27.10.2020
Поглощение рентгеновского излучения полимерами конструкционного назначения, рассматриваемыми в качестве материалов для изготовления основных компонентов аппарата Илизарова
Рентгеновское исследование основано на регистрации тормозного рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый орган тела человека.
Аппараты внешней фиксации костных фрагментов для лечения переломов и реконструкции конечностей кольцевого типа разработаны профессором Г.А. Илизаровым в 1951 году.
С тех пор предложены многочисленные варианты этих аппаратов –системы Гудушаури, Сиваша, Волкова-Оганесяна и др. Сам аппарат Илизаро-ва также не однократно был модернизирован (Авторские свидетельства: No 538710, 1976 г; No 1055499, 1983 г; No 1122303, 1984 г; No 1732956, 1992 г; No 1792671, 1993 г.)
Однако все перечисленные конструкции имеют общие существенные недостатки.
В первую очередь–существенный вес. Кольца, стержни, спицы и прочие элементы изготавливаются из высокопрочной стали, плотность которой составляет 7800 кгс/м3.
При установке аппарата и далее, в ходе контроля лечебного процесса, необходимо применение рентгенографии или рентгеноскопии. Металлические рентгенонепрозрачные элементы аппарата являются зачастую помехой для подробного исследования деталей костных отломков.
Эти недостатки можно устранить, используя вместо металлов полимерные материалы.
Полимеры широко применяются в технике ив медицине благодаря широкой гамме уникальных свойств: эластичности и химической стойкости, жѐсткости и достаточно высокой рентгенопрозрачности. Применение полимерных конструкционных материалов позволяет изделиям выдерживать нагрузки, в пять раз превосходящие предельные для самых прочных металлов. В то же время, полимеры, при плотности: 1200-1800 кгс/м3, легче их в 4-6 раз.
Характеристики ослабления рентгеновского излучения материалами
Рентгеновское исследование основано на регистрации тормозного рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый орган тела человека.
Прошедшее через исследуемый объект рентгеновское излучение ослабляется в различной степени в зависимости от распределения плотностей тканей в структуре объекта и, таким образом, несѐт информацию о внутреннем строении, то есть образует рентгеновское изображение исследуемого объекта
В случае параллельного монохроматического пучка рентгеновского излучения интенсивностью J0, падающего на поглотитель –плоскопараллельную пластину толщиной h, так, что направление распространения пучка нормально к поверхности пластины. Интенсивность рентгеновского излучения за пластиной обозначают J [1]. Излучение, прошедшее пластину JП, будет меньше излучения, падающего на пластину, на величину интенсивности излучения, рассеянного в теле пластины.
Массовый коэффициент ослабления μ/ρ, где ρ –плотность вещества, находят из выражения:
Массовый коэффициент ослабления складывается из суммы коэффициентов рассеяния, поглощения и коэффициента фотоэлектрического поглощения.
При исследовании вещества сложного химического состава массовый коэффициент ослабления составит:
Ослабление рентгеновского излучения при рентегонологическом исследовании
Проблема заключается в выборе полимерного материала для аппарата Илизарова, не препятствующего просмотру костной ткани человека при рентгеновском контроле процесса остеосинтеза. Необходимо, чтобы ослабление рентгеновского излучения материалом аппарата было по возможности меньше ослабления этого излучения костной тканью.
Материалов, абсолютно прозрачных для рентгеновского излучения, применяемого при медицинских рентгеновских исследованиях, то есть излучений интенсивностью 0,02-0,12 МэВ [3], в природе не существует, см. таблицу 1 [4]. При энергии гамма-лучей рентгеновского диапазона с интенсивностью излучения 0,1 МэВ воздух имеет массовый коэффициент ослабления, равный 21·10-6 м3/кг, водород –294·10-6 м3/кг. Поэтому задача сводится к поиску материалов, ослабляющих рентгеновское излучение в меньшей степени, чем его ослабление костными тканями человека.
