كيف تعمل أشعة اكس X-ray

*كيف تعمل الأشعة السينية :
في
عام 1895 اكتشف عالم ألماني اسمه ويليام رونتجن Wilhelm Roentgen أشعة أكس
بينما كان يجرى تجربة تسليط شعاع الكتروني على أنبوبة تأين غازي gas
discharge tube. لاحظ العالم رونتجن أن الشاشة الفسفورية في المختبر بدأت
تتوهج عند اصطدام شعاع الالكترونات عليها. هذه النتيجة في حد ذاتها لم تكن
مدهشه حيث كان من المعلوم أن تتوهج الشاشة الفسفورية بفعل الشعاع
الالكتروني ولكن رونتجن أحاط الأنبوبة المفرغة بألواح سوداء سميكة لتتمكن
من حجب الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الأنبوبة المفرغة، كما وضع
رونتجن عدة أجسام بين الأنبوبة والشاشة الفسفورية وكانت النتيجة أن الشاشة
الفسفورية لازالت تتوهج. وحتى يتأكد من أن هناك أشعة جديدة هي التي اخترقت
تلك الأجسام ووصلت للشاشة الفسفورية قام رونتجن بتجربة إضافية وهي بأنه وضع
يده أمام الأنبوبة المفرغة وشاهد على الشاشة الفسفورية صورة لعظام يده،
لاحظ هنا أن رونتجن اكتشف أشعة جديدة هي أشعة اكس وفي نفس الوقت اكتشف احد
أهم تطبيقاتها.
رونتجن اكتشف أعظم واهم انجاز طبي في تاريخ البشرية وهو
التشخيص باستخدام أشعة اكس التي تسمح للأطباء بتشخيص الكسور في العظام بدون
إجراء عملية جراحية كما تستخدم أشعة اكس للكشف على الأجسام الغريبة في جسم
الإنسان وتطور التشخيص بأشعة اكس لتمكن الأطباء من تصوير الأوعية الدموية
والأعضاء البيولوجية في جسم الإنسان.
* ما هي أشعة أكس:
أشعة اكس في
الأساس مثل الأشعة المرئية حيث أنها جزء من الطيف الكهرومغناطيسي ولكن أشعة
اكس تحمل طاقة أكبر من طاقة الأشعة المرئية بكثير. ولشرح ذلك دعنا نجري
مقارنة بين الأشعة المرئية وأشعة اكس، يمكن التمييز بين هذين النوعين من
الأشعة من حيث طاقة الفوتون أو الطول الموجي أو التردد وكل تلك الكميات
ترتبط مع بعضها البعض من خلال المعادلات التالية:
طاقة الفوتون = ثابت بلانك x التردد E = hv
التردد = سرعة الضوء / الطول الموجي v = C/L
تمتاز أشعة اكس بان طاقة فوتوناتها أكير من طاقة فوتونات الأشعة المرئية وهذا يعني أن ترددها كبير وطولها الموجي قصير
الطيف الكهرومغناطيسي: تزداد طاقة الفوتونات من اليسار لليمين.
تستطيع
العين البشرية الرؤية من خلال الأشعة المرئية لأن الله سبحانه وتعالى حدد
لنا هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي نستطيع الرؤية والتمتع بحاسية
الإبصار من خلاله وبالتالي تعتبر أشعة اكس أشعة غير مرئية بالنسبة لنا
مثلها مثل أشعة الراديو والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ولكن
الفرق بين كل تلك الأشعة هي خواصها من ناحية طاقة الفوتون والتردد والطول
الموجي لها.
*-السؤال: كيف أن الذرة التي تنتج الأشعة المرئية هي نفسها التي تنتج أشعة أكس؟
كلا
من الأشعة المرئية وأشعة اكس تنتج من الانتقال الالكتروني بين مستويات
الطاقة في الذرة. تشغل الالكترونات مستويات طاقة أو مدارات مختلفة حول
النواة في الذرة وعندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة عالي إلى مستوى طاقة
منخفض ينطلق فوتون يحمل فرق الطاقة بين المستويين. تعتمد طاقة الفوتون
المنبعث على الفرق بين مستويات الطاقة في الذرة فيمكن أن تكون طاقة الفوتون
الناتج في مدى الأشعة المرئية فينتج ضوء مرئي ويمكن أن تكون طاقة الفوتون
المنبعث في المدى الغير المرئي فينتج أشعة غير مرئية، إذا نستنتج أن ما
يحدد طاقة الفوتون الناتج أو المنبعث من الذرة هو الانتقال الالكتروني بين
مستويات الطاقة.
