logo

logo

logo

logo

logo

الأشعة السينية (تصوير-)

اشعه سينيه (تصوير)

X-rays imaging - Imagerie des rayons X

 الأشعة السينية

الأشعة السينية (تصوير ـ)

 توليد الأشعة السينية

 تطبيقات الأشعة السينية في التصوير الطبي

 أجزاء جهاز التصوير الشعاعي البسيط

 

 

أحدثت أشعة رونتجن (الأشعة السينية) ثورة في علم التصوير الطبي الشعاعي منذ اكتشافها من قبل العالم رونتجن Wilhelm Roentgen في عام 1896، إذ مكنت الأطباء من تحسين التشخيص من خلال الحصول على صور بتدرجات رمادية تبين حالة الأعضاء الداخلية التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة من دون جراحة ( الهيكل العظمي، الصدر، الأنسجة الطرية، الحوض، المعدة). وهي أمواج كهرطيسية يمكنها الانتقال في الخلاء أو في وسط مادي:

1 - تعطى سرعتهاV بالعلاقة (1):

الوصف: الوصف: الوصف: 13649.jpg

f التردد. الوصف: الوصف: الوصف: 13641.jpgطول الموجة.

2 - تنتشر بتقريب أول وفق خط مستقيم.

3 - تخضع شدتها لقانون التربيع العكسي inverse- square law الوصف: الوصف: الوصف: 13632.jpg، أي تتناسب شدتها عكساً مع مربع المسافة (d) عن المنبع.

4 - لا تنحرف تحت تأثير الحقول الكهرطيسية.

توليد الأشعة السينية

تولد الأشعة السينية داخل أنبوب زجاجي (الشكل 1)، يتألف المولد من:

الشكل (1): أجزاء أنبوب الأشعة السينية.

(أ) يبين آلية توليد الأشعة السينية، (ب) أجزاء أنبوب الأشعة

أ- الفتيل: وهو سلك من التنغستين بقطر 0.2 مم يقوم بتحرير إلكترونات، يلف بشكل حلزوني بقطر دوران 0.2 سم وطول 1سم عند رفع درجة حرارته، ويعرف بالمهبط.

ب- المصعد: وهو صفيحة من التنغستين والرينيوم تثبت على قضيب من النحاس، وبه تصطدم الإلكترونات المسرعة والصادرة عن المهبط.

ج - الأنبوب الزجاجي الذي يحفظ كل من المهبط والمصعد حيث يتم تخليته من الهواء.

د - يحيط بالأنبوب الزجاجي طبقة من الزيت وبعدها صفائح من الرصاص، ويغلف الجميع بطبقة من الألمنيوم.

تولد الأشعة السينية بتسخين سلك التنغستين (الفتيل) الذي يلف بشكل حلزوني إلى درجة حرارة تزيد على 0022oس فتنطلق الإلكترونات التي يزداد عددها بزيادة درجة الحرارة. تسرّع هذه الإلكترونات بتطبيق فرق كمون عالٍ بين المهبط والمصعد، وعند اصطدام هذه الإلكترونات بالمصعد تتولد الأشعة السينية. تعطى الطاقة الحركية (E) التي تكتسبها الإلكترونات وفق المعادلة (2):

الوصف: الوصف: الوصف: 13620.jpg

حيث e شحنة الإلكترون، وهي قيمة ثابتة Columbs e= 1.6X 10 -19، V الجهد المطبق على طرفي الأنبوب، بين المصعد والمهبط.

وبالتالي فإن زيادة الطاقة الحركية تتناسب طرداً مع زيادة الجهد الأعظمي المطبق، ويعبّر عن هذه الطاقة المكتسبة بواحدة الإلكترون فولط eV ومضاعفاتها KeV.

تستغرق الإلكترونات زمناً قدره 10 -10 ثانية لتنتقل بين المهبط والمصعد مسافة قدرها إنشاً واحداً.

تحرّض الإلكترونات عند تآثرها مع ذرات المصعد أشعة سينية يعبر عنها نتيجة تكميتها بالفوتونات التي تعطي تردداتها وفق المعادلة (3):

الوصف: الوصف: الوصف: 13609.jpg

حيث h ثابت بلانك قيمته (جول/ثانية) الوصف: الوصف: الوصف: 13599.jpg، وEp طاقة الفوتون.

