Атом және ядролық факторларды медициналық құралдарда қолданудың физикалық негіздері

Медицинада атом мен ядролық физикалық факторларды диагностика мен емдеу ісінде қолданады. Соның ішінде диагностикалық бағытта қолдану В. Рентгеннің 1895 ж. Х- сәулесін ашқандығы туралы мәлімдемесінен басталады және ол рентгендиагностика (РД) деп аталады. Осы тақырыптарды өтуде болашақ дәрігерлерге рентген сәулесін алудың физикалық механизмін ашып түсіндіру, әсіресе рентген сәулесін электрондарды тежеу және оларды үдету арқылы алудың ерекшеліктерін, рентген сәулесінің әсерін сипаттайтын: доза түрлері мен олардың өз ара қатынастары, рентген, миллирентген, микрорентген сияқты физикалық өлшем бірліктерді пайдалануға баса назар аударған жөн. Пациентерді, рентген аппаратымен жұмыс істейтін дәрігерлерді рентген сәулесінен қорғау мәселесіне де жеткілікті түрде мән беру қажет. Томографиялық және магнитті-резонанстық әдістердің негізгі ерекшеліктеріне, жұмыс істеу принциптеріне жете көңл бөлген дұрыс.

Рентгендиагностика мынадай түрлерге бөлінеді: рентгенграфия, флюорография, электрентгенография, рентгенскопия және томография.
Бұл диагностикалық әдістердің бір бірінен айрымашылы алынған кескінді-рентгенограмманы бақылу мен тіркеуде ғана, ал кескінді алудың физикалық негізі барлығында бірдей. Рентгенграфияда зерттелінетін адам мүшесінің ескіні рентгенограмма – фотопленка бетіне түсіріледі, ал флюорграфияда –көлемі шағын фотопленкада тіркеледі. Рентгенскопияда- кескін юминесценциялы экранында пайда болады. Экранның люминофорлы қабаты 60% цинк сульфидынан, 40% кадмии сульфитынан тұрады. Мұндай экранға түскен рентген сәулесінің интенсивтілігіне сәйкес, оның люминофорлы абаты сәуле шығарады. Рентген сәулесінің ішкі мүшелерде әр түрлі дәрежеде жұтылғандықтан, денеден өткен сәуленің интенсивтілігі әр түрлі болып, соған сәйкес экран бетінде ішкі мүшелердің кескіндері әр түлі болады. Электрлі рентгенграфияда- пациенттен немесе оның белгілі бір ішкі мүшесі арқылы өткен рентген сәулесі жартылай өткізгішті селен пластинкасына келіп түседі. Мұндай пластинкалардың беті γ- сәулесіне пропорционалды түрде зарядталады, яғни пластинка бетінде көзге байқалмайтын, тексерілген дене құрылымын қайталайтын жасырын электрлік кескін пайда болады. Осылайша пайда болған жасырын кескінді көру үшін, селен пластинкасын бетін графит ұнтағымен өңдеп, кейінен оны қағазға аударып, пайда болған көрінентін кескінді ацетон буымен бекітеді. Бұл әдістің басты артықшылығы бір селен пластинкасы арқылы 1000 астам кескін алуға болады және адам ағзасына әсер ететін рентген сәулесінің дозасының төмен болуы.
Компьютерлік техника және көріністі (кескінді) математикалық жолмен өңдеудің дамуы арқасында ХХ ғасырдың 70 жылдары санды рентгенграфияның пайда болуына қол жеткізілді. Санды рентген аппараттарында кескінді алу үшін фотопленка қолданылмайды, оның орнынан рентген фотондарын тіркейтін детекторлар матрицасы орнатылған пропорционалдық камера деп аталатын қондырғы қолданылады.

Комптьютерлік программа көмегімен детекторлардан келген электрлік сигналдарды өңдеп, кескінге айналдырады. Осылайша алынған кескінде диагностикалық мәлімет стандарты рентген кескініне салыстырғанда әлде қайда көп, оның үстіне кескінннің кез келген қажетті бөлігін өңдеуге, жеткізуге т.б. медициналық талаптарға байланысты іс әркеттер жүргізуге үлкен мүмкіндік бар. Санды рентгенграфия кезінде пациенттің алатын рентген дозасы 100 есеге дейін кемиді, сонымен қатар шағын компьютердің қатты дискісінде 4000 дейін кескіндерді сақтауға болады[259]. Мұндай санды рентгендік қондырғыларға «Сибирь»(РФ), «Siregraph»(ГФР), «DigiSpor» (АҚШ) т.б. жатады.

