Направления использования радионуклидов и других источников ионизирующего излучения

Среди многочисленных методов радиоизотопной диагностики  наибольшее распространение получили лабораторная радиометрия, клиническая  радиометрия, клиническая радиография  и сканирование. Лабораторная радиометрия  позволяет исследовать отдельные  порции крови, мочи или кала с целью  определения содержания в них  того или иного меченого соединения. Методом лабораторной радиометрии  можно значительно точнее, чем  с помощью других методов исследования, определить объем плазмы крови и  эритроцитов (красных кровяных телец). Радиометрия мочи позволяет косвенно судить о работе почек. Исследование кала методом лабораторной радиометрии  дает представление об усвояемости  жиров в желудочно-кишечном тракте. Клиническая радиометрия основана на свойстве ряда органов и систем накапливать некоторые элементы. Уровень накопления меченых соединений в органах и тканях определяется путем наружных измерений степени радиоактивности на теле больного. Этот метод, в частности, применяют с целью определения функций щитовидной железы. С помощью клинической радиографии регистрируют также скорость прохождения меченого соединения через различные органы, что позволяет установить их физиологическую активность.

В клинической  радиографии  используют специальные  радиодиагностические установки, в которых результаты измерений автоматически записываются на бумажной ленте в виде кривых.

Сканирование является наиболее распространенным методом  радиоизотопной диагностики. Принцип  сканирования основан на накоплении теми или иными органами и тканями (печенью, почками, легкими, щитовидной железой, спинным и головным мозгом, костями, лимфатической системой) определенных радиоактивных препаратов и последующей  регистрации результатов с помощью  специальных  радиодиагностических  устройств, называемых сканерами. Сканеры имеют датчик, воспринимающий импульсы ионизирующих излучений. Датчик, автоматически перемещаясь над исследуемой частью тела, под крой находится сканируемый орган, передает импульсы излучений на преобразователь, где они преобразуются в электрический сигнал, который, в свою очередь, попадает на регистрирующее устройство. Под влиянием электрического импульса регистратор ударяет по бумаге с копировальной и машинописной лентой, при этом на бумаге получаются отметки в виде штрихов, точек или цифр. При прохождении датчика над исследуемым участком получаются отметки различной плотности, соответствующие степени накопления радиоактивного изотопа в органе, который подвергается исследованию. Участкам органа, поглощающим радиоактивный препарат в большей степени, на сканограмме будут соответствовать участки с более частыми отметками. В тех местах, где накопление препарата отсутствует вовсе или снижено, отметки будут отсутствовать или плотность их окажется значительно сниженной.

Радиоизотопное сканирование внутренних органов дает возможность  определить расположение в организме  исследуемого органа, установить его  форму и размеры и выявить  наличие в нем ряда   патологических изменений 

Основным преимуществом  радиоизотопных методов исследования является их совершенная безболезненность и  практическая безопасность для  больного при высокой точности диагностических  результатов. 

Ионизирующие излучения  применяются в различных отраслях тяжёлой (интроскопия) и пищевой (стерилизация инструментов, расходных материалов и продуктов питания) промышленности, а также в медицине (облучение  злокачественных опухолей с целью  уничтожения злокачественных клеток, ионизация воздуха). 

Для лечения опухолей используют тяжёлые ядерные частицы  такие как протоны, тяжёлые ионы, отрицательные π-мезоны и нейтроны разных энергий. Создаваемые на ускорителях пучки тяжёлых заряжённых частиц имеют малое боковое рассеяние, что дает возможность формировать дозные поля с чётким контуром по границам опухоли. 

Интроскопия — (лат. intro — внутри) — неразрушающее (неинвазивное) исследование внутренней структуры объекта и протекающих в нём процессов с помощью звуковых волн (в том числе ультразвуковых и сейсмических), электромагнитного излучения различных диапазонов, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц.

Сферы применения

• Медицинская диагностика — медицинская интроскопия или медицинская визуализация.
• Дефектоскопия — промышленная (техническая) интроскопия.
• Интроскопия макрообъектов.

Последняя категория  выделена вследствие того, что хотя в промышленности методы интроскопии  имеют много общего с методами дефектоскопии, однако задачи, связанные  с исследованием макрообъектов  и происходящих в них процессов (наблюдение объектов под водой, в  толще

горных пород и  ледников, в облаках или тумане и т. п.), могут решаться лишь методами интроскопии.

Основные методы

Выделяют три основных вида интроскопических методов:

проекционные —  получение теневого изображения  объекта;

томографические — получение томографического изображения объекта;

эхозондирование, в  том числе доплеровское.

Проекционные методы

В проекционных методах  проводят зондирование (облучение) объекта  с некоторого ракурса и получают его теневое изображение (проекцию). Чаще всего в качестве зондирующего используют рентгеновское излучение (рентгенография). Среди других проекционных методов можно выделить методы с использованием оптического излучения, например:

сортировка апельсинов: «с косточками» и «без косточек» (разная цена),

сортировка/проверка яйцепродуктов с помощью овоскопа.

Проекционные методы работают по принципу «один ракурс — один снимок». При этом никакие  математические преобразования для  получения изображения не проводятся, имеют место только методы пост-обработки (регулировка яркости-контраста, сегментация  и т. д.). При увеличении количества ракурсов и, соответственно, количества снимков (многоракурсная съёмка), можно применить томографические алгоритмы реконструкции и получить уже не теневые, а томографические изображения.

Таким образом, иерархию усложнения проекционных методов можно  представить следующим образом:

один ракурс —  одно теневое изображение (двумерная  проекция);множество ракурсов — набор теневых изображений; множество ракурсов плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма (набор томографических изображений) — трёхмерное распределение некоторой физической характеристики.