ويمكن حساب طول موجة الأشعة λ من المعادلة (4):

الوصف: الوصف: الوصف: 13589.jpg

حيث c سرعة الضوء (متر بالثانية) الوصف: الوصف: الوصف: 13580.jpg.

تتولد الأشعة السينية وفقاً لحادثتين أساسيتين:

1 - أشعة الكبح (الفرملة) (الشكل2 ) التي تنتج من تباطؤ الإلكترونات ذات السرعة والطاقة الحركية العاليتين نتيجة اصطدامها بذرات المصعد؛ مما يؤدي إلى انحرافها عن مسارها الأصلي وتولد أشعة سينية بطيف مستمر وواسع من الأطوال الموجية المختلفة، وهي الأنسب للاستخدامات الطبية نظراً لعرض نطاقها الطيفي.

الشكل (2): المفهوم الفيزيائي لتشكل أشعة الكبح.

2 - الأشعة المميزة: تنتج الأشعة المميزة عندما تصطدم الإلكترونات الصادرة عن المهبط بالمصعد وهي ذات طاقة مناسبة (الشكل 3) تؤدي إلى إزالة إلكترون من مدار في ذرة المصعد طاقته Ei، يتبعه هبوط أحد الإلكترونات الموجودة في المدارات ذات الطاقة الأعلى Ef للانتقال إلى المدار الذي فقد الإلكترون ذا الطاقة الأدنى مما يؤدي إلى تحرير هذه الطاقة الزائدة على شكل أشعة سينية بطول موجي محدد، وفق المعادلة (5):

الشكل (3): المفهوم الفيزيائي لتشكل الأشعة المميزة.

الوصف: الوصف: الوصف: 13571.jpg

يجب التنويه أنه في كلتا الحادثتين يتبدد معظم ما تبقى من الطاقة على شكل حرارة بنحو 99 %. يوضح الشكل (4) التوزع العددي لفوتونات الأشعة السينية بدلالة طاقتها مقدرة بـ keV.

الشكل (4): منحني علاقة التوزع العددي للفوتونات بالنسبة إلى قدرتها عند جهد مطبق قدره 100 كيلوفولط وزاوية هدف المصعد 13 درجة

تطبيقات الأشعة السينية في التصوير الطبي

بعد اكتشاف مبدأ توليد الأشعة السينية عام 1896 بدأ تطبيقها في مجال التصوير الطبي عام 1900. لذا كان لابد من القيام بتطوير أنبوب الأشعة كي يناسب عدة ميزات يتطلب التصوير تحقيقها:

1 - المساحة المناسبة لتصوير الأعضاء المختلفة.

2 - الميز في تفاصيل الصورة.

وهذا ما وضع حمولة حرارية كبيرة على المصعد، وبالتالي أدى إلى صعوبة في استمرار التصوير لفترات زمنية طويلة ما لم يتم تبديد هذه الحرارة، ولتحقيق هذه المتطلبات فقد اتخذت الإجراءات التالية:

أ- تجهيز المهبط بلمفين من التنغستين، الأول ذو قطر سلك صغير ونصف قطر التفاف صغير أيضاً يستخدم لتصوير الأعضاء الصغيرة بميز عالٍ، أما الثاني فهو ذو قطر سلك كبير وكذلك نصف قطر التفافه (الشكل5 )، وهو جيد لتصوير الأعضاء الكبيرة بميز منخفض.

الشكل (5): مكونات المهبط ذي الملفين.

ب - إمكان تغيير زاوية ورود الإلكترونات على هدف المصعد، وهي الزاوية المتشكلة بين الشاقول والخط المار بسطح المصعد (الشكل 6)، وتراوح بين 7 و 21 درجة، وتؤثر بالنهاية في أبعاد البقعة المحرقية للأشعة السينية التي تنتج ومساحتها، وتحدد مساحة المنطقة المصورة وميز الصورة.

