X-zrake

X-zrake, poznate i kao rentgenske zrake (po Röntgenu), područje su elektromagnetskog zračenja s valnim duljinama između 10 i 0,01 nm, što približno odgovara području između ultraljubičastog i gama zračenja. Najpoznatija njihova primjena je u dijagnostičkoj radiografiji i kristalografiji. Zbog svoje energije ubrajaju se u ionizirajuće zračenje.

Rendgenske zrake se dijele na tvrde i meke, s obzirom na mogućnost prodiranja kroz razne materijale. Meke imaju valnu duljinu od 0,1 nm do 10 nm (0,12 to 12 keV). Tvrde imaju valnu duljinu od 0,01 nm do 0,1 nm (12 to 120 keV). Osnovna razlika između rendgenskih i gama zraka je u načinu njihovog nastajanja. Rendgenske zrake nastaju u vanjskom elektronskom omotaču atoma, dok gama zrake nastaju u jezgri atoma. ^[1]

Wilhelm Conrad Röntgen objavljuje 1895. da je u modificiranoj Crookesovoj cijevi otkrio nevidljive zrake koje izazivaju fluorescenciju, prolaze kroz materiju, te se ne otklanjaju u magnetskom polju. Röntgen je te zrake nazvao X-zrake zbog njihove nepoznate prirode. Iako se poslije pokazalo da su takve zrake već bile uočene u nekim pokusima, npr. Nikola Tesla proizveo ih je djelovanjem električnog polja visoke frekvencije, Röntgen ih je istražio, primijenio i shvatio njihovu prirodu.

Röntgen je odmah uočio mnoge sličnosti s vidljivom svjetlošću. Rendgenske zrake se šire u pravcima, bacaju oštre sjene, djeluju na fotografsku ploču i u nekim tvarima izazivaju fluorescenciju. Ali po nekim svojstvima činilo se da se razlikuju od vidljive svjetlosti. Zapazio je njihovu izvanrednu prodornost, i nije ih mogao sabiti s lećom u žarište, a pokusi s lomom svjetlosti (refleksija) i refrakcijom novih zraka nisu mu uspjeli. Tek kada je 1912. Max von Laue dokazao da rendgenske zrake mogu ogibati (difrakcija), postalo je jasno da su one transverzalni elektromagnetski valovi, kao i vidljiva svjetlost, od koje se razlikuju po mnogo kraćim valnim duljinama. ^[2]

Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni velikom brzinom udaraju u metal, pri čemu dolazi do njihovog naglog usporavanja i izbijanja elektrona iz unutarnjih ljuski atoma metala. Pri bombardiranju metala brzim elektronima nastaju dvije različite komponente rendgenskog zračenja. Naglim kočenjem brzih elektrona u metalu nastaje zakočno zračenje (njem. bremsstrahlung), s kontinuiranim spektrom intenziteta po različitim valnim duljinama. Izbacivanjem elektrona iz atomskih ljuski nižih energetskih razina brzim elektronima koji udaraju u metal, te popunjavanjem tih praznih mjesta elektronima iz viših energetskih razina, nastaje rendgensko zračenje sa samo nekoliko valnih duljina, karakterističnih za kemijski element (metal) od kojeg je anoda. To je karakteristično zračenje s linijskim spektrom.

Uobičajeni način dobivanja je u rendgenskoj cijevi. To je vakuumska cijev u kojoj se s jedne strane nalazi anoda, a s druge katoda uz koju se nalazi žarna nit. Katoda je na visokom naponu u odnosu na anodu. Kada žarnom niti teče električna struja ona se užari (volfram se užari na oko 2 600 K),pa katoda izbacuje elektrone koji se ubrzavaju u električnom polju između katode i anode. Elektroni udaraju u u anodu koja je načinjena od materijala koji su otporni na visoku temperaturu, poput molibdena i volframa, a ujedno se i vrti kako bi imala što bolje hlađenje. Pri tome se 99 % energije elektrona pretvara u toplinu, a samo 1 % odlazi u obliku ionizirajućeg zračenja koje pod pravim kutem izlazi kroz mali otvor na rendgenskoj cijevi. ^[3]

