Направи дарение на училище!

Автор: Христо Делев

През 1896 г. германксия физик Вилхелм Рьотнген открива нов вид лъчения. Ескпериметирайки с катодни тръби, той открива, че по някаква причина бариевите кристали, които са били доста далеч от тръбата, светят в тъмното. След като изключил тръбата, сиянията изчезнали. Също така той прави извода, че това неизвестно лъчение е проникващо. То прониквало през алуминиевото фолио и достигало до стената на лабораторията, където се намирали бериливите кристали. Той кръстил това неизвестно дотогава лъчение „Х-лъчение“, което по-късно е наименувано в негова чест – рентгеново лъчение.

Разбери повече за БГ Наука:

***

         По-късно, заинтересован от това откритие, френският учен Анри Бекерел решил да направи експерименти, за да провери дали флуороресциращи вещества, подложени на силна слънчева светлина ще излъчват рентгенови лъчи. За целта той взел парче уранова руда, която увил в тъмна хартия, за да нямат слънчевите лъчи достъп до нея. Тази руда, обаче, се оказала в близост да фотограска плака, поставена и забравена в чекмеджето на бюрото му. За негова изненада се оказало, че плаката била вече облъчена. Той повторил експеримента и с други соли на урана, както и със соли, несъдържащи уран. Той открил, че плаката е облъчена само в случаите, когато солта, която е била в близост до нея, съдържала уран. Така той разбира, че плаката се осветява не от Слънцето, а от самата сол. По този начин той открил нов вид лъчение.

         Година по-късно Мария Кюри открива, че торият също е изтичник на подобно лъчение. Тя го нарича радиоактивно лъчение, а самият процес на излъчването му радиоактивност (от латинска дума за лъч – radius). За тези си открития, тримата учени получават съответно нобелови награди както следва:

         -през 1901 г. Вилхелм Рьонтген за изключителните му заслуги, които оказал чрез откриването на новите лъчи, по-късно наименувани в негова чест;

         – през 1903 г. Анри Бекерел си поделя наградата заедно с Мария и Пиер Кюри за откриването на естествената радиоактивност, както и за изключиелните им заслуги от нейното изучаване. 

Какво всъщност е радиоактивността? Това е процес на спонтанно делене на нестабилните ядра на тежки или енергийно нестабилни елементи, при който те излъчват частици или фотони, като се отделя и енергия. Майчините ядра се превръщат в ядра на нови елементи или остават атомите на същия елемент, но вече не е във възбудено състояние. Съществуват три основни вида радиоактивни превръщания – алфа, бета и гама, при които се отделят частици или фотони.  Тези частици взаимодействат по различни начини с веществото, предизвиквайки възбуждане на атомите или йонизация. Според наредба 2 от 2018 г за условията и реда за работа в среда с йонизиращи лъчения, йонизиращи лъчения са тези, които са с дължина на вълната под 100 nm. Йонизиращите лъчения имат достатъчна енергия, за да избият електрони от най-външните електронни слоеве, причинявайки йонизация или разкъсвайки връзки. Основните ползи и вреди от йонизиращите лъчения са разгледани подробно в статията „Какви са ползите и вредите от радиацията“. Тук ще разгедаме накратко основните ползи и вреди, като ще наблегнем на приложението им медицината.

         Разбира се, една от най-големите вреди, породени от йонизиращите лъчения, е йонизирането на атомите в тялото ни , както и разкъването на веригата на ДНК. Следствие от това е лъчево индуцираният рак. При малки погълнати дози е възможно само клетките да се увредят, но повредата да бъде лека и да бъде превъзмогната от организма. Пример за такова увреждане е слънчевото изгаряне. При него се появяват типичните лъчеви реакции като почервеняване и лющене на епитела и смърт на епителните клетки. Обаче, енергията на ултравиолетовите лъчи и достатъчно ниска, за да не предизвика лъчево индуциранн рак, при умеренно излагане на слънце. Разбира се, при продължително стоене на слънце е възможна появата на кожни карциноми, първоначално доброкачествени, в последствие преминавайки към злокачествени.

         От друга страна, йонизиращите лъчения имат ползи и приложения в медицината. Едно такова приложение е лъчелечението на доброкачествени и злокачествени карциноми. При него се цели убиване на раковите клетки чрез йонизиращи лъчения ( електрони, фотони, протони) като се цели максимално запазване на здравите тъкани. Йонизиращите лъчения също намират проложение и в образната диагностика, благодарение на която има възможност за наблюдение на вътрешните органи на пациента. На базата на тяхното поглъщане от тъканите се прави реконструкция на анатомията на пациента и е възможно диагностицирането на заболявания, на практика невидими с просто око. Благодарение на детектирането на йонизиращи лъчения е възможно да се наблюдава и функционирането на органите. Нуклеарната медицина е клон на медицината, който се занимава с инжектирането на радиофармацевтик (съединение, съдържащо определено количество радиоактивно вещество с определена активност от порядъка на милиони разпания за секунда (MBq)). Тези вещества се натрупват в органите, предиммно в тези с голяма метаболитна активност, както и бъбреците и пикочния мехур. На база на тази активност може да се направи анализ на функционирането на органите. В следващите редове ще разгледаме по-подробно основите на трите направления в медицината, които използват йонизиращи лъчения.

         Образната диагностика е дял от медицината, който използва рентгенови лъчи, чрез които се облъчва пациента. Базирайки се на поглъщането и детектирането от фотоплаката или детектора, може да се направи снимка на вътрешните органи. Пример за това е рентгеновата снимка. Рентеновите лъчи се получават при бомбардирането на волфрамова мишена с ускорени електони. Електроните се излъчват от т.нар. електронна пушка. Тя се загрява до около 1500о С, при което се отделят електрони под действието на термоекетронна емисия, Те се ускоряват под действието на приложеното електрично поле към анода. Енергията, която те придобиват зависи от приложеното ускоряващо напрежение. Например при ускорявашо напрежение от 70 kV, номиналната енергия ще е 70 keV.