Жоғарыда қарастырылған «Рентгендиагностика» әдістерінің барлығында зерттелінетін дене көрнісін белгілі бір бетке (фотопленкаға, жартылай өткізгішт селен пластинкасының бетіне, люминофор экранға т.б. жазықтықтарға) проекциялану нәтижесінде алынатын кескін деп санау қажет. Мұндай әдісте зерттелінетін дене мен оның кескінін тіркейтін құрылғы арасындағы кеңестіктегі барлық денелердің кескіндері де проекцияланады, соның әсерінен алынған кескінді жеке-жеке денелердің беттескен проекцияларының қосындысының көрнісі ретінде санауға тура келеді. Бұл дененің жеке бөлігін зертетуді қиындатады. Осындай жағдайлар ескеріліп, зерттелінетін денені өлшеу нәтижесінде алынған мәліметтерді компьютер көмегімен математикалық жолмен өңдеу арқылы, дененің әр түрлі қалындықтағы қимасын монитор бетінде кескіндеуге мүмкіндік алынды, бұл әдіс компьютерлік томография(КТ) деп аталынды. Мұндай әдістің негізіне жазық беттегі белгіл бір шеңбермен(сызықпен) тұйықталған фигураны қиып өтетін түзулердің сызықты интегралын есептеу арқылы тұйық фигураның ішкі құрылымын (көрнісін) анықтауға болатындығы туралы математикалық теория алынған.

КТ жұмыс принципін мына түрде қарстырған жөн. Рентген түтігінен шығатын γ- сәулесі коллиматор арқылы жазықтықпен, веер тәрізді ағын түрінде тарайды. Ол зерттелінентін объектіні қиып өтіп, қарсы беттегі қабылдағыш – детекторға (саны 12-1200 аралығында) келіп түседі, осылайша сәуленің денеде жұтылу шамасын анықтаймыз. КТ рентген түтігі мен оған қарама-қарсы бетке орнатылған детекторлар жүйесі бірге, шеңбер бойымен 40-500 сектор ішінде, рентген түтігі мен детекторлар арасына орналасқан зерттелінетін денені айнала қозғалады. Зертелінентін денеден өткен рентген сәулесін детекторлар электр сигналына айналдырады. Бұл процесс денені немесе оны бір аймағын толығымен зерттеп біткенше жалғасады. Соған сәйкес зертелінетін дененің ілгерілемелі қозғалыс әсерінен алға жылжыған келесі қабаты (бөлігін) арқылы γ- сәулесі өтеді, бұл жолы да рентген түтігі мен детекторлар денені 40-500 сектор аралығында айнала қозғалады. Осылайша дененің қажетті аймағы немесе бөлігі белгілі бір қадаммен және қалыңдықпен қиып зерттелінеді. Жинақталған мәліметтер жоғарыдағы математикалық теорияның принциптеріне сәйкес компьютерде

өңделініп, жазық түрдегі жеке-жеке проекциялар жинақталып, дененің фронталь немесе осі бойынша жазықтықтағы көлемдік көрнісі, көлденең қабыты бойынша белгілі бір қалыңдықта кесілген қиынды көрнісі т.б. диагностикалық мәліметтер алынады. Қазіргі заманғы КТ, зерттелінетін дененің 1; 3; 5; 8; 10 және 12 мм қалыңдықтағы көлденең кескіндерін бере алады. Кейбір КТ-да детекторлар зерттелінетін дене айналысына шеңбер бойымен орнатылған, ал рентген түтігі болса денені айнала қозғалады, кейбір КТ керісінше рентген түтігі мен детекторлар бірге, зерттелінетін денені айнала қозғалады [18, 220-240 б]. КТ арқылы ауруларды анықтау дәлдігі басқа әдістермен салыстырғанда жоғары болатындығын көптген зерттеулер көрсетіп отыр. Бронхы туберкулезін анықтауда рентгенграфия, флебобронхоскопия, бронхография әдістермен салыстырғанда КТ көмегімен анықтау дәлдігі 91% болған (Лепихин Н.М., Мудров В.В.), осындай көрсеткіш ас қазан рагын анықтауда (Седых С.А. ), омыртқа, бас т.б. ішкі мүшелердегі патологиялық ошақтарды анықтауда қол жеткізілген. Жүргізілген зерттеулер нәтижесінде КТ арқылы жүргізілген диагностикалық мәліметтердің дәлдігі жоғары болатындығы анықталды [38].
Қазірге кезеңде КТ негізінен шет ел фирмалары шығарады, олардың қатарына «Philips Tomoscan R 7000» (Голландия), «Siemens» (Германия), «Toshiba»(Жапония) т.б. жатқыуға болады.

