Troszeczkę historii.

obrazek

8 listopada 1895 roku niemiecki fizyk Wilhelm Conrad Röntgen chciał sprawdzić, czy promienie katodowe (niedawno odkryte, których własności badało wielu uczonych) wydostają się ze szklanej rury z umieszczonymi wewnątrz elektrodami tylko przez zatopioną w niej cienką aluminiową blaszkę, czy również przez ściankę rury, choć dotychczas tego nie zauważono. W tym celu owinął rurę czarnym kartonem, aby mu nie przeszkadzało jej świecenie, zaciemnił laboratorium, poczekał aż jego oczy oswoją się z ciemnością i rozpoczął eksperyment. Zauważył wtedy ze zdziwieniem, że ilekroć włącza napięcie przyłożone do elektrod wtedy pojawia się słabe świecenie płytki szklanej pokrytej osadem soli platynowo-barowej. Płytki tej, leżącej na ławce w pobliżu aparatury (będącej ekranem fluorescencyjnym świecącym pod wpływem niewidocznego promieniowania) używał przedtem do ujawniania promieni katodowych wychodzących przez aluminiowe okienko. Zbliżona do okienka zaczynała świecić. Teraz jednak leżała ponad metr od rury owiniętej czarnym kartonem, a w rurze nie było okienka. Świecenie musiało więc wywoływać jakieś inne nie znane dotąd promieniowanie. Nazwał je promieniowaniem X. Prowadząc nad nimi badania zauważył, że przechodziły one przez nieprzepuszczające innego promieniowania (świetlnego, UV) czarny karton, drewno, szkło. Stwierdził także zmienny stopień pochłaniania promieni X przy ich przechodzeniu przez różne przedmioty. Dzięki temu uzyskał ich odwzorowanie na ekranie fluorescencyjnym lub na płycie fotograficznej.

obrazek 22 grudnia 1895 r Roentgen wykonał pierwsze zdjęcie rtg dłoni swojej żony Berty

czas naświetlania wynosił aż ........... 20 minut.

Bezpośrednio po odkryciu promieni X rozpoczynają się intensywne badania nad nimi. W 1896 roku ukazuje się ponad 1 000 publikacji na ten temat. Bardzo szybko zbudowano aparaty służące do diagnostyki medycznej oraz do leczenia promieniami

Diagnostyka

23.01.1896 Pierwsza oferta sprzedaży aparatów Röntgena ukazuje się w wiedeńskiej Nowej Wolnej Prasie.

10.1896 Max Levey-Dorn (1863-1929) otwiera w Berlinie pierwsze w Niemczech, prowadzone przez lekarza, prywatne laboratorium rentgenowskie.

1896/1897 Na Uniwersytecie Wiedeńskim w semestrze zimowym odbywają się pierwsze zajęcia z diagnostyki rentgenowskiej.

1897 Praktykujący lekarz Heinrich Albers-Schönberg (1865-1921) zakłada w Hamburgu instytut rentgenologiczny. Jest on pierwszym lekarzem (specjalistą), który poświęca się tej dziedzinie.

1897 Ukazuje się pierwsze czasopismo rentgenologiczne.

1904 Rudolph Grashey (1876-1950) stosuje lampę rentgenowską w sali operacyjnej.

Leczenie promieniami

11.1896 Leopold Freud (1868-1943) lekarz w wiedeńskim Szpitalu Powszechnym, pierwszy stosuje Röntgena w celach leczniczych. Napromieniowuje dziewczynkę ze zdeformowanym, owłosionym znakiem na szyi i karku.

19.12.1899 Szwedzki rentgenolog Targe Sjögren (1859-1939) prezentuje Towarzystwu Lekarskiemu w Sztokholmie pierwszy przypadek wyleczenia raka podstawnokomórkowego na koniuszku nosa pacjentki za pomocą naświetlań promieniami Röndgena.

1902 Amerykańscy lekarze Nicholas Senn (1844-1909) i William A. Pusey (1865-1940) osiągają u chorych na białaczkę poprawę obrazu krwi przez naświetlanie promieniami Röntgena. W ten sposób rozpoczyna się era terapii głębokiej promieniami X. Ma ona coraz większe znaczenie w leczeniu nowotworów.

