Методы магнитной томографии. Лекция 1

Лекция 1
Физические основы медицинской визуализации. Термография. Рентгеновское излучение.
Лектор: Загитов Гайфулла Нутфуллинович.

Основная задача современной медицинской диагностики, использующей достижения ядерной физики и компьютерных технологий, состоит в восстановлении внутренней структуры организма (визуализации) по результатам измерений вне этой структуры. Все виды визуализации основаны на физике взаимодействия излучения на вещество.

В качестве излучения могут быть использованы любые физические поля или частицы при условии, что они не нарушают целостности объекта и его жизнедеятельности. Внедрение в практику этих методов (наряду с традиционной рентгенологией) привело к возникновению новой обширной медицинской дисциплины, получившей за рубежом название диагностической радиологии (от латинского radius - луч), а у нас - лучевой медицинской диагностики (ЛМД).

Основные методы ЛМД можно разделить на 3 группы.
● Использование рентгеновского излучения.
Здесь основной измеряемый параметр – интенсивность потока рентгеновских фотонов в узком пучке на входе в тело пациента и на выходе из него, а основная характеристика структуры – распределение плотности вещества организма по его объёму.

● Использование электромагнитного излучения ВЧ диапазона.
Этот вид излучения используется в магниторезонансных томографах, работающих на принципе эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Здесь используется направленное локализованное определённым образом высокочастотное электромагнитное поле, которое влияет на поведение магнитных моментов отдельных атомов (как правило, атомов водорода), помещенных в магнитное поле. После прекращения воздействия возникает реакция в виде затухающего электромагнитного излучения. Измеряя амплитуду и скорость затухания его, можно восстановить внутреннюю структуру объекта. Основной структурной характеристикой в этом методе является распределение атомов водорода (или какого-либо другого элемента) по объёму тела.

● Использование излучения радиоактивных изотопов.
В этом методе используются радиофармпрепарат (РФП) – радиоактивное вещество с малым периодом полураспада. РФП вводится в организм через кровь или пищеварительный тракт. Через некоторое время установившееся распределение препарата по исследуемому органу отражает его структуру. Регистрируя интенсивность ионизирующего излучения на выходе из организма, можно получать информацию о деталях этой структуры.

Особенность методов ЛМД, отличающая её от от классических медицинских методик (пальпация, перкуссия, аускультации. проведение биохимических анализов, биопсия), состоит в том что необходимая для диагностики заболевания информация представлена здесь в форме набора, т.н. медицинских изображений (medical imagings) внутренних структур органов. Данный подход позволяет неинвазивно, безболезненно определять патологию внутренних органов и сосудов, появление опухолей на ранних этапах, позиционировать положение новообразований в организме, наблюдать за функционированием органов и т.д.

Медицинская термография - это метод обследования пациентов с помощью специального прибора - тепловизора, позволяющего улавливать инфракрасное излучение и преобразовывать его в изображение - термограмму, которая регистрирует распределение тепла на поверхности тела. Температура кожи является интегральным показателем, и в ее формировании принимают участие несколько факторов: сосудистая сеть (артерии и вены, лимфатическая система), уровень метаболизма в органах и теплопроводность кожи. При анализе термограмм должны учитываться все эти факторы. Главным из них является все-таки сосудистый, который и определяет основные направления использования инфракрасного тепловидения (ИКТ) в клинической медицине. Увеличение притока крови или, наоборот, его уменьшение, вызванное сужением сосудов (стеноз) или их закупоркой (окклюзия), приводит к повышению или снижению температуры тканей соответственно.

Многие патологические процессы меняют нормальное распределение температуры на поверхности тела, причем во многих случаях изменения температуры опережают другие клинические проявления, что очень важно для ранней диагностики и своевременного лечения. Именно поэтому ИКТ, как метод функциональной диагностики, в последнее время завоевывает все большее признание в различных областях медицины, науки и клинической практики. Его значение и преимущество сопоставимо с рентгенографией, УЗИ, КТ и МРТ, которые применяются только для оценки морфологических особенностей органов. ИКТ визуально и количественно (для приборов последнего поколения с высокой точностью 0,01 °С) оценивает инфракрасное излучение от поверхности тела, отражающее состояние внутренних структур организма.

Этот вид диагностики позволяет оценивать функциональные изменения в динамике, то есть следить за изменениями при первичном обследовании и непосредственно в течение проводимого лечения. Термография позволяет уточнять локализацию функциональных изменений, активность процесса и его распространенность, характер изменений - воспаление, застойность или злокачественность

Устройство рентгеновской трубки

Катод – отрицательно (напр., медь) заряженный источник электронов - вольфрамовая нить, которая при пропускании через нее тока нагревается и испускает электроны (термоэлектронная эмиссия).
Анод – положительно заряженная мишень для электронов из тугоплавкого материала с высокой теплопроводностью (чтобы было легче охлаждать).
Рентгеновское излучение возникает, когда ускоренные электроны, достигая анода, «тормозят», и часть их кинетической энергии преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Остальная часть энергии ускоренных электронов идет на нагревание анода (поэтому его нужно охлаждать).

Тормозное рентгеновское излучение
В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов вещества анода возникает тормозное рентгеновское излучение.

Свойства тормозного рентгеновского излучения
1. Рентгеновское излучение испускается отдельными фотонами, энергии которых связаны с частотой формулой: ? = ?ν = ??/ λ где ν - частота, λ - длина волны, с – скорость света, h – постоянная Планка.
2. Все электроны, достигающие анода, имеют одинаковую кинетическую энергию, равную работе электрического поля между анодом и катодом: ?? = ?? где е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение.
3. Кинетическая энергия электрона частично передается веществу и идет на его нагревание (Q), а частично расходуется на создание рентгеновского кванта:
?? = ? + ?ν
4. Соотношение между Q и hv случайно.

Спектр тормозного рентгеновского излучения
Зависимости плотности потока
рентгеновского излучения от
длины волны λ (спектры) при
разных напряжениях на
рентгеновской трубке:
Ul < U2 < U3

Наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствующее длине волны λmin, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона: ?? = ?? = ????? = ? ? /???? (Q=0) Откуда
???? = ??/ ?? где λmin – минимальная длина волны, е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение, с – скорость света, h – постоянная Планка. Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем
длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое —мягким.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения,
увеличивая долю жесткой компоненты.

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в рентгеновской трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится, но общая плотность потока рентгеновского излучения увеличится.