Рентген является очень важным инструментом визуализации, используемым во всём мире. Первоначально использовавшийся для съёмки костей, рентген спас несчётное количество жизней и помог совершить множество открытий.
Схема прохождения рентгеновских лучей через тело человека при исследовании сердца
Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения; они вырабатываются, когда заряженные частицы (электроны или ионы) с достаточной энергией соударяются с материалом.
На протяжении многих лет учёные выражают озабоченность по поводу влияния рентгеновских лучей на здоровье; всё-таки эти лучи оказывают радиационное облучение пациента. Но оправдывают ли предоставляемые ими преимущества имеющийся риск их применения?
В настоящей статье мы обсудим, что такое рентгеновские лучи, как они используются в медицинской науке и какова степень вызываемого ими риска.
Коротко о рентгеновских лучах
Вот несколько ключевых сведений о рентгеновских лучах.
- Рентгеновские лучи представляют собой разновидность радиации.
- Мы ежедневно подвергаемся облучению космическими лучами и радиацией от других источников.
- Рентгеновское излучение считается канцерогенным.
- Разные рентгеновские процедуры производят разные уровни облучения.
- Преимущества использования рентгеновских лучей в медицинской диагностике патологий организма перевешивают потенциально негативные факторы.
- Открытие этого вида излучения приписывается Вильгельму Рентгену.
- Впервые для медицинских целей рентгеновские лучи были опробованы на маленьком мальчике, у которого было сломано запястье.
- Компьютерная томография (КТ) даёт более высокий уровень облучения, чем все другие виды рентгеноскопии.
Вильгельм Рентген (1845-1923)
Вильгельм Рентген считается первооткрывателем данного вида лучей. Всего через несколько недель после того, как была открыта возможность получать изображения костей с их помощью, рентгеновские лучи стали использоваться для медицинских нужд.
Первым, на ком были применены рентгеновские лучи в медицинских целях, был юный Эдди МакКарти из Ганновера, который во время катания на коньках на реке Коннектикут зимой 1896 года упал и сломал кисть левой руки. Каждый живущий на нашей планете подвергается некоторой дозе радиационного облучения в своей повседневной жизни. Радиоактивные вещества естественным образом присутствуют в воздухе, почве, воде, камнях и растениях. Крупнейшим источником естественной радиации для большинства людей является газ радон.
Кроме того, Земля постоянно подвергается бомбардировке космической радиацией (космического ионизирующего излучения), которая включает в себя и рентгеновские лучи. Эти лучи не безвредны, но укрыться от них нельзя, а уровень их радиации настолько мал, что можно ей пренебречь.
Пилоты, бортпроводники и космонавты больше подвержены риску облучения более высокими дозами радиации, поскольку по мере увеличения высоты возрастает и мощность космической радиации. Но есть всего несколько исследований, в которых отслеживается связь между работой в авиации и космонавтике с повышенной подверженностью раковым заболеваниям.
Применение рентгеновских трубок в промышленности, науке и безопасности
Для определения дефектов и неоднородностей в материалах используют просвечивание рентгеновским излучением – рентгенодефектоскопия. Рентген аппараты для дефектоскопии бывают стационарные или передвижные и имеют большую мощность. Например, на производстве металлических конструкций используются рентгеновские трубки с напряжением 150-400 кВ и более. Увеличение напряжения позволяет снизить время экспозиции, что важно при просвечивании конструкций значительной толщины.
Для определения строения и состава веществ используют рентгеноструктурный анализ. Трубки для такого анализа дают кроме тормозного излучения еще и интенсивное характеристическое излучение. Их мощность обычно невысока.
Научное применение рентгена заключается в определении атомно-молекулярной структуры веществ, расшифровке структура молекул.
С помощью рентгеновского излучения обеспечивается безопасность в аэропортах и на таможне – грузы и багаж просвечиваются для определения их содержимого.
Типы рентгеновской диагностики
Чтобы сделать рентгеновский снимок, пациент сам (или его исследуемая часть тела) располагается перед рентген-приёмником, и просвечивается короткими импульсами рентгеновского излучения. Поскольку кости содержат много кальция – химического элемента с большим атомным числом – рентгеновские лучи в них поглощаются, что отображается белым цветом на получающемся снимке. Любые газы в тканях, например, в лёгких, показываются на снимке как тёмные области, поскольку поглощение лучей газами относительно низкое.
