اشعه ایکس پزشکی چیست؟ تاریخچه، طرز تولید و کاربردها

اشعه ایکس (X-ray) یا پرتو ایکس بخشی پرانرژی از طیف امواج الکترومغناطیسی است که با چشم دیده نمی شود، احساس نمی شود و می تواند از بدن انسان عبور کند.

وقتی اشعه ایکس از بدن عبور می کند، بافت های مختلف به میزان متفاوتی آن را جذب می کنند. یک آشکارساز در طرف دیگر بدن، پرتوهای عبوری را دریافت کرده و به تصویر تبدیل می کند. استخوان ها چگال هستند و اشعه ایکس را به خوبی جذب می کنند، در حالی که بافت های نرم مانند پوست، چربی و ماهیچه اجازه عبور پرتو بیشتری را می دهند. به همین دلیل در تصویر رادیولوژی، استخوان ها سفید و بافت های نرم خاکستری دیده می شوند.

تصویربرداری با اشعه ایکس، تشخیص و درمان بسیاری از بیماری ها را در کودکان و بزرگسالان متحول کرده است. در این مقاله با ماهیت اشعه ایکس، تاریخچه کشف آن، نحوه تولید، انواع روش های تصویربرداری و میزان خطر آن آشنا می شوید.

اشعه ایکس چیست؟

اشعه ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی پرانرژی است. طول موج آن کوتاه تر از پرتو فرابنفش و معمولا در محدوده حدود ۰.۰۱ تا ۱۰ نانومتر است که با انرژی هایی در حدود ۱۰۰ الکترون ولت تا بیش از ۱۰۰ کیلوالکترون ولت متناظر است.

مرز دقیق اشعه ایکس و پرتو گاما مشخص نیست و انرژی آنها با هم همپوشانی دارد. تفاوت اصلی آنها در منشأ است: اشعه ایکس از برهمکنش الکترون ها و پرتو گاما از هسته اتم ها تولید می شود.

اشعه ایکس سخت و نرم

• اشعه ایکس سخت: فوتون هایی با انرژی بالاتر از حدود ۵ تا ۱۰ کیلوالکترون ولت که قدرت نفوذ زیادی دارند. به همین دلیل برای تصویربرداری از داخل بدن و اجسام استفاده می شوند و بیشتر کاربردهای پزشکی مربوط به این نوع است.

• اشعه ایکس نرم: فوتون هایی با انرژی کمتر که به راحتی جذب می شوند؛ برای مثال اشعه ایکس ۶۰۰ الکترون ولتی در آب کمتر از یک میکرومتر نفوذ می کند. این پرتوها در تصویربرداری فایده ای ندارند و فقط دوز پوست را افزایش می دهند، به همین دلیل در دستگاه های پزشکی با فیلترهای فلزی مانند آلومینیوم حذف می شوند.

تاریخچه اشعه ایکس

کشف اشعه ایکس

اشعه ایکس در ۸ نوامبر ۱۸۹۵ توسط ویلهلم کنراد رونتگن، فیزیکدان آلمانی، کشف شد؛ هرچند پیش از او دانشمندان دیگری نیز بدون شناخت ماهیت این پرتو، اثرات آن را مشاهده کرده بودند.

رونتگن در حال آزمایش پرتوهای کاتدی با یک لوله کروکس بود و لوله را با مقوای سیاه پوشانده بود تا نور مرئی آن خارج نشود. او متوجه درخشش ضعیف سبز رنگی روی یک صفحه فلورسنت پوشیده از پلاتینوسیانید باریم شد که حدود یک متر دورتر قرار داشت. او دریافت که پرتوهای نامرئی ناشناخته ای از مقوا عبور کرده و صفحه را روشن کرده اند.

در لوله کروکس، ولتاژ بالایی از چند تا حدود ۱۰۰ کیلوولت اعمال می شد. الکترون هایی که از کاتد گسیل می شدند، با سرعت زیاد به آند یا دیواره شیشه ای لوله برخورد می کردند و اشعه ایکس تولید می شد.

آزمایش های رونتگن

رونتگن در آزمایش های بعدی دریافت که این پرتوها از کتاب، کاغذ و حتی بافت بدن انسان عبور می کنند، اما مواد چگال تر مانند استخوان و فلز آنها را بیشتر جذب می کنند. او از دست همسرش، آنا برتا، تصویری روی صفحه عکاسی ثبت کرد که استخوان های دست و انگشتر او را نشان می داد. این نخستین تصویر اشعه ایکس از بدن انسان بود. نقل شده که همسرش با دیدن تصویر استخوان های دست خود گفت: «مرگم را دیدم».

