Os raios X são um tipo de radiação eletromagnética de alta energia. É usado ativamente em vários ramos da medicina.

Os raios X são ondas eletromagnéticas cuja energia de fótons na escala de ondas eletromagnéticas está entre a radiação ultravioleta e a radiação gama (de ~10 eV a ~1 MeV), o que corresponde a comprimentos de onda de ~10^3 a ~10^−2 angstroms (de ~10^−7 a ~10^−12 m). Ou seja, é uma radiação incomparavelmente mais forte do que a luz visível, que está nesta escala entre os raios ultravioleta e infravermelho (“térmico”).

A fronteira entre os raios X e a radiação gama é distinguida condicionalmente: seus alcances se cruzam, os raios gama podem ter uma energia de 1 keV. Eles diferem na origem: os raios gama são emitidos durante processos que ocorrem nos núcleos atômicos, enquanto os raios X são emitidos durante processos envolvendo elétrons (tanto livres quanto aqueles localizados nas camadas eletrônicas dos átomos). Ao mesmo tempo, é impossível determinar a partir do próprio fóton durante qual processo ele surgiu, ou seja, a divisão nas faixas de raios X e gama é em grande parte arbitrária.

A faixa de raios X é dividida em “raios X suaves” e “duros”. A fronteira entre eles está em um comprimento de onda de 2 angstroms e 6 keV de energia.

Um gerador de raios X é um tubo no qual é criado um vácuo. Existem eletrodos localizados ali - um cátodo, ao qual é aplicada uma carga negativa, e um ânodo carregado positivamente. A voltagem entre eles é de dezenas a centenas de quilovolts. A geração de fótons de raios X ocorre quando os elétrons “se separam” do cátodo e colidem com a superfície do ânodo em alta velocidade. A radiação de raios X resultante é chamada “bremsstrahlung”; seus fótons têm comprimentos de onda diferentes.

Ao mesmo tempo, são gerados fótons do espectro característico. Alguns elétrons dos átomos da substância anódica são excitados, ou seja, movem-se para órbitas mais altas e depois retornam ao seu estado normal, emitindo fótons de determinado comprimento de onda. Num gerador padrão, ambos os tipos de radiação de raios X são produzidos.

História da descoberta

Em 8 de novembro de 1895, o cientista alemão Wilhelm Conrad Roentgen descobriu que certas substâncias começavam a brilhar quando expostas a “raios catódicos”, ou seja, um fluxo de elétrons gerado por um tubo de raios catódicos. Ele explicou esse fenômeno pela influência de certos raios X - é assim que essa radiação é agora chamada em muitas línguas. Mais tarde, V.K. Roentgen estudou o fenômeno que descobriu. Em 22 de dezembro de 1895, ele apresentou um relatório sobre o tema na Universidade de Würzburg.

Mais tarde, descobriu-se que a radiação de raios X havia sido observada anteriormente, mas os fenômenos associados a ela não receberam muita importância. O tubo de raios catódicos foi inventado há muito tempo, mas antes de V.K. Ninguém prestou muita atenção aos raios X sobre o escurecimento das placas fotográficas próximas, etc. fenômenos. O perigo representado pela radiação penetrante também era desconhecido.

Tipos e seus efeitos no corpo

“Raio X” é o tipo mais suave de radiação penetrante. A exposição excessiva aos raios X suaves assemelha-se aos efeitos da radiação ultravioleta, mas de forma mais grave. Forma-se uma queimadura na pele, mas o dano é mais profundo e a cicatrização é muito mais lenta.

O raio X forte é uma radiação ionizante completa que pode levar ao enjoo da radiação. Os quanta de raios X podem quebrar as moléculas de proteínas que constituem os tecidos do corpo humano, bem como as moléculas de DNA do genoma. Mas mesmo que o quantum de raios X quebre uma molécula de água, não faz diferença: neste caso, formam-se os radicais livres quimicamente ativos H e OH, que por sua vez são capazes de afetar proteínas e DNA. A doença da radiação ocorre de forma mais grave, quanto mais os órgãos hematopoiéticos são afetados.

Os raios X têm atividade mutagênica e carcinogênica. Isso significa que a probabilidade de mutações espontâneas nas células durante a irradiação aumenta e, às vezes, as células saudáveis ​​podem degenerar em cancerosas. Uma maior probabilidade de tumores malignos é uma consequência padrão de qualquer exposição à radiação, incluindo raios X. Os raios X são o tipo menos perigoso de radiação penetrante, mas ainda podem ser perigosos.

Radiação de raios X: aplicação e como funciona

A radiação de raios X é utilizada na medicina, bem como em outras áreas da atividade humana.

Fluoroscopia e tomografia computadorizada

O uso mais comum de raios X é a fluoroscopia. A “radiografia” do corpo humano permite obter uma imagem detalhada de ambos os ossos (eles são visíveis com mais clareza) e imagens de órgãos internos.

A diferente transparência dos tecidos corporais nos raios X está associada à sua composição química. As características estruturais dos ossos são que eles contêm muito cálcio e fósforo. Outros tecidos consistem principalmente de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Um átomo de fósforo pesa quase duas vezes mais que um átomo de oxigênio e um átomo de cálcio 2,5 vezes (carbono, nitrogênio e hidrogênio são ainda mais leves que o oxigênio). Nesse sentido, a absorção de fótons de raios X nos ossos é muito maior.

Além dos “instantâneos” bidimensionais, a radiografia permite criar uma imagem tridimensional de um órgão: esse tipo de radiografia é chamada de tomografia computadorizada. Para esses fins, são utilizados raios X suaves. A quantidade de radiação recebida de uma imagem é pequena: é aproximadamente igual à radiação recebida durante um vôo de 2 horas em um avião a uma altitude de 10 km.

A detecção de falhas por raios X permite detectar pequenos defeitos internos nos produtos. Utiliza raios X duros, pois muitos materiais (metal, por exemplo) são pouco “transparentes” devido à elevada massa atômica de sua substância constituinte.

Difração de raios X e análise de fluorescência de raios X

Os raios X têm propriedades que lhes permitem examinar detalhadamente átomos individuais. A análise de difração de raios X é usada ativamente em química (incluindo bioquímica) e cristalografia. O princípio de seu funcionamento é o espalhamento por difração de raios X em átomos de cristais ou moléculas complexas. Usando análise de difração de raios X, a estrutura da molécula de DNA foi determinada.