الشكل (6): أ- المصعد الثابت وتظهر زاوية الهدف والبقعة المحرقية ب- المصعد الدوار

ج - بغية تبديد الحرارة تم تطوير المصعد الدوار الذي تتوزع الحرارة المتولدة عن قصف الإلكترونات للمصعد على كامل المسار المخصص للقصف على القرص الدوار (الشكل 6)، بحيث يدور بسرعة من 3600 الى 10000 دورة بالدقيقة، مما يمكن من التصوير مدة أطول مما هي عليه في القرص الثابت. يثبت هذا القرص على جذع مخروط يدور بفعل محرك تحريضي، تنتقل الحرارة خارج منطقة القرص عبر المنطقة النحاسية التي تشكل خلفية لمنطقة الهدف ومنها إلى الجذع. يتم تبديد الحرارة خارج الأنبوب باستخدام زيت يقع بين الحبابة الزجاجية - التي تحفظ كلاً من المهبط والمصعد - والغطاء الخارجي المصنوع من الألمنيوم (الشكل 1) حيث يستخدم تيار هواء لطرد الحرارة المتراكمة في الزيت إلى محيط الغرفة أو دارة ماء بارد.

يعتمد مبدأ تشكل الصور الإشعاعية البسيطة على اختلاف امتصاص الأشعة من قبل أجزاء مختلفة من الجسم الحي المدروس. فيعتمد مبدأ التصوير الإشعاعي على مقدار امتصاص المواد المكونة للجسم الحي للأشعة، على سبيل المثال:

يتألف جسم الإنسان من المركبين الأساسيين:

أ- المكون الأساسي للعظام وهو فسفات الكلسيوم Ca3(PO4)2.

ب-باقي النسج تحتوي بصورة أساسية على الماء H2O (80 % من جسم الإنسان ماء).

وبمقارنة معامل الامتصاص الخطي لمادتي العظام والنسج يتبين أن معامل الامتصاص الكتلي للعظم يزيد تقريباً بعشر مرات على نظيره في النسج الأخرى؛ وهذا يسبب وضوح صورة العظم عند التصوير بأشعة x على خلفية النسج.

سيتعرض عموماً كل فوتون عند اختراق حزمة من الفوتونات الجسم للإضعاف بحسب البنى التشريحية التي اخترقها، وعندما يصل الى الفلم الإشعاعي فإن كل فوتون له طاقة مختلفة ويحمل معلومة مختلفة عن المسار الذي سلكه، وهنا يتفاعل الفوتون مع مادة الفلم، وكلما زاد عدد الفوتونات ازداد اسوداد الفلم، وبالمحصلة تعطي حزمة الفوتونات المخترقة للجسم الحي صورة عن البنية التشريحية داخل جسم الإنسان التي تساعد الأطباء على تشخيص الحالة المرضية عند الإنسان الذي جرى تصويره باستخدام التصوير الإشعاعي، وفي نظم التصوير الأخرى يجري التصوير باستخدام طرائق هندسية للحصول على صور إشعاعية لحالات مرضية مختلفة من خلال معالجة الصور الناتجة.

أي إن التصوير بالأشعة السينية يجري من خلال تطبيق حزمة شعاعية معروفة الشدة على العنصر المراد التحري عنه ومن ثم استقبال الحزمة النافذة عبر العضو بعدما عانت تخامداً وامتصاصاً يتناسبان مع كثافة الأنسجة المكونة لهذا العضو وكذلك ثخانتها، وينطبق قانون لامبرت عليها الذي يعطى بالعلاقة (6):

الوصف: الوصف: الوصف: 13562.jpg

حيث:

µ- معامل التخامد الخطي، وواحدته cm -1.

الوصف: الوصف: الوصف: 13554.jpg- المسافة التي تعبرها الأشعة داخل الأنسجة وواحدتها cm.

الوصف: الوصف: الوصف: 13546.jpg- كثافة الأشعة الساقطة على الأنسجة

الوصف: الوصف: الوصف: 13538.jpg- كثافة الأشعة الخارجة من النسيج ذي الثخانة الوصف: الوصف: الوصف: 13529.jpg.

وتبعاً للقانون المذكور فإن الأشعة التي تعبر العظم تعاني تخامداً أعلى من تلك التي تعبر نسيج عضلي بنفس الثخانة، وهذا ما يجعل التفريق بينها واضحاً في الصور الشعاعية.

