El principio de la máquina de rayos X
1. El descubrimiento de los rayos X
En 1895, el físico alemán W. C. Röntgen estaba estudiando la descarga de gas en tubos de rayos catódicos cuando se produce el fenómeno. , se utiliza un tubo de vidrio sellado con dos electrodos metálicos (uno llamado ánodo y otro llamado cátodo), se aplican decenas de miles de voltios de alto voltaje a ambos lados del electrodo y se usa un extractor de aire para extraer el aire del tubo de vidrio. Para bloquear la fuga de luz (una especie de arco eléctrico) durante una descarga de alto voltaje, se coloca una capa de cartón negro en el exterior del tubo de vidrio. Mientras realizaba este experimento en una habitación oscura, descubrió accidentalmente que un trozo de cartón lavado con una solución de platino y cianuro de bario emitía una fluorescencia brillante a dos metros del tubo de vidrio. También experimentó con dos mil páginas de cartón, tablas de madera, ropa y libros, pero ninguno de ellos pudo bloquear la fluorescencia. Lo que es aún más sorprendente es que cuando se sostiene el cartón fluorescente en la mano, aparecen imágenes de huesos de manos en él.
Roentgen concluyó: Se trata de un tipo de rayo invisible al ojo humano pero que puede penetrar objetos. Dado que su principio no se puede explicar y se desconoce su naturaleza, "X", que en matemáticas representa un número desconocido, se toma prestado como nombre en clave y se llama rayo "X" (o simplemente rayos X o rayos X). Así se descubrieron y denominaron los rayos X. El nombre sigue en uso hoy. Para conmemorar el gran descubrimiento de Roentgen, las generaciones posteriores los llamaron rayos Roentgen.
El descubrimiento de los rayos X tuvo una gran importancia en la historia de la humanidad. Abrió un nuevo camino para las ciencias naturales y la medicina, y Roentgen ganó el primer Premio Nobel de Física en 1901.
La ciencia siempre está en desarrollo. Las repetidas prácticas e investigaciones de Roentgen y científicos de todo el mundo han revelado gradualmente la naturaleza de los rayos X y han confirmado que son ondas electromagnéticas con una longitud de onda muy corta y alta energía. Su longitud de onda es más corta que la longitud de onda de la luz visible (aproximadamente 0,001 ~ 100 nm, la longitud de onda de los rayos X utilizados en medicina es aproximadamente 0,001 ~ 0,1 nm) y su energía fotónica es de decenas de miles a cientos de miles de veces mayor que la del fotón. energía de la luz visible. Por tanto, además de las propiedades generales de la luz visible, los rayos X también tienen sus propias características.
2. Propiedades de los rayos X
(1) Efectos físicos
1 Efecto de penetración El efecto de penetración significa que los rayos X no son absorbidos por el. material cuando pasan a través de él. La capacidad de absorber rayos X puede penetrar materiales que la luz visible ordinaria no puede penetrar. La luz visible tiene una longitud de onda larga y la energía de los fotones es muy pequeña. Cuando se emite a un objeto, parte de ella se refleja y la mayor parte es absorbida por el material y no puede atravesar el objeto. con rayos X su longitud de onda es corta y la energía es alta, y brillan en el material. En la superficie, solo una parte es absorbida por la sustancia y la mayor parte es penetrada por los espacios entre los átomos, mostrando una fuerte capacidad de penetración. . La capacidad de los rayos X para penetrar materiales está relacionada con la energía de los fotones de rayos X. Los rayos X pueden penetrar materiales siempre que no se absorba la longitud de onda de los rayos X. La capacidad de los rayos X para penetrar materiales está relacionada con la energía de los fotones de rayos X. Cuanto más corta es la longitud de onda de los rayos X, mayor es la energía de los fotones y más fuerte es el poder de penetración de los rayos X. La potencia de los rayos X también está relacionada con la densidad del material, la densidad del material es alta, los rayos X se absorben más y se transmiten menos; el material con baja densidad absorbe menos y transmite más rayos X. Utilizando esta diferencia cualitativa en la tasa de absorción, se pueden distinguir tejidos blandos como huesos, músculos y grasa con diferentes densidades. Ésta es la base física de la fluoroscopia y la fotografía de rayos X.