A análise de fluorescência de raios X permite determinar rapidamente a composição química de uma substância.

Existem muitas formas de radioterapia, mas todas envolvem o uso de radiação ionizante. A radioterapia é dividida em 2 tipos: corpuscular e ondulatória. Corpuscular usa fluxos de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio), partículas beta (elétrons), nêutrons, prótons e íons pesados. Wave usa raios do espectro eletromagnético - raios X e gama.

Os métodos de radioterapia são usados ​​principalmente para o tratamento do câncer. O fato é que a radiação afeta principalmente as células em divisão ativa, razão pela qual os órgãos hematopoiéticos sofrem tanto (suas células estão em constante divisão, produzindo cada vez mais novos glóbulos vermelhos). As células cancerígenas também se dividem constantemente e são mais vulneráveis ​​à radiação do que os tecidos saudáveis.

É usado um nível de radiação que suprime a atividade das células cancerígenas, ao mesmo tempo que tem um efeito moderado nas células saudáveis. Sob a influência da radiação, não é a destruição das células como tais que ocorre, mas o dano ao seu genoma - as moléculas de DNA. Uma célula com genoma destruído pode existir por algum tempo, mas não pode mais se dividir, ou seja, o crescimento do tumor é interrompido.

A terapia de raios X é a forma mais branda de radioterapia. A radiação das ondas é mais suave que a radiação corpuscular e os raios X são mais suaves que a radiação gama.

Durante a gravidez

O uso de radiação ionizante durante a gravidez é perigoso. Os raios X são mutagênicos e podem causar problemas no feto. A radioterapia é incompatível com a gravidez: só pode ser utilizada se já tiver sido decidido fazer um aborto. As restrições à fluoroscopia são mais brandas, mas nos primeiros meses também é estritamente proibida.

Se for absolutamente necessário, o exame radiográfico é substituído pela ressonância magnética. Mas no primeiro trimestre tentam evitá-lo também (esse método surgiu recentemente e podemos dizer com absoluta certeza que não há consequências prejudiciais).

Um perigo claro surge quando exposto a uma dose total de pelo menos 1 mSv (em unidades antigas - 100 mR). Com uma simples radiografia (por exemplo, ao fazer fluorografia), o paciente recebe aproximadamente 50 vezes menos. Para receber essa dose de uma só vez, é necessário fazer uma tomografia computadorizada detalhada.

Ou seja, o próprio fato de fazer 1-2 x “raios X” no início da gravidez não ameaça consequências graves (mas é melhor não arriscar).

Tratamento com isso

Os raios X são usados ​​​​principalmente na luta contra tumores malignos. Esse método é bom porque é altamente eficaz: mata o tumor. É ruim porque os tecidos saudáveis ​​se saem um pouco melhor e há numerosos efeitos colaterais. Os órgãos hematopoiéticos estão em particular perigo.

Na prática, vários métodos são utilizados para reduzir o impacto dos raios X nos tecidos saudáveis. Os raios são direcionados em um ângulo para que o tumor fique na área de sua intersecção (por isso a principal absorção de energia ocorre ali mesmo). Às vezes, o procedimento é realizado em movimento: o corpo do paciente gira em relação à fonte de radiação em torno de um eixo que passa pelo tumor. Nesse caso, os tecidos saudáveis ​​ficam na zona de irradiação apenas ocasionalmente e os tecidos doentes ficam constantemente expostos.

Os raios X são utilizados no tratamento de certas artroses e doenças semelhantes, bem como doenças de pele. Nesse caso, a síndrome dolorosa é reduzida em 50-90%. Como a radiação utilizada é mais suave, não são observados efeitos colaterais semelhantes aos que ocorrem no tratamento de tumores.

Propriedades básicas da radiação de raios X

1. Grande capacidade de penetração e ionização.

2. Não é desviado por campos elétricos e magnéticos.

3. Eles têm efeito fotoquímico.

4. Faz com que as substâncias brilhem.

5. Reflexão, refração e difração como na radiação visível.

6. Tem efeito biológico nas células vivas.

1. Interação com a matéria

O comprimento de onda dos raios X é comparável ao tamanho dos átomos, portanto não existe material a partir do qual uma lente de raios X possa ser feita. Além disso, quando incidentes perpendicularmente sobre uma superfície, os raios X quase não são refletidos. Apesar disso, foram encontrados métodos em óptica de raios X para construir elementos ópticos para raios X. Em particular, descobriu-se que o diamante os reflete bem.

Os raios X podem penetrar na matéria e diferentes substâncias os absorvem de maneira diferente. A absorção de raios X é sua propriedade mais importante na fotografia de raios X. A intensidade dos raios X diminui exponencialmente dependendo do caminho percorrido na camada absorvente (I = I0e-kd, onde d é a espessura da camada, o coeficiente k é proporcional a Z³λ³, Z é o número atômico do elemento, λ é o comprimento de onda).

A absorção ocorre como resultado da fotoabsorção (fotoefeito) e espalhamento Compton:

A fotoabsorção refere-se ao processo em que um fóton elimina um elétron da camada de um átomo, o que requer que a energia do fóton seja maior que um determinado valor mínimo. Se considerarmos a probabilidade de um evento de absorção dependendo da energia do fóton, então quando uma certa energia é atingida, ela (a probabilidade) aumenta acentuadamente até seu valor máximo. Para valores de energia mais elevados a probabilidade diminui continuamente. Por causa dessa dependência, dizem que existe um limite de absorção. O lugar do elétron eliminado durante o ato de absorção é ocupado por outro elétron, e é emitida uma radiação com menor energia de fóton, a chamada. processo de fluorescência.

Um fóton de raios X pode interagir não apenas com elétrons ligados, mas também com elétrons livres e fracamente ligados. Ocorre a dispersão de fótons por elétrons - a chamada. Efeito Compton. Dependendo do ângulo de espalhamento, o comprimento de onda do fóton aumenta em certa quantidade e, conseqüentemente, a energia diminui. O espalhamento Compton, comparado à fotoabsorção, torna-se dominante em energias de fótons mais altas.