На фиг. 2 ясно се виждат разликите в поглъщането на рентгеновото лъчение. Първото което се забелязва е контрастът между белите дробове и костите. Основно правило е, че колкото по-плътна е дадена анатомична структура, толкова по-бяла ще изглежда тя на рентгеновата снимка. Това се дължи на по-малкият интензитет на преминалото лъчение и съответно по-малко количество детектирани фотони. От друга страна, колкото по-малка е плътността на дадена анатомична структура, толкова по-тъмна ще изглежа тя на изображението. В случая с тази снимка се виждат нормални бели дробове, кости и меки тъкани. Но ако има някакъв проблем, то той би бил видим. Например, при силна болка в гърдите, начинът да се разбере дали костта е счупена е чрез правене на снимка. В образната диагностика също е възможно да се правят серия от снимки, чрез облъчването на пациента по неговата дължина. В този случай се използва специализиран апарат, наречен компютърен томограф.

         Компютърният томограф е устройство за заснемане на триизмерни изображия на вътрешните органи на пациета. Идеята е същата както и при правенето на рентгенови снимки, но с разликата, че при тази техника пациентът се облъчва от всички страни. Теоретичните разработки върху реконструирането на образа са разрабтени от Стефан Качмарц и Алан Камрак. По-късно тази тероия е адаптирана от Годфри Хаунсфийд като метод за получаване на образа. Едни от основните предимства на компютърната томография са високият контраст между меките тъкани и костите. Друго предимство е високата пространствена разделителна способност. Голямо предимство на компютърната томография е възможността за заснемане на движението на вътрешните органи в реално време (4D) сканиране. За оценка на плътността на тъканите се използават т.нар хаунсфийлдови единици, които представляват трансформация на коефициента на поглъщане на средата в такъв, при който радиоплътността на водата при нормални условия е 0, а тази на въздуха е -1000. Колкото по-плътна е дадена среда, толкова по-високи са хаунсфийлдовите единици. Както споменахме по-горе, стойността на хаунсфийлдовите единици за  водата е 0. Знаем, че мазнините са с по-малка плътност от тази на водата, следователно, техните хаунсфийлдови единици ще са по-ниски. Обикновено, те са около -80. За костите идеята е точно обратната – те са с по-голяма плътност и следователно са с по-високи хаунсфийдови единици.Обикновено те са около 300. Знаем, че зъбите са едни от най-плътните структури в човешкото тяло и техните хаунсфийлдови единици достигат до 1000.

         Компютърният томограф се състои от гентри, в което са поместени рентгеновата тръба и детекторите, както и пациентска маса. Самото гентри е кръгло, а през него минава пациентската маса. На фиг. 3 е показан компютърен томограф. Първоначално, компютърните томографи са се използвали само от 1 тесен ветрилообразен сноп рентгенови лъчи и един детектор. Системата изпълнява ротационно-транслационни движения и самото сканиране отнемало около 5 мин. Съвременните компютърни томографи използват широк ветрилобразен сноп и срещуположни детектори, като системата изпълнява ротационно-транслационни движения. Ротационно-транслационни движения означават, че масата се движи независимо от въртенето на гентрито. Има и вариант, при който масата се движи, докато гентрито се върти и в този случай говорим за спираловидно движение. 

Друго приложение на йонизиращите лъчения е в онкологията за лечение на доброкачествени и злокачествени заболявания. При тази специалност се използват високоенергийни заредени частици като електрони, в редки случаи протони и тежки частици, както и високоенергийно фотонно лъчение. Тук говорим за енергии от порядъка на 6 до 25 MeV. За да бъде облъчен правилно пациент с максимално увреждане на злокачествените ракови клетки и максимално щадене на здравите тъкани, трябва да се направи план за лечението на пациента. Всеки един план е специфичен за всеки един пациент.

         В основата си, планирането на лъчелечението е в няколко етапа, като за лечението се работи в екип от лекар, медицински физик, рентгенов лаборант и медицинска сестра. А самото планиране и лечение е разелено на няколко етапа. Като начало нека започнем с това кои области и тъкани трябва да бъдат облъчени и кои запазени.

         За да се определи кои области трябва да бъдат облъчени първо трябва да се направи скенер на самия пациент, върху който се очертават критичните органи ( които трябва да бъдат запазени), както и обемите, които трябва да получат цялата доза. Дефинират се няколко обема – същински туморен обем (GTV), клиничен туморен обем (CTV), планиран туморен обем (PTV) и критични органи (OAR). Същинският туморен обем е този обем, който обхваща раковите клекти и същинския тумор. Той може да се състои от първично огнище, както и метастази на заболяването. Клиничният туморен обем е този, който обхваща GTV, както и разпростиращите преполагаеми злокачествени клетки. Също така CTV дава и граници на сигурност относно неточности при локализирането и вариациите в геометрията на тумора. Планираният туморен обем обхваща CTV като неговата роля вече е чисто геометрична. Неговата идея е да се дадат граници на сигурност, при които се взима предвид както нетоността при локализирането на анатомията на пациетна, така и неточности при позиционирането на пациента и неточности, дължащи се на самия апарат. Критичните органи се тази органи, които могат сериозно да повлияят на планирането или на предписаната доза.

Цялата статия, както и други подобни, можете да прочетете в Брой 168 на списанието.

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!