عندما يصطدم الفوتون المنبعث بذرة أخرى فإن تلك الذرة
تمتص طاقة الفوتون من خلال احد الكتروناتها لينتقل الإلكترون من مستوى طاقة
منخفض إلى مستوى طاقة أعلى لأنه امتص طاقة إضافية. وشرط امتصاص الإلكترون
طاقة الفوتون أن تكون طاقة الفوتون تساوي فرق مستويات الطاقة التي سينتقل
لها الإلكترون (هذا شرط يعود إلى طبيعة الذرة بنية الذرة كما خلقها الله
سبحانه وتعالى) وإذا اختل هذا الشرط فلن يحدث امتصاص الفوتون من قبل الذرة.
الذرات
التي تكون أجسامنا تتعامل مع الأشعة الكهرومغناطيسية (نقصد كل الأشعة
المرئية والأشعة الغير مرئية) بنفس الآلية السابقة، فأشعة الراديو التي
تحيط بنا لا تمتلك الطاقة الكافية لتنقل الكترونات الذرات من مستوى طاقة
إلى مستوى طاقة أعلى لذلك فهذه الأشعة تعبر أجسامنا دون امتصاص لفوتوناتها.
أما أشعة أكس ففوتوناتها ذات طاقة عالية تمكنها من أن تعبر كل الأشياء في
طريقها ولكن بطريقة مختلفة عن أشعة الراديو حيث تستطيع أشعة اكس أن تمنح
الكترونات الذرات الطاقة الكافية مما قد تسبب تلك الطاقة من تحرير
الالكترونات من الذرة تماما كما يحدث في ذرات العناصر الخفيفة (عددها الذري
قليل) حيث يستغل جزء من طاقة فوتون أشعة اكس من تحرير الإلكترون من الذرة
والجزء المتبقي يكسب الإلكترون طاقة حركة ليغادر الذرة. ولكن في ذرات
العناصر الثقيلة (لها عدد ذري كبير) فإنها تمتص طاقة أشعة اكس لوجود
مستويات طاقة تتوافق مع طاقة فوتون أشعة اكس.
نستنتج مما سبق أن العناصر
الخفيفة ذات ذرات صغيرة لا تمتص أشعة اكس وان العناصر الثقيلة ذات الذرات
الكبيرة تمتص أشعة اكس.الخلايا المكونة للجلد في أجسامنا تتكون من ذرات
صغيرة وبالتالي لا تمتص أشعة اكس بينما ذرات الكالسيوم المكونة للعظام هي
ذرات كبيرة وتمتص فوتونات أشعة اكس.
استخدامات أخرى لأشعة اكس
لأشعة
اكس استخدامات جمة وفي مجالات عديدة فكما أن لأشعة اكس دور كبير في تطور
علم الطب فقد لعبت هذه الأشعة دور كبير في مجال ميكانيكا الكم وعلم
البلورات وعلم الفلك وفي مجال التطبيقات الصناعية تستخدم أشعة اكس كماسحات
للكشف عن العيوب في المنتجات الصناعية وتعتبر أشعة اكس احد أهم المعدات
المستخدمة في المطارات للكشف عن الأجسام المشبوهة.
*-جهاز إنتاج أشعة
اكس: يشكل الالكترود قلب جهاز إنتاج أشعة اكس والذي يتكون من كاثود وأنود
داخل أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء. يتكون الكاثود من فتيلة تسخين مثل
الموجودة في المصباح الكهربي، عندما يمر التيار الكهربي خلال الفتيلة ترتفع
درجة حرارتها تدريجياً إلى أن تصل درجة الحرارة التي تمكن إلكترونات
الفتيلة من الانبعاث من سطحها. الانود عبارة عن قرص من التنجس تين مشحون
بشحنة موجبة تعمل على جذب الالكترونات المحررة من الكاثود.