انتشار کشف

رونتگن یافته های خود را در دسامبر ۱۸۹۵ در مقاله ای با عنوان «درباره نوع جدیدی از پرتوها» به انجمن فیزیکی و پزشکی ورتسبورگ ارائه کرد. او این پرتو را X نامید تا نشان دهد ماهیت آن ناشناخته است. رونتگن در سال ۱۹۰۱ نخستین جایزه نوبل فیزیک را برای این کشف دریافت کرد.

خبر این کشف با سرعت در جهان پخش شد و تنها در سال ۱۸۹۶ صدها مقاله درباره پرتو جدید منتشر شد. پژوهشگران زیادی در اروپا و آمریکای شمالی در همان ماه های اول تصویربرداری با اشعه ایکس را آغاز کردند.

نخستین کاربردهای پزشکی

اشعه ایکس روشی انقلابی برای دیدن درون بدن بدون جراحی فراهم کرد و به سرعت به ابزاری برای تشخیص شکستگی ها، یافتن اجسام خارجی و تشخیص بیماری ها تبدیل شد.

در ۱۱ ژانویه ۱۸۹۶، جان هال ادواردز در بیرمنگام انگلستان، نخستین استفاده بالینی از اشعه ایکس را انجام داد و سوزنی را که در دست یکی از همکارانش فرو رفته بود، رادیوگرافی کرد. او همچنین نخستین کسی بود که از اشعه ایکس برای هدایت یک عمل جراحی استفاده کرد.

پیشرفت های فناوری

توماس ادیسون بلافاصله پس از کشف رونتگن، خاصیت فلورسانس مواد مختلف در برابر اشعه ایکس را بررسی کرد و دریافت که تنگستات کلسیم موثرترین ماده است. او یک فلوروسکوپ تجاری طراحی کرد که امکان مشاهده مستقیم تصویر اشعه ایکس روی صفحه فلورسنت را فراهم می کرد.

همزمان، میهایلو پوپین، فیزیکدان صرب آمریکایی، با استفاده از صفحه تنگستات کلسیم، زمان تابش لازم برای ثبت تصویر را از حدود یک ساعت به چند دقیقه کاهش داد. در دهه های بعد، روش هایی مانند سی تی اسکن، فلوروسکوپی مدرن و رادیوگرافی دیجیتال توسعه یافتند که کیفیت تصویر و ایمنی را به شکل چشمگیری افزایش دادند.

نگرانی های ایمنی

در سال های اولیه، خطرات اشعه ایکس ناشناخته بود. کلارنس دالی، همکار ادیسون، که لوله های اشعه ایکس را بارها روی دست های خود آزمایش می کرد، دچار آسیب های شدید و سرطان شد، دست هایش قطع شد و در سال ۱۹۰۴ درگذشت. ادیسون پس از آسیب دیدن او، تحقیقات خود درباره اشعه ایکس را کنار گذاشت.

گزارش های فراوانی از سوختگی، ریزش مو و آسیب های جدی تر در میان پژوهشگران و پزشکان منتشر شد. این تجربه ها به تدوین اصول و استانداردهای حفاظت در برابر پرتو منجر شد که امروزه استفاده ایمن از اشعه ایکس را تضمین می کنند.

نحوه تولید اشعه ایکس پزشکی

اشعه ایکس پزشکی در لوله اشعه ایکس تولید می شود که این اجزا را دارد:

• کاتد (قطب منفی): یک رشته تنگستن که با جریان الکتریکی گرم می شود و الکترون گسیل می کند.

• آند (قطب مثبت): هدفی معمولا از جنس تنگستن که الکترون ها به آن برخورد می کنند.

• ولتاژ بالا: اختلاف پتانسیل زیادی، در تصویربرداری پزشکی معمولا ده ها تا بیش از صد کیلوولت، که الکترون ها را از کاتد به سمت آند شتاب می دهد.

وقتی الکترون های پرسرعت به آند برخورد می کنند، اشعه ایکس به دو روش تولید می شود:

• تابش ترمزی (Bremsstrahlung): الکترون ها هنگام عبور از نزدیکی هسته اتم های تنگستن منحرف و کند می شوند و انرژی از دست رفته خود را به صورت اشعه ایکس با طیف پیوسته گسیل می کنند.

• اشعه ایکس مشخصه: الکترون پرانرژی، یک الکترون از لایه های داخلی اتم تنگستن را خارج می کند. وقتی الکترونی از لایه بالاتر این جای خالی را پر می کند، اشعه ایکس با انرژی مشخص گسیل می شود. این پدیده با فرایندهایی که در طیف سنجی الکترونی بررسی می شوند ارتباط نزدیکی دارد.

