Радиация в медицине: история, вред и польза

Видимая угроза.

Рентгеновское излучение не является чем-то необычным, и его можно кратко объяснить парой знакомых сравнений. Например, оно похоже на свет. А свету присущ корпускулярно-волновой дуализм - это когда фотоны ведут себя и как частицы, и как волны. Из всех видов электромагнитных волн мы видим только его, свет, причём узкого диапазона. Но почему этот тип излучения мы видим, а другие нет? Вся разница в частоте и частицах. Помимо волн рентгеновское излучение можно и нужно сравнить именно с потоками частиц. А они бывают самые разные. Частицы с низкой энергией не проникают глубоко, и от, например, альфа-частиц можно защититься листком бумаги, а вот гамма-частицы пройдут через вас легко и непринужденно вместе с бумажной оберткой и алюминиевой шапочкой. УФ-излучение обладает низкой проникающей способностью, но хорошо проникает сквозь воду и стенки клеток, где поглощается их внутренними структурами на молекулярном уровне. Рентгеновское излучение находится где-то между ультрафиолетом и гамма-излучением. Проникать через вас оно может, и толстые джинсы поверх белья с начесом им не помеха. Но плотные структуры, вроде железобетонных стен и утолщенного корпуса им не пройти.




Особенность длительного воздействия такого излучения и радиации в целом в том, что повреждаются не ткани непосредственно, а цепочки ДНК. Ваши клетки восстанавливают большую часть повреждений, но иногда, если повреждений слишком много, они выполняют свою работу не так неэффективно, оставляя небольшие участки «неправильного ремонта». Результатом являются мутации ДНК, которые могут вызвать смерть клеток или рост неправильно отремонтированных, вызывая рак спустя годы. Интенсивные дозы радиации в первую очередь выводят из строя те клетки, где чаще всего и быстрее всего происходит деление. Для человеческой тушки это процесс кроветворения, поэтому радиация опаснее всего для клеток крови и спинного мозга. В них облучение бьет по самому больному - ДНК в процессе сборки. А сборка клеток крови идет постоянно. Новые клетки не успевают сформироваться в здоровые и хотя бы начать ремонт. Из-за этого, кстати, тараканы хорошо переносят радиацию - у взрослых особей почти полностью отсутствует производство новых клеток. Они статичны, а потому при высоких дозах облучения страдают только работоспособные сформированные клетки, которые в состоянии восстановится.

Радиация повсюду.

На самом деле, мы постоянно подвергаемся воздействию малых доз ионизирующего излучения от природных источников, в частности, от космического излучения, главным образом от солнца и радона - радиоактивного газа, который образуется в результате естественного распада урана. Добавляет огоньку и наличие на нашей планете долгоживущих радионуклидов, радиоактивная троица: радий-226, торий-232 и калий-40. Иногда к ним добавляется цезий-137. Всё это есть, в принципе, вокруг нас, и от этого никуда не деться. Сколько из этого так называемого фонового излучения вы испытываете, зависит от многих факторов, включая высоту местности, в которой вы живете, и домашнюю вентиляцию. Чем больше пыли, тем больше ваш квартирный фон. Один энтузиаст науки, например, вполне научным экспериментом доказал, что собрать радиацию в мастерской или подвале завода можно обычным пылесосом. В общем, фон есть всегда. В среднем, ученые говорят, это около 3 миллизиверт (мЗв) в год.

Какие такие зиверты? Обычно при слове “радиация” большинство вспоминают классический счётчик Гейгера с его фирменным треском. Но счётчики Гейгера определяют только интенсивность излучения. Если точнее, он считает количество попавших в него ионизирующих частиц. Достаточно одним глазком взглянуть на его устройство, чтобы понять, что он особо ничего не измеряет. Счётчик Гейгера - это стеклянная трубка с анодом и катодом, на которые подаётся напряжение. Если в трубу влетает заряженная частица, она ионизирует атомы находящегося в ней инертного газа, и в ней проскакивает искра. Разряд выведен к динамику, и вы слышите характерное “тыр”. Если вы, собирая грибы, нашли заброшенную урановую шахту, то частиц в трубу влетает больше, и “тыр-тыр-тыр” начинает сливается в монотонный гул. Но какие частицы вас атакуют, куда летят, как сильно шмякнутся, и что с вами при встрече сделают - чёрт его знает.