أجزاء جهاز التصوير الشعاعي البسيط

يتألف جهاز التصوير الشعاعي البسيط إضافة إلى الأنبوب المولّد للأشعة السينية من:

أ- مولد الطاقة الذي يحوي منبعاً للتوتر/للجهد العالي (الشكل 7) التي تراوح من 20 إلى 200 كيلو فولط. يتكون من محول رافع لجهد الشبكة الكهربائية بما يتناسب مع الجهد المطلوب، ومقوّم إذ لابد من تقويم موجة الجهد المطبق من الشبكة بعد رفعها، ودارة توقيت التوقيت المناسب الذي يجنب المريض التعرض الزائد لجرعة أكبر مما يحتاج (الشكل 8)، وكذلك تحقيق الجرعة المناسبة التي تحقق صورة جيدة على الفلم. وكذلك يحتوي على دارة لتخفيض التيار المُطبق من الشبكة إلى مستوي مناسب يُطبق على طرفي الفتيل.

الشكل (7): مخطط كهربائي لمولد الطاقة.

الشكل (8): مخطط صندوقي لجهاز التصوير بالأشعة السينية.

ب- نافذة ومرشحات من الألمنيوم تنحصر مهمتها في منع الأشعة السينية ذات الترددات المنخفضة من العبور إلى المريض نظراً لعدم فائدتها في التشخيص.

ج- مسدد collimator (الشكل 9): تتم معايرته لتسقط الأشعة على المنطقة المراد تصويرها، حيث يُستخدَم ضوء عاديlamp مع مرآة أو عاكس ضوءlight reflector لتسقط على المنطقة المراد تصويرها، وتعاير الفتحة المطلوبة قبل التصوير بأشعة X بحيث يتطابق مسار هذا الضوء مع مسار الأشعة السينية.

الشكل (9): مكونات المسدد.

د- فلم تصوير أو ما يكافئه، وقد يُستبدل.

هـ- حاسوب موصول بكاشف أشعة، و يتوفر في أجهزة التصوير الشعاعية الرقمية.

يقوم المستخدم قبل التصوير بتشغيل المسدد حيث يشغل المصباح الذي يسقط ضوءه على عاكس الضوء، ويعدل المغاليق الداخلية internal shutter المصنوعة من صفائح من الرصاص مانعة مرور الأشعة عبرها ، وبحيث تتطابق البقعة الساقطة من انعكاس الضوء مع المنطقة المراد تصويرها وبالتالي مع الحقل المخصص للفلم الموجود في الحافظة، وعندما يتأكد من ذلك يطفئ المصباح. ويقوم بالتصوير حيث يدور عاكس الضوء خارجاً عن حقل التصوير سامحاً للأشعة بالمرور إلى جسم المريض.

تتابع الأشعة طريقها داخل المريض حيث تعاني التخامدَ وكذلك التبعثر، وبما أن الأشعة المتبعثرة ذات مفعول سلبي على جودة الصورة الواقعة على الفلم صممت الشبكات المغربلة أو ما يدعى مخطط بَكي Bucky diagram، إضافة إلى المكونات الأخرى المذكورة.

وهي تتألف (الشكل 10) من أعمدة من الرصاص متوازية تفصل بينها فراغات تسمح للأشعة المفيدة بالعبور إلى طبقات الفلم الشعاعي مانعة المتبعثرة من الوصول إليها. يلاحظ أن المحددات التي تميز الشبكة المغربلة هي:

الشكل (10): مخطط تمثيلي لمخطط بوكي.

D: عرض المواد السامحة للأشعة بالمرور.

d: عرض الشرائح المخمدة للأشعة المتناثرة.

h: ارتفاع الشرائح المخمدة للأشعة.

 

نقولا أبو عيسى، منذر خضور

 

 

مراجع للاستزادة:

-J. D. Bronzino, The Biomedical Engineering Handbook, Taylor & Francis Group, USA, 2006.

-J. G. Webster., Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Wiley-Inter-Science, 2006.

 


التصنيف : الهندسة الطبية
النوع : الهندسة الطبية
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 615
الكل : 27459070
اليوم : 69107