Minęło ponad 100 lat... Przez ten okres udoskonalano aparaty rentgenowskie, by były jak najbezpieczniejsze dla pacjentów i osób obsługujących, a zdjęcia nimi wykonywane miały jak największą wartość diagnostyczną. Nowoczesne aparaty rentgenowskie pozwalają na uzyskanie wysokiej jakości obrazu przy czasie naświetlania 0,2 s.

Jednym z najnowocześniejszych jest aparat do wykonywania zdjęć pantomograficznych mający główne zastosowanie w stomatologii. Dawka promieniowania przy zdjęciu pantomograficznym jest porównywalna z dawką promieniowania przy wykonywaniu jednego zdjęcia zębowego. Jeśli chcielibyśmy wykonać zdjęcie wszystkich zębów pojedynczymi zdjęciami zębowymi, pacjent narażony byłby na 12-krotne naświetlanie. Dzięki możliwości wykonania zdjęcia pantomograficznego dawka promieniowania jest 6-8-krotnie mniejsza

Wykonanie zdjęcia pantomograficznego jest dla pacjenta przyjemnym, bezbolesnym i bezpiecznym badaniem. Pacjent siedzi w fotelu, a układ głowica-klisza automatycznie obraca się wokół jego głowy. Ten rodzaj projekcji, ma bardzo duże znaczenie diagnostyczne w całej stomatologii. Na zdjęciu pantomograficznym - poglądowym widoczne są wszystkie zęby, zarówno ich korony jak i korzenie. Ułatwia to bardzo wykrycie próchnicy wczesnej, próchnicy wtórnej pod wypełnieniami, próchnicy korzenia. Istotne jest to, że doskonale widać próchnicę na powierzchniach stycznych zębów, która nie jest dostępna w badaniu klinicznym ani dla oka lekarza, ani dla narzędzi, którymi się on posługuje. Uwidacznia wielkość i lokalizację zmian chorobowych, co pozwala przewidzieć ich przebieg i zaplanować najskuteczniejszy sposób zatrzymania procesu niszczenia kości czyli jest idealnym narzędziem w walce z paradontozą. Zdjęcie pantomograficzne jest nieocenione również w protetyce przy planowaniu uzupełnień protetycznych. Wskazuje, które zęby trzeba koniecznie usunąć, a które wyleczyć zachowawczo lub kanałowo, by mogły spełniać rolę filarów dla przyszłych protez, mostów, koron. Uwidacznia także pozostawione korzenie, które przed podjęciem leczenia protetycznego należy usunąć. Na zdjęciu tym można ocenić ponadto przebieg szczelin złamania żuchwy oraz wstępnie stan zatok szczękowych i stawu skroniowo-żuchwowego. Dlatego w nowoczesnej stomatologii zdjęcie pantomograficzne to najważniejsze badanie dodatkowe, które ułatwia lekarzowi postawienie prawidłowej diagnozy i zaplanowanie leczenia.

Otrzymywanie i właściwości promieniowania rentgenowskiego

Aby otrzymać promienie X należy:

Wybić elektrony z jakiegoś przewodnika
Nadać im odpowiednią prędkość
Zahamować je na płytce metalu

Promienie Roentgena powstają w wyniku hamowania elektronów o dużej energii w płytkach metalowych.

Już pierwsze badania wykazały, że to promieniowanie powstaje w wyniku zahamowania promieni katodowych przez szkło rury. Zbudowano rurę w której dla zahamowania promieni katodowych umieszczono na ich drodze metalową przegrodę - zwaną antykatodą. Promienie katodowe wyrzucane przez katodę o kształci wklęsłej czaszy skupiają się w jednym punkcie antykatody. Na skutek ich bombardowania punkt ten staje się źródłem promieni Roentgena. Promienie te rozchodzą się we wszystkich kierunkach i przenikają przez szklane ściany rury. Tak była zbudowana lampa rentgenowska dawnego typu. Obecnie stosowane są lampy wzorowane na lampie Coolidge`a z 1913 roku. Stanowią one opróżnioną z powietrza bańkę szklaną, do której zostały wtopione dwie elektrody: anoda i katoda. Katoda jest żarzona, dzięki czemu emituje elektrony. Anoda - zwana też antykatodą – wykonana jest z trudnotopliwego metalu np. wolframu. Jeśli między elektrody przyłożymy wysokie napięcie, wówczas pole elektryczne wykonuje pracę nad elektronami, rozpędzają się one i uderzają w anodę, która jest wtedy źródłem niewidzialnego dla oka promieniowania.