U prirodi rendgensko značenje može nastati kod plinskog kovitlaca oko crne jame. Rendgenske zrake nastaju kad se sudare brzi elektroni i mikrovalni fotoni. Pri tome nastaju mlazevi rendgenskog zračenja dugi i po 10 svjetlosnih godina. Tako kvazari svemirskim teleskopima daju dodatne informacije, jer osim što se na snimkama vidi kvazar, rendgensko zračenje koje prođe kroz objekte na putu napravi jednu drukčiju, rendgensku sliku tih objekata, koji neke pute nisu dijelom ljudskom oku vidljiva spektra. ^[4]

Prolaskom elektrona u neposrednoj blizini atomske jezgre, on se naglo usporava i brzina mu se smanjuje. Posljedica toga je i veliko smanjenje početne energije, a razlika energije se pretvara u foton elektromagnetskog zračenja:

${\displaystyle E=hf,}$

gdje je: f – frekvencija i h - Planckova konstanta. To se može i napisati u drugom obliku:

${\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}$

gdje je: λ – valna duljina i c – brzina svjetlosti u vakuumu. Intenzitet zračenja ovisi i o materijalu anode, i što je veći atomski broj Z metala od kojeg je anoda, to je veći i intenzitet zračenja. Intenzitet zračenja ovisi još i o anodnom naponu i o anodnoj jačini električne struje (jer je ona pokazatelj broja elektrona koji bombardiraju anodu). Mjerenja su pokazala da je intenzitet zračenja proporcionalan kvadratu anodnog napona.

Spektralne valne duljine K-serija rendgenskih zraka (nm) za neke metale anoda.^[5]

Anoda	Kβ₁	Kβ₂	Kα₁	Kα₂
Fe	0,17566	0,17442	0,193604	0,193998
Co	0,162079	0,160891	0,178897	0,179285
Ni	0,15001	0,14886	0,165791	0,166175
Cu	0,139222	0,138109	0,154056	0,154439
Zr	0,070173	0,068993	0,078593	0,079015
Mo	0,063229	0,062099	0,070930	0,071359

Tek uz visok anodni napon (oko 400 000 V) i velik atomski broj Z metala na anodi, može se postići visok stupanj iskorištenja, a on je oko 3 % rendgenskog zračenja, a 97 % odlazi na zagrijavanje anode.

Neki od elektrona koji bombardiraju anodu izbacuju elektrone iz atomskih ljuski najnižih energetskih razina. Popunjavanjem tih praznih mjesta elektronima s viših energetskih razina, zrači se razlika energije viših i nižih razina u obliku fotona ili karakterističnog rendgenskog zračenja. Na taj način nastaje zračenje točno određene frekvencije ili valne duljine (linijski spektar), karakteristično za kemijski element od kojeg je anoda. Uz karakteristično rendgensko zračenje uvijek nastaje i zakočno rendgensko zračenje.

Kod rendgenskih cijevi, kojih se anoda može smatrati približno točkastim izvorom, intenzitet zračenja opada s kvadratom udaljenosti od izvora. Prolaskom rendgenskog zračenja kroz neku tvar, zračenje se guši (njegov intenzitet pada), ovisno o debljini sloja i koeficijentu gušenja zračenja u toj tvari. Koeficijent gušenja zračenja ovisi o upijanju (apsorpciji) i raspršenju rendgenskog zračenja.