Além dos processos acima, existe outra possibilidade fundamental de absorção - devido ao surgimento de pares elétron-pósitron. No entanto, isso requer energias superiores a 1,022 MeV, que ficam fora do limite de raios X mencionado acima (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место быть. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.

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2. Efeitos biológicos

A radiação de raios X é ionizante. Afeta os tecidos dos organismos vivos e pode causar enjôo por radiação, queimaduras por radiação e tumores malignos. Por esta razão, devem ser tomadas medidas de proteção ao trabalhar com raios X. Acredita-se que o dano seja diretamente proporcional à dose de radiação absorvida. A radiação de raios X é um fator mutagênico.

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3. Registro

Efeito de luminescência. Os raios X podem fazer com que algumas substâncias brilhem (fluorescência). Este efeito é utilizado em diagnósticos médicos durante fluoroscopia (observação de uma imagem em uma tela fluorescente) e fotografia de raios X (radiografia). Os filmes fotográficos médicos são geralmente usados ​​em combinação com telas intensificadoras, que contêm fósforos de raios X, que brilham sob a influência dos raios X e iluminam a emulsão fotossensível. O método de obtenção de imagens em tamanho real é denominado radiografia. Com a fluorografia, a imagem é obtida em escala reduzida. Uma substância luminescente (cintilador) pode ser acoplada opticamente a um detector eletrônico de radiação luminosa (fotomultiplicador, fotodiodo, etc.), o dispositivo resultante é denominado detector de cintilação. Ele permite registrar fótons individuais e medir sua energia, uma vez que a energia de um flash de cintilação é proporcional à energia do fóton absorvido.

Efeito fotográfico. Os raios X, assim como a luz comum, podem iluminar diretamente uma emulsão fotográfica. No entanto, sem uma camada fluorescente, isto requer 30-100 vezes a exposição (ou seja, dose). A vantagem deste método (conhecido como radiografia sem tela) é que a imagem é mais nítida.

Em detectores semicondutores, os raios X produzem pares elétron-buraco na junção pn de um diodo conectado na direção de bloqueio. Neste caso, flui uma pequena corrente, cuja amplitude é proporcional à energia e intensidade da radiação de raios X incidente. No modo pulsado, é possível registrar fótons de raios X individuais e medir sua energia.

Fótons individuais de raios X também podem ser registrados usando detectores de radiação ionizante cheios de gás (contador Geiger, câmara proporcional, etc.).

Aplicativo

Usando raios X, você pode “iluminar” o corpo humano, como resultado, você pode obter uma imagem de ossos e, com dispositivos modernos, de órgãos internos (ver também raios X). Isto aproveita o facto de o elemento cálcio (Z=20), que se encontra predominantemente nos ossos, ter um número atómico muito superior aos números atómicos dos elementos que constituem os tecidos moles, nomeadamente o hidrogénio (Z=1), carbono (Z=6), nitrogênio (Z=7), oxigênio (Z=8). Além dos aparelhos convencionais que proporcionam a projeção bidimensional do objeto em estudo, existem tomógrafos computadorizados que permitem obter uma imagem tridimensional dos órgãos internos.

A detecção de defeitos em produtos (trilhos, soldas, etc.) usando radiação de raios X é chamada de detecção de falhas por raios X.

Na ciência dos materiais, cristalografia, química e bioquímica, os raios X são usados ​​para elucidar a estrutura das substâncias no nível atômico usando espalhamento por difração de raios X (difração de raios X). Um exemplo bem conhecido é a determinação da estrutura do DNA.

Além disso, a composição química de uma substância pode ser determinada por meio de raios X. Em uma microssonda de feixe de elétrons (ou em um microscópio eletrônico), a substância analisada é irradiada com elétrons, enquanto os átomos são ionizados e emitem radiação de raios X característica. Raios X podem ser usados ​​em vez de elétrons. Este método analítico é denominado análise de fluorescência de raios X.

Os introscópios de televisão de raios X são ativamente utilizados nos aeroportos, permitindo visualizar o conteúdo da bagagem de mão e da bagagem para detectar visualmente objetos perigosos na tela do monitor.

A radioterapia é uma seção da radioterapia que cobre a teoria e a prática do uso terapêutico de raios X gerados a uma voltagem no tubo de raios X de 20 a 60 kV e a uma distância focal da pele de 3 a 7 cm. (radioterapia de curta distância) ou com voltagem de 180-400 kV e distância focal da pele de 30-150 cm (radioterapia externa).

A radioterapia é realizada principalmente para tumores superficiais e para algumas outras doenças, incluindo doenças de pele (raios X ultramacios de Bucca).

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Raios X naturais

Na Terra, a radiação eletromagnética na faixa dos raios X é formada como resultado da ionização dos átomos pela radiação que ocorre durante o decaimento radioativo, como resultado do efeito Compton da radiação gama que ocorre durante as reações nucleares, e também pela radiação cósmica. . O decaimento radioativo também leva à emissão direta de quanta de raios X se causar um rearranjo da camada eletrônica do átomo em decomposição (por exemplo, durante a captura de elétrons). A radiação de raios X que ocorre em outros corpos celestes não atinge a superfície da Terra, pois é totalmente absorvida pela atmosfera. É estudado por telescópios satélites de raios X, como Chandra e XMM-Newton.

PALESTRA

RAIO X

Natureza dos raios X

Radiação de raios X Bremsstrahlung, suas propriedades espectrais.

Radiação de raios X característica (para referência).

Interação da radiação de raios X com a matéria.

Base física do uso da radiação de raios X na medicina.

Os raios X (raios X) foram descobertos por K. Roentgen, que em 1895 se tornou o primeiro ganhador do Nobel de física.

Natureza dos raios X

Radiação de raios X – ondas eletromagnéticas com comprimento de 80 a 10–5 nm. A radiação de raios X de ondas longas é sobreposta pela radiação UV de ondas curtas, e a radiação de raios X de ondas curtas é sobreposta pela radiação  de ondas longas.

Os raios X são produzidos em tubos de raios X. Figura 1.

K – cátodo

1 – feixe de elétrons

2 – Radiação de raios X

Arroz. 1. Dispositivo de tubo de raios X.

