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1895 : Découverte des rayons X


Le 8 novembre 1895, William Röntgen fit une découverte qui allait révolutionner la physique et la médecine.

À l'époque, Röntgen travaillait à l'Université de Würzburg. Ses expériences se sont concentrées sur la lumière émise par les « tubes de Crookes », des tubes de verre dont l'air est expulsé et munis d'électrodes. Lorsqu'une haute tension électrique est envoyée à travers le tube, le résultat est une lumière fluorescente verte. Röntgen s'est rendu compte que lorsqu'il a enroulé un morceau de carton noir épais autour du tube, une lueur verte est apparue sur une surface à quelques mètres de là. Il a conclu que la lueur était causée par des rayons invisibles capables de pénétrer dans la carte.

Dan a visité la Bodleian Library d'Oxford, qui abrite un million et quart de cartes historiques. Aidés par le professeur Jerry Brotton, ils discutent ensemble de l'importance de la cartographie ancienne et examinent certains des joyaux de la collection.

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Au cours des semaines à venir, Röntgen a continué à expérimenter avec ses nouveaux rayons. Il s'est rendu compte qu'ils étaient capables de traverser des substances autres que le papier. En fait, ils pourraient traverser les tissus mous du corps, créant des images des os et du métal. Au cours de ses expériences, il a produit une image de la main de sa femme portant son alliance.

l'inquiétude suscitée par les lunettes à rayons X a conduit à la production de sous-vêtements en plomb

La nouvelle de la découverte de Röntgen s'est répandue dans le monde entier et la communauté médicale s'est rapidement rendu compte qu'il s'agissait d'une percée majeure. En moins d'un an, la nouvelle radiographie était utilisée pour le diagnostic et le traitement. Cependant, il faudrait beaucoup plus de temps à la communauté scientifique pour comprendre les dommages causés par les rayonnements.

La radiographie a également captivé l'imagination du public. Les gens faisaient la queue pour faire prendre des «portraits d'os» et les inquiétudes concernant les lunettes à rayons X ont conduit à la production de sous-vêtements en plomb pour protéger la pudeur.

Le conservateur du British Museum, St John Simpson, parle de l'empire sassanide, de la route de la soie et de nouvelles preuves archéologiques du commerce et des déplacements à travers les frontières de l'Antiquité tardive.

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En 1901, Röntgen reçoit le premier prix du roman de physique. Il a fait don de l'argent du prix Nobel à l'Université de Würzburg et n'a jamais déposé de brevet sur son travail afin qu'il puisse être utilisé dans le monde entier.


Wilhelm Conrad Röntgen

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Wilhelm Conrad Röntgen, Röntgen a également orthographié Roentgen, (né le 27 mars 1845, Lennep, Prusse [maintenant Remscheid, Allemagne]-mort le 10 février 1923, Munich, Allemagne), physicien qui a reçu le premier prix Nobel de physique, en 1901, pour sa découverte de X -rayons, qui ont annoncé l'ère de la physique moderne et ont révolutionné la médecine diagnostique.

Röntgen a étudié à l'École polytechnique de Zurich, puis a été professeur de physique aux universités de Strasbourg (1876-1879), Giessen (1879-1888), Würzburg (1888-1900) et Munich (1900-1920). Ses recherches comprenaient également des travaux sur l'élasticité, l'action capillaire des fluides, les chaleurs spécifiques des gaz, la conduction de la chaleur dans les cristaux, l'absorption de la chaleur par les gaz et la piézoélectricité.

En 1895, alors qu'il expérimentait le flux de courant électrique dans un tube de verre partiellement sous vide (tube à rayons cathodiques), Röntgen a observé qu'un morceau voisin de platinocyanure de baryum dégageait de la lumière lorsque le tube était en fonctionnement. Il a émis l'hypothèse que lorsque les rayons cathodiques (électrons) frappaient la paroi de verre du tube, un rayonnement inconnu se formait qui traversait la pièce, frappait le produit chimique et provoquait la fluorescence. Une enquête plus approfondie a révélé que le papier, le bois et l'aluminium, entre autres matériaux, sont transparents à cette nouvelle forme de rayonnement. Il a découvert qu'il affectait les plaques photographiques et, comme il ne présentait aucune propriété de la lumière, comme la réflexion ou la réfraction, il pensait à tort que les rayons n'étaient pas liés à la lumière. Compte tenu de sa nature incertaine, il a appelé le phénomène rayonnement X, bien qu'il soit également connu sous le nom de rayonnement de Röntgen. Il réalise les premières radiographies, des intérieurs d'objets métalliques et des ossements de la main de sa femme.

Cet article a été récemment révisé et mis à jour par Amy Tikkanen, directrice des services correctionnels.


Rayons X : jeter les bases de la radiologie moderne, 1896-1930

Les auteurs décrivent l'impact initial et les conséquences de grande envergure de la découverte des rayons X en 1895. Roentgen a rapidement réalisé l'importance de ce nouveau type mystérieux de rayon qu'il avait découvert. Dès 1896, les rayons X étaient déjà utilisés en chirurgie et en médecine, remplaçant la sonde à aiguille téléphonique de Bell, qui ne pouvait détecter les objets métalliques que par le son et était donc limitée à la localisation d'objets tels que les balles à enlever. Au fur et à mesure que le diagnostic radiographique devenait plus précis, les techniques radiologiques se sont progressivement améliorées au fil des ans et ont progressé de l'examen du squelette à l'imagerie des organes internes complexes. La radiographie est devenue indispensable dans le dépistage de la tuberculose, pour laquelle elle est encore utilisée aujourd'hui. Grâce à l'utilisation de substances opaques telles que le sulfate de baryum, il est devenu possible de visualiser le tube digestif et les progrès ultérieurs des techniques photographiques ont rendu visible le cerveau et presque toutes les parties du corps. Pendant ce temps, les dangers des rayonnements ont été reconnus et, après 1930, des mesures de sécurité ont été introduites pour protéger les radiologues et les patients contre la surexposition. Au cours des cent ans qui ont suivi sa découverte, le champ d'application toujours plus large de la radiologie en a fait une ressource fondamentale dans le diagnostic et le traitement médical.


Histoire de la médecine : les radiographies accidentelles du Dr Roentgen

Dans le monde d'aujourd'hui, les médecins prescrivent des radiographies pour diagnostiquer toutes sortes de problèmes : un os cassé, une pneumonie, une insuffisance cardiaque et bien plus encore. La mammographie, la méthode standard de dépistage du cancer du sein, utilise les rayons X. On y pense à peine, c'est tellement omniprésent. Mais il n'y a pas si longtemps, un os cassé, une tumeur ou un objet avalé ne pouvaient pas être trouvés sans ouvrir une personne.

Wilhelm Roentgen, professeur de physique à Würzburg, en Bavière, a découvert les rayons X en 1895 - accidentellement - alors qu'il testait si les rayons cathodiques pouvaient traverser le verre. Son tube cathodique était recouvert de papier noir épais, il a donc été surpris lorsqu'une lumière verte incandescente s'est néanmoins échappée et a été projetée sur un écran fluorescent à proximité. Grâce à l'expérimentation, il a découvert que la lumière mystérieuse traverserait la plupart des substances mais laisserait des ombres d'objets solides. Parce qu'il ne savait pas ce qu'étaient les rayons, il les appela « X », ce qui signifie « inconnu », rayons.

Roentgen a rapidement découvert que les rayons X traverseraient également les tissus humains, rendant les os et les tissus visibles en dessous. La nouvelle de sa découverte s'est répandue dans le monde entier et, en un an, des médecins d'Europe et des États-Unis ont utilisé des rayons X pour localiser des coups de feu, des fractures osseuses, des calculs rénaux et des objets avalés. Les honneurs pour son travail ont afflué, y compris le premier prix Nobel de physique en 1901.

L'utilisation clinique des rayons X a prospéré, avec peu de considération pour les effets secondaires potentiels de l'exposition aux rayonnements. Il y a eu quelques soupçons précoces de la part de scientifiques, dont Thomas Edison, Nikola Tesla et William J. Morton, qui ont chacun signalé des blessures qu'ils pensaient résulter d'expériences avec des rayons X. Mais dans l'ensemble, l'utilisation précoce des rayons X était répandue et sans restriction, même dans la mesure où, dans les années 30 et 40, les magasins de chaussures offraient des rayons X gratuits afin que les clients puissent voir les os de leurs pieds.