Томографические методы

Для томографических методов аналогичную иерархию можно представить как:

двумерная томография: много ракурсов в одной плоскости  — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — двумерная  томограмма;

трёхмерная послойная  томография: множество ракурсов во множестве параллельных плоскостей — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — набор  двумерных томограмм — трёхмерная томограмма;

трёхмерная произвольная томография: множество ракурсов во множестве произвольных (в том  числе, пересекающихся) плоскостей —  набор одномерных проекций плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма.

Здесь под математической обработкой понимается решение обратной томографической задачи (обращение прямой томографической задачи) — например, обращение преобразования Радона (рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография) или экспоненциального преобразования Радона (радионуклидная томография). Именно обратная томографическая задача приводит к необходимости в многократном просвечивании в различных пересекающихся направлениях, так как один ракурс даёт принципиально недостаточно информации.

Для справедливости необходимо сказать, что существуют варианты одноракурсных методов, но там всё равно приходится решать обратную задачу. Например, в оптической томографии заменив непрерывное лазерное излучение на импульсное, в принципе, за счёт анализа временной развёртки прошедшего излучения (решение обратной задачи светорассения на неоднородном слое), можно восстановить внутреннее строение объекта. Однако, в настоящее время из-за большой сложности такая задача остаётся нерешённой. Обычно же и в оптической томографии используется множество ракурсов, а временная развёртка служит вспомогательной информацией для разделения коэффициентов рассеяния и поглощения.

Эхозондирование

В ряде случаев, некоторые  методы эхозондирования (например, обычное  ультразвуковое исследование), ошибочно относят к томографии, что терминологически не верно. Несмотря на то, что в ультразвуковом исследовании также получают изображение  некоторого сечения (томоса) — метод его получения не является томографическим:  отсутствует многоракурсная съёмка в пересекающихся направлениях и, самое главное, отсутствует решение обратной томографической задачи.

Для получения ультразвукового  снимка нет никакой необходимости  в особой математической предобработке. Ультразвуковой преобразователь (на самом  деле это набор небольших отдельных  ультразвуковых преобразователей) посылает ультразвуковую волну (ультразвуковой веерный пучок), которая частично отражается от границ неоднородностей  и возвращается к ультразвуковому  преобразователю, где и регистрируется. Принцип же получения снимка в  упрощённой форме можно представить  следующим образом: по одной оси  откладываются номера отдельных  преобразователей (направление), вторая ось — временная задержка отклика (расстояние), яркость — интенсивность отклика. 

Изотопы в биологии.

Еще со времен широкого применения в биологических исследованиях  рентгеновых лучей было установлено, что облучение живых организмов очень слабыми дозами лучей во многих случаях действует исключительно благоприятно на эти организмы, ускоряя их рост, развитие, размножение и т. д. И, наоборот, облучение более сильными дозами лучей действует на организм сначала угнетающе, а при увеличении дозы облучения разрушающе и даже приводит к гибели.  

Тот факт, что под  действием ионизирующих излучений  живые организмы разрушаются, а  затем и гибнут, натолкнул на мысль  использовать эти излучения для  так называемой холодной стерилизации.   

И действительно, полное уничтожение всех живых организмов, присутствующих в большинстве обычных  продуктов питания, может быть осуществлено потоком бета-частиц и особенно успешно  гамма-лучами непосредственно в  упаковке—в целлофане, картонных коробках, стеклянных банках и даже в жестяных консервных банках. Такая стерилизация после упаковки продуктов устраняет возможность их загрязнения при облучении.  

Облучение особенно удобно производить на конвейере. Попадая  в сферу действия мощного источника  излучения, микробы или погибают, или же становятся бесплодными, и их дальнейшее размножение и развитие прекращаются.   

Радиоактивные излучатели применяются и для обеспложивания вредителей сельскохозяйственных растений, например для предохранения зерна от наиболее опасного вредителя — долгоносика.   

Этот способ ценен  тем, что при нем не требуется  столь больших доз облучения, какие нужны для полного уничтожения  вредителей (в 100—1000 раз меньше), что  весьма важно, когда облучение производится на конвейере или требуется обработать в сравнительно короткий срок очень большое количество продуктов. 

Особенно нужны  эффективные, простые, дешевые, но мощные средства стерилизации в медицине —  для абсолютно надежного обеззараживания  лекарств, фармацевтических и медицинских  препаратов, которые часто должны быть совершенно стерильными на всем протяжении их существования — от времени приготовления до момента применения.  

На рисунке показана схема установки для стерилизации медикаментов гамма-лучами.  

Облучаемые ампулы на конвейерной ленте вводятся в установку сверху. Все время обходя источник излучения, они выходят из нижней части камеры уже в стерилизованном виде.  

Очень много неприятностей для работников пищевой промышленности и общественного питания доставляет прорастание картофеля при длительном его хранении. И какие бы меры ни принимались, какие бы условия для его хранения ни соблюдались, наступает момент, когда картофель начинает прорастать. Но учёные нашли выход. Облучая картофель гамма-лучами, можно без вреда для его питательных свойств задержать срок прорастания до 18 месяцев, что практически полностью разрешает проблему хранения этого важного продукта без обычных чрезмерных потерь.  

Не останавливаясь на этих пассивных формах использования  радиоактивности в биологии, ученые осторожно пошли дальше — в частности, в опытах, направленных на повышение урожайности и создание новых сортов сельскохозяйственных культур. Например, в результате гамма-облучения был выведен сорт овса, устойчивый к некоторым грибковым заболеваниям; ячмень, дающий урожай на 5—6% больше обычного, и др.