O tubo é um frasco de vidro (possivelmente com alto vácuo: a pressão nele é de cerca de 10–6 mm Hg) com dois eletrodos: ânodo A e cátodo K, aos quais é aplicada uma alta tensão U (vários milhares de volts). O cátodo é uma fonte de elétrons (devido ao fenômeno da emissão termiônica). O ânodo é uma haste metálica que possui uma superfície inclinada para direcionar a radiação de raios X resultante em um ângulo com o eixo do tubo. É feito de um material altamente condutor térmico para dissipar o calor gerado pelo bombardeio de elétrons. Na extremidade chanfrada há uma placa de metal refratário (por exemplo, tungstênio).

O forte aquecimento do ânodo se deve ao fato de que a maioria dos elétrons do feixe catódico, ao chegar ao ânodo, experimenta inúmeras colisões com átomos da substância e transfere para eles grande energia.

Sob a influência da alta tensão, os elétrons emitidos pelo filamento catódico quente são acelerados a altas energias. A energia cinética do elétron é mv 2/2. É igual à energia que adquire ao se mover no campo eletrostático do tubo:

mv 2 /2 = eU (1)

onde m, e são a massa e a carga do elétron, U é a tensão de aceleração.

Os processos que levam ao aparecimento da radiação de raios X bremsstrahlung são causados ​​​​pela intensa desaceleração dos elétrons na substância anódica pelo campo eletrostático do núcleo atômico e dos elétrons atômicos.

O mecanismo de ocorrência pode ser apresentado da seguinte forma. Os elétrons em movimento são uma certa corrente que forma seu próprio campo magnético. A desaceleração dos elétrons é uma diminuição na intensidade da corrente e, consequentemente, uma mudança na indução do campo magnético, o que causará o aparecimento de um campo elétrico alternado, ou seja, aparecimento de uma onda eletromagnética.

Assim, quando uma partícula carregada voa para a matéria, ela é desacelerada, perde energia e velocidade e emite ondas eletromagnéticas.

Propriedades espectrais do bremsstrahlung de raios X .

Portanto, no caso de desaceleração de elétrons na substância anódica, Radiação de raios X Bremsstrahlung.

O espectro dos raios X de Bremsstrahlung é contínuo. A razão para isso é a seguinte.

Quando os elétrons são desacelerados, parte da energia vai para aquecer o ânodo (E 1 = Q), a outra parte para criar um fóton de raio X (E 2 = hv), caso contrário, eU = hv + Q. A relação entre estes partes é aleatória.

Assim, um espectro contínuo de bremsstrahlung de raios X é formado devido à desaceleração de muitos elétrons, cada um dos quais emite um quantum de raios X hv (h) de valor estritamente definido. A magnitude deste quantum diferente para diferentes elétrons. Dependência do fluxo de energia dos raios X no comprimento de onda , ou seja, O espectro de raios X é mostrado na Fig.

Figura 2. Espectro de raios X de Bremsstrahlung: a) em diferentes tensões U no tubo; b) em diferentes temperaturas T do cátodo.

A radiação de ondas curtas (dura) tem maior poder de penetração do que a radiação de ondas longas (suave). A radiação suave é mais fortemente absorvida pela matéria.

No lado do comprimento de onda curto, o espectro termina abruptamente em um certo comprimento de onda  m i n . Tal bremsstrahlung de ondas curtas ocorre quando a energia adquirida por um elétron no campo acelerado é completamente convertida em energia de fótons (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (nm) = 1,23/UkV

A composição espectral da radiação depende da tensão no tubo de raios X, com o aumento da tensão, o valor  m i n muda para comprimentos de onda curtos (Fig. 2a).

Quando a temperatura T do cátodo muda, a emissão de elétrons aumenta. Consequentemente, a corrente I no tubo aumenta, mas a composição espectral da radiação não muda (Fig. 2b).

O fluxo de energia Ф  bremsstrahlung é diretamente proporcional ao quadrado da tensão U entre o ânodo e o cátodo, a intensidade da corrente I no tubo e o número atômico Z da substância anódica:

F = kZU 2 I. (3)

onde k = 10 –9 W/(V 2 A).

Radiação característica de raios X (para referência).

Um aumento na tensão no tubo de raios X leva ao aparecimento de um espectro linear contra o fundo de um espectro contínuo, que corresponde à radiação de raios X característica. Esta radiação é específica do material do ânodo.

O mecanismo de sua ocorrência é o seguinte. Em alta tensão, elétrons acelerados (com alta energia) penetram profundamente no átomo e eliminam elétrons de suas camadas internas. Os elétrons dos níveis superiores movem-se para locais livres, como resultado da emissão de fótons de radiação característica.

Os espectros da radiação característica de raios X diferem dos espectros ópticos.

- Uniformidade.

A uniformidade dos espectros característicos se deve ao fato de que as camadas eletrônicas internas dos diferentes átomos são idênticas e diferem apenas energeticamente devido à ação da força dos núcleos, que aumenta com o aumento do número atômico do elemento. Portanto, os espectros característicos mudam para frequências mais altas com o aumento da carga nuclear. Isto foi confirmado experimentalmente por um funcionário da Roentgen - Moseley, que mediu as frequências das transições de raios X para 33 elementos. Eles estabeleceram a lei.

LEI DE MOSLEY – A raiz quadrada da frequência de radiação característica é uma função linear do número de série do elemento:

= UMA  (Z – B), (4)

onde v é a frequência da linha espectral, Z é o número atômico do elemento emissor. A, B são constantes.

A importância da lei de Moseley reside no fato de que a partir dessa dependência é possível determinar com precisão o número atômico do elemento em estudo com base na frequência medida da linha de raios X. Isso desempenhou um papel importante na colocação dos elementos na tabela periódica.

Independência do composto químico.

Os espectros de raios X característicos de um átomo não dependem do composto químico no qual o elemento átomo está incluído. Por exemplo, o espectro de raios X do átomo de oxigênio é o mesmo para O 2, H 2 O, enquanto os espectros ópticos desses compostos são diferentes. Essa característica do espectro de raios X do átomo serviu de base para o nome " radiação característica".