Соңғы жылдары диагностикалық әдістердің ішінде магнитті резонанстық томографияға (МРТ) ерекше көңіл бөлінуде. Бұл әдістің басқа әдістерге салыстырғандағы басты ерекшелігі: физикадағы ядролық магнитті резонанс құбылысты қолдана отырып, биологиялық денені иондашуы қаблеті төмен, радиотолқындар диапозонда жатқан электромагниттік толқынмен әсер ету арқылы зерттелінетін дененің көрінісін(қимасын) алу. Халық арасында атом ядросы сөзінің кері пікір тудыратыны ескеріліп, бұл әдістегі ол сөздер алынып тасталған, сондықтан қазірге кезеңде бұл әдіс магнитті резонас деп аталынады.
Болашақ дәрігерлерге бұл әдістің физикалық негізін түсіндіруді мынандай ретпен жүргізген дұрыс деп санаймыз:

1. Спектрлердің пайда болуы және оның түрлері.
2. Атомдық және молекулалық спектрлердің пайда болу механизмі және оның түрлері туралы мәлімет.
3. Атом мен молекуланың энергияны жұтуы мен шығарудағы резонанстық құбылыстың маңызы.
4. Спин туралы түсінік.
5. Спектрдің пайда болуындағы спиннің ролі.
6. МРТ әдісінде кескіннің пайда болуы
7. Магнитті резонанстық томографтың құрлысы және оның түрлері.

Бастапқы бес сұрақ туралы теориялық мәліметтер физика оқулықтарында толық қамтылған, сондықтан бұл тарауда оған көңіл бөлмедік. Оның орнына негізгі ойды МРТ құрлысын қарастырауға арнадық, оған басты себеп, медициналық ЖОО арналған оқулықтарда МРТ туралы мәліметтер әзірше толық және жеткілікті түрде берілмей отыр. Бұл тақырыпты талдауда басты назарды зерттелінетін дене кескінінің пайда болу механизмін ашып түсіндіруге аудару қажет.

Адам денесі құрылымы жағынан су молекулаларына өте бай дене болып саналады, ал су молекуласы құрамындағы сутегі атомы ядросы жалғыз протоннан және оны айнал қозғалған элеткроннан тұратыны белгілі, осындай құрылымды өзіндік өрісі бар «кішкентай магнит» ретінде қарастыруға болады. МРТ арқылы зерттелінетін пациент денесіндегі(мүшесіндегі) осындай сутегі атомдар, яғни «кішкентай магниттер» МРТ құралы тудыратын индукция шамасы В болатын сыртқы магнит өріс әсерінен бей берекет бағыттарын өзгертіп (спиннің орналасуы), құрал тудырған магнит өріс бойымен бағытталады. Егер осындай күйдегі пациент денесінің бізге қажетті бөлігіне(мүшесіне), жиілігі алдын ала таңдап алынған радио диапазонында жатқан электромагниттік(ЭМ) толқынмен әсер етсек, онда резонастық құбылысқа сәйкес, біз әсер еткен аймақтағы сутегі атомдары ЭМ толқынды жұтып, қозған күйге көшеді, нәтижесінде «кішкентай магнитердің» кеңістікте орналасуы, энергиясының шамасы және т.б. көрсеткіштері өзгереді. ЭМ толқынның әсері тоқталысымен, қозған күйдегі сутегі атомдары жұтқан энергияларын қайта шығарып, қалыпты күйге көшеді. Соңғы процестің ұзақтығы, яғни атомның қайта қалпына келу уақыты дененің құрылымына, физиологиялық күйіне, ондағы патологиялық процестерге тікелей байланысты әр түрлі болады және оны Т - релаксация уақыты деп атайды. Осы процесс кезіндегі шығарылған энергиялар (ЭМ толқындар) МРТ қабылдаушы катушкасын қиып өтіп онда ток тудырады, оның шамасын тіркеу және оларды өңдеу арқылы біз зерттелінетін дененің құрылымын, кескінін, көлденең қимасын және т.б. туралы диагностикалық мәліметтерді аламыз, мұндай жұмыстар компьютер арқылы орындалады. МРТ қолданылатын радиотолқының энергиясы басқа атомдардың энергетикалық күйін өзгертуге жеткіліксіз екендігін ескерген жөн, ол тек сутегі атомдарының энергетикалық күйі өзгерте алады. Осы мақсатта фтор, натрий, фосфор және т.б. басқа атомдарды қолданатындығын ескерген жөн.