جهاز إنتاج أشعة اكس
يطبق
فرق الجهد عالي بين الكاثود والأنود يساعد على تعجيل الإلكترونات لتنطلق
بقوة في اتجاه الانود. عندما تصطدم الالكترونات بذرات مادة الانود (التنجس
تين) فإن هذه الإلكترونات تعمل على الاصطدام بالكترونات ذرات التنجس تين في
المدارات الداخلية القريبة من نواة الذرة والتي تكون طاقتها كبيرة. يقوم
إلكترون في مدار أعلى بسد الفراغ الذي حدث مما يحدث انطلاق لفوتون يحمل فرق
الطاقة بين المستويين. ولأن الفرق في مستويي الطاقة كبير فإن الفوتون
الناتج يكون فوتون أشعة أكس.
تصطدم الإلكترونات الحرة بذرة التنجس تين،
تحرر إلكترونات في مدارات داخلية.. تنتقل الكترونات من مدارات أعلى لتملئ
الفراغ الناتج وينطلق فوتون يحمل فرق الطاقة.
يمكن أن نحصل على فوتونات
أشعة أكس بطريقة أخرى وهي بدون أن تصطدم الإلكترونات الحرة بالذرة، وذلك عن
كما في الحالة التالية: عندما تقترب إلكترونات حرة معجلة بالقرب من نواة
الانود فإنها تنجذب لها بفعل قوة كلوم الكهربية، لأن النواة موجبة الشحنة
والإلكترونات سالبة فتنحرف الإلكترونات عن مسارها مما يؤدي إلى تغيير في
طاقة حركتها وتنطلق فوتونات أشعة اكس تحمل فرق الطاقة قبل الانحراف بجوار
النواة وبعده. يعرف هذه الطريقة بظاهرة الفرملة breaking action
وبالألمانية تسمى بظاهرة بيرمشتراهلينج Bremsstrahlung هي الاسم العلمي
لظاهرة إنتاج أشعة اكس أي فرملة الالكترونات عند مرورها بجوار انويه
العناصر الثقيلة التي تشكل مادة الانود.
الإلكترونات الحرة تنجذب إلى
نواة ذرات التنجس تين، وكلما اقتربت تلك الالكترونات المعجلة من النواة
فإنها تنحرف عن مسارها مما ينتج تغيير في طاقتها فتنطلق فوتونات أشعة أكس.
الخلاصة:نستنتج
مما سبق أن الذرة هي المسؤولة عن إنتاج أشعة اكس ولكن يختلف الأمر عنه في
حالة الأشعة المرئية حيث إنه يتم إثارة إلكترونات المدارات الداخلية للعنصر
المنتج لأشعة اكس بينما في الأشعة المرئية يتم إثارة الكترونات المدارات
الخارجية .
*- أنبوبة إنتاج أشعة اكس
*-ملاحظة:
إن
التصادم الحادث بين الإلكترونات المعجلة ومادة الانود لتوليد أشعة أكس
تعمل على توليد الكثير من الحرارة. لذلك يستخدم موتور ليعمل على لف قرص
الانود لنضمن تعرض مناطق مختلفة من مادة الانود لشعاع الإلكترونات في كل
مرة، مما يحميه من الانصهار بفعل الاصطدام المستمر والحرارة الناتجة.تستخدم
حواجز من الرصاص لمنع أشعة اكس من الخروج والانبعاث في كافة الاتجاهات.
ويتم تحديد منفذ أشعة اكس عبر نافذة تفتح في الحواجز وقبل خروجها تمر عبر
عدة مرشحات قبل أن تسقط على جسم المريض المراد تصويره. تثبت كاميرا لتسجيل
فوتونات أشعة اكس التي عبرت خلال جسم المريض وتستخدم تلك الكاميرات أفلام
خاصة حساسة لأشعة اكس تستخدم نفس التكنولوجيا المستخدمة في الأفلام العادية
المستخدمة في التصوير بالكاميرات العادية الحساسة للضوء المرئي.