تنها حدود یک درصد از انرژی الکترون ها به اشعه ایکس تبدیل می شود و بقیه به گرما تبدیل می شود. به همین دلیل آند معمولا روی یک پایه مسی برای انتقال گرما قرار دارد و در بسیاری از دستگاه ها، آند چرخان است تا گرما در سطح بزرگ تری پخش شود.

اصول تصویربرداری با اشعه ایکس

همه روش های تصویربرداری با اشعه ایکس، مانند رادیوگرافی، فلوروسکوپی و سی تی اسکن، بر دو اصل استوارند:

1. پرتو اشعه ایکس از بدن عبور می کند و بخشی از آن توسط بافت ها جذب یا پراکنده می شود. الگوی پرتوی باقی مانده، اطلاعات ساختار داخلی بدن را در خود دارد.

2. یک آشکارساز این الگو را ثبت کرده و پس از پردازش، تصویر را نمایش می دهد. در دستگاه های دیجیتال امروزی، معمولا یک لایه سینتیلاتور اشعه ایکس را به نور تبدیل می کند و یک آرایه از آشکارسازهای نوری این نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

برای مثال، استخوان از ماهیچه و پوست چگال تر است و اشعه ایکس بیشتری را جذب می کند. بنابراین پرتو کمتری به آشکارساز پشت استخوان می رسد و استخوان در تصویر روشن دیده می شود.

روش های تصویربرداری با اشعه ایکس

رادیوگرافی

رادیوگرافی یا عکس رادیولوژی ساده، رایج ترین روش تصویربرداری با اشعه ایکس است که با دوز کم، تصویری دوبعدی از ساختارهای داخلی بدن تولید می کند. ساختارهای چگال، مانند استخوان، درصد زیادی از پرتو را جذب می کنند و روشن دیده می شوند، در حالی که ساختارهای کم چگال، مانند ریه ها که پر از هوا هستند، تیره دیده می شوند.

رادیوگرافی برای تشخیص شکستگی ها، بیماری های ریوی، مشکلات دندانی و یافتن اجسام خارجی استفاده می شود. ماموگرافی نیز نوعی رادیوگرافی ویژه با اشعه ایکس کم انرژی برای تصویربرداری از پستان است.

فلوروسکوپی

فلوروسکوپی روشی است که در آن اشعه ایکس به طور پیوسته تابیده می شود و تصویر زنده و متحرک روی مانیتور نمایش داده می شود. این روش برای مشاهده حرکت اندام ها، عبور ماده حاجب (مانند باریم یا ترکیبات ید) از دستگاه گوارش یا رگ ها، و هدایت روش های درمانی مانند قرار دادن استنت و کاتتر استفاده می شود. دستگاه های فلوروسکوپی می توانند حول تخت جراحی حرکت کنند و تصاویر دیجیتال در اختیار جراح قرار دهند.

در روش های مداخله ای پیچیده که فلوروسکوپی برای مدت طولانی انجام می شود، دوز پرتو می تواند نسبتا بالا باشد.

سی تی اسکن (توموگرافی کامپیوتری)

سی تی اسکن (CT) روشی است که با تابش اشعه ایکس از زوایای مختلف حول بدن و پردازش رایانه ای داده ها، تصاویر مقطعی و سه بعدی از اندام های داخلی ایجاد می کند. این روش توسط گادفری هانسفیلد و آلن کورمک توسعه یافت که به خاطر آن در سال ۱۹۷۹ جایزه نوبل پزشکی را دریافت کردند.

هر تصویر سی تی را یک برش می نامند؛ مانند یک برش از قرص نان که ضخامت مشخصی دارد. در این روش، کاهش شدت پرتو در هر مسیر طبق قانون تضعیف اندازه گیری می شود:

I = I0 × e^(−μx)

که در آن I0 شدت اولیه، I شدت پرتو عبوری، μ ضریب تضعیف ماده و x ضخامت آن است. سپس یک الگوریتم بازسازی، توزیع ضریب تضعیف را در هر نقطه از بدن محاسبه می کند. شدت تضعیف در تصاویر سی تی با واحد هانسفیلد بیان می شود که در آن آب صفر و هوا منفی ۱۰۰۰ است.

سی تی اسکن جزئیات بسیار بیشتری از رادیوگرافی ساده نشان می دهد، اما دوز پرتو آن نیز بیشتر است.

