Номер 2, страница 217 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

2. Объясните принцип работы томографа.

2. Объясните принцип работы томографа.

Томография (от греч. τομή — «сечение» и γράφω — «писать, изображать») — это метод получения послойного изображения внутренней структуры объекта. Общий принцип работы томографа заключается в создании множества проекций (снимков) исследуемой области под разными углами с последующей сложной компьютерной обработкой этих данных для восстановления трёхмерной структуры или серии двумерных срезов (томограмм). Этот подход позволяет заглянуть внутрь объекта, не разрушая его.

Существует несколько видов томографии, различающихся физическими принципами, лежащими в их основе. Основные из них:

Компьютерная томография (КТ)
В основе КТ лежит использование рентгеновского излучения. Принцип работы следующий:
1. Вокруг пациента вращается система, состоящая из рентгеновской трубки (источник излучения) и расположенных напротив неё детекторов.
2. Рентгеновская трубка испускает узкий веерный пучок лучей, который проходит сквозь тело пациента.
3. Ткани организма по-разному поглощают рентгеновское излучение в зависимости от их плотности (кости поглощают лучи сильно, мягкие ткани — слабее).
4. Детекторы регистрируют интенсивность прошедшего излучения. Совершая полный оборот вокруг тела, система собирает данные о поглощении лучей под всеми углами в плоскости одного «среза».
5. Мощный компьютер обрабатывает полученные данные с помощью математических алгоритмов (например, обратного преобразования Радона) и реконструирует детальное изображение поперечного сечения тела — томограмму. На ней видна плотность различных тканей.
6. Перемещая стол с пациентом, получают серию таких срезов, из которых можно построить и трёхмерную модель органа или части тела.

Магнитно-резонансная томография (МРТ)
МРТ не использует ионизирующее излучение, что делает её безопасной в этом отношении. Её принцип основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
1. Пациента помещают в очень сильное, постоянное магнитное поле. Это поле заставляет протоны (ядра атомов водорода), которых очень много в воде и жирах в организме, выстроиться параллельно или антипараллельно линиям этого поля.
2. Затем на короткое время на тело воздействуют радиочастотным импульсом. Этот импульс «возбуждает» протоны, заставляя их отклониться от своего выровненного положения.
3. После прекращения радиочастотного импульса протоны возвращаются в исходное состояние (этот процесс называется релаксацией), излучая при этом собственный слабый радиосигнал.
4. Специальные антенны томографа улавливают эти сигналы. Время возврата протонов в исходное состояние (времена релаксации $T_1$ и $T_2$) и характеристики сигнала различаются для разных типов тканей (например, для серого и белого вещества мозга, для здоровой и опухолевой ткани).
5. Компьютер анализирует эти сигналы и строит на их основе подробнейшие изображения срезов. МРТ особенно эффективна для визуализации мягких тканей: мозга, мышц, связок, внутренних органов.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)
ПЭТ — это метод функциональной, а не анатомической визуализации. Он показывает, как работают органы и ткани на клеточном уровне, то есть оценивает их метаболизм.
1. Пациенту внутривенно вводят радиофармпрепарат — вещество (чаще всего аналог глюкозы), помеченное короткоживущим радиоактивным изотопом.
2. Радиофармпрепарат с кровотоком разносится по организму и накапливается в тканях, причем в областях с высокой метаболической активностью (например, в раковых опухолях, которые активно потребляют глюкозу) его концентрация будет выше.
3. Радиоактивный изотоп в составе препарата распадается, испуская позитроны. Позитрон, столкнувшись с электроном в окружающих тканях, аннигилирует — обе частицы исчезают, рождая два гамма-кванта, которые разлетаются в строго противоположных направлениях.
4. Кольцо детекторов, расположенное вокруг пациента, регистрирует эти пары гамма-квантов. Аппарат фиксирует именно одновременное (с точностью до наносекунд) срабатывание двух противоположных детекторов.
5. Компьютер, проанализировав траектории множества таких пар гамма-квантов, восстанавливает карту распределения радиофармпрепарата в теле. В результате получается изображение, которое отражает уровень метаболической активности в различных органах и тканях.
Часто ПЭТ совмещают с КТ (метод ПЭТ/КТ) для получения комбинированного изображения, где функциональные данные ПЭТ наложены на детализированную анатомическую структуру от КТ.

Ответ: Принцип работы томографа основан на создании послойных изображений («срезов») внутренней структуры объекта. Это достигается путем многократного просвечивания (или иного воздействия, специфичного для метода) объекта под разными углами и последующей компьютерной реконструкции трёхмерной структуры или серии двумерных срезов из полученных данных. В зависимости от типа томографа (КТ, МРТ, ПЭТ) используются различные физические явления: ослабление рентгеновского излучения в тканях разной плотности, отклик ядер атомов водорода на электромагнитные импульсы в сильном магнитном поле или регистрация гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов, испускаемых введенным в организм радиофармпрепаратом.