Pri apsorpciji se kvant rendgenskog zračenja dijelom troši na udaljavanje elektrona iz njegove ljuske. Na taj se način rendgensko zračenje pretvara u druge oblike energije, kao što su svjetlosna ili toplinska energija. Koeficijent apsorpcije proporcionalan je gustoći tvari kroz koju zračenje prolazi, atomskom broju elementa i valnoj duljini. Prema tome, rendgenskog zračenja kraćih valnih duljina ili tvrdo rendgensko zračenje, bit će manje apsorbirano, dakle je prodornije od onoga duljih valnih duljina. Prolaskom kroz nehomogeno tijelo rendgensko zračenje se više apsorbira na mjestima veće gustoće i na mjestima koja su od elemenata većeg atomskog broja. Upravo ta pojava se koristi u medicinskoj dijagnostičkoj radiografiji, kod snimanja kostiju.

Vršni napon rendgenskog zračenja	Minimalna debljina olova
75 kV	1,0 mm
100 kV	1,5 mm
125 kV	2,0 mm
150 kV	2,5 mm
175 kV	3,0 mm
200 kV	4,0 mm
225 kV	5,0 mm
300 kV	9,0 mm
400 kV	15,0 mm
500 kV	22,0 mm
600 kV	34,0 mm
900 kV	51,0 mm

Kod klasičnog raspršenja foton mijenja smjer, pa dio zračenja napušta osnovni snop. Pri takvom raspršenju ne mijenja se frekvencija raspršenog zračenja. I taj je koeficijent klasičnog raspršenja proporcionalan atomskom broju i valnoj duljini. Za valne duljine kraće od 0,03 nm koeficijent klasičnog raspršenja ne ovisi o valnoj duljini.

Kod Comptonova raspršenja primarni foton velike energije oslobađa elektron iz vanjske ljuske (Comptonov elektron), koji će imati frekvenciju nižu od primarnog elektrona.

Olovo je najčešći materijal za zaštitu od rendgenskog zračenja, zbog svoje velike gustoće, jednostavne ugradnje, velikog atomskog broja i relativno niske cijene. U tablici imamo preporuke za zaštitu s olovom, u ovisnosti od anodnog napona rendgenske cijevi.

Fotomaterijal koji je poglavito osjetljiv na rendgensko zračenje zove se rendgenski fotomaterijal. Danas je to rendgenski film. Rendgenski film može biti jednoslojan ili dvoslojan ovisno o tome ima li jedan ili dva fotosloja. Rendgenski film je fotografski materijal koji na jednoj ili na objema stranama podloge sadrži fotonanos osjetljiv na djelovanje rendgenskih zraka. Rendgenski film je najčešći i najjednostavniji medij za pohranjivanje dijagnostičkih informacija, koje dobivamo nakon izlaganja nekog dijela tijela rendgenskim zrakama.

Za rendgenski fotomaterijal se uglavnom upotrebljava fotosloj sa srebrnim bromidom (AgBr), jer je spoj srebra s bromom postojaniji i za oko 20 do 30 % osjetljiviji na rendgensko zračenje od ostalih srebrnih halogenida. Kristali srebrnog bromida su kuboidne forme. Ukoliko se kristalizacija odvija u idealnim uvjetima, kristalna je rešetka pravilna, ali je pri tome fotosenzibilnost kristala manja. Stoga se tehnološki kontroliranim poremećajem procesa kristalizacije proizvode defektni kristali (substrukture), što omogućava ulazak nečistoća u kristalnu rešetku. Kristale srebrnog bromida se kontaminira atomima sumpora. Ove nečistoće se nazivaju klice osjetljivosti ili centri onečišćenja kristala (engl. sensitivity specks). Nastanak latentne slike na rendgenskom filmu se temelji na nakupljanje elementarnog srebra upravo u ovim centrima onečišćenja, budući da se u njima kationi srebra reduciraju u elektroneutralno metalno srebro.

Drugi važan sastavni dio fotosloja je želatina u kojoj su raspršeni srebrni halogenidi. Želatina je polipeptid životinjskog podrijetla koji služi kao nosač fotosenzibilnih kristala zrna emulzije. Želatina ima nekoliko jedinstvenih svojstava koja ju i danas, u doba velikog napretka sintetičke kemije, čine dragocjenom u fotoindustriji.