Измерить сразу влияние конкретного излучения на ткани и здоровье человека сложнее. Вот тут и появляются зиверт (Зв) и миллизиверт (мЗв). Они учитывают биологический эффект излучения, который зависит от типа излучения и уязвимости пострадавшего. Иначе говоря, их называют «эквивалентной дозой». Это как попасть под дождь: счётчик Гейгера бы тупо считал капли, говоря сколько рентген в час мимо вас пролетит, а зиверты бы говорили, как быстро намокнут части вашего тела, учитывая их объем и плотность.

Зиверт, с точки зрения физики, это количество энергии, поглощенное килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощенной дозе гамма-излучения в 1 Грей. А один Грей - это один Джоуль энергии в расчёте на один килограмм массы. То есть, это как раз и есть самое важное - какая энергия на вас воздействует. Какие именно частицы, куда, как и с какой силой летят.

Воздействие ионизирующего излучения от естественных или фоновых источников не изменяется примерно с 1980 года, но общая доза облучения за последние 30 лет на душу населения почти удвоилось, и эксперты считают, что основной причиной является более широкое использование медицинского оборудования и наша страсть к визуализации организма. Доля общего облучения от медицинских источников выросла с начала 1980-х годов до 2010 гг. почти в 4 раза. Согласно отчету, опубликованному в марте 2009 года Национальным советом по радиационной защите и измерениям в США, на одно только КТ приходится 24% всего облучения. Так что со времён старой доброй флюорографии раз в год всё сильно поменялось. Но как получилось, что мы добровольно стали подвергать себя воздействию ионизирующего излучения, если оно может нас убить? Кто это придумал и зачем?

Физика телевизора.

В середине 19 века опыты с электричеством были у учёных в моде. Не занимались ими только радикальные отщепенцы науки, все остальные пытались применить новую энергию везде - от гальванизма в биологии до психиатрии и химии. Воскрешали мёртвых, лечили живых, творили непотребное. В 1854 году начались эксперименты с высоким напряжением в разреженном воздухе. Довольно быстро удалось заметить, что искры пробегают заметно большее расстояние, если дать им возможность делать это в вакууме, а не в обычных условиях.




Работает это почти как счётчик Гейгера - это тоже трубка с катодом. Катод создает поток электронов, которые исходят с его нагретой поверхности вследствие термоэлектронной эмиссии. Это такой эффект, когда горячий металл начинает отдавать электроны, испуская их потоком в сторону анода. Такой поток назвали катодные лучи. Этот эффект впоследствии ляжет в основу всего электронно лучевого - от кинескопов до диодов и триодов.

Как это выяснили? Смотрели на искры в вакууме. И пытались придумать, что можно с ними интересного сделать. Во-первых, под действием магнита или электрического поля катодные лучи отклоняются. Во-вторых, если рядом находятся люминофорные минералы, они вдруг начинают светиться.




Все дело в том, что из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт), поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод. Достигая анода, электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя большую часть приобретенной энергии. При этом, так как они разогнались, а затем врезались в стену, в разные стороны отлетают разные ошмётки и возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона.

Чтобы из этой штуковины сделать, например, кинескоп придется добавить модулятор - стакан, который накроет катод и начнет формировать из потока электронов, летящих во все стороны, пучок (несущая диафрагма) - а также ускоряющий электрод (чтобы ещё быстрей летели) и пару линз. А дальше, регулируя скорость и интенсивность потока, можно заставить светиться всё в том порядке, в каком вам нужно, чтобы посмотреть “Великий диктатор” с несравненным Чарли Чаплином.

Пятница, вечер, лаборатория.

Чудесным пятничным вечером некто Конрад Вильгельм, физик и ученый, задержался на работе. Было это 8 ноября 1895 года. Конрад был одним из тех ученых, которые завороженно изучали электричество в целом и электричество в вакууме в частности. Токи катодных трубок, как сказал бы сам Конрад. Работал он в собственной лаборатории при поддержке нескольких нанятых ассистентов. В сферу интересов ученого входили не только трубки, но и разные типы излучения, в том числе ультрафиолетовое и ионизирующее. “Ну и что” - скажете вы. А вот что. Именно наличие рядом с учёным клочка бумаги, на который был намазан платиноцианистый барий для изучения ультрафиолета и ионизации, сыграло одну интересную шутку. Совершенно случайно Конрад заметил, что бариевый экран рядом с включенной катодной трубкой светится желтовато-зелёным цветом, как если бы на него попадал ультрафиолет.