Nous avons maintenant une bien meilleure compréhension des risques associés aux rayons X et avons développé des protocoles pour minimiser considérablement les expositions inutiles. Et tandis que les rayons X restent une pierre angulaire de la médecine moderne, leur découverte a ouvert la voie au développement du large éventail de techniques d'imagerie d'aujourd'hui, y compris l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (TDM), l'échographie, l'échocardiographie et bien d'autres - - dont certains évitent complètement l'utilisation des rayonnements. Pas un mauvais héritage pour une découverte accidentelle.


Un appel de réveil…

Fait intéressant, ce ne sont pas les rayons X qui ont fait savoir que les rayonnements ionisants n'étaient pas quelque chose avec quoi jouer. Ce sont plutôt les mésaventures de la nouveauté similaire de l'époque, le Radium, qui ont mis fin à la plupart des bêtises.

Le radium est un élément qui émet d'énormes quantités de particules alpha et de rayons gamma qui, comme les rayons X, "avaient le pouvoir de guérir n'importe quel mal". En tant que tel, il a été ajouté à tout, des bracelets à l'eau potable et a été acheté par le public en masse.

Vers 1917, des milliers de femmes travaillaient dans les magasins pour peindre les cadrans des montres avec de la peinture luminescente contenant du radium. Idéalement, cela n'aurait pas été quelque chose de spécial, mais malheureusement, les pinceaux perdent leur forme après quelques coups. Pour les garder aiguisés, les femmes utilisaient leur bouche pour ajuster leur forme.

De nombreuses femmes sont finalement décédées de la mâchoire au radium, une maladie des os qui entraîne souvent la chute de la mâchoire. Ceci, couplé avec la mort du mondain Eben Byers a finalement fait savoir au public, de grandes quantités de rayonnement sont dangereuses.


Wilhelm Conrad Röntgen prend la première radiographie

Le 8 novembre 1895, Wilhelm Conrad Röntgen a découvert (par accident) une image émise par son générateur de rayons cathodiques, projetée bien au-delà de la portée possible des rayons cathodiques (maintenant connu sous le nom de faisceau d'électrons). Une enquête plus poussée a montré que les rayons étaient générés au point de contact du faisceau de rayons cathodiques à l'intérieur du tube à vide, qu'ils n'étaient pas déviés par les champs magnétiques et qu'ils pénétraient de nombreux types de matière.

Une semaine après sa découverte, Rontgen a pris une radiographie de la main de sa femme qui a clairement révélé son alliance et ses os. La photographie a électrisé le grand public et suscité un grand intérêt scientifique pour la nouvelle forme de rayonnement. Röntgen a nommé la nouvelle forme de rayonnement X-radiation (X signifiant "Inconnu"). D'où le terme rayons X (également appelés rayons Röntgen, bien que ce terme soit inhabituel en dehors de l'Allemagne).


Contenu

Observations et recherches pré-Röntgen Modifier

Avant leur découverte en 1895, les rayons X n'étaient qu'un type de rayonnement non identifié émanant de tubes à décharge expérimentaux. Ils ont été remarqués par des scientifiques étudiant les rayons cathodiques produits par de tels tubes, qui sont des faisceaux d'électrons énergétiques observés pour la première fois en 1869. La plupart des premiers tubes de Crookes (inventés vers 1875) émettaient sans aucun doute des rayons X, car les premiers chercheurs ont remarqué des effets attribuables à eux, comme détaillé ci-dessous. Les tubes de Crookes créaient des électrons libres par ionisation de l'air résiduel dans le tube par une tension continue élevée comprise entre quelques kilovolts et 100 kV. Cette tension a accéléré les électrons provenant de la cathode à une vitesse suffisamment élevée pour qu'ils créent des rayons X lorsqu'ils frappent l'anode ou la paroi en verre du tube. [4]

Le premier expérimentateur qui aurait (inconsciemment) produit des rayons X était l'actuaire William Morgan. En 1785, il présenta un article à la Royal Society de Londres décrivant les effets du passage de courants électriques à travers un tube de verre partiellement évacué, produisant une lueur créée par les rayons X. [5] [6] Ce travail a été plus loin exploré par Humphry Davy et son assistant Michael Faraday.

Lorsque le professeur de physique de l'Université de Stanford, Fernando Sanford, a créé sa "photographie électrique", il a également généré et détecté des rayons X sans le savoir. De 1886 à 1888, il avait étudié au laboratoire Hermann Helmholtz à Berlin, où il s'était familiarisé avec les rayons cathodiques générés dans les tubes à vide lorsqu'une tension était appliquée sur des électrodes séparées, comme précédemment étudié par Heinrich Hertz et Philipp Lenard. Sa lettre du 6 janvier 1893 (décrivant sa découverte comme « photographie électrique ») à The Physical Review a été dûment publiée et un article intitulé Sans objectif ni lumière, photographies prises avec plaque et objet dans l'obscurité paru dans le San Francisco Examiner. [7]

À partir de 1888, Philipp Lenard a mené des expériences pour voir si les rayons cathodiques pouvaient passer du tube de Crookes dans l'air. Il a construit un tube de Crookes avec une "fenêtre" à l'extrémité en aluminium mince, face à la cathode afin que les rayons cathodiques la frappent (appelé plus tard "tube de Lenard"). Il a découvert que quelque chose était passé, qui exposerait des plaques photographiques et provoquerait une fluorescence. Il a mesuré le pouvoir de pénétration de ces rayons à travers divers matériaux. Il a été suggéré qu'au moins certains de ces "rayons Lenard" étaient en fait des rayons X. [8]

En 1889, Ivan Puluj, d'origine ukrainienne, professeur de physique expérimentale à l'École polytechnique de Prague qui, depuis 1877, avait construit divers modèles de tubes remplis de gaz pour étudier leurs propriétés, a publié un article sur la façon dont les plaques photographiques scellées s'assombrissent lorsqu'elles sont exposées aux émanations. des tubes. [9]

Hermann von Helmholtz a formulé des équations mathématiques pour les rayons X. Il a postulé une théorie de la dispersion avant que Röntgen ne fasse sa découverte et son annonce. Il a été formé sur la base de la théorie électromagnétique de la lumière. [10] Cependant, il n'a pas travaillé avec des rayons X réels.

En 1894, Nikola Tesla a remarqué un film endommagé dans son laboratoire qui semblait être associé aux expériences du tube de Crookes et a commencé à enquêter sur ce énergie rayonnante de type "invisible". [11] [12] Après que Röntgen ait identifié le rayon X, Tesla a commencé à faire ses propres images aux rayons X en utilisant des hautes tensions et des tubes de sa propre conception, [13] aussi bien que des tubes de Crookes.

Découverte par Röntgen Modifier

Le 8 novembre 1895, le professeur de physique allemand Wilhelm Röntgen est tombé sur des rayons X alors qu'il expérimentait avec des tubes de Lenard et des tubes de Crookes et a commencé à les étudier. Il écrivit un premier rapport « Sur un nouveau type de rayon : une communication préliminaire » et le soumit le 28 décembre 1895 au journal de la Société Physique-Médicale de Würzburg. [14] C'était le premier article écrit sur les rayons X. Röntgen a qualifié le rayonnement de "X", pour indiquer qu'il s'agissait d'un type de rayonnement inconnu. Le nom est resté, bien que (malgré les grandes objections de Röntgen) nombre de ses collègues aient suggéré de les appeler Rayons de Röntgen. Ils sont encore appelés ainsi dans de nombreuses langues, dont l'allemand, le hongrois, l'ukrainien, le danois, le polonais, le bulgare, le suédois, le finnois, l'estonien, le turc, le russe, le letton, le lituanien, le japonais, le néerlandais, le géorgien, l'hébreu et le norvégien. Röntgen a reçu le premier prix Nobel de physique pour sa découverte. [15]

Il existe des récits contradictoires de sa découverte parce que Röntgen a fait brûler ses notes de laboratoire après sa mort, mais il s'agit probablement d'une reconstruction par ses biographes : [16] [17] Röntgen enquêtait sur les rayons cathodiques d'un tube de Crookes qu'il avait enveloppé dans du carton noir pour que la lumière visible du tube n'interfère pas, en utilisant un écran fluorescent peint avec du platinocyanure de baryum. Il a remarqué une faible lueur verte sur l'écran, à environ 1 mètre de distance. Röntgen s'est rendu compte que des rayons invisibles provenant du tube traversaient le carton pour faire briller l'écran. Il a découvert qu'ils pouvaient également passer à travers des livres et des papiers sur son bureau. Röntgen s'est lancé dans l'investigation systématique de ces rayons inconnus. Deux mois après sa découverte initiale, il a publié son article. [18]