Fotografske i radiografske podloge su različite debljine: 0,21 mm za planfilm, 0,08 – 0,13 mm za rol – film. U radiologiji je u početku kao podloga fotonanosu upotrebljavano prozirno staklo, dok danas upotrebljavaju poliesterske podloge.

Obično svjetlo, zbog slabije prodornosti, djeluje samo na najpovršniji sloj fotonanosa filma. Rendgenske zrake, kao daleko prodornije zračenje od običnog svjetla, djeluju na cjelokupnu dubinu fotosloja jednakomjerno. Pri tome fotosloj apsorbira samo 1 % sveukupne količine rendgenskih zraka koje su emitirane kod snimanja. Poznato je da samo apsorbirano zračenje djeluje na fotosloj, prema tome gotovo 99 % rendgenskog zračenja prolazi kroz film bez ikakvog fotografskog učinka.

S dvoslojni rendgenskim filmovima se postigla bolja iskoristivost djelovanje rendgenskog zračenja. Na takvim filmovima jednom ekspozicijom dobijemo rendgensku snimku na oba sloja fotonanosa, čime se postiže isti stupanj zacrnjenja kao da je takav film bio izložen djelovanju dvostruko veće količine zračenja. Stoga, dvostruki fotonanos rendgenskog filma omogućuje dvostruko kraću ekspoziciju. Kod upola kraće ekspozicije oba fotosloja samo posive no kad ih zajedno promatramo na negatoskopu, sivilo jednog fotosloja se točno poklapa sa sivilom drugog fotosloja, pa dobivamo dojam većeg zacrnjenja. Na taj način se i smanjuje doza rendgenskog zračenja kojoj je izložen bolesnik kod snimanja.

Dvoslojni rendgenski film ima ukupno sedam slojeva. Fotosloj debljine 0,013 do 0,020 mm vezan je na podlogu vezivnim ili ljepljivim slojem. Vezivni ili ljepljivi sloj filma veže fotosenzibilni sloj ili emulziju za podlogu. Građen je od alkoholom omekšane želatine i vrlo je tanak. Zaštitni sloj prekriva fotosloj i štiti ga od mehaničkog oštećenja. Građen je od tvrde želatine i vrlo je tanak. ^[6]

Fluorescentni zastor se upotrebljava za direktno promatranje rendgenskog zračenja. Fluorescentni materijal apsorbira zračenje koje na njega pada i jedan dio pretvara u sekundarno zračenje druge valne duljine. Stokesovo pravilo kaže da je valna duljina sekundarnog emitiranog fluorescentnog zračenja uvijek veća od valne duljine primarnog zračenja. Na taj se način kod izbora odgovarajućih fluorescentnih materijala rendgenskog zračenje pretvara u zračenje u vidljivom dijelu spektra.

Kao fluorescentni materijal upotrebljava se cinkov sulfid, kadmijev sulfid ili cinkov silikat. Da bi došlo do fluorescencije, potrebno je u kristalnu strukturu tih fluorescentnih materijala ubaciti mjesta s izvjesnim defektom strukture ili centre fluorescencije, koji se dodaju kao 0,1 % primjesa srebra ili bakra.