Ослабление излучения костной тканью является суммой коэффициентов ослабления элементов, из которых она состоит. Элементный состав костной ткани приведѐн в таблице 2 [3]. Здесь же приведѐн состав материалов, имитирующих ткани организма человека в рентгенологических экспериментах. Из таблицы видно, что идентичное поглощение имитатора и ткани не требует точного соблюдения элементного состава и плотности вещества.
Однако можно предполагать, что вещество, имеющее в своѐм составе элементы с меньшей величиной коэффициента ослабления, будет более прозрачно для рентгеновского излучения, чем вещество, элементы которого характеризуются высокими коэффициентами ослабления.
Конструкционные полимерные материалы
Полимеры, которые можно применять в компонентах аппарата Илизарова: полукольцах, кольцах, стержнях, должны удовлетворять многим требованиям кроме максимально возможной рентгенопрозрачности. В первую очередь это максимальные прочность и жѐсткость, то есть свойства, которые должны успешно конкурировать со свойствами металлов. Эти требования существенно сужают поиск возможных материалов.
Литературные источники [5] рекомендуюттакие полимеры, как: полиметиленоксид (ПМО) –горючий, но нетоксичный материал с высоким сопротивлением усталости при динамических знакопеременных нагрузках, обладающий высокой износостойкостью и низкой ползучестью; поликарбонат (ПКБ)–имеющий стабильные механические свойства в интервале температур –150÷200 оС, обладающий низкой гигроскопичностью (свойства, обеспечивающие паровую стерилизацию), стабильностью размеров и малой склонностью к ползучести под нагрузкой; полиамиды (ПМ), алифатические и особенно ароматические, содержащие в основной полимерной цепи бензольные кольца, обладают повышенными прочностными свойствами.
Однако прочностные требования к компонентам аппарата Илизарова вынуждают рассматривать и такие специфические материалы, как композиционные, с волоконным наполнителем. В первую очередь, это карбоволокниты, то есть материалы с наполнителем из углеродных волокон или тканей, затем волокниты из специальных полиамидов, например, из волокон на основе полиамидбензимидазола с торговой маркой СВМ.
Матрицей композиционных волокнистых материалов чаще всего в технике используют эпоксидные смолы.
В качестве примера приведѐм формулу эпоксидной смолы ЭД-6, отверждѐнной метилтетра-гидрофталевым ангидридом в соотношении 5:1 [6]:
Эпоксидное связующее, несмотря на сложное строение, имеет в своѐм составе только три элемента: углерод, водород и кислород. Поэтому можно ожидать, что это вещество будет достаточно мало ослаблять рентгеновское излучение. Структура и элементный состав других конструкционных полимеров приведены в таблице 3.
УПА 6-40 Углеродные волокна (наполнитель) и эпоксидная смола в качестве матрицы содержат в основном только атомы углерода, водорода и кислорода, то есть те компоненты, которые содержатся в костной ткани и, согласно данным, приведѐнным в таблице 1, ослабляют рентгеновское излучение в наименьшей степени. Поэтому ожидается, что ослабление рентгеновского излучения в случае применения волокнистых углеродных композитов или полиамидов будет несколько меньше и позволит использовать эти материалы в аппарате Илизарова.
Оценка характеристик ослабления рентгеновского излучения
Для фотографической регистрации рентгеновских лучей применяют специальные рентгеновские плѐнки. Двойной слой фотоэмульсии, а также содержание бромистого серебра, взвешенного в желатине, на единицу площади слоя существенно большее, чем в обычных фотоматериалах, обеспечивают значительную чувствительность этих плѐнок.
При поглощении рентгеновских лучей вэмульсии фотоплѐнки образуются так называемые центры скрытого изображения. Изменения, происходящие в зерне AgBr, могут быть представлены следующей схемой [2]:
, то есть, ион Br–под влиянием кванта рентгеновских лучей hν отдаѐт свой электрон и становится нейтральным атомом Br. Освобождѐнный электрон захватывается ионом Ag+ и превращается в нейтральный атом серебра. Проявление и фиксация превращают состав зѐрен в совокупность металлического серебра и легко растворимого в воде соединения непрореагировавшего AgBr. После промывки на фотоплѐнке остаются только зѐрна металлического серебра. Плотность распределения этих зѐрен зависит от экспозиции плѐнки.