Рентгенография
Наиболее привычный для нас вид рентгеновской визуализации. Используется для получения снимков сломанных костей, зубов и грудной клетки. В рентгенографии используется малый уровень радиации. Для анализа распечатанных на пленке снимков, как правило, используется негатоскоп.
Рентгенографический комплекс General Electric
Рентгеноскопия
Её можно сравнить с «кинематографическим эквивалентом» рентгенографии. Врач-рентгенолог может просматривать рентгеновское изображение пациента в движении в режиме реального времени, и при необходимости делать статичные снимки. Этот вид диагностики может быть использован для изучения активности кишечника, для чего необходимо принять пищу, содержащую барий. В флюороскопии используется более высокая радиация, чем в рентгенографии, но и тут уровень радиации остаётся относительно небольшим.
Рентгеноскопический комплекс Philips
Компьютерная томография (КТ)
Больной лежит на столе, который въезжает в кольцеобразный сканер. Веерообразный пучок лучей проходит через тело пациента и попадает на множество датчиков. Пациент медленно проезжает сквозь сканер, так что при сканировании получается ряд поперечных снимков его тела («срезов»), на основе которых формируется трёхмерное изображение. При этой процедуре используется самый высокий уровень радиации по сравнению с остальными вариантами рентгеновской визуализации, поскольку за один раз делается сразу большое количество снимков.
Компьютерный томограф Siemens
Использование рентгеновских трубок в медицине
В медицине рентген лучи применяются для следующих целей:
- диагностика различных заболеваний;
- лучевая терапия.
Рентгенодиагностика
Самым первым методом диагностики была рентгеноскопия. Рентгеновское излучение, проходя через тело человека, попадало на специальный флюоресцирующий экран, на котором проецировалось изображение в реальном времени. Данный метод сопровождался большой лучевой нагрузкой на пациента и не позволял врачу в последствие вновь просмотреть результаты диагностики.
Для решения этой проблемы появилась рентгенография – изображение проецировалось на фотопленку, которая потом проявлялась и позволяла тщательно изучить органы и ткани пациента на просвет. Но в связи с тем, что рентгеновские лучи невозможно сфокусировать линзами, изображение получалось большим, и требовалась большая по площади фотопленка.
Для уменьшения материальных затрат был разработан метод флюорографии – излучение проецировалось на флюоресцирующем экране, как в рентгеноскопии, а потом фотографировалось обычным фотоаппаратом. За счет этого можно делать рентгеновские снимки меньшего размера, что позволило снизить стоимость обследования и проводить массовые профилактические осмотры легких у населения.
После широкого распространения компьютеров им нашли применение м в медицине. Теперь изображение формируется без фотопленки – в виде цифрового изображения, которое можно обрабатывать программно и получать более четкие данные.
Так компьютерная томография позволяет получить послойные изображения тела человека за счет движения рентгеновской трубки вокруг пациента, далее обработать их, реконструировать в 3D и проанализировать. При этом лучевая нагрузка на современных КТ томографах очень низкая и позволяет проводить исследования так часто, как это необходимо по медицинским показаниям.
Современная рентгеноскопия тоже претерпела изменения – теперь флюоресцирующий экран не используется. Вместо него используется усилитель рентгеновского изображения и электронно-оптический преобразователь, а изображение отображается на мониторе. Данные можно сохранить на компьютере и использовать для последующего анализа.
Рентген трубки применяются для проведения маммографии – неинвазивного исследования молочной железы на новообразования.
Все эти методы диагностики требуют разного подхода к рентгеновским трубкам. Так, например, трубки для КТ должны иметь устойчивость к большой центробежной силе, увеличенную теплоемкость до 8 миллионов тепловых единиц и увеличенный ток накала до 400 мА – для продления срока службы трубки и возможности проведения исследований пациентов с большой массой тела.