Właściwości promieniowania rentgenowskiego:

przenikają przez materię: przechodzą z łatwością przez szkło i płytki z metali lekkich
jest częściowo pochłaniane przez różne pierwiastki- zdolność pochłaniania wzrasta ze wzrostem grubości warstwy i liczby atomowej - dzięki temu znalazły powszechne zastosowanie w diagnostyce medycznej i technice
zaczernia kliszę fotograficzną nawet wówczas, gdy jest owinięta czarnym papierem
jonizuje gazy, przez które przechodzi
rozchodzi się po liniach prostych
nie odchyla się ani w polu elektrycznym, ani magnetycznym- co dowodzi, że nie jest to strumień naładowanych cząstek – czyli może być to fala elektromagnetyczna
niszczy tkanki organiczne- stąd jego zastosowanie w medycynie do sterylizacji oraz terapii niektórych nowotworów (rentgenoterapia)
wywołuje fluorescencję.

Przenikliwość promieni Roentgena zależy – dla tej samej napromieniowywanej płytki – od napięcia elektrycznego między anodą a katodą lampy. Im wyższe jest to napięcie tym przenikliwość promieni jest większa. Promienie Roentgena powstają bowiem w wyniku przemiany energii kinetycznej elektronów w energię promieniowania. Gdy wzrasta różnica potencjałów to wzrasta energia kinetyczna elektronów i na skutek tego otrzymuje się promieniowanie o większej przenikliwości. O promieniach Roentgena, które mają dużą przenikliwość mówimy, że są promieniami twardymi, zaś promienie słabo przenikliwe nazywamy promieniami miękkimi.

Promieniowanie rentgenowskie jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o długości fali zawartej w przedziale od 0,1 pm do ok.50 nm, czyli pomiędzy promieniowaniem gamma a ultrafioletowym. Składa się z dwóch rodzajów widma. Widma liniowego, przy czym energia niesiona przez kwant charakterystycznego promieniowania X wyraża się wzorem:

hv = E₁– E₂ (h - stała Plancka, E₁ i E₂ - energia stanów: początkowego i końcowego elektronu w atomie),

zależnego od rodzaju antykatody. Widma ciągłego - obejmującego wszystkie długości fali, powstającego jako promieniowanie hamowania w procesie oddziaływania cząstki naładowanej z materią np. w lampie rentgenowskiej.

Wytwarzanie promieni rentgena – aparatura rentgenowska.

Aparat rentgenowski składa się z dwóch zasadniczych elementów:

Układu wytwarzającego wysokie, stałe napięcie.
Lampy rentgenowskiej.

obrazek

Schemat aparatury rentgenowskiej (elementy stosowane w pierwszych aparatach rentgenowskich widoczne na rysunku obecnie zastąpiono współczesnymi układami elektronicznymi, ale zasada działania jest dalej taka sama).

Wysokie napięcie (ale zmienne) uzyskuje się dzięki zastosowaniu transformatora. Prawie stałe napięcie uzyskuje się dzięki prostownikom K₁ i K₂ (dawniej lampowym tzw. kenotronów lub mechanicznych) oraz wyrównujących wahania napięcia kondensatorów o dużej pojemności C₁ i C₂ (dawniej butelki lejdejskie). Prąd zmienny o wysokim napięciu przepływa z bieguna transformatora P w pierwszej połowie okresu tylko przez prostownik K₁ ładując kondensator C₁ do potencjału +U; w drugiej połowie okresu prąd przechodzi tylko przez prostownik K₂ ładując kondensator C₂ do potencjału –U. W ten sposób po upływie jednego okresu obydwa kondensatory są naładowane do potencjałów +U i –U, tzn. że różnica potencjałów pomiędzy nimi wynosi 2U. Jest to napięcie przykładane na lampę rentgenowską R.

obrazek

P, Q – bieguny transformatora

K₁, K₂ – prostowniki

C₁, C₂ – kondensatory

R – lampa rentgenowska

Lampy rentgenowskie

Ze względu na różnicę w wytwarzaniu strumienia swobodnych elektronów rozróżniamy dwa typy lamp rentgenowskich: lampy jonowe (obecnie praktycznie już rzadko stosowane) i lampy Coolidge`a.