Interação dos raios X com a matéria

O impacto da radiação de raios X em objetos é determinado pelos processos primários de interação dos raios X fóton com elétronsátomos e moléculas da matéria.

Radiação de raios X na matéria absorvido ou dissipa. Neste caso, podem ocorrer vários processos, que são determinados pela razão entre a energia do fóton de raios X hv e a energia de ionização A e (energia de ionização A e é a energia necessária para remover elétrons internos fora do átomo ou molécula) .

A) Dispersão coerente(dispersão de radiação de ondas longas) ocorre quando a relação é satisfeita

Para fótons, devido à interação com os elétrons, apenas a direção do movimento muda (Fig. 3a), mas a energia hv e o comprimento de onda não mudam (portanto, esse espalhamento é chamado coerente). Como a energia do fóton e do átomo não muda, o espalhamento coerente não afeta os objetos biológicos, mas ao criar proteção contra a radiação de raios X, deve-se levar em consideração a possibilidade de alteração da direção primária do feixe.

b) Efeito de foto acontece quando

Neste caso, dois casos podem ser realizados.

O fóton é absorvido, o elétron é separado do átomo (Fig. 3b). A ionização ocorre. O elétron destacado adquire energia cinética: E к = hv – A и. Se a energia cinética for alta, então o elétron pode ionizar átomos vizinhos por colisão, formando novos secundário elétrons.

O fóton é absorvido, mas sua energia não é suficiente para remover um elétron, e excitação de um átomo ou molécula(Fig. 3c). Isso muitas vezes leva à subsequente emissão de um fóton na região visível (luminescência de raios X) e, nos tecidos, à ativação de moléculas e reações fotoquímicas. O efeito fotoelétrico ocorre principalmente nos elétrons das camadas internas dos átomos de alto Z.

V) Dispersão incoerente(Efeito Compton, 1922) ocorre quando a energia do fóton é muito maior que a energia de ionização

Neste caso, um elétron é removido do átomo (tais elétrons são chamados elétrons de recuo), adquire alguma energia cinética E k, a energia do próprio fóton diminui (Fig. 4d):

hv = hv" + A e + E k. (5)

A radiação assim gerada com uma frequência (comprimento) alterada é chamada secundário, ele se dispersa em todas as direções.

Os elétrons de recuo, se tiverem energia cinética suficiente, podem ionizar átomos vizinhos por colisão. Assim, como resultado do espalhamento incoerente, forma-se radiação de raios X espalhada secundária e ocorre a ionização dos átomos da substância.

Os processos indicados (a, b, c) podem causar vários processos subsequentes. Por exemplo (Fig. 3d), Se, durante o efeito fotoelétrico, os elétrons nas camadas internas forem separados do átomo, então os elétrons dos níveis superiores podem ocupar seu lugar, o que é acompanhado pela radiação de raios X característica secundária de uma determinada substância. Fótons de radiação secundária, interagindo com elétrons de átomos vizinhos, podem, por sua vez, causar fenômenos secundários.

dispersão coerente

uh energia e comprimento de onda permanecem inalterados

efeito fotográfico

o fóton é absorvido, e - separado do átomo - ionização

hv = A e + E k

átomo A excitado com a absorção de um fóton, R – luminescência de raios X

dispersão incoerente

hv = hv"+A e +E para

processos secundários no efeito fotoelétrico

Arroz. 3 Mecanismos de interação da radiação de raios X com a matéria

Base física do uso de raios X na medicina

Quando a radiação de raios X incide sobre um corpo, ela é levemente refletida em sua superfície, mas passa principalmente profundamente nele, enquanto é parcialmente absorvida e espalhada, e parcialmente passa.

Lei do enfraquecimento.

O fluxo de raios X é atenuado em uma substância de acordo com a lei:

Ф = Ф 0 e –   x (6)

onde  – linear coeficiente de atenuação, o que depende significativamente da densidade da substância. É igual à soma de três termos correspondentes ao espalhamento coerente  1, incoerente  2 e efeito fotoelétrico  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

A contribuição de cada termo é determinada pela energia do fóton. Abaixo estão as relações entre esses processos para tecidos moles (água).

Aproveitar coeficiente de atenuação de massa, que não depende da densidade da substância :

m = /. (8)

O coeficiente de atenuação de massa depende da energia do fóton e do número atômico da substância absorvente:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Os coeficientes de enfraquecimento de massa do osso e dos tecidos moles (água) são diferentes:  m osso / m água = 68.

Se um corpo não homogêneo for colocado no caminho dos raios X e uma tela fluorescente for colocada na frente dele, então esse corpo, absorvendo e enfraquecendo a radiação, forma uma sombra na tela. Pela natureza desta sombra pode-se julgar a forma, a densidade, a estrutura e, em muitos casos, a natureza dos corpos. Aqueles. A diferença significativa na absorção da radiação de raios X pelos diferentes tecidos permite ver uma imagem de órgãos internos em uma projeção de sombra.

Se o órgão que está sendo examinado e os tecidos circundantes atenuam igualmente a radiação de raios X, então são usados ​​agentes de contraste. Por exemplo, depois de encher o estômago e os intestinos com uma massa semelhante a um mingau de sulfato de bário (BaS0 4), pode-se ver sua imagem sombreada (a proporção dos coeficientes de atenuação é 354).

Uso em medicina.

Na medicina, os raios X são usados ​​com energias de fótons variando de 60 a 100-120 keV para diagnóstico e 150-200 keV para terapia.

Diagnóstico de raios X – reconhecimento de doenças por meio de exame de raios X do corpo.

O diagnóstico por raios X é usado de várias maneiras, que são fornecidas a seguir.

Com fluoroscopia O tubo de raios X está localizado atrás do paciente. Na frente dele há uma tela fluorescente. Uma imagem sombreada (positiva) é observada na tela. Em cada caso individual, a dureza da radiação adequada é selecionada para que passe pelos tecidos moles, mas seja suficientemente absorvida pelos densos. Caso contrário, você obterá uma sombra uniforme. Na tela, o coração e as costelas são visíveis escuros, os pulmões claros.