Röntgen a découvert leur utilisation médicale lorsqu'il a fait une photo de la main de sa femme sur une plaque photographique formée grâce aux rayons X. La photographie de la main de sa femme était la première photographie d'une partie du corps humain utilisant des rayons X. Quand elle a vu la photo, elle a dit "J'ai vu ma mort." [21]

La découverte des rayons X a suscité une véritable sensation. Le biographe de Röntgen, Otto Glasser, a estimé qu'en 1896 seulement, jusqu'à 49 essais et 1044 articles sur les nouveaux rayons ont été publiés. [22] Il s'agissait probablement d'une estimation prudente, si l'on considère que presque tous les journaux du monde rapportent abondamment sur la nouvelle découverte, avec un magazine tel que Science en y consacrant pas moins de 23 articles au cours de cette seule année. [23] Les réactions sensationnalistes à la nouvelle découverte comprenaient des publications liant le nouveau type de rayons aux théories occultes et paranormales, telles que la télépathie. [24] [25]

Avancées en radiologie Modifier

Röntgen a immédiatement remarqué que les rayons X pouvaient avoir des applications médicales. En plus de sa soumission du 28 décembre à la Physical-Medical Society, il envoya une lettre aux médecins qu'il connaissait en Europe (1er janvier 1896). [26] Les nouvelles (et la création de "shadowgrams") se sont propagées rapidement avec l'ingénieur électricien écossais Alan Archibald Campbell-Swinton étant le premier après Röntgen à créer un rayon X (d'une main). Jusqu'en février, 46 expérimentateurs ont adopté la technique en Amérique du Nord seulement. [26]

La première utilisation des rayons X dans des conditions cliniques a été faite par John Hall-Edwards à Birmingham, en Angleterre, le 11 janvier 1896, lorsqu'il a radiographié une aiguille coincée dans la main d'un associé. Le 14 février 1896, Hall-Edwards fut également le premier à utiliser des rayons X dans une opération chirurgicale. [27] Au début de 1896, plusieurs semaines après la découverte de Röntgen, Ivan Romanovich Tarkhanov a irradié des grenouilles et des insectes avec des rayons X, concluant que les rayons "non seulement photographient, mais affectent également la fonction vivante". [28]

La première radiographie médicale fabriquée aux États-Unis a été obtenue à l'aide d'un tube à décharge conçu par Pului. En janvier 1896, à la lecture de la découverte de Röntgen, Frank Austin du Dartmouth College testa tous les tubes à décharge dans le laboratoire de physique et découvrit que seul le tube Pului produisait des rayons X. C'était le résultat de l'inclusion par Pului d'une "cible" oblique de mica, utilisée pour contenir des échantillons de matériau fluorescent, à l'intérieur du tube. Le 3 février 1896, Gilman Frost, professeur de médecine au collège, et son frère Edwin Frost, professeur de physique, ont exposé le poignet d'Eddie McCarthy, que Gilman avait traité quelques semaines plus tôt pour une fracture, aux rayons X et ont recueilli les image résultante de l'os cassé sur des plaques photographiques en gélatine obtenues de Howard Langill, un photographe local également intéressé par le travail de Röntgen. [29]

De nombreux expérimentateurs, y compris Röntgen lui-même dans ses expériences originales, ont mis au point des méthodes pour visualiser les images radiographiques "en direct" à l'aide d'une forme d'écran luminescent. [26] Röntgen a utilisé un écran recouvert de platinocyanure de baryum. Le 5 février 1896, des appareils d'imagerie en direct ont été développés par le scientifique italien Enrico Salvioni (son "cryptoscope") et le professeur McGie de l'Université de Princeton (son "Skiascope"), tous deux utilisant du platinocyanure de baryum. L'inventeur américain Thomas Edison a commencé ses recherches peu après la découverte de Röntgen et a étudié la capacité des matériaux à devenir fluorescents lorsqu'ils sont exposés aux rayons X, découvrant que le tungstate de calcium était la substance la plus efficace. En mai 1896, il développa le premier appareil d'imagerie en direct produit en série, son "Vitascope", appelé plus tard le fluoroscope, qui devint la norme pour les examens médicaux aux rayons X. [26] Edison a abandonné la recherche aux rayons X vers 1903, avant la mort de Clarence Madison Dally, l'un de ses souffleurs de verre. Dally avait l'habitude de tester des tubes à rayons X sur ses propres mains, développant un cancer si tenace que les deux bras ont été amputés dans une tentative futile de sauver sa vie en 1904, il est devenu le premier décès connu attribué à l'exposition aux rayons X . [26] Pendant le développement du fluoroscope, le physicien serbo-américain Mihajlo Pupin, utilisant un écran de tungstate de calcium développé par Edison, a découvert que l'utilisation d'un écran fluorescent diminuait le temps d'exposition nécessaire pour créer une radiographie pour l'imagerie médicale à partir d'un heure à quelques minutes. [30] [26]

En 1901, le président américain William McKinley a été abattu à deux reprises lors d'une tentative d'assassinat. Alors qu'une balle n'a fait qu'effleurer son sternum, une autre s'était logée quelque part profondément à l'intérieur de son abdomen et n'a pas pu être retrouvée. Un assistant de McKinley inquiet a envoyé un mot à l'inventeur Thomas Edison pour qu'il envoie un appareil à rayons X à Buffalo pour trouver la balle perdue. Il est arrivé mais n'a pas été utilisé. Alors que la fusillade elle-même n'avait pas été mortelle, une gangrène s'était développée le long de la trajectoire de la balle et McKinley est décédé d'un choc septique dû à une infection bactérienne six jours plus tard. [31]

Dangers découverts Modifier

Avec l'expérimentation généralisée des rayons X après leur découverte en 1895 par des scientifiques, des médecins et des inventeurs, de nombreuses histoires de brûlures, de perte de cheveux et pire encore ont été publiées dans les revues techniques de l'époque. En février 1896, le professeur John Daniel et le Dr William Lofland Dudley de l'Université Vanderbilt ont signalé une perte de cheveux après la radiographie du Dr Dudley. Un enfant qui avait reçu une balle dans la tête a été amené au laboratoire Vanderbilt en 1896. Avant d'essayer de trouver la balle, une expérience a été tentée, pour laquelle Dudley "avec son dévouement caractéristique à la science" [32] [33] [34] s'est porté volontaire . Daniel a rapporté que 21 jours après avoir pris une photo du crâne de Dudley (avec un temps d'exposition d'une heure), il a remarqué une calvitie de 2 pouces (5,1 cm) de diamètre sur la partie de sa tête la plus proche du tube à rayons X : « Un le support de plaque avec les plaques vers le côté du crâne a été fixé et une pièce de monnaie placée entre le crâne et la tête. Le tube a été fixé de l'autre côté à une distance d'un demi-pouce des cheveux. " [35]

En août 1896, le Dr HD. Hawks, diplômé du Columbia College, a subi de graves brûlures aux mains et à la poitrine lors d'une démonstration de radiographie. Il a été signalé dans Examen électrique et a conduit à de nombreux autres rapports de problèmes associés aux rayons X envoyés à la publication. [36] De nombreux expérimentateurs, dont Elihu Thomson du laboratoire d'Edison, William J. Morton et Nikola Tesla, ont également signalé des brûlures. Elihu Thomson a délibérément exposé un doigt à un tube à rayons X pendant un certain temps et a souffert de douleurs, d'enflures et de cloques. [37] D'autres effets ont parfois été blâmés pour les dommages, notamment les rayons ultraviolets et (selon Tesla) l'ozone. [38] De nombreux médecins ont affirmé qu'il n'y avait aucun effet de l'exposition aux rayons X. [37] Le 3 août 1905, à San Francisco, Californie, Elizabeth Fleischman, une pionnière américaine des rayons X, est décédée de complications à la suite de son travail avec les rayons X. [39] [40] [41]

20e siècle et au-delà Modifier

Les nombreuses applications des rayons X ont immédiatement suscité un énorme intérêt. Des ateliers ont commencé à fabriquer des versions spécialisées des tubes de Crookes pour générer des rayons X et ces tubes à cathode froide ou à rayons X de Crookes de première génération ont été utilisés jusqu'en 1920 environ.

