Promieniowanie X w medycynie

Autor:

Christiane Leclercq-Willain, tłumaczenie:

Ludwik Dobrzyński

1. Kilka słów o historii

W roku 1895 Wilhem Röntgen odkrył promienie X (za co dostał Nagrodę Nobla w roku 1901), a odkrycie to otworzyło nowe okno na świat. 16 stycznia 1896 r. New York Times opublikował zdjęcie rentgenowskie dłoni pani Röntgen.

Zdjęcie rentgenowskie
dłoni pani Röntgen
(grudzień 1895)

Wkrótce ludzie zachwycali się fotografiami ukazującymi ludzkie struktury kostne. Prof. M. Pupin (Columbia University) wykonał fotografię dłoni po wypadku z bronią - zdjęcie (niżej) pokazywało wyraźnie kawałki ołowiu (jako małe czarne krążki), które uwięzły w dłoni.

Fotografia rentgenowska
dłoni po wypadku z bronią
(1896)

2. Pierwsze zastosowania

Zwiń Rozwiń

Maria Curie "Radiologia na wojnie"(1921).

W trakcie I Wojny Światowej (1914-1918) Maria Skłodowska-Curie wraz ze swą córką Ireną zorganizowała sieć ośrodków radiologicznych, ktorych celem było poprawienie diagnozowania złamań oraz chorób płuc wśród żołnierzy. Ponadto, na polach bitew można było spotkać wiele wyspecjalizowanych ambulansów (zwanych "małymi Curie" - oryg. "Le Petites Curie") zawierających sprzęt rentgenowski.

Już w lutym 1896 r. dwóch lekarzy z Dortmouth College, Anglia, zastosowało

promienie XPostać promieniowania elektromagnetycznego o długości fali krótszej niż ultrafioletu, ale dłuższej niż promieniowania gamma. Ponieważ długość fali promieniowania związana jest z energią oznacza to, że fotony promieniowania X mają niższe energie niż fotony promieniowania gamma. Ostra granica pomiędzy tymi dwoma rodzajami promieniowania nie istnieje. Typowe długości fal promieniowania X zawierają się pomiędzy 0,005 a 1 nm.

w medycynie do obserwacji złamanych kości ramienia pacjenta.

Promienie XPostać promieniowania elektromagnetycznego o długości fali krótszej niż ultrafioletu, ale dłuższej niż promieniowania gamma. Ponieważ długość fali promieniowania związana jest z energią oznacza to, że fotony promieniowania X mają niższe energie niż fotony promieniowania gamma. Ostra granica pomiędzy tymi dwoma rodzajami promieniowania nie istnieje. Typowe długości fal promieniowania X zawierają się pomiędzy 0,005 a 1 nm.

stosowane są również w innych dziedzinach, włączając prześwietlanie bagażu wykonywane przez służby celne już w roku 1897.

pokazały swoją szczególną użyteczność podczas I Wojny Światowej w latach 1914-1918.

Obserwacja złamania (luty 1896).
Lekarze G. i E. Frost (na fotografii) byli pierwszymi, którzy wykorzystali promienie X w celach medycznych.

Prześwietlanie bagażu przez francuskich celników (1897)

Irena Curie w ambulansie z aparaturą rentgenowską podczas I Wojny Światowej, 1914-1918
(dzięki uprzejmości ACJC-Fonds Curie et Joliot-Curie)

3. Pierwsze zastosowania w diagnostyce medycznej

Zwiń Rozwiń

Promieniowanie XPostać promieniowania elektromagnetycznego o długości fali krótszej niż ultrafioletu, ale dłuższej niż promieniowania gamma. Ponieważ długość fali promieniowania związana jest z energią oznacza to, że fotony promieniowania X mają niższe energie niż fotony promieniowania gamma. Ostra granica pomiędzy tymi dwoma rodzajami promieniowania nie istnieje. Typowe długości fal promieniowania X zawierają się pomiędzy 0,005 a 1 nm.