2. Ionización Después de que la sustancia es irradiada por rayos X, los electrones nucleares se separan de la órbita atómica. Este efecto se llama ionización. En el efecto fotoeléctrico y el proceso de dispersión, el proceso en el que los fotoelectrones y los electrones en retroceso se separan de sus órbitas atómicas se denomina ionización primaria. Estos fotoelectrones o electrones en retroceso chocan con otros átomos durante su viaje, lo que hace que los átomos golpeados escapen de los electrones. llamada ionización secundaria. en sólidos y líquidos. Los iones positivos y negativos ionizados se recombinarán rápidamente y son difíciles de recolectar. Pero olvidarse de la carga ionizada en el gas es fácil de recolectar, y la cantidad de carga ionizada se puede usar para determinar la cantidad de exposición a los rayos X: los instrumentos de medición de rayos X se fabrican basándose en este principio. Debido a la ionización, los gases pueden conducir la electricidad; ciertas sustancias pueden sufrir reacciones químicas; pueden ocurrir diversos efectos biológicos en los organismos vivos. La ionización es la base del daño y el tratamiento por rayos X.
3. Fluorescencia Debido a que los rayos X tienen longitudes de onda cortas, son invisibles. Pero cuando irradia ciertos compuestos como fósforo, cianuro de platino y bario, sulfuro de zinc y cadmio, tungstato de calcio, etc., ioniza o excita los átomos en el estado excitado cuando los átomos regresan al estado fundamental, debido a la energía del. electrones de valencia, El nivel irradia luz visible o luz ultravioleta, que es fluorescencia.
El efecto de los rayos X para hacer que las sustancias sean fluorescentes se llama fluorescencia. La intensidad de la fluorescencia es directamente proporcional a la cantidad de rayos X. Este efecto es la base para el uso de rayos X en fluoroscopia. Este efecto de fluorescencia se puede utilizar en trabajos de diagnóstico por rayos X para fabricar pantallas fluorescentes, pantallas de sensores, pantallas de entrada en intensificadores de imágenes, etc. Las pantallas de fósforo se utilizan para ver en perspectiva imágenes de rayos X que atraviesan el tejido humano, y las pantallas de fósforo se utilizan para mejorar la sensibilidad de las películas para fotografía.
4. Efecto térmico: después de que el material absorbe la energía de los rayos X, la mayor parte se convierte en calor, lo que aumenta la temperatura del objeto.
5. Interferencia, difracción, reflexión, refracción Estos efectos son los mismos que los de la luz visible. En microscopía de rayos X, se puede aplicar la determinación de la longitud de onda y el análisis de la estructura del material.
(2) Efectos químicos
1. El efecto fotográfico es el mismo que el de los rayos X que se pueden tomar con película. Cuando los rayos X inciden en el bromuro de plata de la película, provocan que las partículas de plata precipiten. La precipitación de partículas de plata crea un "efecto fotosensible" en la película. La intensidad de la sensibilidad de la película es directamente proporcional a la cantidad de rayos X. Cuando los rayos X atraviesan el cuerpo humano, la densidad del tejido humano es diferente y la absorción de los rayos X es diferente, lo que da como resultado diferentes sensibilidades que florecen en la película, obteniendo así imágenes de rayos X. Esta es la base para el uso de rayos X en radiografía.
2. Efecto colorante: Algunas sustancias, como el cianuro de platino y bario, el vidrio de plomo, el cristal, etc., después de una exposición prolongada a los rayos X, los cristales se deshidratan y cambian de color. efecto.
(3) Efectos biológicos
Cuando se irradian rayos X en organismos biológicos, las células biológicas se inhiben, se destruyen o incluso se necrosan, lo que da lugar a diversos grados de efectos fisiológicos, patológicos y bioquímicos. cambios en el cuerpo, llamado efecto biológico de los rayos X. Diferentes células biológicas tienen diferentes sensibilidades a los rayos X. Los rayos X de arce pueden tratar determinadas enfermedades del cuerpo humano, como los tumores. Los efectos biológicos de las raíces de las alvéolos de los rayos X son causados por la ionización de los rayos X. ¡Ya que los rayos X tienen el hambre como se mencionó anteriormente! Por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en campos de clientes como la industria, la agricultura y la investigación científica, como la detección de defectos industriales, el análisis de cristales, etc. En medicina, la tecnología de rayos X se ha convertido en una disciplina especializada para diagnosticar y tratar enfermedades y desempeña un papel importante en la atención sanitaria.
3. Aplicación de los rayos X en medicina.
(1) Diagnóstico por rayos X
Los rayos X se utilizan para el diagnóstico médico, utilizando principalmente los efectos de penetración, absorción diferencial, sensibilización y fluorescencia de los rayos X. Dado que los rayos X se absorben en diferentes grados cuando pasan a través del cuerpo humano, por ejemplo, la cantidad de rayos X absorbidos por los huesos es mayor que la cantidad absorbida por los músculos, entonces la cantidad de rayos X que pasan a través del cuerpo humano es diferente, por lo que la densidad de cada parte del cuerpo humano que lleva La intensidad de la fluorescencia o fotosensibilidad causada por la información distribuida en la pantalla fluorescente o película fotosensible es bastante diferente, por lo que aparecerán sombras con diferentes densidades en la pantalla fluorescente o película fotosensible (después del desarrollo y fijación). Según el contraste de la intensidad de las sombras, combinado con las manifestaciones clínicas, los resultados de las pruebas de laboratorio y el diagnóstico patológico, se puede juzgar si una determinada parte del cuerpo humano es normal. Por lo tanto, la tecnología de diagnóstico por rayos X se ha convertido en la tecnología de examen de órganos internos no invasiva aplicada más antigua del mundo.