Un système à rayons X médical typique du début du 20e siècle consistait en une bobine de Ruhmkorff connectée à un tube à rayons X de Crookes à cathode froide. Un éclateur était généralement connecté au côté haute tension en parallèle au tube et utilisé à des fins de diagnostic. [42] L'éclateur permettait de détecter la polarité des étincelles, mesurant la tension par la longueur des étincelles déterminant ainsi la "dureté" du vide du tube, et il fournissait une charge en cas de déconnexion du tube à rayons X . Pour détecter la dureté du tube, l'éclateur a d'abord été ouvert au réglage le plus large. Pendant que la bobine fonctionnait, l'opérateur a réduit l'écart jusqu'à ce que des étincelles commencent à apparaître. Un tube dans lequel l'éclateur a commencé à produire des étincelles à environ 2 1/2 pouces était considéré comme doux (vide faible) et adapté aux parties minces du corps telles que les mains et les bras. Une étincelle de 5 pouces a indiqué que le tube convenait aux épaules et aux genoux. Une étincelle de 7 à 9 pouces indiquerait un vide plus élevé adapté à l'imagerie de l'abdomen d'individus plus gros. Étant donné que l'éclateur était connecté en parallèle au tube, l'éclateur devait être ouvert jusqu'à ce que l'étincelle cesse afin de faire fonctionner le tube pour l'imagerie. Le temps d'exposition pour les plaques photographiques était d'environ une demi-minute pour une main à quelques minutes pour un thorax. Les plaques peuvent avoir une petite addition de sel fluorescent pour réduire les temps d'exposition. [42]

Les tubes de Crookes n'étaient pas fiables. Ils devaient contenir une petite quantité de gaz (invariablement de l'air) car un courant ne circulera pas dans un tel tube s'ils sont entièrement évacués. Cependant, au fil du temps, les rayons X ont amené le verre à absorber le gaz, ce qui a amené le tube à générer des rayons X "plus durs" jusqu'à ce qu'il cesse bientôt de fonctionner. Des tubes plus gros et plus fréquemment utilisés étaient munis de dispositifs de restitution de l'air, appelés "adoucisseurs". Ceux-ci prenaient souvent la forme d'un petit tube latéral qui contenait un petit morceau de mica, un minéral qui emprisonne des quantités relativement importantes d'air dans sa structure. Un petit radiateur électrique a chauffé le mica, ce qui lui a permis de libérer une petite quantité d'air, rétablissant ainsi l'efficacité du tube. Cependant, le mica avait une durée de vie limitée et le processus de restauration était difficile à contrôler.

En 1904, John Ambrose Fleming a inventé la diode thermoionique, le premier type de tube à vide. Cela utilisait une cathode chaude qui faisait circuler un courant électrique dans le vide. Cette idée a été rapidement appliquée aux tubes à rayons X, et donc les tubes à rayons X à cathode chauffée, appelés "tubes Coolidge", ont complètement remplacé les tubes à cathode froide gênants vers 1920.

Vers 1906, le physicien Charles Barkla découvrit que les rayons X pouvaient être diffusés par des gaz et que chaque élément avait un spectre de rayons X caractéristique. Il a remporté le prix Nobel de physique en 1917 pour cette découverte.

En 1912, Max von Laue, Paul Knipping et Walter Friedrich ont observé pour la première fois la diffraction des rayons X par des cristaux. Cette découverte, ainsi que les premiers travaux de Paul Peter Ewald, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg, ont donné naissance au domaine de la cristallographie aux rayons X.

En 1913, Henry Moseley a effectué des expériences de cristallographie avec des rayons X émanant de divers métaux et a formulé la loi de Moseley qui relie la fréquence des rayons X au numéro atomique du métal.

Le tube à rayons X Coolidge a été inventé la même année par William D. Coolidge. Il a rendu possible les émissions continues de rayons X. Les tubes à rayons X modernes sont basés sur cette conception, employant souvent l'utilisation de cibles rotatives qui permettent une dissipation de chaleur nettement plus élevée que les cibles statiques, permettant en outre une plus grande quantité de rayons X pour une utilisation dans des applications à haute puissance telles que les tomodensitomètres rotatifs.

L'utilisation des rayons X à des fins médicales (qui s'est développée dans le domaine de la radiothérapie) a été lancée par le major John Hall-Edwards à Birmingham, en Angleterre. Puis en 1908, il dut se faire amputer le bras gauche à cause de la propagation d'une dermatite aux rayons X sur son bras. [43]

La science médicale a également utilisé le cinéma pour étudier la physiologie humaine. En 1913, un film a été tourné à Detroit montrant un œuf dur dans un estomac humain. Ce premier film radiographique a été enregistré à raison d'une image fixe toutes les quatre secondes. [44] Dr Lewis Gregory Cole de New York était un pionnier de la technique, qu'il a appelé "la radiographie en série". [45] [46] En 1918, les rayons X ont été utilisés en association avec des caméras cinématographiques pour capturer le squelette humain en mouvement. [47] [48] [49] En 1920, il a été utilisé pour enregistrer les mouvements de la langue et des dents dans l'étude des langues par l'Institut de Phonétique en Angleterre. [50]

En 1914, Marie Curie a développé des voitures radiologiques pour soutenir les soldats blessés pendant la Première Guerre mondiale. Les voitures permettraient une imagerie rapide aux rayons X des soldats blessés afin que les chirurgiens du champ de bataille puissent opérer rapidement et avec plus de précision. [51]

Du début des années 1920 aux années 1950, des appareils à rayons X ont été développés pour faciliter l'ajustement des chaussures [52] et ont été vendus aux magasins de chaussures commerciaux. [53] [54] [55] Des inquiétudes concernant l'impact d'une utilisation fréquente ou mal contrôlée ont été exprimées dans les années 1950, [56] [57] conduisant à la fin éventuelle de la pratique cette décennie. [58]

Le microscope à rayons X a été développé dans les années 1950.

L'observatoire de rayons X Chandra, lancé le 23 juillet 1999, a permis d'explorer les processus très violents de l'univers qui produisent des rayons X. Contrairement à la lumière visible, qui donne une vue relativement stable de l'univers, l'univers des rayons X est instable. Il présente des étoiles déchirées par des trous noirs, des collisions galactiques et des novae, ainsi que des étoiles à neutrons qui forment des couches de plasma qui explosent ensuite dans l'espace.

Un appareil laser à rayons X a été proposé dans le cadre de l'Initiative de défense stratégique de l'administration Reagan dans les années 1980, mais le seul test de l'appareil (une sorte de laser « blaster » ou rayon de la mort, alimenté par une explosion thermonucléaire) a donné des résultats peu concluants. Pour des raisons techniques et politiques, l'ensemble du projet (y compris le laser à rayons X) a été dé-financé (bien qu'il ait ensuite été relancé par la deuxième administration Bush sous le nom de National Missile Defense utilisant différentes technologies).

L'imagerie par rayons X en contraste de phase fait référence à une variété de techniques qui utilisent les informations de phase d'un faisceau de rayons X cohérent pour imager les tissus mous. C'est devenu une méthode importante pour visualiser les structures cellulaires et histologiques dans un large éventail d'études biologiques et médicales. Plusieurs technologies sont utilisées pour l'imagerie par contraste de phase aux rayons X, toutes utilisant des principes différents pour convertir les variations de phase des rayons X émergeant d'un objet en variations d'intensité. [59] [60] Ceux-ci incluent le contraste de phase basé sur la propagation, [61] l'interférométrie de Talbot, [60] l'imagerie améliorée par réfraction, [62] et l'interférométrie à rayons X. [63] Ces méthodes offrent un contraste plus élevé par rapport à l'imagerie aux rayons X à contraste d'absorption normale, permettant de voir des détails plus petits. Un inconvénient est que ces méthodes nécessitent des équipements plus sophistiqués, tels que des sources de rayons X synchrotron ou microfocus, des optiques à rayons X et des détecteurs de rayons X à haute résolution.