Тақырыпты талдау барысында мына мәселеге базар аударған жөн, біріншіден- әр денені(мүшені) құрайтын сутегі атомдарын қоздыруға жеткілікті радио жиіліктерге сәйкес келетін энергиялар шамасы әр түрлі болғандықтан олардың шығаратын энергияларының мөлшері де әр түрлі болады, оның үстіне резонанстық құбылысқа сәйкес сутегі атомдары кез келген ЭМ толқынды жұта бермейді, екіншіден- әр түрлі денені(мүшені) құрайтын сутегі атомдарының (протондардың) концентрациясы әр түрлі, соған сәйкес олардың шығаратын энергияларының интенсивтілігі де әр түрлі болады, осындай факторлар зерттелінетін дененің (мүшенің) кескінінің, көрнісінің, көлденең қимасының және т.б. бір бірінен өзгеше болуына алып келеді.

МРТ әдісінде зерттелінетін дененің кескінін алу үш түрлі физикалық шамаға байланысты болады. Олар: зерттелінетін аймақтағы сутегі(протон) атомдарының концентрациясы, кескіннің жалпы құрылымы осы шама арқылы жасалынады; келесі Т1 және Т2 релаксация уақыты. Жоғарыда ескерткендей, бір ұлпаның қатар жатқан екі түрлі аймағындағы (бір аймағында патологиялық өзгеріс болсын делік) атомдар жұтқан энергияларын қайтаруға әр түрлі уақыт жұмсайды, өйткені ондағы атомдардың спиндері екі түрлі болғандықтан олар екі түрлі энергия шамасын жұтады. Сондықтан мұндай атомдар үшін Т1 мәні де екі түрлі болады, соған сәйкес олардың шығаратын энергиялары да екі түрлі болады, яғни атомдардың қайта қалпына келуі үшін кететін уақыты зерттелінетін дененің қасиетін тікелей байланысты болады, осыған сәйкес Т1 ядро спинінің энергиясының өзгерісін, ал Т2 атом жүйесіндегі спиндердің өз ара байланысын көрсетеді. Мысалы, ишемия, мидың қабынуы т.б. көптеген аурулар кезінде Т1 саны мәні төмендесе, Т2 жоғарылайды, ал қан құйылуы болған жағдайларда бұлардың екуінің де мәні жоғарылайды.

МРТ негізгі бөлігі шеңбер тәрізді орта бөлігі ашық болып келетін қондырғыдан тұрады. Оның ашық орта бөлігіндегі аймақта, магнит индукциясының шамасы өте үлкен магнит өрісі болады. Қазіргі кезеңде үлкен кеңістікте индукциясының шамасы үлкен және бір текті болатын магнит өрісін жасау өте күрделі инженерлік проблема болып отыр. Әзірше мұндай проблемаларды шешуде асқын өткізгіштік құбылысын қолдану арқылы индукциясы 2 Тл дейінгі магнит өрістерін алуға қол жеткізілді. Асқын өткізгіштік қасиеті бар материалдан жасылынған катушаның сымдары температурасы 4,2 К сұйық гелии арқылы суытылады. Катушка мен сұйық гелий үлкен криостат ыдысында орнатылған, ол сырттынан температурасы 77,4 К сұйық азот құйылған Дьюар ыдысымен қоршалған. Дьюар ыдысы сыртқы орта мен сұйық гелии арасындағы термоизолятор міндетін атқарады. МРТ шеңбер ішіндегі кеңістікте X, Y және Z үш түрлі бағытта магнит өрісін тудыратын градиенттік «ГКМ» және 15 - 80 МГц аралықтағы радио жиіліктегі ЭМ толқындарды тудыратын қосымша «РЧ» катушкалар бірінің ішінде бірі орналасқан. РЧ катушка өрістері арқылы сутегі атомының(протондардың) спиндері өзгеріске ұшырайды және олардың қайта шығарған ЭМ толқындарын қабылдайды, сондықтан «РЧ» катушкаларды ЭМ толқынды шығарушы және қабылдаушы деп екі түрге бөледі. Кей МРТ моделдерінде мұндай екі қызметті бір катушка орындауы да мүмкін.