Учёный выключил ток - свечение тут же прекратилось. Учёный включил ток. Экран, расположенный на расстоянии от трубки и никак с ней не связанный, засветился снова. Конрад подёргал рубильник ещё пару раз, прежде чем окончательно пришел к выводу, что из трубки исходит неизвестное излучение. Излучение учёный решил назвать “лучами Икс”. Но в историю они войдут исключительно под его фамилией. Эксперименты Рентгена показали, что “икс-лучи” возникают в месте столкновения катодных лучей с преградой внутри катодной трубки (то самое тормозное излучение ускоренных электронов). Учёный решил усовершенствовать конструкцию так, чтобы лучи светили сильнее. Он сделал трубку специальной конструкции: анод был плоским, что обеспечивало более резкое торможение электронов и более интенсивное излучение.

Следующие пару недель Конрад пытался светить невидимыми лучами на всё, что смог найти в округе. Помимо платиноцианистого бария оно заставило флуоресцировать кальцит и урановое стекло. Излучение не отклонялось магнитным полем и могло светить сквозь разные вещи. Прозрачность веществ по отношению к лучам менялась не только в зависимости от толщины, но и от материала. Однородные книги закрывали флуоресцентный экран, в то время как неоднородные предметы давали разнообразные тени в зависимости от состава. Попытки увидеть сами лучи ни в темноте, ни с разными кристаллами результатов не дали. Но вот попытки сфотографировать их открыли ещё один нюанс. Лучи, так же как и солнечный свет, могли засвечивать снимки. Конрад Рентген сообщил о своем открытии миру в декабре 1895 года, осторожно предположив, что эти лучи есть суть продольных колебаний эфира, который по тогдашним меркам являлся составляющей всего неизвестного и невидимого.

Первые опыты.

Точный момент, когда любопытство толкнуло учёного на облучение собственных конечностей, неизвестен, но эффект быстро разошелся по миру. Лучи, направленные на конечность, когда за ней стоит флуоресцирующая панель, показывают внутреннюю структуру руки согласно ее плотности. Первые флюороскопы были не очень удобными. Чтобы по настоящему что-то разглядеть, нужно было делать это в полной темноте. Так что такие фотографии, скорее, постановочные сцены для научных статей и неблагодарных потомков. В настоящей инструкции к первым флюороскопам вообще советовали доктору провести 10-15 минут в полной темноте, прежде чем пытаться рассмотреть слабые отсветы на экране. Отчего же сразу не стали фотографировать? Фотографии были делом ужасно дорогим и редким, и тратить единичные экземпляры пластинок на переломы и фото костей было не рационально. А что насчет радиации? Ну её тогда, считайте, что не было. 23 марта 1896 года Анри Беккерель продемонстрировал такой же засвет фотографии, только не лучами, а ураном. И это был один из первооткрывателей радиоактивности, за которым нога в ногу шли Мария и Пьер Кюри. Так что до момента, когда человечество поймет, что рентгеновскую трубку лучше включенной в руках не держать, ещё лет десять.




Первые флюороскопы напоминали современные очки дополненной реальности. В комнате включали мощный источник рентгеновского излучения, пациент подносил к нему больную конечность, а доктор в светонепроницаемом шлеме, внутри которого была картонка с нанесенным на неё раствором, пытался разглядеть, что у больного пошло не так. Получаемое таким образом рентгеноскопическое изображение было довольно тусклым. В дополнение ко всему, постоянное нахождение рентгенолога перед экраном не добавляло ему здоровья.




В конце 1890-х годов Томас Эдисон начал исследования флюороскопов и флуоресцентных материалов, надеясь создать коммерческую модель с достаточно мощным источником и чистой картинкой, чтобы каждый желающий мог держать дома чудо техники, незаменимое в быту, хозяйстве и медицине. Ему это более менее удалось при помощи вольфрамата кальция, который действительно светился ярче других. Но в 1902 году слава Кюри и Беккерель гремит по всему миру. В январе того года Резерфорд напишет “за последние несколько лет супруги Кюри проделали огромную работу и добились важных результатов в изучении радиоактивных веществ”. К 1903 году работы Кюри доходят и до Эдисона, и он бросает все исследования, связанные с Икс лучами.




Во время коммерческих разработок большинство предсказывало славное будущее для динамических рентген-аппаратов, рисуя в воображении картины, как будут сниматься целые фильмы, на которых будут части тел под разными углами. Но именно понимание эффекта радиоактивности свело на нет все эти мечты. Снимки к этому времени начали дешеветь, а производство фотокарт расти, плюс воздействие радиации при таком фотографировании минимально. На сколько минимально?

Математика против флюорографии.

Рентген руки даст вам в среднем 0,001 мЗв, и с начала 20-го века фотографирование в лучах Икс разных конечностей, костей, кист и прочих чудес внутреннего мира пациентов, надолго стало единственным способом всё хорошенько рассмотреть. Нельзя, конечно, не отметить труды Николая Ивановича Пирогова, разработавшего топографическую анатомию. Задолго до первых КТ и МРТ он придумал пилить замороженные трупы, чтобы получить послойный срез и картину внутренних органов. За 3 распила можно было увидеть всю анатомию покойного. Метод был плохо применим на ещё живых, и как средство диагностики был не совершенен, однако принципы такого ручного сканирования ещё пригодятся. В 1917 году австрийский математик И.Радон разработал первый алгоритм по восстановлению физической модели тела на основании рентген сканирования с разных углов. А в 1969 году англичанин Г.Хаунсфилд собрал первый сканер, работающий по этому принципу. Теперь, сделав рентген под разными углами и несколько раз, можно было составить топографическую анатомическую модель вашего тела. А если сфотографировать несколько десятков раз, то модель станет гораздо точнее. Правда и доза радиации вырастет. КТ головы вам обойдётся в дозу 2 мЗв.




Затем придумали добавлять контрастные материалы. Помните про неоднородность снимков? В вас, например, можно залить сульфат бария, перорально или нецензурно, и пофотографировать в Икс лучах в разных позах. Или, что ещё технологичнее, запустить в КТ и получить 3д модель вашего кишечника, потому что на рентгене вы будете просвечивать, а барий - нет. Он заполнит вас изнутри прохладной склизкой массой и покажет опытному диагносту все ваши складочки. Можно ввести контрастное вещество в сосуды, и здесь вам придется ещё тяжелее. Компьютерная томография с подсветкой сосудов (то бишь ангиограмма) в среднем даст вам 16 мЗв, а максимально 32 мЗв.

Затем добавили сцинтиграфию - сложный способ диагностики в ядерной медицине, в ходе него, в вас зальют радиоизотопные маркеры, чтобы на томографе с помощью гамма-камер с нескольких проекций снять какой-то орган и получить его в супер высоком разрешении. Казалось бы, дальше уже некуда, но прогресс неумолим. Вершиной медицинской диагностики сегодня является однофотонная эмиссионная компьютерная томография, грубо говоря способ похож на предыдущий, и в вас вводя радиоактивные фармпрепараты, а затем смотрят в 3д на то как они "окрашивают" разные органы. Например можно посмотреть на распределение кровотока к различным областям сердца и диагностировать больной миокард, к которому поступает меньше крови чем к здоровому. Совместив с КТ можно точно увидеть место будущих проблем.




Этот анализ выжмет дозу радиации от 40 мЗв. Честно говоря, я не знаю, чем нужно заболеть, чтобы мировое сообщество решило вас направить на ядерную визуализацию по ОМС, и где вообще её можно сделать, хотя бы в ипотеку. Но давайте посчитаем, как близко мы приблизились к смертельной дозе радиации. Необратимые нарушения костного мозга могут начаться при разовой дозе облучения в 3 зиверта (Зв) или 3 Грея (Гр). Эти величины равны друг другу, а 3 Зв = 3 000 мЗв. Остальное, я думаю, вы сможете прикинуть на глаз. Банально, так часто ходить сдавать анализы сегодня мало кому по карману, и если в ходе фотографирования вас не попросят держать в руках катодную трубку несколько часов, волноваться не о чем. Ну а если попросят, можете поставить пару экспериментов по флуоресценции по примеру славного Вильгельма Конрада Рентгена.