Rayons X doux et durs Modifier

Les rayons X avec des énergies photoniques élevées supérieures à 5-10 keV (inférieures à 0,2-0,1 nm de longueur d'onde) sont appelés rayons X durs, tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d'onde plus longue) sont appelés rayons X doux. [64] La gamme intermédiaire avec des énergies de photons de plusieurs keV est souvent appelée rayons X tendres. En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour imager l'intérieur d'objets, par exemple en radiographie médicale et en sécurité aéroportuaire. Le terme radiographie est métonymiquement utilisé pour désigner une image radiographique produite à l'aide de cette méthode, en plus de la méthode elle-même. Étant donné que les longueurs d'onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l'air sur une longueur d'atténuation de 600 eV (

2 nm) les rayons X dans l'eau sont inférieurs à 1 micromètre. [65]

Rayons gamma Modifier

Il n'y a pas de consensus pour une définition distinguant les rayons X et les rayons gamma. Une pratique courante consiste à distinguer les deux types de rayonnement en fonction de leur source : les rayons X sont émis par les électrons, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau atomique. [66] [67] [68] [69] Cette définition pose plusieurs problèmes : d'autres processus peuvent également générer ces photons de haute énergie, ou parfois la méthode de génération n'est pas connue. Une alternative courante consiste à distinguer les rayonnements X et gamma sur la base de la longueur d'onde (ou, de manière équivalente, de la fréquence ou de l'énergie photonique), avec un rayonnement plus court qu'une longueur d'onde arbitraire, telle que 10 -11 m (0,1 ), définie comme un rayonnement gamma . [70] Ce critère attribue un photon à une catégorie sans ambiguïté, mais n'est possible que si la longueur d'onde est connue. (Certaines techniques de mesure ne font pas la distinction entre les longueurs d'onde détectées.) Cependant, ces deux définitions coïncident souvent puisque le rayonnement électromagnétique émis par les tubes à rayons X a généralement une longueur d'onde plus longue et une énergie photonique plus faible que le rayonnement émis par les noyaux radioactifs. [66] Occasionally, one term or the other is used in specific contexts due to historical precedent, based on measurement (detection) technique, or based on their intended use rather than their wavelength or source. Thus, gamma-rays generated for medical and industrial uses, for example radiotherapy, in the ranges of 6–20 MeV, can in this context also be referred to as X-rays. [71]

X-ray photons carry enough energy to ionize atoms and disrupt molecular bonds. This makes it a type of ionizing radiation, and therefore harmful to living tissue. A very high radiation dose over a short period of time causes radiation sickness, while lower doses can give an increased risk of radiation-induced cancer. In medical imaging, this increased cancer risk is generally greatly outweighed by the benefits of the examination. The ionizing capability of X-rays can be utilized in cancer treatment to kill malignant cells using radiation therapy. It is also used for material characterization using X-ray spectroscopy.

Hard X-rays can traverse relatively thick objects without being much absorbed or scattered. For this reason, X-rays are widely used to image the inside of visually opaque objects. The most often seen applications are in medical radiography and airport security scanners, but similar techniques are also important in industry (e.g. industrial radiography and industrial CT scanning) and research (e.g. small animal CT). The penetration depth varies with several orders of magnitude over the X-ray spectrum. This allows the photon energy to be adjusted for the application so as to give sufficient transmission through the object and at the same time provide good contrast in the image.

X-rays have much shorter wavelengths than visible light, which makes it possible to probe structures much smaller than can be seen using a normal microscope. This property is used in X-ray microscopy to acquire high-resolution images, and also in X-ray crystallography to determine the positions of atoms in crystals.

X-rays interact with matter in three main ways, through photoabsorption, Compton scattering, and Rayleigh scattering. The strength of these interactions depends on the energy of the X-rays and the elemental composition of the material, but not much on chemical properties, since the X-ray photon energy is much higher than chemical binding energies. Photoabsorption or photoelectric absorption is the dominant interaction mechanism in the soft X-ray regime and for the lower hard X-ray energies. At higher energies, Compton scattering dominates.

Photoelectric absorption Edit

The probability of a photoelectric absorption per unit mass is approximately proportional to Z 3 /E 3 , where Z is the atomic number and E is the energy of the incident photon. [72] This rule is not valid close to inner shell electron binding energies where there are abrupt changes in interaction probability, so called absorption edges. However, the general trend of high absorption coefficients and thus short penetration depths for low photon energies and high atomic numbers is very strong. For soft tissue, photoabsorption dominates up to about 26 keV photon energy where Compton scattering takes over. For higher atomic number substances this limit is higher. The high amount of calcium (Z = 20) in bones, together with their high density, is what makes them show up so clearly on medical radiographs.

A photoabsorbed photon transfers all its energy to the electron with which it interacts, thus ionizing the atom to which the electron was bound and producing a photoelectron that is likely to ionize more atoms in its path. An outer electron will fill the vacant electron position and produce either a characteristic X-ray or an Auger electron. These effects can be used for elemental detection through X-ray spectroscopy or Auger electron spectroscopy.

Compton scattering Edit

Compton scattering is the predominant interaction between X-rays and soft tissue in medical imaging. [73] Compton scattering is an inelastic scattering of the X-ray photon by an outer shell electron. Part of the energy of the photon is transferred to the scattering electron, thereby ionizing the atom and increasing the wavelength of the X-ray. The scattered photon can go in any direction, but a direction similar to the original direction is more likely, especially for high-energy X-rays. The probability for different scattering angles is described by the Klein–Nishina formula. The transferred energy can be directly obtained from the scattering angle from the conservation of energy and momentum.

Rayleigh scattering Edit

Rayleigh scattering is the dominant elastic scattering mechanism in the X-ray regime. [74] Inelastic forward scattering gives rise to the refractive index, which for X-rays is only slightly below 1. [75]

Whenever charged particles (electrons or ions) of sufficient energy hit a material, X-rays are produced.

Production by electrons Edit

Characteristic X-ray emission lines for some common anode materials. [76] [77]
Anode
Matériel
Atomic
number
Photon energy [keV] Wavelength [nm]
Kα1 Kβ1 Kα1 Kβ1
W 74 59.3 67.2 0.0209 0.0184
Mo 42 17.5 19.6 0.0709 0.0632
Cu 29 8.05 8.91 0.154 0.139
Ag 47 22.2 24.9 0.0559 0.0497
Ga 31 9.25 10.26 0.134 0.121
Dans 49 24.2 27.3 0.0512 0.455

X-rays can be generated by an X-ray tube, a vacuum tube that uses a high voltage to accelerate the electrons released by a hot cathode to a high velocity. The high velocity electrons collide with a metal target, the anode, creating the X-rays. [78] In medical X-ray tubes the target is usually tungsten or a more crack-resistant alloy of rhenium (5%) and tungsten (95%), but sometimes molybdenum for more specialized applications, such as when softer X-rays are needed as in mammography. In crystallography, a copper target is most common, with cobalt often being used when fluorescence from iron content in the sample might otherwise present a problem.

The maximum energy of the produced X-ray photon is limited by the energy of the incident electron, which is equal to the voltage on the tube times the electron charge, so an 80 kV tube cannot create X-rays with an energy greater than 80 keV. When the electrons hit the target, X-rays are created by two different atomic processes:

  1. Characteristic X-ray emission (X-ray electroluminescence): If the electron has enough energy, it can knock an orbital electron out of the inner electron shell of the target atom. After that, electrons from higher energy levels fill the vacancies, and X-ray photons are emitted. This process produces an emission spectrum of X-rays at a few discrete frequencies, sometimes referred to as spectral lines. Usually, these are transitions from the upper shells to the K shell (called K lines), to the L shell (called L lines) and so on. If the transition is from 2p to 1s, it is called Kα, while if it is from 3p to 1s it is Kβ. The frequencies of these lines depend on the material of the target and are therefore called characteristic lines. The Kα line usually has greater intensity than the Kβ one and is more desirable in diffraction experiments. Thus the Kβ line is filtered out by a filter. The filter is usually made of a metal having one proton less than the anode material (e.g., Ni filter for Cu anode or Nb filter for Mo anode).
  2. Bremsstrahlung: This is radiation given off by the electrons as they are scattered by the strong electric field near the high-Z (proton number) nuclei. These X-rays have a continuous spectrum. The frequency of bremsstrahlung is limited by the energy of incident electrons.

So, the resulting output of a tube consists of a continuous bremsstrahlung spectrum falling off to zero at the tube voltage, plus several spikes at the characteristic lines. The voltages used in diagnostic X-ray tubes range from roughly 20 kV to 150 kV and thus the highest energies of the X-ray photons range from roughly 20 keV to 150 keV. [79]

Both of these X-ray production processes are inefficient, with only about one percent of the electrical energy used by the tube converted into X-rays, and thus most of the electric power consumed by the tube is released as waste heat. When producing a usable flux of X-rays, the X-ray tube must be designed to dissipate the excess heat.

A specialized source of X-rays which is becoming widely used in research is synchrotron radiation, which is generated by particle accelerators. Its unique features are X-ray outputs many orders of magnitude greater than those of X-ray tubes, wide X-ray spectra, excellent collimation, and linear polarization. [80]

Short nanosecond bursts of X-rays peaking at 15-keV in energy may be reliably produced by peeling pressure-sensitive adhesive tape from its backing in a moderate vacuum. This is likely to be the result of recombination of electrical charges produced by triboelectric charging. The intensity of X-ray triboluminescence is sufficient for it to be used as a source for X-ray imaging. [81]

Production by fast positive ions Edit

X-rays can also be produced by fast protons or other positive ions. The proton-induced X-ray emission or particle-induced X-ray emission is widely used as an analytical procedure. For high energies, the production cross section is proportional to Z1 2 Z2 −4 , où Z1 refers to the atomic number of the ion, Z2 refers to that of the target atom. [82] An overview of these cross sections is given in the same reference.