Стандартные трубки для рентгеновских аппаратов не подходят для проведения маммографии. Трубки для маммографов имеют пиковые напряжения 20-35 кВп (киловольт в пике), значения фокуса 0,1 мм/0,3 мм и молибденовую или родиевую мишень, тогда как у обычных трубок эти показатели составляют 40-150 кВп, фокусное пятно 0,6 мм/1,0 мм/1,2 мм, а мишень изготавливается из вольфрама.
Рентгенотерапия
Рентгеновское излучение за счет своего поражающего воздействия на биологические ткани применяется для лечения злокачественных опухолей. Различают две разновидности рентгенотерапевтических аппаратов, трубки для которых будут соответственно отличаться:
- короткофокусные – энергия излучения составляет от 10 до 60 кВ, глубина проникновения до 6—7,5 см;
- аппараты для глубокой рентгенотерапии — энергия излучения в диапазоне от 100 до 250 кВ, расстояние для облучения составляет от 30 до 60 см.
Для ограничения излучения у трубок применяют кожухи с цилиндрическими или прямоугольными тубусами и разными размерами выходного окна.
Риски, связанные с рентгеновскими лучами
Рентгеновское излучение может вызывать мутации в нашей ДНК и, тем самым, может привести к онкологическим заболеваниям в дальнейшем. По этой причине рентгеновское излучение классифицируется как канцерогенное всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Однако, неоспоримые преимущества рентгеновской диагностики перевешивают возможные негативные последствия её применения.
По некоторым оценкам, около 0,4% случаев раковых заболеваний были вызваны именно компьютерной томографией. Некоторые учёные полагают, что уровень заболеваемости по этой причине будет возрастать одновременно с увеличением популярности использования этого вида диагностики.
Согласно исследованиям, к 75-летнему возрасту риск заболевания раком возрастает за счёт проведения рентгеновских процедур незначительно, всего лишь на 0,6 – 1,8%. Иными словами, риски минимальны в сравнении с пользой от использования рентгеновских лучей для медицинской визуализации.
У всех рентгеновских процедур есть разные степени связанного с ними риска, который зависит от типа процедуры, а также от того, какая повреждённая часть тела подвергается исследованию. В приведённом ниже списке показываются некоторые рентгеновские процедуры и сравниваются дозы радиации по отношению к нормальному повседневному радиационному фону.
- Обследование грудной клетки – 2,4 суточные дозы естественного фона.
- Обследование черепа – 12 суточные дозы естественного фона.
- Обследование поясничного отдела позвоночника – 182 суточные дозы естественного фона.
- Внутривенная урограмма – 1-летняя доза естественного фона.
- Обследование верхних отделов желудочно-кишечного тракта – 2-летняя доза естественного фона.
- Ирригоскопия – доза естественного фона за 2,7 года.
- Компьютерная томограмма головы – 243 суточные дозы естественного фона.
- Компьютерная томограмма брюшной полости – доза естественного фона за 2,7 года.
Примечание:
здесь приведены показатели радиации для взрослых; дети более чувствительны к радиации!
Применение рентгеновской компьютерной томографии в многопрофильной клинике
Григорьева Е.В., Хуторной Н.В., Солодов А.А., Крылов В.В.
Лучевая диагностика – неотъемлемый этап обследования пациента как на этапе диагностики, так и при подготовке к хирургическому вмешательству, а также при оценке эффективности назначенного лечения. Современные диагностические методики позволяют за короткое время получить достоверные данные о структуре и функции практически любого органа человека.
Поскольку все использующиеся сегодня радиологические методики задействуют волновое излучение, для их описания используется термин «лучевая диагностика». Началом эры лучевой диагностики можно считать 8 ноября 1895 года. В этот день произошло открытие рентгеновских лучей – позже, в 1901 г., за это Рентгену будет присуждена первая в истории Нобелевская премия по физике.
Первые рентгеновские изображения напоминали фотографии, и общественность восприняла их с энтузиазмом. Спустя полгода после публикации Рентгена уже появились изображения египетских мумий из музеев Вены и снимки костей конечностей, а авторитетные врачи советовали всем желающим увидеть изображение своего мозга. Современные Рентгену хирурги быстро нашли применение новому излучению для обнаружения инородных тел в организме пациента и в диагностике конкрементов мочевыделительных путей. В 1896 году доктор Henry W.Cattel из Университета Пенсильвании писал: «Хирургическое воображение может легко потеряться в бесконечных возможностях применения этого замечательного метода».