Com radiografia o objeto é colocado em um cassete contendo filme com uma emulsão fotográfica especial. O tubo de raios X é posicionado acima do objeto. A radiografia resultante fornece uma imagem negativa, ou seja, o oposto em contraste com a imagem observada durante a transiluminação. Neste método, a imagem é mais nítida do que em (1), portanto são observados detalhes que são difíceis de ver através da transmissão.

Uma versão promissora deste método é o raio-X tomografia e “versão máquina” – computador tomografia.

3. Com fluorografia, A imagem da tela grande é capturada em um filme sensível de pequeno formato. Durante a visualização, as fotografias são visualizadas com uma lupa especial.

Terapia de raios X– o uso de raios X para destruir tumores malignos.

O efeito biológico da radiação é perturbar as funções vitais, especialmente das células que se multiplicam rapidamente.

TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA (TC)

O método de tomografia computadorizada de raios X baseia-se na reconstrução de uma imagem de uma determinada seção do corpo do paciente, registrando um grande número de projeções de raios X dessa seção, realizadas em diferentes ângulos. As informações dos sensores que registram essas projeções chegam a um computador que, por meio de um programa especial, calcula distribuição apertadotamanho da amostra na seção em estudo e exibe-o na tela de exibição. A imagem transversal do corpo do paciente assim obtida é caracterizada por excelente clareza e alto conteúdo informativo. O programa permite, se necessário, aumentar contraste da imagem V dezenas e até centenas de vezes. Isto expande as capacidades de diagnóstico do método.

Videógrafos (dispositivos com processamento digital de imagens de raios X) na odontologia moderna.

Na odontologia, o exame radiográfico é o principal método diagnóstico. No entanto, uma série de características organizacionais e técnicas tradicionais do diagnóstico por raios X tornam-no não totalmente confortável tanto para o paciente quanto para as clínicas odontológicas. Esta é, antes de tudo, a necessidade de contato do paciente com a radiação ionizante, que muitas vezes cria uma carga de radiação significativa no corpo; é também a necessidade de um fotoprocesso e, portanto, a necessidade de fotorreagentes, inclusive os tóxicos. Trata-se, finalmente, de um arquivo volumoso, pastas pesadas e envelopes com filmes de raios X.

Além disso, o atual nível de desenvolvimento da odontologia torna insuficiente a avaliação subjetiva das radiografias pelo olho humano. Acontece que, dentre a variedade de tons de cinza contidos em uma imagem de raio X, o olho percebe apenas 64.

É óbvio que para obter uma imagem clara e detalhada dos tecidos duros do sistema dentofacial com exposição mínima à radiação, outras soluções são necessárias. A busca levou à criação dos chamados sistemas radiográficos, videografias - sistemas de radiografia digital.

Sem detalhes técnicos, o princípio de funcionamento de tais sistemas é o seguinte. A radiação de raios X passa através do objeto não para um filme fotossensível, mas para um sensor intraoral especial (uma matriz eletrônica especial). O sinal correspondente da matriz é transmitido para um dispositivo digitalizador (conversor analógico-digital, ADC) conectado ao computador, que o converte para a forma digital. Um software especial cria uma imagem de raio X na tela do computador e permite processá-la, salvá-la em um meio de armazenamento rígido ou flexível (disco rígido, disquete) e imprimi-la como um arquivo como uma imagem.

Num sistema digital, uma imagem de raios X é uma coleção de pontos com diferentes valores de escala de cinza digital. A otimização da exibição das informações proporcionada pelo programa permite obter um quadro ideal em brilho e contraste com uma dose de radiação relativamente baixa.

Nos sistemas modernos, criados, por exemplo, por Trophy (França) ou Schick (EUA), são utilizados 4.096 tons de cinza na formação de uma moldura, o tempo de exposição depende do objeto de estudo e, em média, é de centésimos - décimos de um segundo, reduzindo a exposição à radiação em relação ao filme – até 90% para sistemas intraorais, até 70% para videomakers panorâmicos.

Ao processar imagens, os cinegrafistas podem:

Receba imagens positivas e negativas, imagens pseudocoloridas e imagens em relevo.

Aumente o contraste e amplie a área de interesse da imagem.

Avalie mudanças na densidade dos tecidos dentários e estruturas ósseas, monitore a uniformidade do preenchimento do canal.

Na endodontia, determine o comprimento de um canal de qualquer curvatura e, na cirurgia, selecione o tamanho do implante com precisão de 0,1 mm.

O exclusivo sistema detector de cárie com elementos de inteligência artificial ao analisar uma imagem permite detectar cáries no estágio local, cáries radiculares e cáries ocultas.

“Ф” na fórmula (3) refere-se a toda a faixa de comprimentos de onda emitidos e é frequentemente chamado de “fluxo de energia integral”.

A medicina moderna usa muitos médicos para diagnóstico e terapia. Alguns deles foram usados ​​há relativamente pouco tempo, enquanto outros são praticados há dezenas ou mesmo centenas de anos. Além disso, há cento e dez anos, William Conrad Roentgen descobriu raios X incríveis, que causaram ressonância significativa no mundo científico e médico. E agora médicos de todo o mundo os utilizam em sua prática. O tema da nossa conversa de hoje será os raios X na medicina, discutiremos seu uso com um pouco mais de detalhes.

Os raios X são um tipo de radiação eletromagnética. São caracterizados por qualidades de penetração significativas, que dependem do comprimento de onda da radiação, bem como da densidade e espessura dos materiais irradiados. Além disso, os raios X podem fazer com que uma série de substâncias brilhem, influenciar organismos vivos, ionizar átomos e também catalisar algumas reações fotoquímicas.

Aplicação de raios X na medicina

Hoje, as propriedades dos raios X permitem que eles sejam amplamente utilizados em diagnósticos de raios X e terapia de raios X.

Diagnóstico de raios X

O diagnóstico de raios X é usado ao realizar:

Raio X (radioscopia);
- radiografia (imagem);
- fluorografia;
- Radiografia e tomografia computadorizada.

Raio X

Para realizar tal estudo, o paciente deve posicionar-se entre o tubo de raios X e uma tela fluorescente especial. Um radiologista especialista seleciona a rigidez necessária das radiografias, obtendo na tela uma imagem dos órgãos internos, bem como das costelas.