Production in lightning and laboratory discharges Edit

X-rays are also produced in lightning accompanying terrestrial gamma-ray flashes. The underlying mechanism is the acceleration of electrons in lightning related electric fields and the subsequent production of photons through Bremsstrahlung. [83] This produces photons with energies of some few keV and several tens of MeV. [84] In laboratory discharges with a gap size of approximately 1 meter length and a peak voltage of 1 MV, X-rays with a characteristic energy of 160 keV are observed. [85] A possible explanation is the encounter of two streamers and the production of high-energy run-away electrons [86] however, microscopic simulations have shown that the duration of electric field enhancement between two streamers is too short to produce a significant number of run-away electrons. [87] Recently, it has been proposed that air perturbations in the vicinity of streamers can facilitate the production of run-away electrons and hence of X-rays from discharges. [88] [89]

X-ray detectors vary in shape and function depending on their purpose. Imaging detectors such as those used for radiography were originally based on photographic plates and later photographic film, but are now mostly replaced by various digital detector types such as image plates and flat panel detectors. For radiation protection direct exposure hazard is often evaluated using ionization chambers, while dosimeters are used to measure the radiation dose a person has been exposed to. X-ray spectra can be measured either by energy dispersive or wavelength dispersive spectrometers. For x-ray diffraction applications, such as x-ray crystallography, hybrid photon counting detectors are widely used. [90]

Since Röntgen's discovery that X-rays can identify bone structures, X-rays have been used for medical imaging. [91] The first medical use was less than a month after his paper on the subject. [29] Up to 2010, five billion medical imaging examinations had been conducted worldwide. [92] Radiation exposure from medical imaging in 2006 made up about 50% of total ionizing radiation exposure in the United States. [93]

Projectional radiographs Edit

Projectional radiography is the practice of producing two-dimensional images using x-ray radiation. Bones contain a high concentration of calcium, which, due to its relatively high atomic number, absorbs x-rays efficiently. This reduces the amount of X-rays reaching the detector in the shadow of the bones, making them clearly visible on the radiograph. The lungs and trapped gas also show up clearly because of lower absorption compared to tissue, while differences between tissue types are harder to see.

Projectional radiographs are useful in the detection of pathology of the skeletal system as well as for detecting some disease processes in soft tissue. Some notable examples are the very common chest X-ray, which can be used to identify lung diseases such as pneumonia, lung cancer, or pulmonary edema, and the abdominal x-ray, which can detect bowel (or intestinal) obstruction, free air (from visceral perforations) and free fluid (in ascites). X-rays may also be used to detect pathology such as gallstones (which are rarely radiopaque) or kidney stones which are often (but not always) visible. Traditional plain X-rays are less useful in the imaging of soft tissues such as the brain or muscle. One area where projectional radiographs are used extensively is in evaluating how an orthopedic implant, such as a knee, hip or shoulder replacement, is situated in the body with respect to the surrounding bone. This can be assessed in two dimensions from plain radiographs, or it can be assessed in three dimensions if a technique called '2D to 3D registration' is used. This technique purportedly negates projection errors associated with evaluating implant position from plain radiographs. [94] [95]

Dental radiography is commonly used in the diagnoses of common oral problems, such as cavities.

In medical diagnostic applications, the low energy (soft) X-rays are unwanted, since they are totally absorbed by the body, increasing the radiation dose without contributing to the image. Hence, a thin metal sheet, often of aluminium, called an X-ray filter, is usually placed over the window of the X-ray tube, absorbing the low energy part in the spectrum. This is called hardening the beam since it shifts the center of the spectrum towards higher energy (or harder) x-rays.

To generate an image of the cardiovascular system, including the arteries and veins (angiography) an initial image is taken of the anatomical region of interest. A second image is then taken of the same region after an iodinated contrast agent has been injected into the blood vessels within this area. These two images are then digitally subtracted, leaving an image of only the iodinated contrast outlining the blood vessels. The radiologist or surgeon then compares the image obtained to normal anatomical images to determine whether there is any damage or blockage of the vessel.

Computed tomography Edit

Computed tomography (CT scanning) is a medical imaging modality where tomographic images or slices of specific areas of the body are obtained from a large series of two-dimensional X-ray images taken in different directions. [96] These cross-sectional images can be combined into a three-dimensional image of the inside of the body and used for diagnostic and therapeutic purposes in various medical disciplines.

Fluoroscopy Edit

Fluoroscopy is an imaging technique commonly used by physicians or radiation therapists to obtain real-time moving images of the internal structures of a patient through the use of a fluoroscope. In its simplest form, a fluoroscope consists of an X-ray source and a fluorescent screen, between which a patient is placed. However, modern fluoroscopes couple the screen to an X-ray image intensifier and CCD video camera allowing the images to be recorded and played on a monitor. This method may use a contrast material. Examples include cardiac catheterization (to examine for coronary artery blockages) and barium swallow (to examine for esophageal disorders and swallowing disorders).

Radiotherapy Edit

The use of X-rays as a treatment is known as radiation therapy and is largely used for the management (including palliation) of cancer it requires higher radiation doses than those received for imaging alone. X-rays beams are used for treating skin cancers using lower energy x-ray beams while higher energy beams are used for treating cancers within the body such as brain, lung, prostate, and breast. [97] [98]

Diagnostic X-rays (primarily from CT scans due to the large dose used) increase the risk of developmental problems and cancer in those exposed. [99] [100] [101] X-rays are classified as a carcinogen by both the World Health Organization's International Agency for Research on Cancer and the U.S. government. [92] [102] It is estimated that 0.4% of current cancers in the United States are due to computed tomography (CT scans) performed in the past and that this may increase to as high as 1.5–2% with 2007 rates of CT usage. [103]

Experimental and epidemiological data currently do not support the proposition that there is a threshold dose of radiation below which there is no increased risk of cancer. [104] However, this is under increasing doubt. [105] It is estimated that the additional radiation from diagnostic X-rays will increase the average person's cumulative risk of getting cancer by age 75 by 0.6–3.0%. [106] The amount of absorbed radiation depends upon the type of X-ray test and the body part involved. [107] CT and fluoroscopy entail higher doses of radiation than do plain X-rays.

To place the increased risk in perspective, a plain chest X-ray will expose a person to the same amount from background radiation that people are exposed to (depending upon location) every day over 10 days, while exposure from a dental X-ray is approximately equivalent to 1 day of environmental background radiation. [108] Each such X-ray would add less than 1 per 1,000,000 to the lifetime cancer risk. An abdominal or chest CT would be the equivalent to 2–3 years of background radiation to the whole body, or 4–5 years to the abdomen or chest, increasing the lifetime cancer risk between 1 per 1,000 to 1 per 10,000. [108] This is compared to the roughly 40% chance of a US citizen developing cancer during their lifetime. [109] For instance, the effective dose to the torso from a CT scan of the chest is about 5 mSv, and the absorbed dose is about 14 mGy. [110] A head CT scan (1.5mSv, 64mGy) [111] that is performed once with and once without contrast agent, would be equivalent to 40 years of background radiation to the head. Accurate estimation of effective doses due to CT is difficult with the estimation uncertainty range of about ±19% to ±32% for adult head scans depending upon the method used. [112]

The risk of radiation is greater to a fetus, so in pregnant patients, the benefits of the investigation (X-ray) should be balanced with the potential hazards to the fetus. [113] [114] In the US, there are an estimated 62 million CT scans performed annually, including more than 4 million on children. [107] Avoiding unnecessary X-rays (especially CT scans) reduces radiation dose and any associated cancer risk. [115]

Medical X-rays are a significant source of human-made radiation exposure. In 1987, they accounted for 58% of exposure from human-made sources in the United States. Since human-made sources accounted for only 18% of the total radiation exposure, most of which came from natural sources (82%), medical X-rays only accounted for 10% of le total American radiation exposure medical procedures as a whole (including nuclear medicine) accounted for 14% of total radiation exposure. By 2006, however, medical procedures in the United States were contributing much more ionizing radiation than was the case in the early 1980s. In 2006, medical exposure constituted nearly half of the total radiation exposure of the U.S. population from all sources. The increase is traceable to the growth in the use of medical imaging procedures, in particular computed tomography (CT), and to the growth in the use of nuclear medicine. [93] [116]

Dosage due to dental X-rays varies significantly depending on the procedure and the technology (film or digital). Depending on the procedure and the technology, a single dental X-ray of a human results in an exposure of 0.5 to 4 mrem. A full mouth series of X-rays may result in an exposure of up to 6 (digital) to 18 (film) mrem, for a yearly average of up to 40 mrem. [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123]

Financial incentives have been shown to have a significant impact on X-ray use with doctors who are paid a separate fee for each X-ray providing more X-rays. [124]

Early photon tomography or EPT [125] (as of 2015) along with other techniques [126] are being researched as potential alternatives to X-rays for imaging applications.