В России Х-лучи уже в 1896 году были названы рентгеновскими, возможно, по инициативе одного из учеников Рентгена – А.Ф. Иоффе. Первый рентгеновский аппарат был сконструирован А.С. Поповым в 1896 г., а в марте того же года профессор Н.В. Склифосовский начал регулярно использовать Х-лучи для диагностики переломов костей скелета.
Рис.1. Рентгеновский снимок руки анатома Альберта фон Кёликера, сделанный Рентгеном во время доклада об открытии 28 декабря 1895 года в Физическом институте Вюрцбургского Университета
В 1897 году появились первые сообщения о заболеваниях, связанных с неконтролируемым использованием рентгеновского излучения. Просвинцованные защитные костюмы из свинца со временем стали неотъемлемой частью оборудования любого рентгеновского кабинета.
Согласно нормативам, сегодня суммарная эффективная доза облучения для здорового человека, проходящего профилактические обследования, не должна превышать 1мЗв в год.
Рис.2. Защитный костюм фельдшера рентгеновского кабинета, около 1918г.
Как и во времена Рентгена, сегодня по данным рентгенографии верифицируют переломы костей черепа, позвоночника и скелета, расхождение черепных швов, инородные тела, первично обызвествленные образования, скопление воздуха в полости черепа, в плевральной и брюшной полостях, патологию придаточных пазух носа, конкременты мочевыводящих путей и многие другие заболевания. Однако, несмотря на небольшую себестоимость и доступность рентгенологического метода, он отступает на второй план из-за низкой контрастности и невозможности визуализировать изменения мягких тканей. На смену классической рентгенографии приходит рентгеновская компьютерная томография.
Рентгеновская компьютерная томография (КТ) вошла в клиническую практику в 70-х годах прошлого века. Метод основан на послойном поперечном сканировании объекта тонким пучком рентгеновских лучей. Ткани организма по-разному абсорбируют излучение, и на основе этих различий можно построить изображение.
Теоретическую основу компьютерной томографии разработал A. MсCormak в 1956-1973гг, а сотрудник центральной научной лаборатории EMI Ltd G.N.Hounsfield сконструировал первый работающий вариант сканера. В 1979г. оба ученых были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
Рис.3. Первый рентгеновский компьютерный томограф EMI Mark I и первый аксиальный срез вещества головного мозга у женщины с внутимозговой опухолью, полученный 1 октября 1971г. (опухоль указана стрелкой)
Сегодня насчитывается 5 поколений компьютерных томографов, которые отличаются по характеру движения сканирующего устройства, виду пучка излучения и числу детекторов. Начиная с III поколения в КТ используется спиральная технология сканирования, при которой во время движения стола рентгеновская трубка и детекторы (либо только трубка) вращаются вокруг тела пациента на 360°. За одно вращение трубки можно получить от 16 до 360 срезов, что позволяет сканировать большие объемы за короткое время и с высоким пространственным разрешением. Например, можно получить одновременное изображение брахиоцефальных и интракраниальных артерий на фоне внутривенного болюсного контрастного усиления с высоким качеством визуализации сосудов диаметром до 1-2мм, что используется для оценки функционирования сосудистых анастомозов либо при распространённых стенозах внутренней сонной артерии и ее ветвей.
При спиральном сканировании в зависимости от области исследования доза эффективного облучения уменьшается до 88%, а максимальный объем сканирования увеличивается до 80-160см. Это позволяет производить onco check-up – сканирование головного мозга, шеи, органов грудной клетки, брюшной полости и малого таза за одно исследование у пациентов с опухолями и подозрением на метастатическое поражение. Внутривенное болюсное введение контрастного вещества с высокой скоростью помогает получить раздельное изображение артериальной, венозной и отсроченной фазы контрастирования и определить питающие сосуды опухоли, дифференцировать различные типы опухолевых образований, оценить распространенность и объем инвазии. По итогам исследования в клинике можно получить консультацию онколога для определения тактики лечения, назначения и проведения химиотерапии.