Экспозиция Н равна произведению интенсивности I излучения на время t облучения:
Н = It.
Экспозиция рентгеновских плѐнок измеряет-ся в единицах дозы рентгеновского излучения –рентгенах.
Число зѐрен серебра N при небольших экспозициях приблизительно пропорционально экспозиции, N= cIt. Подсчитывая с помощью микроскопа число зѐрен на единице площади, можно определить интенсивность рентгеновских лучей [2].
Более удобным методом количественного определения действия рентгеновских лучей является фотометрирование.
При фотометрировании через плѐнку, прошедшую фотообработку, пропускают узкий пучок световых лучей интенсивностью I0. Интенсивность пучка после прохождения через плѐнку уменьшается до I. Обе интенсивности измеряются фотоэлементом и микроамперметром, являющимися составными частями микрофотометра. Отношение I0/I называется непрозрачностью. Непрозрачность рентгеновских снимков колеблется от 1,05 до 106.
Из практических соображений принято характеризовать почернение плѐнки не непрозрачностью, алогарифмом непрозрачности. Эту величину называют оптической плотностью или плотностью почернения, D = lg (I0/I) [2, с. 29]. Также D = lg (F0/F), где F0–интенсивность света, прошедшего через неэкспонированный участок плѐнки; F–интенсивность света, прошедшего через экспонированный участок плѐнки после еѐ фотообработки [2, с. 332]. Оптическая плотность при неизменном спектральном составе рентгеновского излучения при D < cItp, где для световых лучей р = 0,98÷0,99, для рентгеновских лучей р = 1. В области почернения плѐнки до D ≈ 2 плотность почернения меняется линейно с экспозицией Н:
Так как при рассматривании плѐнки на негатоскопе яркость оптического изображения может быть выбрана оптимальной для глаз (30-50 нит), то наблюдатель может обнаружить в рентгеновском изображении неоднородность с контрастом порядка 1% [1]. То есть, если разница в контрасте изображений на рентгеновской плѐнке компонентов аппарата Илизарова и исследуемых органов составит более 1%, то материал компонентов можно считать приемлемым.
При использовании одной и той же рентгеновской плѐнки и режиме еѐ облучения контраст пропорционален разности оптических плотностей исследуемого материала и фона –на этом основывали методику определения степени ослабления рентгеновского излучения.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ
Рентгеновские снимки материалов и образцов изделия делали на аппарате рентгеновском рДК-50/6; II р.м., на кассете «Ремекс-В2А» без решѐтки.
Режим: напряжение на трубке–40 кВ.
Время экспозиции–0,08 с.
Плѐнка «Кодак M×G».
Степень ослабления рентгеновского излучения определяли по следующей методике:
Из рентгеновских снимков вырезались участки, оптическая плотность которых соответствовала отпечатку исследуемого материала, фона, отпечатку металлической пластинки. Предполагаем, что градация почернения плѐнки (оптическая плотность) находится в диапазоне от минимума (отпечаток металлической пластинки с максимальным светопропусканием
100, %), принимаемого за нулевую отметку, до максимума –общий фон плѐнки (ослабление излучения воздухом с минимальным светопропусканием 0) –100-процентное почернение. Минимальное почернение практически соответствует пропусканию полимерной подложки плѐнки. Поэтому в случае, когда нет контрольного отпечатка металлической пластины, можно смыть оба слоя эмульсии (а их на плѐнках два –с обеих сторон подложки), измерить пропускание подложки и принять этот результат за нулевую отметку.Степень почернения пленки, обозначим еѐ внашем случае П, пропорциональна величине потери освещѐнности приѐмника спектрофотометра при пропускании сквозь участок рентгеновской плѐнки монохроматического света.
Использовали спектрофотометр СП-26 «ЛОМО», шкала которого градуирована в процентах освещѐнности светоприѐмника. То есть показания шкалы соответствуют тому количеству света, которое прошло сквозь исследуемый материал (светопропускание, м, %).
Длина волны света составила λ = 496 нм.