Other notable uses of X-rays include:

    in which the pattern produced by the diffraction of X-rays through the closely spaced lattice of atoms in a crystal is recorded and then analysed to reveal the nature of that lattice. A related technique, fiber diffraction, was used by Rosalind Franklin to discover the double helical structure of DNA. [127] , which is an observational branch of astronomy, which deals with the study of X-ray emission from celestial objects. analysis, which uses electromagnetic radiation in the soft X-ray band to produce images of very small objects. , a technique in which X-rays are generated within a specimen and detected. The outgoing energy of the X-ray can be used to identify the composition of the sample. uses X-rays for inspection of industrial parts, particularly welds. , most often x-rays of paintings to reveal underdrawing, pentimenti alterations in the course of painting or by later restorers, and sometimes previous paintings on the support. Many pigments such as lead white show well in radiographs.
  • X-ray spectromicroscopy has been used to analyse the reactions of pigments in paintings. For example, in analysing colour degradation in the paintings of van Gogh. [128]
  • Authentication and quality control of packaged items. (computed tomography), a process that uses X-ray equipment to produce three-dimensional representations of components both externally and internally. This is accomplished through computer processing of projection images of the scanned object in many directions. luggage scanners use X-rays for inspecting the interior of luggage for security threats before loading on aircraft. truck scanners and domestic police departments use X-rays for inspecting the interior of trucks.
  • X-ray art and fine art photography, artistic use of X-rays, for example the works by Stane Jagodič
  • X-ray hair removal, a method popular in the 1920s but now banned by the FDA. [130] were popularized in the 1920s, banned in the US in the 1960s, in the UK in the 1970s, and later in continental Europe. is used to track movement of bones based on the implantation of markers is a chemical analysis technique relying on the photoelectric effect, usually employed in surface science. is the use of high energy X-rays generated from a fission explosion (an A-bomb) to compress nuclear fuel to the point of fusion ignition (an H-bomb).

While generally considered invisible to the human eye, in special circumstances X-rays can be visible. Brandes, in an experiment a short time after Röntgen's landmark 1895 paper, reported after dark adaptation and placing his eye close to an X-ray tube, seeing a faint "blue-gray" glow which seemed to originate within the eye itself. [131] Upon hearing this, Röntgen reviewed his record books and found he too had seen the effect. When placing an X-ray tube on the opposite side of a wooden door Röntgen had noted the same blue glow, seeming to emanate from the eye itself, but thought his observations to be spurious because he only saw the effect when he used one type of tube. Later he realized that the tube which had created the effect was the only one powerful enough to make the glow plainly visible and the experiment was thereafter readily repeatable. The knowledge that X-rays are actually faintly visible to the dark-adapted naked eye has largely been forgotten today this is probably due to the desire not to repeat what would now be seen as a recklessly dangerous and potentially harmful experiment with ionizing radiation. It is not known what exact mechanism in the eye produces the visibility: it could be due to conventional detection (excitation of rhodopsin molecules in the retina), direct excitation of retinal nerve cells, or secondary detection via, for instance, X-ray induction of phosphorescence in the eyeball with conventional retinal detection of the secondarily produced visible light.

Though X-rays are otherwise invisible, it is possible to see the ionization of the air molecules if the intensity of the X-ray beam is high enough. The beamline from the wiggler at the ID11 at the European Synchrotron Radiation Facility is one example of such high intensity. [132]

The measure of X-rays ionizing ability is called the exposure:

  • The coulomb per kilogram (C/kg) is the SI unit of ionizing radiation exposure, and it is the amount of radiation required to create one coulomb of charge of each polarity in one kilogram of matter.
  • The roentgen (R) is an obsolete traditional unit of exposure, which represented the amount of radiation required to create one electrostatic unit of charge of each polarity in one cubic centimeter of dry air. 1 roentgen = 2.58 × 10 −4 C/kg .

However, the effect of ionizing radiation on matter (especially living tissue) is more closely related to the amount of energy deposited into them rather than the charge generated. This measure of energy absorbed is called the absorbed dose:

  • The gray (Gy), which has units of (joules/kilogram), is the SI unit of absorbed dose, and it is the amount of radiation required to deposit one joule of energy in one kilogram of any kind of matter.
  • The rad is the (obsolete) corresponding traditional unit, equal to 10 millijoules of energy deposited per kilogram. 100 rad = 1 gray.

The equivalent dose is the measure of the biological effect of radiation on human tissue. For X-rays it is equal to the absorbed dose.


Introduction

In the early days, while American workers were busily exploring and reporting the beneficial use of X-rays, less welcome news was beginning to trickle in from many parts of the USA. The rays, it was discovered, produced undesirable changes in exposed tissues. In the 116th anniversary year of the discovery of X-rays, when Roentgen and others were glorified for their discovery and use of X-rays, this article throws light on some of the early victims and martyrs. Given the ambiguity of universal guidelines in obtaining a cone beam CT (CBCT) scan and the undue use of panoramic and full-mouth periapicals at tertiary care centres, oral radiologists may end up making unnecessary examinations, which can result in undue radiation exposure. This highlights the need to look back through history.

Historical perspective

It was barely 14 days after the announcement of the discovery of Roentgen rays that Friedrich Otto Walkhoff took the first dental radiograph. He took an ordinary photographic glass plate, wrapped it in a rubber dam, held it in his mouth between his teeth and tongue and then lay on the floor for a 25 min exposure. Walkhoff said that those 25 min of exposure were a torture to him. 1 However, the exact nature of this torture has not been described. Later, in 1896, Walkhoff succeeded in making extra-oral pictures with an exposure time of 30 min. He noticed a loss of hair on the side of the head of some of the patients he irradiated, 2 but as there was no mention of blisters on the skin it is assumed that the absorbed dose was less than 300 rads.

In 1896, Otto Walkhoff and Fritz Giesel established the first dental roentgenological laboratory in the world. For many years the laboratory provided practitioners with images of the jaw and head. Fritz Giesel later died in 1927 of metastatic carcinoma caused by heavy radiation exposure to his hands. 3

In February 1896 a child who had been accidentally shot in the head was brought to the laboratory at Vanderbilt University (Tennessee, USA). Before attempting to locate the bullet in the child, Professor Daniel and Dr Dudley decided to undertake an experiment. Dr Dudley, with his characteristic devotion to science, lent himself to this experiment. A plate holder containing the sensitive plate was tied to one side of Dudley's head and the tube attached to the opposite side of the head. The tube was placed 0.5 inches away from Dudley's hair and activated for 1 h. After 21 days all the hair fell out from the space under discharge, which was approximately 2 inches in diameter. 4

On 12 August 1896, Electrical Review reported that Dr HD Hawks, a graduate of the 1896 class of Columbia College, gave a demonstration with a powerful X-ray unit in the vicinity of New York. 5 After 4 days, he was compelled to stop work. He noticed a drying of the skin, which he ignored. The hand began to swell and gave the appearance of a deep skin burn. After 2 weeks the skin came off the hand, the knuckles become very sore, fingernail growth stopped and the hair on the skin exposed to X-rays fell out. His eyes were bloodshot and his vision became considerably impaired. His chest was also burnt. Mr Hawks' physician treated this as a case of dermatitis. Hawks tried protecting his hands with petroleum jelly, then gloves and finally by covering it with tin foil. Within 6 weeks Hawks was partially recovered and was making light of his injuries. Electrical Review concluded by asking to hear from any of its readers who had had similar experiences.