zainteresowało wielu lekarzy, którzy zaczęli je stosować do diagnostyki złamań kończyn oraz badania obecności obcych ciał w koścu. Pod koniec XIX w. medycyna szczególnie interesowała się problemami patologii poszczególnych organów. Jeden z pierwszych wyraźnych obrazów poszerzenia aorty (poniżej, zdjęcie z lewej strony) w stosunku do sytuacji właściwej (zdjęcie z prawej strony) wykonał Dr. A. Béclère (Francja 1897)

Zdjęcie rentgenowskie pokazujące rozszerzenie aorty (z lewej), wykonane przez Dr. A. Béclère'a (Centre A. Béclère, Francja)

Stałe udoskonalanie techniki pozwoliło lekarzom wykonywać zdjęcia rentgenowskie wszystkich organów wewnętrznych przy pomocy "kontrastów" - nieprzezroczystych substancji, które dobrze uwidaczniają się w obrazie rentgenowskim. Promienie X wykorzystano również w terapii (chorób skóry w szczególności), wkrótce jednak zdano sobie sprawę, że dla celów terapeutycznych potrzebne jest promieniowanie o wyższej energii.

Znaczek z podobizną Dr. A. Béclère'a
(Centre A. Béclère-Henry Cheffer, Francja)

4. W jaki sposób opisujemy promieniowanie?

Zwiń Rozwiń

Długość fali i energia

Każdy rodzaj promieniowania w przyrodzie można scharakteryzować przez podanie długości fali λ lub równoważnej jej energii E = hc/λ (gdzie hc jest stałą przyrody: (h = stała Plancka = 6,626×10^-34J·s, c = prędkość światła w próżni = 2,9979×10⁸m/s). Długości fal promieni X (promieniowania elektromagnetycznego wysyłanego przez atomy) są w obszarze pomiędzy 0,001 nm i 1 nm (energie w obszarze 1-600 keV); promienie γ (promieniowanie elektromagnetyczne jąder) mają większą energię.

to promieniowanie elektromagnetyczne. Wytwarza się je w lampie katodowej (patrz str.1 "Kilka słów o historii"): elektrony w lampie próżniowej uderzają w tarczę metalową, w rezultacie czego powstają "niewidzialne promienie". W lampie rentgenowskiej elektrony przyspieszane są do energii 30-150 keV. W wyniku uderzenia w tarczę wolframową powstaje promieniowanie o energii od kilku elektronowoltów do 150 keV z maksimum natężenia przypadającym w obszarze dwóch energii, 59 keV i 67 keV, charakterystycznych dla przejść elektronowych w atomach wolframu. Dla celów medycznych jest rzeczą konieczną odcięcie promieniowania o energiach poniżej ok. 20 keV.

Każdy rodzaj promieniowania można scharakteryzować przez podanie jego

długości faliOdległość pomiędzy dwoma kolejnymi grzbietami (lub dolinami) fali, będąca odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości fali. Dla promieniowania elektromagnetycznego jest ona równa prędkości światła podzielonej przez częstotliwość.

λ lub energii. Obszar długości fal w świetle widzialnym (patrz "Zjawisko tęczy") obejmuje 400 nm < λ < 750 nm (nanometr, nm, to 10^-9 m); promieniowanie podczerwone ma długość fali dłuższą od promieniowania czerwonego (750 nm < λ < 1 mm), natomiast promieniowanie ultrafioletowe ma krótsze długości fal (1 nm < λ < 400 nm), zawierające się w obszarze pomiędzy widocznym promieniowaniem fioletowym, a domeną promieniowania X.

Długości fal promieniowania X obejmują obszar 0,005 nm < λ < 1 nm, czyli energie 1 keV (kiloelektronowolt) < E < 600 keV (1 keV =10³ eV). Radiolodzy korzystają z promieniowania X pochłanianego w różny sposób przez różne części ciała (jak kości, płuca, żołądek, ...). W diagnostyce rentgenowskiej korzysta się z obszaru energii pomiędzy 20 keV a 150 keV.

W medycynie nuklearnej (patrz następna Lekcja "Promieniowanie jądrowe") lekarze korzystają z emiterów promieniowania γ o energii pomiędzy 60 keV a 510 keV.