يتم
الاحتفاظ بالصورة في صورة نيجاتيف ويتم فحص الصورة تحت ضوء أبيض فتظهر
المناطق التي امتصت أشعة اكس مثل العظام والمواد الصلبة تظهر في الصورة
بيضاء بينما المناطق التي لم تمتص أشعة اكس مثل الجلد والعضلات والأوعية
الدموية تظهر في الصورة معتمة.
مادة التباين Contrast Mediaوالتصوير الفلورسكوبي
في
صورة أشعة اكس لجسم المريض لا يظهر أية أثار للأوعية الدموية أو للأعضاء
العضوية مثل الكبد أو المعدة أو الأمعاء، ولإظهار أية من تلك الأعضاء في
صورة أشعة اكس بغرض تشخيص مرض ما فإن أخصائي أشعة اكس يحقن جسم المريض
بمادة تباين contrast media مثل مادة البار يم barium.
تتكون مادة
التباين هذه من سائل يمتص أشعة اكس بكفاءة أعلى من الأنسجة المحيطة به فعند
حقن المريض بالبار يم السائل في الوريد تصبح الأوعية الدموية قادرة على
امتصاص أشعة اكس مما ينتج عنه صورة للأوعية الدموية على فيلم أشعة اكس.
ويسمى التصوير بحقن المريض بمادة التباين بالفلوروسكوبي fluoroscopy.يعتبر
بالفلوروسكوبي من التقنيات التي تستخدم أشعة اكس لتصوير تدفق مادة التباين
خلال الجسم عبر فترات زمنية محددة فيتم حقن المريض بمادة التباين ومن ثم
يتم تعريض المريض لجرعات من أشعة اكس على فترات زمنية متقطعة لرصد تدفق
المادة وانسيابها خلال جسم المريض الصورة على شاشة فسفورية تظهر مراحل
انسياب مادة التباين خلال الجسم والطبيب يقرر الصورة التي يريد التقاطها
عند فترات زمنية محددة للتشخيص فيما بعد.
وصف جهاز أنبوبة الأشعة السينية
يحتوي أي جهاز أشعة على "أنبوبة أشعة" تكون مهمتها توليد الأشعة السينية التي نستخدمها في التصوير الإشعاعي.
وهذه الأنبوبة تتكون من عدة أجزاء أساسية:
أ- الأجزاء الخارجية لأنبوبة الأشعة:
*1
الغلاف المعدني (****l Host) و هي مصممة بطريقة فنية لكي تمنع تسرب الأشعة
من كل الجهات ماعدا جهة الفتحة المخصصة لخروج الأشعة باتجاه المريض أو
الطاولة و تعرف هذه الفتحة ب window
كما أن لها فتحات خاصة بخروج ودخول الكوابل التي تزود الأنبوبة بالكهرباء.
وهي
أيضا مصممة لتحتوي على الزيت المحيط بأنبوبة الأشعة و هي تعمل كعازل
للكهرباء و مبرد إذ تمكن الأنبوبة من التخلص من الحرارة الناتجة عن عملية
توليد الأشعة السينية
2* رأس الأنبوبة :
وهي تحتوي على عدة أجزاء
1-
المحدد (Collimator) وهو عبارة عن أربعة قضبان من الرصاص متقاطعة وقابلة
للحركة بحيث يتحرك كل قضيبين متوازيين مع بعضهما البعض (ابتعادا واقترابا)
ومهمة هذه القضبان هي تحديد شكل و حجم الشعاع الساقط على الجزء المراد
تصويره عن طريق منع أكبر قدر من فوتونات الأشعة (خارج الشكل المحدد) من
الوصول إلى الفيلم أو الجزء المراد تصويره.
