силиција и медија осјетљивог на рендгенско зрачење. Детекторски низ је повезан с вањском електроником која појачава (мултиплицира) сигнал, синкронизира укључивање/искључивање линија очитавања и дигитализира сигнал. У коначници се мјери електрична струја. Након завршетка експозиције, електроника усмјерава ту струју према појачалима и аналогно-дигиталним претварачима који стварају сирову дигиталну слику.
Полуводички детектор
[уреди | уреди извор]Полуводички детектор користи аморфни селен као претворбени слој који апсорбира рендгенско зрачење. Тај се сустав назива изравним (енгл. дирецт дигитал) суставом.
Примјена
[уреди | уреди извор]Медицинска радиологија и радиографија
[уреди | уреди извор]Сувремена радиологија све више користи дигиталне суставе за добивање слике људског тијела који поступно замјењују аналогне уређаје у клиничкој пракси. Дигитална технологија се одавно примјењује код слојевног снимања, а почетак таквог сликовног записа се може приписати рачуналној томографији. Данас је већина ултразвучних скенера такођер дигитализирана. Осликавање људског тијела помоћу магнетске резонанце је незамисливо без дигиталне конверзије аналогног сигнала.
Примјер аналогне слике је стандардни радиографски запис на рендгенском филму. Уколико га се жели дигитализирати, слику треба подијелити у мрежу квадратних елемената (пиксели) и сваком квадратићу придијелити једну нијансу сиве скале изражену нумеричком вриједношћу. Тек тада је слика спремна за компјуторску обраду, дистрибуцију или репродукцију.
Пројекцијска радиографија и дијаскопија приказују снимани дио тијела као сумацију сјена насталу пројекцијом из једне точке, жаришта рендгенске цијеви. Неједнаким слабљењем рендгенског снопа у различитим органима и ткивима настаје виртуална слика сниманог дијела тијела коју рецептор слике претвара у видљиви радиограм. Рецептор слике може бити аналогни, примјерице филм-фолијски сустав, односно луминисцентно појачало на дијаскопским уређајима или дигитални.
Рачунална томографија
[уреди | уреди извор]Рачунална томографија или скраћено ЦТ (енгл. Цомпутед томограпхy) рачунална је реконструкција томографиране равнине тијела. Сликовна је радиолошка метода која нам даје слојевни приказ прегледаваног дијела тијела, а за настанак слике раби се ионизирајуће ренгенско зрачење.
Флуороскопија
[уреди | уреди извор]Претраге баријем, при којима болесник гута бариј, често се изводе на једњаку. За такво испитивање (звано гутање баријеве каше), доктори настоје користити флуороскопију, трајну рендгенску технику која омогућује проматрање или сликање како бариј пролази кроз једњак. Флуороскопија омогућује доктору да види стезања једњака и било коју анатомску ману као што су сужења или ране. Често се ти прикази забиљеже на филму или видео траци.
Радиотерапија
[уреди | уреди извор]Уз кируршке методе и кемотерапију, радиотерапија већ дуги низ година заузима важну улогу у лијечењу рака. Први познати природни извор радиоактивног зрачења био је радиј, чија својства су открили и описали још 1898. Мариа и Пиерре Цурие. Радиј се у лијечењу почиње примјењивати 1902. и примјењиван је скоро 100 година. Око 1990. радиј се престао примјењивати на препоруку Свјетске агенције за контролу атомске енергије, првенствено због ризика озрачења за особље које га је користило и због могућности дуготрајне контаминације у случају непажљивог руковања и оштећења или губљења извора. Кроз године након открића радиоактивности радија, слиједило је откриће својства зрачења низа других природних извора. Кроз искуство и праксу, од њих се у радиотерапији данас најчешће примјењују радиоактивни кобалт, цезиј, технециј, иридиј, јод и, рјеђе, злато.
Штетност рендгенског зрачења
[уреди | уреди извор]Спознаја о штетности рендгенског зрачења касни за огромним ентузијазмом због нових дијагностичких могућности и први лијечници који примјењују рендгенско зрачење оболијевају од њега, односно од његових посљедица. Данас радиолошка дијагностика представља највећи умјетни извор зрачења просјечне популације у медицини. Мјера заштите од ионизирајућег зрачења мора се придржавати професионално особље које то зрачење примјењује. Најбоља је заштита за болесника смањивање рендгенских претрага на разумну мјеру.
У радиолошкој дијагностици зраче уређаји за рендгенско снимање (примјерице, за снимање костију или плућа), уређаји за дијаскопију (примјерице за преглед желуца, иригографија) и уређаји за рачунална томографију (ЦТ). Магнетска резонанца и ултразвук не користе штетно ионизирајуће зрачење за осликавање људскога тијела. Ипак, магнетска резонанца може бити опасна код металних страних тијела или уграђеног паце-макера. Нажалост, нити једна од метода не покрива све дијагностичке потребе. Одабир дијагностичке претраге треба препустити лијечнику који ће одредити најкраћи пут до точне дијагнозе, уз најмању штету за здравље болесника.
Логичан наставак на конвенционалну радиографију и дијаскопију су сложенији уређаји који користе рендгенско зрачење: уређај за ангиографију и рачуналну томографију. Слиједе магнетска резонанца и ултразвук, као најчешће кориштена сликовна дијагностичка метода у сувременој медицинској пракси. [8]
Везе
[уреди | уреди извор]Извори
[уреди | уреди извор]
- ↑ Холман Гордон, Бенедицт Сарах: "Хард X-Раyс", Годдард Спаце Флигхт Центер, [1] Архивирано 2011-07-21 на Wаyбацк Мацхине-у 2011.
- ↑ "Тхе хисторy, девелопмент, анд импацт оф цомпутед имагинг ин неурологицал диагносис анд неуросургерy: ЦТ, МРИ, ДТИ" Натуре Прецедингс ДОИ: 10.1038/нпре.2009.3267.5.
- ↑ Бусхбург Јерролд, Антхонy Сеиберт, Едwин Леидхолдт, Јохн Бооне: "Тхе Ессентиал Пхyсицс оф Медицал Имагинг", Липпинцотт Wиллиамс & Wилкинс, 2002., [2]
- ↑ Небеске стазе Архивирано 2016-03-04 на Wаyбацк Мацхине-у Зоран Кнез: Галактика на рендгену
- ↑ "ЦРЦ Хандбоок оф Цхемистрy анд Пхyсицс", 75тх едитион, Давид Р. Лиде, ЦРЦ Пресс, 1994.
- ↑ Клинички болнички центар Ријека, Проф.др.сц. Дамир Милетић , др. мед: "Рендгенски фотоматеријал", [3] Архивирано 2011-11-21 на Wаyбацк Мацхине-у
- ↑ Клинички болнички центар Ријека, Проф.др.сц. Дамир Милетић , др. мед: "Дигитални запис у радиологији", [4] Архивирано 2011-11-21 на Wаyбацк Мацхине-у
- ↑ Народни здравствени лист, Мр.сц. Давор Петрановић, др.мед: "Апарати у радиолошкој дијагностици и њихов утјецај на здравље људи", [5]