5. Zjawisko tęczy

Zwiń Rozwiń

Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą. Obserwacja świecenia gwiazd może powiedzieć nam o ich strukturze. Tęcza, którą widzimy pod kątem 42 stopni w kierunku przeciwnym do Słońca, kiedy to światło słoneczne pada na krople deszczu, mówi nam, że światło widzialne złożone jest z różnych kolorów (i konsekwentnie - fal o różnej długości): czerwonego, pomarańczowego, żółtego, zielonego, niebieskiego i fioletowego. Czasem widać także drugi łuk pod kątem 51 stopni; powstaje on w wyniku dwukrotnego odbicia promienia słonecznego wewnątrz kropli.

Zjawisko załamania oraz odbicia jedno- i dwukrotnego promienia słonecznego w kroplach deszczu.

Każda fala o odmiennym kolorze zachowuje się w odmienny sposób podczas przejścia promienia słonecznego przez kroplę deszczu, w rezultacie czego widzimy rozseparowanie kolorów.

Rozszczepienie na kolory w tęczy: rzeźba przedstawiająca tęczę (Gersau-Szwajcaria)

Funkcje matematyczne (zwane funkcjami Airy'ego od nazwiska matematyka, który je badał) opisujące zjawisko tęczy w atmosferze są identyczne z tymi, które opisują zderzenia atomów, czy jąder gdy ich względna energia kinetyczna ... to jednak zupełnie już inna historia z zakresu fizyki jądrowej.

6. Źródła i podziękowania

Zwiń Rozwiń

Źródła

Cent ans après: La radioactivité, le rayonnement d’une découverte. , Wyd. : R.Bimbot, A. Bonnin, R. Deloche i C. Lapeyre, EDP Sciences, 1999
Hadrons for Health . (Physics in Medicine and Biology) - Guide to the exhibition- Wyd.: W. Kienzle and A. Pascolini, CERN-Geneva (1996)
Life- Le monde des sciences La matière, Time Inc. 1965
The rainbow bridge , Raymond L. Lee i Alistair B. Fraser, Pensylvania State University Press, University Park, PA 16802-1003
Nucleus: a trip into the heart of matter , R. Mackintosh, J. Al-Khalili, B. Jonson and T. Peña, Canopus Publishing Company 2001
Clefs CEA N°48 (2003)
NuPECC June 2002: Nuclear Science in Europe: Impact, Applications, Interactions, Contract C E C N° HPRI-CT-1999-40004
The Eurisol report, December 2003, EC Contract HPRI-CT-1999-50001
Dr Th. Metens, Unité de résonance magnétique, Hôpital Universitaire Erasme, Bruxelles
Dr med. S. Goldman, Service des isotopes et Pet-Scan, Hôpital Universitaire Erasme, Bruxelles

Podziękowania

Niniejszym wyrażam podziękowanie wydawcom publikacji, na które sie powołuję, jak również wszystkim autorom, którzy przyczynili się do powstania tych publikacji dzięki pracom badawczym w dziedzinie zastosowań metod jądrowych w medycynie.

Chciałabym szczególnie podziękować Th. Metensowi i doktorowi S.Goldmanowi z Academic Hospital Erasme w Brukseli.

Notki biograficzne (z roku 2000)

Zwiń Rozwiń

Christiane Leclercq-Willain jest profesorem w Wolnym Uniwersytecie w Brukseli w Belgii (Free University of Brussels-ULB), Wydział Fizyki Jądrowej i Teoretycznej. Na Wydziale tym pełni funkcję Dyrektora Jądrowej Fizyki Teoretycznej i Fizyki Matematycznej. Prowadzi badania z zakresu spektroskopii jądrowej i reakcji jądrowych: ciężkich jonów, zjawisk interferencyjnych, jąder egzotycznych (halo), struktury nadsubtelnej, syntezy katalizowanej mionami. Interesuje się problemami szerzenia w społeczeństwie wiedzy z zakresu fizyki jądrowej i jej zastosowań.

Zwiń wszystko Rozwiń wszystko

Poprzedni:

Energia termojądrowa

Następny:

Promieniowanie jądrowe w medycynie