Powstawanie promieniowania RTG w aparatach rentgenowskich
W poniższym wpisie, chcielibyśmy bez wgłębiania się w zawiłe i skomplikowane aspekty techniczne, omówić jak właściwie powstaje promieniowanie rtg stosowane w aparatach RTG. Technologia ta towarzyszy nam już od ponad 100 lat, a aparat rtg, który jest wynikiem jej ewuolucji przebył fascynującą drogę rozwoju do czasów współczesnych.
Historia promieniowania rtg
Promieniowanie rentgenowskie jest jak wiadomo powszechnie stosowane w diagnostyce obrazowej. Swoją nazwę zawdzięcza nazwisku swojego odkrywcy. Niemiecki naukowiec Wilhelm Retgena, odkrył je w 1895r. i został dzięki temu pierwszym w historii laureatem nagrody Nobla z fizyki. Swoje odkrycie nazwał wówczas promieniowaniem X i do dzisiaj jest to często spotykany synonim promieniowania rentgenowskiego. Powszechne w literaturze pierwsze zdjęcie rentgenowskie przedstawia dłoń żony wynalazcy. Jedna z anegdot głosi, że naukowiec bał się nieznanego wówczas wpływu promieni X na organizm, dlatego posłużył się dłonią żony, a nie swoją własną.
Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem elektromagnetycznym tak jak m.in. mikrofale, fale radiowe czy światło widzialne. Charakteryzuje się częstotliwością z zakresu między ultrafioletem, a promieniowaniem gamma (promieniowanie powstające m.in. w reakcjach jądrowych, także wykorzystywane w medycynie – diagnostyce i terapii onkologicznej).
Skąd bierze się promieniowanie rtg?
Jego źródłem w rentgenodiagnostyce jest lampa rentgenowska. Składa się ona z dwóch elektrod – katody i anody umieszczonych w szczelnej obudowie. Przez katodę przepływa prąd o bardzo dużym natężeniu. Na skutek tego katoda nagrzewa się do temperatury kilku tysięcy stopni i z jej powierzchni odrywane są elektrony Takie zjawisko nazywamy termoemisją elektronów. Napięcie, które przyłożone jest do katody i elektrody wynosi nawet 100 tysięcy woltów. Oderwane z katody elektrony trafiają do pola elektrycznego między katodą i anodą w którym są przyspieszane. Z ogromną prędkością trafiają na anodę. To właśnie w tym miejscu, na skutek oddziaływania elektronów z atomami anody – powstaje promieniowanie rtg.
Anoda z uwagi na bardzo duże prądy, zbudowana jest w materiału o dużej gęstości i wytrzymałości. Elektrony, które na nią trafiają tracą swoją energię. W zależności od tego jak blisko jądra atomów anody „przelatują” elektrony, tracą ją niemal całkowicie lub prawie wcale. W fizyce tak powstałe promieniowanie nazywa się promieniowaniem hamowania. – im bliżej jądra przelatuje elektron tym silniej jest przez nie wyhamowywany. Emitowane kwanty promieniowania hamowania mają w związku z tym różne energie.
Nie jest to jedyny proces w którym w lampie rentgenowskiej powstaje promieniowanie X. Elektrony mogą nie tylko wyhamować w materiale anody, ale też wybić z jej atomów elektrony znajdujące się na wewnętrznych powłokach elektronowych. Tak wybity elektron, pozostawia po sobie puste miejsce, na które przeskakuje elektron z wyższej powłoki. Takiemu przejściu elektronu, towarzyszy emisja kwantu promieniowania X o energii równej różnicy między poziomami energetycznymi zajmowanymi przez elektrony. Ponieważ energia ta jest charakterystyczna dla atomów danego pierwiastka, tego typu promieniowanie nazywamy promieniowaniem charakterystycznym. Ten rodzaj promieniowania X ma również istotne zastosowanie mimo, że powstaje go znacznie mniej niż promieniowania hamowania. Promieniowanie charakterystyczne stosuje się w mammografii, a promieniowanie hamowania – w klasycznej rentgendiagnostyce.