Считаем, что рентгенопрозрачность материала пропорциональна отношению светопропускания его рентгеновского отпечатка к максимальному светопропусканию –ко всему диапозоны шкалы:
Почернение отпечатка материалов, рентгенопоглощение (Rp), (промежуточное почернение) соответственно:
Оценка применимости материала в качестве компонента аппарата Илизарова осуществлялась по разнице значений светопропускания исследуемого материала и костной ткани.
Чем больше эта разница, тем лучше материал с точки зрения рентгенопрозрачности. Если разница составляла менее одного процента, то такой материал считаем непригодным.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСЛАБЛЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Исследуемые материалы имеют форму пластинок различной толщины. Также испытанию подвергали опытные образцы компонентов аппарата Илизарова в виде полуколец и стержней, изготовленные по конструкторской документации опытного завода РНЦ «ВТО»им. акад. Г.А.Илизарова (рис. 2).
Результаты испытаний приведены на рисунке 3 и в таблице 4.
Самое низкое значение рентгенопоглощения характерно для образцов из смесевой композиции: короткое углеродное волокно –полиамидное связующее из поликарбоната. На рисунке 3 кривые, характеризующие изменение их рентгенопоглощения в зависимости от толщины образцов располагаются ниже кривых, характерных для рентгенограмм остальных материалов.
Кривые рентгенопоглощения можно аппроксимировать квадратными уравнениями, приведѐнными на рисунке 3, что позволяет экстраполировать эти кривые до значительных толщин материала. В данном случае представляет интерес расчѐт величины светопропускания для толщины 19 мм. Это наибольшая толщина материала, используемого в аппарате -в полукольце (рентгеновские снимки будут выполняться со стороны торца). Из рисунка видно, что максимальная величина рентгенопоглощения, характерная для композиции: углеродная ткань –эпоксидное связующее, не превышает 15%. Это значительно ниже рентгено-поглощения костной ткани (рис. 1), которое в эксперименте составило 80-90%
Таким образом, эксперимент показал, что рентгенопоглощение не препятствует изготовлению компонентов аппарата Илизарова из выше-перечисленных полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
1.Рентгено-диагностические аппараты / Под ред. Н.Н. Блинова. -М.: Медицина. -1976. -239 с.
2.Рентгенотехника. Справочник / Под общ. ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1992. -Т. 2. -383 с.
3.Эквивалентные дозы в органах и тканях человека при рентгеновском исследовании: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1989. –С. 7-15.
4.Горшков, Г.В. Проникающие излучения радиоактивных источников / 2-е. изд. -Л.: Наука, 1967. –С. 251-273.
5.Конструкционные материалы: Справочник / Под ред. Б.Н. Арзамасова. -М.: Машиностроение, 1990 -С. 338 –376.
6.Колокольчиков, В.В. Структура и упругие модули отверждѐнной эпоксидной смолы / В.В. Колокольчиков, Л.П. Ли // Механика полимеров. -1976. -No 4. -С. 597.
7.Справочник по пластмассам / Под ред. В.М. Катаева, В.А. Попова, Б.И. Сажина. -М.: Химия. Изд. 2, т. 2. -С. 176, 199.
8.Котомин, С.В. Уплотнение и монолитизация арамидных и композитных волокон / С.В. Котомин, Н.Н. Авдеев // Механика ком-позитных материалов. -2002. -Т. 38, No 5. -С. 701 -713
А.Н. Пугачёв, В.Г. Наумов, Н.Н. Взятышев
Закрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие «КОМПОМЕД», г. Королѐв Московской области (генеральный директор -А. Н. Пугачѐв)
Теги: рентгенография
234567 Начало активности (дата): 27.10.2020 18:55:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: рентгенопоглощение, рентгенография, полимеры, остеосинтез
12354567899
Похожие статьи
Остеосинтез чрезвертельных переломов бедренной кости у лиц старческого возрастаРентген на дому 8 495 22 555 6 8
Мотивация выбора метода лечения и вида остеосинтеза при оскольчатых переломах бедра
Метод лечения больных с хроническим гнойным остеомиелитом длинных трубчатых костей
Методы обследования пациентов с вывихом надколенника