GA Frei of Frei and Co., a Boston manufacturer of X-ray tubes, replied the next day: Mr K, an employee of the company, complained of peculiar itching and burning in his left hand and thought it was due to poisoning with chemicals. Mr K used to regularly attend to testing of tubes during and after the exhausting process at the rooms. The same phenomenon also appeared on Frei's hand. The letter concluded by stating that further developments would be carefully monitored. 5

A distressing case was reported in September 1896. William Levy had been shot in the head by an escaping bank robber 10 years previously. The bullet entered his skull just above the left ear and presumably proceeded towards the back of the head. Having heard about X-rays, he decided he wanted the bullet localized and extracted. Levy approached Professor Jones of the Physical Laboratory, University of Minnesota. Professor Jones, who was familiar with Daniel and Dudley's experiments, warned Levy against the exposure, but Levy was undeterred and an exposure was made on 8 July 1896. Exposures were made with the tube over his forehead, in front of his open mouth and behind his right ear. Levy sat through the exposures from 8 o'clock in the morning until 10 o'clock at night. Within 24 h his entire head was blistered, within a few days his head was an angry sore and his lips were badly swollen, cracked and bleeding. His right ear had doubled in size and the hair on his right side had entirely fallen out. Professor Jones concluded that the one feature that was satisfactory to the patient was that a good picture of the bullet was obtained, showing it to be about an inch beneath the skull under the occipital protuberance. 6

Dr Stickney reported a case in December 1896 of a woman who complained of abdominal pain. A radiograph of the patient, Mrs Q, was taken in the abdominal region. The focus of X-rays was over the liver. 3 exposures were made of 20 min, 30 min and 35 min. Two days later she developed burns over the region. The condition worsened until the surface sloughed. 7

The above cases of Hawks, Dudley and Stickney all reported skin blisters and it could therefore be assumed that the absorbed dose of the victims was at least 1500 rads. Serious damage from the rays was also reported from the Edison Laboratory. Elihu Thomson of General Electric cited two Edison cases in a letter dated 1 December 1896 to Dr EA Codman of Boston. Thomson referred to these cases as serious because they took place over the hands and arms of the victims and they had to stop working with X-rays altogether. The story goes that one of them was told by his physician that if he continued to work with X-rays it would be necessary to amputate his hands. The worker threatened with amputation was probably Clarence Dally, Thomson Edison's glassblower.

Clarence Dally was likely to have had an absorbed dose of approximately 3000 rads to necessitate amputation. It needs to be noted that not everyone had the same experience. Dr Williams reported in 1897 that in approximately 250 patients, who he examined with X-rays, he had not seen any harmful effects. 8

Professor Stine of Armour Institute of Technology reported that a patient who was exposed for 2 h for 2 successive days with the plate a few inches from the skin developed itching and irritation. A few days later the skin swelled and became inflamed, and the area immediately surrounding the exposure was tanned and dry. In time the skin peeled off and resembled bad sunburn. Professor Stine, however, concluded that the effect was due to ultraviolet rays and not X-rays. 9

Dr EA Codman, in 1902, conscientiously reviewed all papers on X-ray injuries. Of the 88 X-ray injuries published, 55 had occurred in 1896, 12 in 1897, 6 in 1898, 9 in 1899, 3 in 1900 and 1 in 1901. The decline could be due to the fact that X-ray injuries were no longer in the news and therefore went unreported unless they exhibited unusual features. dix

Clarence Dally (1865�) is thought to be the first to die as result of X-ray exposure. He died of metastatic carcinoma at only 39 years old.

The next death to be reported was that of Elizabeth F Ascheim (1859�) of San Francisco. Deaths reported thereafter included those of Wolfram C Fuchs (1865�), who opened the X-ray laboratory in Chicago in 1896 and made the first X-ray film of a brain tumour in 1899, and Dr William Carl Egelhoff (1872�). Among the victims who suffered the most was Dr Walter James Dodd (1869�). He was operated on 32 times and died of metastatic carcinoma of the lung on 18 December 1916. 11

The deaths of tube manufacturers have included Rome Vernon Wagner (1869�), his brother Thurman Lester Wagner (1876�), Burton Eugene Baker (1871�), Henry Green (1860�), John Bawer (unknown year of birth�) and Robert H Machlett (1872�). 12

The case of C. Edmund Kells is well known. Kells developed a radiogenic neoplasm in 1922 and endured increasing discomfort and excruciating pain. Kells did not listen to the warning given by William Rollins regarding radiation hazards. He had undergone 42 operations and several amputations (some have reported 100). On 7 May 1928 Kells triggered a 0.32 calibre bullet into his brain. 3

Dr Perry Brown, an eminent Boston radiologist, published his collection of biological essays 𠇊merican martyrs to science through Roentgen rays” in 1936. He reported the deaths of Mihran Kasabian of Philadelphia (1870�), Eugene Caldwell of New York (1870�), Herbert Robert of St Louis (1852�), Fredrick H Baetjer of Baltimore (1874�) and a number of others whose lives deserve to be remembered. However, his own story was missing Dr Brown died of X-ray induced cancer in 1950. 11

Dr Cannon began using X-rays in 1896 when he was a medical student. In 1931 he developed itching of skin and fresh red papular lesions on his back, chest, thighs, knees and elbows. Dr Cannon suggested that repeated biopsies be made so that it would provide more information on this poorly understood condition. He developed several lesions all over the body, many of which continuously recurred.

In April 1944, a recurrent basal cell carcinoma of the nostril was excised. In 1945 he passed the 14 th anniversary of the onset of mycosis fungoidosis — an amazingly long survival. On 1 October 1945 he died of recurrent pulmonary infection. 6

It would be generous to accept Dr Grubbe's account precisely as he wrote it, for he truly was an X-ray martyr. Dr Grubbe suffered at least 83 surgical operations to relieve his discomfort and to stop the progress of gangrene from his left hand to his arm, elbow and finally shoulder. Grubbe's face was grossly disfigured with cancer. He became sterile. His marriage was left childless, a misfortune he attributed to the X-rays. He lived in agony for many years, yet he continued to work with the rays.

In his autobiography he maintained “my courage is my work. I treat patients who suffer more or are encumbered more than me, and so I go on. By helping others I help myself”. He went on to predict “I will die from the effects of early uncontrolled exposures to X-rays. And like many of the early pioneers, I too, will die a victim of natural science, a martyr to the X-rays.”

Dr Grubbe, in the chapter “The effect of the X-rays on author’s body”, concluded on a noble note: “I have lived large enough to see the child that I fathered develop into a sturdy, mature and worthwhile product and I hope as I approach the evening of my day, to see even more uses of X-ray energy in the alleviation of the ills of mankind.” Dr. Grubbe died of metastatic cancer on 26 March 1960. 13 It could be hypothesized that Kells and Grubbe had a consistent absorbed dose of 3000 rads.


November 28, 1895: Granddaddy of All American Auto Races

A Brief History On November 28, 1895, the first American auto race took place, the Chicago Times-Herald Race, a 54 mile event with a grand prize of $5000. (If that prize sounds lame, remember that this is worth over $140,000 in today’s money.) Digging Deeper As the automobile was a new-fangled invention at the time, a proper name for the motorized conveyance had not yet been agreed upon and the Times-Herald called their event a “Moto-cycle Race.” Originally meant to be a race from Chicago to Milwaukee, the roads of the day were not smooth enough for those primitive cars&hellip


120 YEARS SINCE THE DISCOVERY OF X-RAYS

This paper is intended to celebrate the 120th anniversary of the discovery of X-rays. X-rays (Roentgen-rays) were discovered on the 8th ofNovember, 1895 by the German physicist Wilhelm Conrad Roentgen. Fifty days after the discovery of X-ray, on December 28, 1895. Wilhelm Conrad Roentgen published a paper about the discovery of X-rays - "On a new kind of rays" (Wilhelm Conrad Roentgen: Ober eine neue Art von Strahlen. In: Sitzungsberichte der Wurzburger Physik.-Medic.- Gesellschaft. 1895.). Therefore, the date of 28th ofDecember, 1895 was taken as the date of X-rays discovery. This paper describes the work of Wilhelm Conrad Roentgen, Nikola Tesla, Mihajlo Pupin and Maria Sklodowska-Curie about the nature of X-rays . The fantastic four - Wilhelm Conrad Roentgen, NikolaTesla, Mihajlo ldvorski Pupin and Maria Sklodowska-Curie set the foundation of radiology with their discovery and study of X-rays. Five years after the discovery of X-rays, in 1900, Dr Avram Vinaver had the first X-ray machine installed in abac, in Serbia at the time when many developed countries did not have an X-ray machine and thus set the foundation of radiology in Serbia.


1895: Wilhelm Röntgen Discovers X-rays

On this day, in the late afternoon hours, German physicist Wilhelm Roentgen experimented with a variety of electronic devices, including some of Tesla’s, by putting them under electrical discharge and observing the rays they produce. In one of the experiments in a darkened room, he noticed a glimmer of barium platinocyanide. He concluded that this shimmering was caused by some as yet unknown rays.

He called them X-rays, where X was a designation for something unknown. When he placed various items in the range of these rays, he saw a picture of his skeleton on a barium platinocyanide screen. After that, he continued his research in secret because he was afraid that he might be ridiculed if his observations do not prove to be true. After two weeks, he made a picture of his wife’s hand, on which bones and rings can be seen. The rays were named Röntgen rays after him, although he always preferred the term X-rays.