Lampy jonowe:

obrazek

Składają się z bańki szklanej wypełnionej gazem pod ciśnieniem około 0,002 mmHg, która zaopatrzona jest w katodę K (najczęściej aluminiową) posiadającą kształt zwierciadła wklęsłego, antykatodę A (najczęściej miedzianą), pokrytą warstwą metalu trudnotopliwego np. wolframu, ustawioną pod kątem 45^o do osi lampy, urządzenie regenerujące O służące do powiększania ciśnienia gazu w lampie. Przy dostatecznie dużej wartości napięcia swobodne elektrony (wyrzucone z katody na skutek bombardowania jej przez dodatnie cząstki gazu znajdującego się w lampie) uderzają z dużymi prędkościami w antykatodę doznając gwałtownego zahamowania wskutek czego ich energia związana z ruchem ładunku elektrycznego ( E = eU) staje się źródłem promieniowania elektromagnetycznego o bardzo małej długości fali (rzędu 10-¹⁰m). Energia mechaniczna zostaje zamieniona na energię cieplną. Wydzielona na antykatodzie ilość ciepła jest tak duża, że rozgrzewa się aż do czerwoności. Dlatego musi być ona intensywnie chłodzona, bądź przez specjalne radiatory powietrzne R umieszczone na jej końcu na zewnątrz bańki, bądź też przez chłodzenie wodne.

W czasie pracy lampy zachodzi rozpylanie cząsteczek metalu katody i antykatody co powoduje (poprzez ich silne pochłanianie cząsteczek gazu) zmniejszanie ciśnienia w lampie. Od wielkości ciśnienia w lampie jonowej zależy prędkość elektronów, a więc i ich energia, a zatem i stopień przenikliwości promieni Roentgena. Utrzymanie jednakowej przenikliwości wymaga więc utrzymywania jednakowego ciśnienia gazu w lampie. Zadanie to spełniało tzw. urządzenie regenerujące O. Była to wtopiona w bańkę zamknięta rurka palladowa. Pallad w wysokich temperaturach ma zdolność przepuszczania wodoru. Przez podgrzewanie rurki O płomieniem świecy lub palnika (przez wprowadzanie do wnętrza bańki wodoru pobieranego z otoczenia) można podtrzymać odpowiednie ciśnienie. Jest to jednak bardzo kłopotliwe a regulacja ciśnienia tylko w niewielkim zakresie. Ponieważ dla celów diagnostyki medycznej konieczny jest duży zakres przenikliwości promieni Roentgena, co daje się osiągnąć tylko przez posiadanie kompletu lamp jonowych (o różnych ciśnieniach wewnątrz bańki) – co z kolei jest dość kosztowne.

Obecnie lampy jonowe praktycznie nie są stosowane. Można je jeszcze czasami spotkać w pracowniach fizycznych gdzie jako cenny zabytek służą celom dydaktycznym.

Lampy Collidge`a:

obrazek

Wyłącznie dzisiaj stosowane, w których pozyskiwanie elektronów odbywa się bez udziału wysokiego napięcia dzięki zjawisku termoemisji (wyswobodzenie elektronów następuje przez rozżarzenie drucika spiralki katody). Wysokie napięcie służy tylko do uzyskania dużych prędkości elektronów, które zahamowane na antykatodzie dają promienie Roentgena. Ciśnienie w lampach tego typu jest bardzo niskie (rzędu 10-⁹ mmHg). Natężenie strumienia elektronów, a więc i natężenie promieni Roentgena regulujemy natężeniem prądu żarzenia drucika katody. Przenikliwość tych promieni ustalamy przez zmianę wysokiego napięcia na rurze. Dysponując tylko jedną lampą bardzo łatwo zmieniamy właściwości promieni w bardzo szerokich granicach. Do rozżarzenia katody wystarcza zastosować prąd zmienny uzyskiwany ze źródła o niskim napięciu (4 – 8 V). By uniknąć rozpraszania elektronów otacza się spiralę katody pierścieniem metalowym.

Ścianki powszechnie stosowanych lamp posiadają okienka przepuszczające promieniowanie rentgenowskie, podczas gdy pozostała część pochłania całkowicie to promieniowanie zmniejszając do minimum niebezpieczeństwo szkodliwego działania promieni dla personelu obsługującego.

Polecane linki:

Muzeum Politechniki Opolskiej i lamp rentgenowskich