(2) Terapia de rayos X
La terapia de rayos X utiliza principalmente rayos X de diferentes energías para irradiar las células y tejidos de las lesiones del cuerpo humano en función de sus efectos biológicos. Los tejidos celulares irradiados se destruyen o inhiben, consiguiendo así el objetivo de tratar determinadas enfermedades, especialmente tumores.
(3) Protección contra los rayos X
Al utilizar rayos X, se ha descubierto que pueden provocar caída del cabello, quemaduras en la piel, pérdida de la visión, leucemia y otros daños por radiación. en pacientes Para prevenir daños por radiación al cuerpo humano se requieren las medidas de protección correspondientes. Lo anterior constituye los tres eslabones de la aplicación de los rayos X en medicina: diagnóstico, tratamiento y protección.
IV.Una breve historia del desarrollo de los equipos médicos de rayos X
Desde 1895, la tecnología de diagnóstico y tratamiento por rayos X se ha desarrollado rápidamente, y los principales avances se pueden dividir en las siguientes etapas:
(1) Etapa del tubo de rayos X de iones (1895-1912)
Esta es la etapa inicial de los equipos de rayos X. La estructura de la máquina de rayos X en ese momento era muy simple. Utilizaba un tubo de rayos X de iones catódicos refrigerado por gas con una eficiencia muy baja. Utilizaba una bobina de inducción voluminosa para generar alto voltaje y componentes de alto voltaje expuestos. por mencionar dispositivos de control precisos.
El dispositivo de la máquina de rayos X tiene poca capacidad, baja eficiencia, penetración débil, baja claridad de imagen y falta de protección. Según los datos registrados en ese momento, se necesitan entre 40 y 60 minutos para tomar una imagen pélvica de rayos X. Según los datos, la toma de una radiografía de la pelvis requiere un tiempo de exposición de 40 a 60 minutos. Como resultado, después de tomar la foto, la piel del sujeto quedó quemada por los rayos X.
(2) Etapa de tubo de rayos X electrónico (1913~1928)
Con el desarrollo del electromagnetismo, la tecnología de alto vacío y otras disciplinas, en 1910, el físico estadounidense W.D. Coolidge publicó un informe que el tubo de rayos X con filamento de tungsteno se fabricó con éxito. La aplicación práctica comenzó en 1913 y su característica más importante es que* el alambre de tungsteno se calienta al rojo vivo para proporcionar los electrones necesarios para la corriente del tubo. Su característica más importante es calentar el alambre de tungsteno a un estado incandescente para proporcionar los electrones necesarios para la corriente del tubo. Por lo tanto, la corriente del tubo se puede controlar ajustando la temperatura de calentamiento del alambre de tungsteno, de modo que el voltaje y la corriente del tubo puedan controlarse. ajustarse independientemente uno del otro. Esto es exactamente lo que se necesita para mejorar la calidad de la imagen.
En 1913 se inventó la rejilla filtrante, que eliminaba parcialmente la luz dispersa y mejoraba la calidad de la imagen. En 1914, se fabricó una pantalla fluorescente de tungstato de cadmio y se empezó a utilizar la fluoroscopia de rayos X. La invención del tubo de rayos X bifocal en 1923 resolvió la necesidad de la fluoroscopia de rayos X. La potencia del tubo podía alcanzar varios kilovatios y la longitud lateral de la distancia focal rectangular era de sólo unos pocos milímetros. Las imágenes mejoraron mucho. La calidad de las imágenes de rayos X mejora enormemente. Al mismo tiempo, la progresiva aplicación de agentes de contraste también amplió el alcance diagnóstico de las radiografías. Ya no es una herramienta sencilla para simplemente tomar imágenes óseas, sino que se ha convertido en una herramienta importante para examinar el tracto gastrointestinal, los bronquios, los vasos sanguíneos, los ventrículos, los riñones, la vejiga, etc., que tienen un contraste natural deficiente en los tejidos y órganos humanos (pequeños absorción de rayos X). Instalaciones de diagnóstico médico. Al mismo tiempo, también se empezaron a utilizar los rayos X para el tratamiento.