آنژیوگرافی

آنژیوگرافی روشی برای تصویربرداری از رگ های خونی است که در آن یک ماده حاجب حاوی ید به رگ تزریق شده و با فلوروسکوپی یا سی تی، رگ ها به وضوح دیده می شوند.

آیا اشعه ایکس برای بدن خطرناک است؟

اشعه ایکس یک پرتو یونیزان است و انرژی کافی برای آسیب رساندن به سلول ها و DNA را دارد. خطر آن با مقدار دوز و تعداد دفعات تابش در طول عمر افزایش می یابد.

با این حال، باید توجه داشت که همه ما به طور طبیعی در معرض پرتوهای طبیعی، مانند پرتوهای کیهانی، گاز رادون و مواد پرتوزای طبیعی موجود در خاک، سنگ ها، غذا و آب قرار داریم. میانگین جهانی این پرتو زمینه طبیعی حدود ۲.۴ میلی سیورت در سال است.

برای مقایسه، دوزهای تقریبی برخی از روش ها به این صورت است (مقادیر بسته به دستگاه و بیمار متفاوت است):

• رادیوگرافی قفسه سینه: حدود ۰.۰۲ تا ۰.۱ میلی سیورت؛ معادل چند روز پرتو طبیعی

• رادیوگرافی دندان: بسیار کم، در حد چند هزارم میلی سیورت

• سی تی اسکن قفسه سینه یا شکم: حدود چند تا ده میلی سیورت؛ معادل چند سال پرتو طبیعی

در بیشتر موارد، فایده تشخیصی اشعه ایکس بسیار بیشتر از خطر کوچک آن است. پزشکان طبق اصل «کمترین دوز ممکن برای رسیدن به هدف تشخیصی» (ALARA) عمل می کنند.

نکات ایمنی برای بیماران

• اگر باردار هستید یا احتمال بارداری دارید، حتما پیش از تصویربرداری به پزشک و کارشناس رادیولوژی اطلاع دهید.

• سوابق تصویربرداری های قبلی خود را نگه دارید و به پزشک ارائه دهید تا از تکرار غیرضروری جلوگیری شود.

• در صورت لزوم، از پوشش های محافظ سربی برای محافظت از سایر قسمت های بدن استفاده می شود.

• تصمیم درباره ضرورت تصویربرداری را به پزشک معالج بسپارید.

سوالات متداول درباره اشعه ایکس پزشکی

اشعه ایکس توسط چه کسی کشف شد؟

ویلهلم کنراد رونتگن، فیزیکدان آلمانی، در سال ۱۸۹۵ اشعه ایکس را کشف کرد و در سال ۱۹۰۱ نخستین جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

چرا استخوان ها در عکس رادیولوژی سفید دیده می شوند؟

چون استخوان چگال است و اشعه ایکس بیشتری را جذب می کند، بنابراین پرتو کمتری به آشکارساز پشت آن می رسد.

آیا عکس رادیولوژی ساده خطرناک است؟

دوز رادیوگرافی ساده بسیار کم است و خطر آن معمولا ناچیز است، اما تصویربرداری فقط باید با تجویز پزشک انجام شود.

تفاوت رادیوگرافی و سی تی اسکن چیست؟

رادیوگرافی یک تصویر دوبعدی ساده ارائه می دهد، اما سی تی اسکن با تابش از زوایای مختلف، تصاویر مقطعی و سه بعدی با جزئیات بیشتر و دوز بالاتر تولید می کند.

آیا انجام عکس رادیولوژی در بارداری مجاز است؟

در بارداری فقط در صورت ضرورت و با نظر پزشک انجام می شود. حتما بارداری یا احتمال آن را پیش از تصویربرداری اطلاع دهید.

جمع بندی

اشعه ایکس پزشکی قدیمی ترین و یکی از پرکاربردترین روش های تصویربرداری پزشکی است که برای تشخیص شکستگی ها، یافتن آسیب ها و عفونت ها و تعیین محل اجسام خارجی در بدن استفاده می شود. در تصاویر اشعه ایکس، بخش های چگال مانند استخوان سفید و بافت های نرم تر تیره تر دیده می شوند.

اشعه ایکس در لوله های ویژه از برخورد الکترون های پرسرعت با آند تولید می شود و در روش هایی مانند رادیوگرافی، فلوروسکوپی، سی تی اسکن و آنژیوگرافی به کار می رود. با رعایت اصول حفاظت در برابر پرتو و تصویربرداری فقط در موارد ضروری، فواید آن بسیار بیشتر از خطرات آن است.

منابع

• G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 4th Edition, Wiley, 2010. ISBN-13: 978-0470131480