Radiografia

Para realizar este estudo, o paciente é colocado em um cassete contendo um filme fotográfico especial. A máquina de raios X é colocada diretamente acima do objeto. Como resultado, aparece no filme uma imagem negativa dos órgãos internos, que contém uma série de pequenos detalhes, mais detalhados do que durante um exame fluoroscópico.

Fluorografia

Este estudo é realizado durante exames médicos em massa da população, inclusive para detecção de tuberculose. Nesse caso, uma imagem de uma tela grande é projetada em um filme especial.

Tomografia

Ao realizar a tomografia, os feixes de computador ajudam a obter imagens de órgãos em vários lugares ao mesmo tempo: em seções transversais de tecido especialmente selecionadas. Esta série de raios X é chamada de tomograma.

Tomografia computadorizada

Este estudo permite registrar seções do corpo humano usando um scanner de raios X. Posteriormente, os dados são inseridos em um computador, resultando em uma imagem transversal.

Cada um dos métodos de diagnóstico listados é baseado nas propriedades de um feixe de raios X para iluminar um filme fotográfico, bem como no fato de que os tecidos e ossos humanos diferem em diferentes permeabilidades aos seus efeitos.

Terapia de raios X

A capacidade dos raios X de influenciar os tecidos de uma maneira especial é usada para tratar formações tumorais. Além disso, as qualidades ionizantes desta radiação são especialmente perceptíveis quando afectam células que são capazes de se dividir rapidamente. São precisamente essas qualidades que distinguem as células das formações oncológicas malignas.

No entanto, é importante notar que a terapia com raios X pode causar muitos efeitos colaterais graves. Este efeito tem um efeito agressivo sobre o estado dos sistemas hematopoiético, endócrino e imunológico, cujas células também se dividem muito rapidamente. A influência agressiva sobre eles pode causar sinais de enjôo devido à radiação.

O efeito da radiação de raios X em humanos

Ao estudar os raios X, os médicos descobriram que eles podem causar alterações na pele que lembram uma queimadura solar, mas são acompanhadas por danos mais profundos à pele. Essas ulcerações demoram muito para cicatrizar. Os cientistas descobriram que tais lesões podem ser evitadas reduzindo o tempo e a dose de radiação, bem como usando blindagem especial e métodos de controle remoto.

Os efeitos agressivos dos raios X também podem se manifestar a longo prazo: alterações temporárias ou permanentes na composição do sangue, suscetibilidade à leucemia e envelhecimento precoce.

O efeito dos raios X em uma pessoa depende de muitos fatores: qual órgão é irradiado e por quanto tempo. A irradiação dos órgãos hematopoiéticos pode causar doenças do sangue e a exposição aos órgãos genitais pode levar à infertilidade.

A realização de irradiação sistemática está repleta de desenvolvimento de alterações genéticas no corpo.

O verdadeiro dano dos raios X no diagnóstico por raios X

Ao realizar um exame, os médicos utilizam o número mínimo possível de radiografias. Todas as doses de radiação atendem a certos padrões aceitáveis ​​e não podem prejudicar uma pessoa. Os diagnósticos de raios X representam um perigo significativo apenas para os médicos que os realizam. E então os métodos modernos de proteção ajudam a reduzir ao mínimo a agressão dos raios.

Os métodos mais seguros de diagnóstico por raios X incluem radiografias das extremidades, bem como radiografias dentárias. O próximo lugar neste ranking é a mamografia, seguida pela tomografia computadorizada e depois pela radiografia.

Para que o uso dos raios X na medicina traga apenas benefícios ao ser humano, é necessário realizar pesquisas com o auxílio deles somente quando indicado.

O cientista alemão Wilhelm Conrad Roentgen pode ser considerado o fundador da radiografia e o descobridor das principais características dos raios X.

Então, em 1895, ele nem sequer suspeitava da amplitude de aplicação e popularidade dos raios X por ele descobertos, embora mesmo então eles tenham despertado ampla ressonância no mundo da ciência.

É improvável que o inventor pudesse adivinhar que benefício ou dano traria o fruto de sua atividade. Mas hoje vamos tentar descobrir que efeito esse tipo de radiação tem no corpo humano.

• A radiação X é dotada de enorme poder de penetração, mas depende do comprimento de onda e da densidade do material irradiado;
• sob a influência da radiação, alguns objetos começam a brilhar;
• Os raios X afetam os seres vivos;
• graças aos raios X, algumas reações bioquímicas começam a ocorrer;
• Um feixe de raios X pode retirar elétrons de alguns átomos e, assim, ionizá-los.

Até o próprio inventor estava preocupado principalmente com a questão de saber quais eram exatamente os raios que ele descobriu.

Depois de realizar toda uma série de estudos experimentais, o cientista descobriu que os raios X são ondas intermediárias entre a radiação ultravioleta e a gama, cujo comprimento é de 10 -8 cm.

As propriedades do feixe de raios X listadas acima têm propriedades destrutivas, mas isso não impede que sejam utilizadas para fins úteis.

Então, onde no mundo moderno os raios X podem ser usados?

1. Com a ajuda deles, você pode estudar as propriedades de muitas moléculas e formações cristalinas.
2. Para detecção de falhas, ou seja, para verificar se há defeitos em peças e dispositivos industriais.
3. Na indústria médica e pesquisa terapêutica.

Devido aos curtos comprimentos de toda a gama dessas ondas e às suas propriedades únicas, a aplicação mais importante da radiação descoberta por Wilhelm Roentgen tornou-se possível.

Como o tema do nosso artigo se limita ao impacto dos raios X no corpo humano, que os encontra apenas quando vai ao hospital, consideraremos ainda mais exclusivamente esta área de aplicação.

O cientista que inventou os raios X fez deles um presente inestimável para toda a população da Terra, porque não patenteou sua ideia para uso posterior.

Desde a Primeira Pestilência, máquinas portáteis de raios X salvaram centenas de vidas feridas. Hoje, os raios X têm dois usos principais:

1. Diagnóstico com sua ajuda.

O diagnóstico por raios X é usado em vários casos:

• fluoroscopia ou transiluminação;
• Raio X ou fotografia;
• exame fluorográfico;
• tomografia com raios X.