Fluorescentni zastor sastoji se od podloge koja vrlo slabo apsorbira rendgensko zračenje, reflektirajućeg sloja i fluorescentnog sloja. Usmjeravajuća rešetka onemogućuje pristup zračenja iz drugih smjerova. Kao posljednji sloj upotrebljavaju se prozračno staklo ili plastična folija s primjesom olova koje zastićuje promatrača. ^[7]

Aktivni sloj je nanesen na krutu ili fleksibilnu podlogu. U aktivnom se sloju apsorbira rendgenske zrake, stvara i pohranjuje latentna slika i odvija stimulirana emisija svjetlosti, dok podloga (aluminij, staklo, polietilen tereftalat=PET) osigurava glatku površinu za osjetljivi fosforescentni sloj, pridonosi optičkim performansama i omogućava rukovanje, primjerice prijenos zaslona od radiografskog uređaja do skenera. Debljina aktivnog sloja se prilagođava kliničkoj aplikaciji. Sloj sadrži nepravilne granule fosforescentnog materijala promjera 3-10 μm suspendirane u vezivnoj tvari. Zaslon mora biti neosjetljiv za rendgensko zračenje koje prođe naokolo i povratno se raspršuje od objekata iza njega. To je dovelo do primjene tankih slojeva olova u kazeti ili na samom zaslonu (samo kod krute podloge). Iako mnogi fosforescentni materijali imaju svojstva pohranjivanja, najčešće se komercijalno upotrebljavaju za izradu zaslona barijevi fluorohalidi (bromidi, kloridi, jodidi) uz primjesu europija, prema formuli BaFX:Eu²⁺ (kod toga X označuje halogenide, primjerice klor, brom ili jod).

Geigerov brojač je instrument koji se koristi za otkrivanje i mjerenje radioaktivnog zračenja, te se rutinski primjenjuje za mjerenje stupnja ozračenosti iz bilo kojeg izvora: nuklearnih elektrana, istraživačkih laboratorija ili atmosfere. Budući da jako nuklearno zračenje predstavlja opasnost po život, neobično su važne pouzdane i brze detekcije nuklearnog zračenja. Tome služi Geigerov brojač koji je ostao uglavnom nepromijenjen otkako je prvi puta izumljen.

Scintilator koristi gadolinijev oksisulfid ili cezijev jodid kao pretvorbeni sloj koji apsorbira rendgensko zračenje. Taj se sustav naziva neizravnim (engl. indirect digital) jer koristi intermedijarni korak stvaranja vidljive svjetlosti. Ravni detektor predstavlja kombinaciju detektorskog niza amorfnog silicija i medija osjetljivog na rendgensko zračenje. Detektorski niz je povezan s vanjskom elektronikom koja pojačava (multiplicira) signal, sinkronizira uključivanje/isključivanje linija očitavanja i digitalizira signal. U konačnici se mjeri električna struja. Nakon završetka ekspozicije, elektronika usmjerava tu struju prema pojačalima i analogno-digitalnim pretvaračima koji stvaraju sirovu digitalnu sliku.

Poluvodički detektor koristi amorfni selen kao pretvorbeni sloj koji apsorbira rendgensko zračenje. Taj se sustav naziva izravnim (engl. direct digital) sustavom.

Suvremena radiologija sve više koristi digitalne sustave za dobivanje slike ljudskog tijela koji postupno zamjenjuju analogne uređaje u kliničkoj praksi. Digitalna tehnologija se odavno primjenjuje kod slojevnog snimanja, a početak takvog slikovnog zapisa se može pripisati računalnoj tomografiji. Danas je većina ultrazvučnih skenera također digitalizirana. Oslikavanje ljudskog tijela pomoću magnetske rezonance je nezamislivo bez digitalne konverzije analognog signala.

Primjer analogne slike je standardni radiografski zapis na rendgenskom filmu. Ukoliko ga se želi digitalizirati, sliku treba podijeliti u mrežu kvadratnih elemenata (pikseli) i svakom kvadratiću pridijeliti jednu nijansu sive skale izraženu numeričkom vrijednošću. Tek tada je slika spremna za kompjutorsku obradu, distribuciju ili reprodukciju.

Projekcijska radiografija i dijaskopija prikazuju snimani dio tijela kao sumaciju sjena nastalu projekcijom iz jedne točke, žarišta rendgenske cijevi. Nejednakim slabljenjem rendgenskog snopa u različitim organima i tkivima nastaje virtualna slika snimanog dijela tijela koju receptor slike pretvara u vidljivi radiogram. Receptor slike može biti analogni, primjerice film-folijski sustav, odnosno luminiscentno pojačalo na dijaskopskim uređajima ili digitalni.