МРТ магнит өрістерін тудыру, градиенттік «ГКМ» және радио жиілікті «РЧ»катушкаларының жұмысын басқару, қабылданған ЭМ толқындарды кескінгеайналдыру т.б. процестерді қуатты томографтың негізгі элементі болып саналатын компьютер арқылы жүргізіледі. Қазіргі кезеңде мұндай компьютерлерді жоғарыда аталған жұмыс түрлерін орындауға қажетті программалармен қамтамасыз ету үлкен проблемалардың бірі болып саналады[263]. Қазіргі уақытта МРТ негізінен АҚШ, Жапония, Голландия, Германия, Ресей т.б. елдер шығаруда. Оған «Signa Openspeed 0,7 T», «Philips Guroscan-5M», «Magneton», «Образ-2» т.б. құралдарды жатқызуға болады.

Радиоизотоптарды диагностикалық мақсатта қолдану ХХ ғасырдың 50 жылдарынан басталады және бұл әдіс радионуклидті диагностика(РД) деп аталынады. Қазақстанда 1954 жылы академик А.Н.Сызғановтың басшылығымен Қазақ клиникалық және эксперименталды хиругия ғылми-зертеу институтының жанынан радиоизотопты диагностика лабораториясы құрылып, онда аталған әдісті қолдануға алғашқы қадамдар жасалды[39].

Аталған әдісті қолданудың физикалық негізі «Медициналық физика» мен «Сәулелік терапия» оқулықтарында қарастырылғандықтан, бұл тақырыпты талдауда аталаған басылымдарда жеткілікті түрде көңіл бөлінбеген РД түрлеріне және оларды медицинада қолданудың практикалық жағына баса назар аударған дұрыс, өйткені болашақ дәрігер РД бір бірінен негізгі айрымашылықтарын және оны қолданудың бағыттарын білуі тиіс, сонда ғана ол қажетті әдісті саналы түрде дәл таңдай алады. Медицинада қолданылатын радиоизотопты диагностика әдістерін зерттеу мақсаты мен онда шешетін міндетіне сәйкес: клиникалық радиометрия, гамма-топография, биологиялық үлгінің радиобелсенділігі, радиоизотопты зертеу деген түрлерге бөлінеді. Клиникалық радиометрия деп белгілі уақыт мерзімінде ағзаның мүшелері мен ұлпаларында жинақталған радиофармациялық препараттардың (РФП) концернтарциясын анықтауды атайды. Радиография деп адам ағзасында немесе оның бір мүшесінде РФП жинақталуының, таралуының және денеден шығарылуының динамикалық күйіндегі мәнін радиометр(РЖГ-1 т.б.) арқылы тіркеуді атаймыз. Гамма топография деп ағза мүшесінде радионуклидтің жиналу (таралуын) дәрежесі бойынша оның физиологиялық күйін анықтауды атайды. Аталған зерттеулер гамма топографтар (ГТ-60, ГТ-2 т.б.), гамма–сцинтилляциялық камералар (ГКС-2, ГКС-200К т.б.) арқылы орындалады. Биологиялық үлгінің белсенділігі деп ағза мүшелерінің функционалды күйін олардың радиобелсенділігі арқылы анықтауды атаймыз. Мұндай зерттеулер коледездік санағыштар арқылы жүргізіледі (СКС-60 т.б.). Радиоизотопты зерттеудің «in vitro» түрі деп радионуклидті препараттар көмегімен гормон, антиген, фермент т.б. биологиялық белсенді заттардың конценртациясын ағзадан тыс жағдайда анықтауды атайды. Мұндай зерттеулер радиоиммунологиялық, радиобихимиялық зерттеу кешендері(Гамма-2, Бета-2 т.б.) арқылы орындалады. Қазіргі кезеңде клиника- зертханалық практикада радиоизотопты препарттар арқылы көптеген ауруларды алдын ала анықтауға қол жеткізілді. Гипертония, қатерлі ісік антигендерін т.б. ауруларды ертерек анықтауда РД бірден бір дәл әдіс болып отыр [28,79-80б;39]. Радиоизотопты препаратарды медицинаның әр түрлі салаларында қолдану туралы мәлімет төменгі 7 кестеде берілді: