هر آنچه باید در مورد اشعه ایکس پزشکی بدانید

مقدمه

اشعه ایکس پزشکی بخش پر انرژی از امواج الکترومغناطیسی است که می تواند از بدن عبور کند، با چشم غیر مسلح دیده نمی شود و شما نمی توانید آن را احساس کنید.

با عبور اشعه ایکس پزشکی از بدن، انرژی حاصل از آن با سرعت های متفاوتی توسط قسمت های مختلف بدن جذب می شود. یک آشکارساز در طرف دیگر بدن پرتو ایکس عبوری را دریافت کرده و آنها را به تصویر تبدیل می کند.

به عنوان مثال، استخوان‌ ها متراکم هستند و اشعه ایکس پزشکی را به خوبی جذب می‌ کنند، اما بافت‌ های نرم (پوست، چربی، ماهیچه) اجازه می‌ دهند پرتو بیشتری از آنها عبور کند.

نتیجه یک سایه پرتو ایکس بر روی یک فیلم یا صفحه فلورسنت است که در آن تصاویر استخوان‌ ها سفید به نظر می‌رسند، در حالی که سایه‌ های بافت‌ های نرم به صورت خاکستری ظاهر می‌ شود.

تصویربرداری با استفاده از اشعه ایکس پزشکی منجر به بهبود در تشخیص و درمان بسیاری از شرایط پزشکی در کودکان و بزرگسالان می شود.

تعریف اشعه ایکس پزشکی

پرتو ایکس، طیفی از امواج الکترومغناطیسی است که پر انرژی بوده و کابردهای متعددی در زندگی روزمره دارد.

هیچ تعریف دقیق و پذیرفته شده جهانی از مرزهای طیف اشعه ایکس پزشکی وجود ندارد، اما می دانیم که طول موج آن کوتاه تر از اشعه فرابنفش و طولانی تر از اشعه گاما است.

طیف طول موجی پرتو ایکس پزشکی در نواحی با طول موج 0.01 تا 10 نانومتر گسترش دارد که انرژی‌ متناسب با آنها در محدوده 100 eV تا 100 keV قرار می گیرد.

پرتوهای ایکس معمولاً با حداکثر انرژی که دارند، توصیف می شود که با ولتاژ بین الکترودها تعیین می شود. پرتوهای ایکس با انرژی فوتون بالا (بالاتر از 5 تا 10 کیلو ولت) پرتو ایکس سخت نامیده می شوند، در حالی که آنهایی که انرژی کمتری دارند (و طول موج بلندتر) را پرتو ایکس نرم می نامند.

پرتوهای ایکس سخت توانایی عبور بالایی دارند و با توجه به همین قابلیت نفوذ بالا، به طور گسترده ای برای تصویربرداری از داخل اجسام  استفاده می شود و بیشترین کاربردهای دیده شده در پزشکی است. به همین دلیل اشعه ایکس پزشکی نیز گفته می شود.

در مقابل، اشعه ایکس نرم به راحتی در هوا جذب می شود ( طول تضعیف اشعه ایکس 600 الکترون ولت در آب، کمتر از 1 میکرومتر است). بنابراین در هنگام کارهای پزشکی نیز هنگام انجام اسکن، فیلتر می شود.

آیا اشعه ایکس پزشکی برای بدن خطرناک است؟

اغلب افراد در مورد قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس پزشکی در طول معاینات و عکس برداری نگران هستند. با این حال، همه افراد در طول زندگی خود در معرض منابع تابش طبیعی از پرتوهای کیهانی، رادون موجود در جو، خاک و سنگ ها و حتی از غذا و آب هستند.

باید تایید کنیم که بله، اشعه ایکس برای بدن خطرناک است، اما به طور کلی، فایده اشعه ایکس در تشخیص وضعیت سلامتی، به ویژه در مورد بیماری های خاص، بیشتر از خطر آن است.

از آنجایی که اشعه ایکس تشعشع پر انرژی است، پتانسیل آسیب رساندن به بافت زنده را دارد و این خطری است که با افزایش تعداد مواجهه در طول زندگی فرد افزایش می یابد.

در برخی از تکنیک ها، مقدار کمی تابش ایکس برای ایجاد یک تصویر استفاده می شود، اما در برخی دیگر، مانند سی تی اسکن و آنژیوگرافی، دوز بالاتری به کار می رود.

تاریخچه اشعه ایکس

کشف اشعه ایکس به سال 1895، توسط ویلهلم کِنراد رونتگن (Wilhelm Conrad Roentgen)، فیزیکدان آلمانی نسبت داده شده است. البته تا پیش از این دانشمندان بسیاری به این موضوع اشاراه کرده بودند.

در ادامه تاریخچه مختصری آمده است:

کشف

رونتگن، در حال بررسی پرتوهای کاتدی یک لوله کروکس در آزمایشگاهی تاریک بود که در مقوای سیاه پیچیده شده بود تا نور مرئی با لوله تداخل نداشته باشد. و برای آشکارسازی از یک صفحه فلورسنت رنگ‌ شده استفاده می کرد.

او درخشش ضعیفی با رنگ سبز کم رنگ از صفحه فلورسنت مشاهده کرد که در فاصله حدود 1 متری قرار داشت. او متوجه شد که پرتوهای ایجاد کننده این پرتوهای نامرئی از مقوا عبور می کنند و تصویری را بر روی صفحات عکاسی ایجاد می کنند.

در حقیقت، پرتوهای ایکس حاصل لوله‌ های کروکس بودند، به طوری که با اعمال ولتاژ بالای DC چند کیلو ولت تا ۱۰۰ کیلو ولت و با یونیزاسیون هوای باقی‌مانده در لوله، الکترون‌ های آزادی را  ایجاد می کردند.

الکترون‌ هایی را که از سمت کاتد ساطع می شدند، با سرعت بالایی شتاب می گرفتند و زمانی که به آند یا دیواره شیشه‌ ای لوله برخورد می‌ کردند، اشعه ایکس ایجاد می‌ کردند.

آزمایش‌ های اولیه

رونتگن متوجه شد که پرتوهای ایکس می توانند از میان کتاب ها و کاغذهای روی میز او نیز عبور کنند و بنابراین، به بررسی سیستماتیک این پرتوهای ناشناخته پرداخت.

رونتگن آزمایش‌ های بیشتری انجام داد و کشف کرد که این پرتوهای جدید می‌ توانند به مواد مختلف، از جمله بافت انسان نفوذ کنند، اما توسط مواد متراکم‌ تری مانند استخوان و فلز جذب می‌ شوند.

آگاهی عمومی

رونتگن به اهمیت کشف خود پی برد و یافته های خود را در یک مجله علمی منتشر کرد. او گزارش اولیه ای را با عنوان "نوع جدیدی از پرتو: یک ارتباط مقدماتی" نوشت و آن را به مجله انجمن فیزیکی و پزشکی Würzburg ارسال کرد.

این اولین مقاله ای بود که به طور رسمی در مورد پرتو ایکس نوشته شد. رونتگن نام "X" را بر روی این تشعشع نهاد تا نشان دهد که یک نوع تابش ناشناخته است. رونتگن اولین جایزه نوبل فیزیک را برای این کشف خود دریافت کرد.

Otto Glasser زندگینامه نویس رونتگن، تخمین می زند که تنها در سال 1896، 49 یادداشت و 1044 مقاله در مورد پرتوهای جدید منتشر شده است. البته این آمار، احتمالاً یک تخمین دقیق نیست.

اما شواهد بیاری از انتشار مقالات با موضوع اشعه ایکس پزشکی بسیارند، برای مثال، تنها مجله Science در آن سال 23 مقاله به آن اختصاص داده است.

مهندس برق اسکاتلندی، Alan Archibald Campbell-Swinton، اولین کسی بود که پس از رونتگن، یک پرتو ایکس ایجاد کرد (تصویری از یک دست ارائه داد). چند ماه بعد، 46 پزوهشگر دیگر نیز این تکنیک را تنها در آمریکای شمالی انجام دادند.

کاربردهای پزشکی

اخبار کشف به سرعت پخش شد و اشعه ایکس توجه عمومی گسترده ای، به ویژه در حوزه کاربردهای پزشکی جلب کرد و روشی انقلابی برای تجسم ساختارهای داخلی بدن انسان ارائه کرد.

آنها به ابزاری ارزشمند برای تشخیص شکستگی ها، تشخیص بیماری ها و هدایت روش های پزشکی تبدیل شدند.

رونتگن کاربرد اشعه ایکس پزشکی را زمانی کشف کرد که توانست تصویری از دست همسرش بر روی یک صفحه عکاسی بسازد. عکس دست همسرش اولین عکس از قسمتی از بدن انسان با استفاده از این پرتو بود. وقتی عکس را دید گفت: مرگم را دیده ام  😵‍💫

اولین استفاده از پرتو ایکس در شرایط بالینی توسط جان هال ادواردز (John Hall-Edwards) در بیرمنگام انگلستان در 11 ژانویه 1896 انجام شد، زمانی که او یک سوزن گیر کرده در دست یکی از همکاران را رادیوگرافی کرد. همچنین، هال ادواردز اولین کسی بود که از اشعه ایکس پزشکی در یک عمل جراحی استفاده کرد.

پیشرفت های تکنولوژیکی

با گذشت زمان، پیشرفت در فناوری اشعه ایکس وضوح و کارایی تصویربرداری را بهبود بخشید. توماس ادیسون بلافاصله پس از کشف رونتگن تحقیقات خود را آغاز کرد و توانایی مواد برای بروز خاصیت فلورسانس در هنگام قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس را بررسی کرد و دریافت که تنگستات کلسیم موثرترین ماده است.

او اولین دستگاه تصویربرداری با تولید انبوه را به نام "Vitascope"، که بعدها فلوروسکوپ نامیده شد، ساخت که استانداردی برای معاینات پزشکی با استفاده از پرتو ایکس شد.

در طول مدتی که فلوروسکوپ در حال توسعه بود، فیزیکدان صربستانی آمریکایی به نام Mihajlo Pupin با استفاده از صفحه نمایش تنگستات کلسیمی که توسط ادیسون ساخته شده بود، دریافت که استفاده از صفحه نمایش فلورسنت، زمان نوردهی لازم برای ایجاد یک پرتو ایکس برای تصویربرداری پزشکی را از یک ساعت به چند دقیقه کاهش می دهد.

تکنیک‌ های مختلفی مانند توموگرافی کامپیوتری (CT)، فلوروسکوپی، و رادیوگرافی دیجیتال توسعه داده شد که قابلیت‌ها و ایمنی تصویربرداری اشعه ایکس را افزایش می‌دهد.

نگرانی های ایمنی

ادیسون تحقیقات پیرامون این پرتو را در حدود سال 1903، پیش از مرگ همکارش کلارنس مدیسون دالی (Clarence Madison Dally)، کنار گذاشت. دالی عادت داشت لوله‌ های اشعه ایکس را بر روی دست‌ هایش آزمایش کند و در نهایت به سرطان مبتلا شد و هر دو دستش قطع شد.

با آزمایش گسترده پرتو ایکس توسط دانشمندان، پزشکان و مخترعان، داستان های بسیاری از سوختگی، ریزش مو و بدتر از آن در مجلات فنی آن زمان منتشر شد.

با افزایش استفاده، نگرانی هایی در مورد اثرات بالقوه قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس و تاثیر آن بر روی سلامتی ایجاد شد. پیرو این نگرانی ها، اقدامات و دستورالعمل‌ های حفاظت در برابر اشعه برای اطمینان از استفاده ایمن از اشعه ایکس در محیط‌ های پزشکی و صنعتی ایجاد شد.

اصول عملکردی اشعه ایکس پزشکی

تکنیک های پزشکی مبتنی بر پرتو ایکس، مانند سی تی اسکن، رادیوگرافی و فلوروسکوپی همگی بر اساس دو اصل اساسی کار می کنند:

1. یک پرتو اشعه ایکس از بدن عبور می کند که در آن بخشی از اشعه ایکس پزشکی توسط ساختارهای داخلی جذب یا پراکنده می شود، و الگوی اشعه ایکس باقی می ماند.
2. ثبت اطلاعات این الگوی اشعه ایکس پزشکی از بدن و یا پردازش بیشتر آنها توسط یک سیستم آشکارساز اتفاق می افتد و سپس به یک نمایشگر منتقل می شود.
3. 

برای مثال بافت استخوان را در نظر بگیرید که از بافت عضلانی و پوست متراکم تر است، بنابراین بیشتر اشعه ایکس را جذب یا منعکس می کند. در نتیجه، در حین تصویربرداری، اشعه ایکس کمتری به ناحیه پشت استخوان می رسد و یک تصویر سایه ای ایجاد می کند.

در نگاتیو تصویر نهایی، تصویر سایه‌ ای استخوان، روشن‌ تر از بقیه تصویر به نظر می‌ رسد، زیرا آن قسمت از فیلم در معرض پرتو کمتری قرار گرفته است.

اصول تولید اشعه ایکس پزشکی

1. در داخل یک لوله اشعه ایکس پزشکی، فیلامان گرم شده دارای بار مثبت است (بعنوان کاتد) و تنگستن بار منفی دارد (آند). به دلیل اختلاف پتانسیل بسیار زیاد بین آنها، الکترون ها از سمت فیلامان به تنگستن ساطع می شوند.
2. این فرایند مشابه با اثر فوتوالکتریک است، جایی که فوتون ها می توانند با برخورد به صفحه فلزی نابود شوند و هر یک انرژی جنبشی خود را به یک الکترون تسلیم کنند.
3. تنگستن الکترون ها را جذب کرده و برانگیخته می شود. در بازگشت به حالت پایدار، مقداری از انرژی را به صورت اشعه ایکس آزاد می کند.
4. در طول این فرآیند،بیشتر انرژی در آند به گرما تبدیل می شود (که باید خنک شود). به همین منظور، تنگستن دارای یک پایه مسی است تا گرما را هدایت کند.
5. تنها 1 درصد از انرژی جنبشی الکترون ها به اشعه ایکس تبدیل می شود.
6. اشعه ایکس معمولاً عمود بر مسیر پرتو الکترونی تولید می شود.
7. 

توجه داشته باشید که هدف هرکدام از تکنیک های مبتنی بر اشعه ایکس پزشکی، بسته به منشا پرتو، انرژی آن و نوع بافت مورد بررسی می تواند متفاوت باشد.

رادیوگرافی

رادیوگرافی تکنیکی است که از دوز بسیار کمی از اشعه ایکس پزشکی برای تولید تصاویری از ساختارهای داخلی بدن استفاده می کند.

از آنجایی که بدن از مواد مختلفی با چگالی های متفاوت تشکیل شده است، می توان از پرتوهایی مانند پرتوهای ایکس برای آشکار ساختن ساختار داخلی بدن بر روی گیرنده تصویر با برجسته کردن این تفاوت ها با استفاده از تضعیف پرتو استفاده کرد.

یک ساختار متراکم، درصد بالایی از پرتو اشعه ایکس را جذب می کند (که در تصویر خاکستری روشن به نظر می رسد)، در حالی که ساختارهای با چگالی کم، درصد کمی را جذب می کنند.

رادیوگرافی با اشعه ایکس پزشکی شامل طیف وسیعی از روش ها است که انواع مختلفی از تصاویر را تولید می کند که هر کدام کاربرد بالینی متفاوتی دارند.

فلوروسکوپی

فلوروسکوپی اصطلاحی است که توماس ادیسون در مطالعات اولیه اشعه ایکس ابداع کرد. این نام به فلورسانسی اشاره دارد که او هنگام تماشای صفحه درخشان بمباران شده با اشعه ایکس مشاهده کرد.

این تکنیک یک تصویر پیوسته بر روی مانیتور نمایش داده می شود که امکان نظارت در زمان واقعی یک روش یا عبور ماده کنتراست ("رنگ") را از بدن فراهم می کند. می تواند دور میز جراحی حرکت کند و تصاویر دیجیتالی برای جراح ارائه دهد.

فلوروسکوپی می تواند نیاز به استفاده از دوز نسبتاً بالایی از پرتو ایکس باشد، به ویژه برای روش های مداخله ای پیچیده (مانند قرار دادن استنت یا سایر وسایل در داخل بدن) که نیاز به فلوروسکوپی برای مدت طولانی دارد.

توپوگرافی اشعه ایکس (CT)

توپوگرافی کامپیوتری اشعه ایکس (CT) یک تکنیک برای تصویر سازی از ویژگی های داخلی در اجسام جامد و برای به دست آوردن اطلاعات دیجیتال در مورد هندسه و ویژگی های سه بعدی آنها است.

یک تصویر CT معمولاً یک برش نامیده می شود، زیرا مطابق با شکلی است که جسم مورد اسکن در صورت برش دادن آن در امتداد یک صفحه نمایان می شود. یک تشبیه حتی بهتر، برشی از یک قرص نان است، زیرا همانطور که یک تکه نان ضخامت دارد، یک برش سی تی با ضخامت خاصی از جسم مورد اسکن مطابقت دارد.

تکنیک تصویربرداری توموگرافی شامل هدایت اشعه ایکس پزشکی به یک جسم یا بافت داخلی بدن، از جهت گیری های متعدد و اندازه گیری کاهش شدت در طول یک سری مسیرهای خطی است.

کاهش شدت بر اساس قانون بیر-لامبرت مشخص می شود که به عنوان تابعی از انرژی اشعه ایکس، طول مسیر و ضریب تضعیف خطی مواد توصیف می گردد.

سپس یک الگوریتم تخصصی برای بازسازی توزیع تضعیف اشعه ایکس در حجم مورد تصویر برداری استفاده می شود و شامل دوز تشعشع بالاتری نسبت به رادیوگرافی معمولی است.

سخن پایانی

اشعه ایکس پزشکی قدیمی ترین و پرکاربردترین شکل تصویربرداری در حوزه پزشکی است. آنها اغلب برای کمک به شکستگی استخوان های تشخیص داده شده، جستجوی آسیب یا عفونت و برای تعیین محل اجسام خارجی در بافت نرم استفاده می شوند.

قسمت‌ های متراکم بدن که عبور اشعه ایکس از آنها را دشوارتر است، مانند استخوان، به صورت نواحی سفید شفاف روی تصویر ظاهر می‌ شوند، در حالی که بافت های نرم‌ تری که اشعه ایکس می‌ تواند راحت‌ تر از آنها عبور کند، تیره‌ تر نشان داده می‌ شوند.

در این مقاله، روش تولید و انواع تکنیک های مبتنی بر اشعه ایکس توضیح داده شد. امیدواریم که مفید بوده باشد.

منابع

Wikipedia

Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement 4th Edition, Wiley, 8/2010. ISBN-13: 978-0470131480.