Računalna tomografija ili skraćeno CT (engl. Computed tomography) računalna je rekonstrukcija tomografirane ravnine tijela. Slikovna je radiološka metoda koja nam daje slojevni prikaz pregledavanog dijela tijela, a za nastanak slike rabi se ionizirajuće rengensko zračenje.

Pretrage barijem, pri kojima bolesnik guta barij, često se izvode na jednjaku. Za takvo ispitivanje (zvano gutanje barijeve kaše), doktori nastoje koristiti fluoroskopiju, trajnu rendgensku tehniku koja omogućuje promatranje ili slikanje kako barij prolazi kroz jednjak. Fluoroskopija omogućuje doktoru da vidi stezanja jednjaka i bilo koju anatomsku manu kao što su suženja ili rane. Često se ti prikazi zabilježe na filmu ili video traci.

Uz kirurške metode i kemoterapiju, radioterapija već dugi niz godina zauzima važnu ulogu u liječenju raka. Prvi poznati prirodni izvor radioaktivnog zračenja bio je radij, čija svojstva su otkrili i opisali još 1898. Maria i Pierre Curie. Radij se u liječenju počinje primjenjivati 1902. i primjenjivan je skoro 100 godina. Oko 1990. radij se prestao primjenjivati na preporuku Svjetske agencije za kontrolu atomske energije, prvenstveno zbog rizika ozračenja za osoblje koje ga je koristilo i zbog mogućnosti dugotrajne kontaminacije u slučaju nepažljivog rukovanja i oštećenja ili gubljenja izvora. Kroz godine nakon otkrića radioaktivnosti radija, slijedilo je otkriće svojstva zračenja niza drugih prirodnih izvora. Kroz iskustvo i praksu, od njih se u radioterapiji danas najčešće primjenjuju radioaktivni kobalt, cezij, tehnecij, iridij, jod i, rjeđe, zlato.

Spoznaja o štetnosti rendgenskog zračenja kasni za ogromnim entuzijazmom zbog novih dijagnostičkih mogućnosti i prvi liječnici koji primjenjuju rendgensko zračenje obolijevaju od njega, odnosno od njegovih posljedica. Danas radiološka dijagnostika predstavlja najveći umjetni izvor zračenja prosječne populacije u medicini. Mjera zaštite od ionizirajućeg zračenja mora se pridržavati profesionalno osoblje koje to zračenje primjenjuje. Najbolja je zaštita za bolesnika smanjivanje rendgenskih pretraga na razumnu mjeru.

U radiološkoj dijagnostici zrače uređaji za rendgensko snimanje (primjerice, za snimanje kostiju ili pluća), uređaji za dijaskopiju (primjerice za pregled želuca, irigografija) i uređaji za računalna tomografiju (CT). Magnetska rezonanca i ultrazvuk ne koriste štetno ionizirajuće zračenje za oslikavanje ljudskoga tijela. Ipak, magnetska rezonanca može biti opasna kod metalnih stranih tijela ili ugrađenog pace-makera. Nažalost, niti jedna od metoda ne pokriva sve dijagnostičke potrebe. Odabir dijagnostičke pretrage treba prepustiti liječniku koji će odrediti najkraći put do točne dijagnoze, uz najmanju štetu za zdravlje bolesnika.

Logičan nastavak na konvencionalnu radiografiju i dijaskopiju su složeniji uređaji koji koriste rendgensko zračenje: uređaj za angiografiju i računalnu tomografiju. Slijede magnetska rezonanca i ultrazvuk, kao najčešće korištena slikovna dijagnostička metoda u suvremenoj medicinskoj praksi. ^[8]

• Rendgenska cijev