Рис. 4. КТ исследование (onco check-up) пациентки с рабдомиосаркомой плечевого пояса слева. Слева направо, сверху вниз: 2D реконструкция помогает определить объем опухолевых узлов (стрелки) и метастазов в регионарные лимфатические узлы (короткая стрелка); 3D реконструкция этого же объема позволяет оценить просвет брахиоцефальных и подключичной артерий на уровне опухоли; 3D реконструкция по программе onco check-up нужна для выявления очагов деструкции костей скелета; сканирование большого объема с контрастом позволяет диагностировать отдаленные метастазы в течение одного исследования (короткие стрелки)
Современной методикой исследования сосудистого русла является КТ-ангиография. Этот метод позволяет получать качественные изображения артерий и вен на уровне исследования за счет предварительного контрастирования. По данным российских и зарубежных клинических рекомендаций КТ-ангиография – один из обязательных предоперационных методов обследования у пациентов со стенозами и окклюзиями сонных и позвоночных артерий, патологической деформацией артерий головы и шеи, при болезни Такаясу и моямоя, стил-синдроме и диссекции артерий. Показаниями к операции служит не только определение степени стеноза артерии, но и протяженность стеноза, которую бывает трудно определить при дуплексном сканировании, особенно при стенозах и извитостях на уровне краниовертебрального перехода.
Рис. 5. КТ-ангиография, различные способы постобработки. Слева направо: MPR, реформация в сагиттальной плоскости, в ампулярном отделе внутренней сонной артерии частично кальцинированная бляшка (стрелка); тот же пациент, 3D реконструкция в программе transparent vessel; 3D реконструкция КТ-ангиографии у пациента с окклюзией внутренней сонной артерии (указана длинной стрелкой)
Одна из областей применения КТ-ангиографии – диагностика интракраниальных сосудистых образований, прежде всего аневризм и артериовенозных мальформаций, в том числе на фоне нетравматических внутричерепных кровоизлияний. По данным разных авторов, возможности КТ-ангиографии в диагностике интракраниальных аневризм практически равны дигитальной субтракционной церебральной ангиографии, а чувствительность и специфичность составляет 97,1% и 98, 5% соответственно. Мультипланарная реформация (MPR) и проекция максимальной интенсивности (MIP) достоверно передают взаимоотношения между аневризмой и несущим сосудом, а объемные (3D) реконструкции служат для отображения общего анатомического строения артериального круга и взаимоотношений аневризмы с костями основания черепа.
Современные томографы предоставляют возможность создания объемных реконструкций. Это выводит предоперационную подготовку на качественно новый уровень. Особенную ценность это предоставляет у пациентов с опухолями головы и шеи, интракраниальными образованиями, так как позволяют наглядно показать взаимное расположение опухоли и магистральных сосудов, костных структур, что облегчает планирование доступа и снижает риск осложнений.
Рис.6. КТ-ангиография у пациентов с интракраниальными аневризмами. Слева направо: аневризма кавернозного отдела внутренней сонной артерии, 3D реконструкция с костями черепа; аневризма бифуркации внутренней сонной артерии, 3D реконструкция после субтракции костей черепа (аневризмы указаны стрелками)
Технологии компьютерной томографии с успехом применяются в отделении лучевой диагностики КМЦ МГМСУ им.А.И.Евдокимова. В клинике установлен компьютерный томограф Aquillion (Toshiba), позволяющий получать 64 среза за одно вращение трубки с минимальной толщиной среза 0.5мм и программой снижения дозы облучения. В результате тесной работы с нейрохирургическим подразделением клиники, возглавляемым главным внештатным специалистом Минздрава РФ академиком В.В. Крыловым, рутинным исследованием в отделении стала КТ-ангиография интра-и экстракраниальных артерий и вен.
Активная работа в клинике челюстно-лицевых хирургов позволила развивать редкие для рутинной работы методики. КТ активно применяется для диагностики заболеваний слюнных желез. При КТ-сиалографии помимо визуализации протоков пораженной слюнной железы можно оценить состояние паренхимы самой железы, регионарных лимфатических узлов, а также диагностировать патологию и других слюнных желез на уровне исследования.