Działanie anody w lampie rtg w aparatach rtg
Warto tutaj omówić szerzej działanie anody w lampy rtg, zwłaszcza w kontekście oferowanych na rynku aparatów RTG. W przypadku aparatów RTG śródoperacyjnych z ramieniem C spotyka się modele wyposażone w lampy rtg z anodą wirującą lub stacjonarną (w ofercie naszej firmy znajdują się oba warianty). Anoda ma kształt wyprofilowanej tarczy (jak odwrócony talerz) na którą pada wiązka elektronów silnie ją nagrzewając. Jeżeli tarcza ta się porusza, czyli anoda jest wirująca, a nie stacjonarna – elektrony nie trafiają cały czas w to samo miejsce, więc znacznie zwiększa się obszar na który padają elektrony. Krótko mówiąc taka anoda może „przyjąć” znacznie więcej ciepła niż anoda stacjonarna. Dlatego w aparatach w których występują duże prądy np. stacjonarne aparaty kostno-płucne, aparaty przyłóżkowe czy bardziej zaawansowane aparaty z ramieniem C – występują lampy z wirującą anodą. Oczywistą zależnością jakości lampy jest oczywiście cena aparatu rtg.
A jakie ma znaczenie prędkość wirowania anody z czym często możemy spotkać się przeglądając specyfikację stacjonarnych aparatów kostno-płucnych? Lampy RTG dostępne na rynku charakteryzują się anodami, które wirują z prędkością minimalną 3000 obrotów na minutę do maksymalnie 10 000 obrotów na minutę w bardziej zaawansowanych systemach rtg. Ponieważ sam strumień elektronów jest bardzo szybki, to przy maksymalnej prędkości wirowania anody nagrzewająca się powierzchnia jest znacznie większa niż w przypadku małej prędkości wirowania, a tym samym czasie ekspozycji.
Kolejnym istotnym parametrem, który charakteryzuje lampy rtg i związany jest z powstawaniem promieniowania, jest ognisko lampy. Miejscem powstawania (czy inaczej ogniskowania elektronów) promieniowania rtg jest właśnie ognisko lampy – a jego rzut geometryczny na płaszczyznę, który ma kształt prostokątny, to podanawane w każdej specyfikacji lampy – ognisko rtg o danym rozmiarze równym długości boku tego prostokątnego rzutu. Wielkość ogniska jest dostosowana do konkretnego zastosowania. Najmniejsze ogniska (nawet 0,1 mm) stosowane są w mammografii, te największe (najczęściej 1,2 mm), ze względu na swoją wydajność – w badaniach kostno-płucnych czyli aparatach stacjonarnych.
Parametry uzyskanego promieniowania rentgenowskiego zależą od natężenia prądu i napięcia w lampie rentgenowskiej. Im większe napięcie między elektrodami tym bardziej elektrony są rozpędzane. Wzrasta więc ich energia kinetyczna, która następnie przekształca się w energie promieniowania hamowania. Większa energia promieniowania to nic innego jak większa łatwość w przechodzeniu przez badaną strukturę anatomiczną. Jeżeli np. pacjent jest otyły, zwiększamy napięcie na lampie RTG, a co za tym idzie energię wytwarzanego promieniowania, które ma tym samym możliwość przedostania się przez pacjenta i trafienie na rejestrator obrazu.
Z kolei gdybyśmy zwiększali natężenie prądu w lampie rentgenowskiej, to zwiększalibyśmy tym samym liczbę ładunków, czyli elektronów przepływających między elektrodami. Większa ilość elektronów oznacza większą ilość „wyprodukowanego” promieniowania X. Dzięki temu wytworzony obraz ma odpowiednie zaczernienie. Zbyt mała ilość promieniowania powoduje, że obraz jest blady, z kolei zbyt duża – stanowczo zbyt czarny aby był przydatny w diagnostyce. Często cena aparatu rtg jest wyznacznikiem wysokiej jakości proporcji powyższych czynników.
Podsumowanie
Najważniejszą własnością promieniowania X jest jednak to, że w różnym stopniu jest pochłaniane przez różne struktury anatomiczne człowieka. Dlatego właśnie jest takie użyteczne w diagnostyce medycznej. Promieniowanie przechodzi przez pacjenta przy czym jest bardziej pochłaniane przez kości niż przez tkanki miękkie. Pod pacjentem umieszcza się detektor obrazu, który obecnie ma najczęściej postać detektora cyfrowego. W największym uproszczeniu, taki detektor rejestruje zmiany ilości promieniowania X, które przechodząc przez tkanki o różnej grubości i gęstości są w różnym stopniu przez nie absorbowane. Odzwierciedleniem takiego zróżnicowania jest znane każdemu zdjęcie rentgenowskiego utworzone z obszarów o różnym zaczernieniu.
Redakcja KOSMED