Agora você precisa descobrir como esses métodos diferem uns dos outros:

1. O primeiro método pressupõe que o sujeito esteja posicionado entre uma tela especial com propriedades fluorescentes e um tubo de raios X. O médico, com base nas características individuais, seleciona a intensidade do raio necessária e recebe na tela uma imagem de ossos e órgãos internos.
2. No segundo método, o paciente é colocado sobre um filme especial de raios X em um cassete. Neste caso, o equipamento é colocado acima da pessoa. Esta técnica permite obter uma imagem em negativo, mas com detalhes mais finos do que na fluoroscopia.
3. Exames em massa da população para doenças pulmonares podem ser realizados por meio de fluorografia. No momento do procedimento, a imagem do monitor grande é transferida para um filme especial.
4. A tomografia permite obter imagens de órgãos internos em diversos cortes. É tirada toda uma série de imagens, que mais tarde são chamadas de tomogramas.
5. Se você conectar a ajuda de um computador ao método anterior, programas especializados criarão uma imagem completa feita por meio de um scanner de raios X.

Todos esses métodos para diagnosticar problemas de saúde baseiam-se na propriedade única dos raios X de iluminar filmes fotográficos. Ao mesmo tempo, a capacidade de penetração dos tecidos inertes e de outros tecidos do nosso corpo é diferente, o que é mostrado na imagem.

Depois que outra propriedade dos raios X de influenciar os tecidos do ponto de vista biológico foi descoberta, esse recurso começou a ser usado ativamente no tratamento de tumores.

As células, especialmente as malignas, se dividem muito rapidamente, e a propriedade ionizante da radiação tem um efeito positivo na terapia terapêutica e retarda o crescimento do tumor.

Mas o outro lado da moeda é o impacto negativo dos raios X nas células dos sistemas hematopoiético, endócrino e imunológico, que também se dividem rapidamente. Como resultado da influência negativa dos raios X, ocorre o enjoo da radiação.

O efeito dos raios X no corpo humano

Literalmente imediatamente após uma descoberta tão retumbante no mundo científico, soube-se que os raios X podem afetar o corpo humano:

1. Durante estudos sobre as propriedades dos raios X, descobriu-se que eles podem causar queimaduras na pele. Muito semelhantes aos térmicos. No entanto, a profundidade dos danos foi muito maior do que os ferimentos domésticos, e eles cicatrizaram pior. Muitos cientistas que trabalham com essas radiações insidiosas perderam dedos.
2. Por tentativa e erro, constatou-se que se reduzir o tempo e o valor do investimento, queimaduras podem ser evitadas. Posteriormente, começaram a ser utilizadas telas de chumbo e irradiação remota de pacientes.
3. Uma perspectiva de longo prazo sobre os efeitos nocivos dos raios mostra que alterações na composição do sangue após a irradiação levam à leucemia e ao envelhecimento precoce.
4. A gravidade do impacto dos raios X no corpo humano depende diretamente do órgão irradiado. Assim, com a radiografia pélvica pode ocorrer infertilidade e, com o diagnóstico de órgãos hematopoiéticos, podem ocorrer doenças do sangue.
5. Mesmo as menores exposições durante um longo período de tempo podem levar a alterações no nível genético.

É claro que todos os estudos foram realizados em animais, mas os cientistas provaram que as alterações patológicas se estenderão aos humanos.

IMPORTANTE! Com base nos dados obtidos, foram desenvolvidos padrões de exposição aos raios X, uniformes em todo o mundo.

Doses de raios X durante o diagnóstico

Provavelmente todo mundo que sai do consultório médico após uma radiografia está se perguntando como esse procedimento afetará sua saúde futura?

A exposição à radiação também existe na natureza e encontramos isso todos os dias. Para facilitar a compreensão de como os raios X afetam nosso corpo, compararemos este procedimento com a radiação natural recebida:

• na radiografia de tórax, a pessoa recebe uma dose de radiação igual a 10 dias de radiação de fundo, e do estômago ou intestinos - 3 anos;
• tomografia computadorizada da cavidade abdominal ou de todo o corpo - equivalente a 3 anos de radiação;
• exame de radiografia de tórax – 3 meses;
• os membros são irradiados praticamente sem danos à saúde;
• As radiografias dentárias, devido à direção precisa do feixe e ao tempo mínimo de exposição, também não são perigosas.

IMPORTANTE! Apesar de os dados apresentados, por mais assustadores que pareçam, cumprem as exigências internacionais. No entanto, o paciente tem todo o direito de pedir proteção adicional em caso de grave preocupação com o seu bem-estar.

Todos nós nos deparamos com exames de raios X, mais de uma vez. No entanto, uma categoria de pessoas fora dos procedimentos exigidos são as mulheres grávidas.

O fato é que os raios X afetam muito a saúde do feto. Essas ondas podem causar defeitos de desenvolvimento intrauterino como resultado de sua influência nos cromossomos.

IMPORTANTE! O período mais perigoso para os raios X é a gravidez até 16 semanas. Durante este período, as mais vulneráveis ​​são as áreas pélvica, abdominal e espinhal do bebê.

Sabendo dessa propriedade negativa dos raios X, médicos de todo o mundo tentam evitar prescrevê-los para mulheres grávidas.

Mas existem outras fontes de radiação que uma mulher grávida pode encontrar:

• microscópios movidos a eletricidade;
• monitores de TV em cores.

Aquelas que estão se preparando para ser mães devem definitivamente saber do perigo que as espera. Durante a lactação, os raios X não representam uma ameaça para a mãe que amamenta e para o bebê.

O que fazer depois de um raio-x?

Mesmo os menores efeitos da exposição aos raios X podem ser minimizados seguindo algumas recomendações simples:

• beba leite imediatamente após o procedimento. Sabe-se que é capaz de remover radiação;
• vinho branco seco ou suco de uva têm as mesmas propriedades;
• É aconselhável consumir inicialmente mais alimentos que contenham iodo.

IMPORTANTE! Não se deve recorrer a nenhum procedimento médico ou utilizar métodos terapêuticos após visitar a sala de raios X.

Não importa quais propriedades negativas os raios X descobertos possam ter, os benefícios de seu uso ainda superam em muito os danos que causam. Nas instituições médicas, o procedimento de ovoscopia é realizado de forma rápida e com doses mínimas.