Лучевые методы активно применяются и в офтальмохирургии. За период 2017-2018гг. офтальмологами и нейрохирургами клиники было проведено более 20 операций по декомпрессии орбиты у пациентов с эндокринной офтальмопатией и экзофтальмом. Цель такой операции – уменьшить компрессию зрительного нерва за счет увеличенных экстраокулярных мышц и объема клетчатки. При подготовке к операции исследование орбит с внутривенным контрастным усилением позволяет оценить объем экстраокулярных мышц и ретробульбарной клетчатки, визуализировать состояние глазничных артерий и вен и степень компрессии зрительного нерва.
Рис.7. КТ исследование орбит у пациента с эндокринной офтальмопатией. Сверху вниз: 2D реконструкция в коронарной плоскости с оценкой толщины и формы экстраокулярных мышц и степени компрессии зрительного нерва; аксиальный срез с оценкой экзофтальма; сагиттальная 3D реконструкция позволяет определить ход глазничной артерии и состояние костных структур
Помимо описанных методик в отделении широко используют стандартные исследования головного мозга, позвоночника, крупных и мелких суставов. Основными показаниями для первичного проведения КТ являются сложные переломы, артрозы и опухоли, как при первичных костных образованиях, так и при метастатических поражениях.
Применение компьютерной томографии в многопрофильной клинике позволяет получить консультацию специалиста в день исследования и сразу определить тактику дальнейшего лечения.
Преимущества ренгеновского обследования
Тот факт, что рентгеновские лучи используются в медицине в течение столь долгого времени, доказывает, насколько они важны. Хотя рентгеновское исследование само по себе не всегда достаточно для диагностирования проблем, оно является важной составляющей в решении подобных головоломок.
Вот лишь некоторые преимущества использования рентгена:
Неинвазивность.
Рентген позволяет диагностировать медицинские проблемы и контролировать ход лечения без физического вмешательства в тело пациента.
Направленность.
Рентген помогает медикам точно вводить в тело пациента медицинские инструменты – катетеры, стенты и т.п. Рентгеновское облучение может также помочь в лечении опухолей, удалять сгустки крови и иные подобные образования.
Показывает неожиданное.
Порой рентген может обнаружить особенности или патологии органов, которые не были изначально целью обследования. Например, инфекции в костной ткани, скопления газа или жидкости в тканях, где их быть не должно, или опухоли и новообразования.
Обсуждение безопасности рентгена продолжается
Необходимо держать в уме риски на перспективу. В среднем, из-за применения КТ риск летального заболевания раком составляет 1 к 2000. Если сравнить этот показатель со средним показателем летальности раковых заболеваний в мире на уровне 1 к 5, очевидно, что данный риск ничтожен.
Более того, ведутся споры о том, может ли в принципе рентгеновское исследование вызывать онкологию. В последнем исследовании на эту тему, опубликованном совсем недавно Американским журналом клинической онкологии, отмечается, что рентгеновские процедуры вообще не вызывают рисков.
В документе утверждается, что мощности излучения, применяемого для сканирования, недостаточно для того, чтобы вызвать сколько бы ни было серьёзных долговременных повреждений в организме. Авторы заявляют, что любые повреждения, вызываемые в организме при рентгеновском исследовании, организм устраняет сам, и какие-либо мутации не возникают. Правда, только если не превышен определённый порог, при котором возникают необратимые повреждения; этот порог, по утверждениям авторов, значительно выше применяемого в любых видах рентгеновских исследований.
Специалисты отмечают, что человечество ежедневно подвергается бомбардировке космическими лучами и воздействию радиации естественного фона, живут дольше чем когда-либо, отчасти благодаря достижениям современных медицинских технологий, таких как компьютерная томография и остальная рентгеновская техника.
В целом, важность правильной постановки диагноза и назначения нужного вида лечения делает рентгеновские исследования намного более выгодными, нежели опасными. Рентген останется в медицинской практике, независимо от того, есть ли хотя бы небольшой риск его использования, или если риска нет вовсе.