-2 مصباح "لمبة" و مرآة عاكسة (Lamp & Merroir) و هي مخصصة لمماثلة الشعاع الساقط من الأنبوبة على الجزء المراد تصويره
-3 أنبوبة مفرغة من الزجاج تحتوي على الأجزاء الداخلية
ب- الأجزاء الداخلية لأنبوبة الأشعة:
المصعد- المهبط- الفتيلة- الهدف- الفراغ
*-أنواع أنابيب الأشعة :
هناك نوعين من أنابيب الأشعة وهي:
*النوع الأول هو :
الأنبوبة ذات الهدف الثابت بالمهبط (Fixed Anode Target x-ray Tube)
وهذا
النوع مداخلاته (مقدار فرق الجهد و التيار المار بالفتيلة يكون صغير)
وبالتالي مخرجاته صغيرة ( اصطدام الإلكترونات مع الهدف لا ينتج فوتونات
قوية مثل النوع الثاني ولا حرارة كبيرة تتسبب في ذوبان المعدن المصنوع منه
الهدف ) و عادة ما يستخدم هذا النوع في عيادات الأسنان
*النوع الثاني هو :
الأنبوبة ذات الهدف المتحرك بالمهبط (Rotating Anode Target x-ray tube)
و
هذا النوع مداخلاته عالية (مقدار فرق الجهد و التيار المار بالفتيلة يكون
كبير) وبالتالي مخرجاته كبيرة ( اصطدام الإلكترونات بالهدف ينتج فوتونات
قوية جدا وليس مثل النوع الأول وكذلك ينتج عنه حرارة كبيرة جدا تتسبب في
ذوبان المعدن المصنوع منه الهدف إذا بقي ثابتا) ولذلك يتم تصميم الهدف على
أساس أنه يدور و بذلك لا تتعرض منطقة واحدة فقط على الهدف للاصطدام و
الحرارة و بالتالي الانصهار بل تتوزع الحرارة على جميع سطح الهدف بطريقة
متساوية
*-هل أشعة اكس ضارة لنا؟
بالرغم
من الفوائد الجمة التي وفرتها أشعة اكس في مساعدة الطبيب على تشخيص المريض
واكتشاف كسور العظام دون الحاجة إلى عمليات جراحية إلا أن أشعة اكس من
الممكن أن تكون ضارة.
ففي أول استخدام أشعة اكس تعرض المريض والطبيب
لجرعة زيادة من أشعة اكس التي سببت أعراض مرضية مثل التي تسببها العناصر
المشعة على الجلد. والسبب في ذلك يعود إلى أن أشعة اكس هي في حد ذاتها أشعة
متأنية ionization radiation. فعندما يصطدم الضوء العادي بالذرة فلا يحدث
تغيير يذكر على الذرة ولكن في حالة أشعة اكس تصطدم بالذرة فإنها تعمل على
تحرير الكترونات الذرة وتحولها إلى أيون موجب وتقوم الالكترونات المتحررة
بتحويل المزيد من الذرات المجاورة إلى ايونات بالتصادم معها.
الايونات
أجسام مشحونة كهربياً وليست متعادلة مثل الذرات مما يسبب تفاعلات كيميائية
غير طبيعية داخل الخلايا الحية ومن الممكن أيضا أن يحدث خلل في سلاسل حمض
الـ DNA. حدوث خلل في الـ DNA قد يسبب موت لتلك الخلية مما يسبب الكثير من
الأمراض الغير متوقعة أو أن تتحول الخلية الحية إذا لم تمت إلى خلايا
سرطانية تنتشر في جسم الإنسان لا سمح الله. أي انه بالرغم من فوائد أشعة
اكس فإن التعرض الأكثر من اللازم للأشعة له من الآثار التي لايحمد عقباها.
إلا أن فوائدها تجعل من الصعب الاستغناء عنها ولذلك فان مهام الفيزيائيين و
المسؤولين عن الوقاية من الإشعاع هو تقليل تلك المضار إلى اقل ما يمكن مع
عدم الإخلال بالفائدة المرجوة ولهم في ذلك طرق وتقنيات عملية معقدة تشمل
اختيار الموقع ونوعية البناء المستعمل لتصاميم غرف الأشعة وما إلى
ذلك.(الدروع الواقية) ومع هذا كله تبقى أجهزة أشعة اكس الأجهزة الأكثر أمنا
بين الخيارات المطروحة أمام الطبيب لاستخدامها وان جهاز أشعة اكس لا غنى
عنه في المستشفيات ويعتبر من أهم انجازات التقنية العلمية عبر العصور.
الأشعة السينية تغزو مجالي التشخيص والعلاج في الطب
منذ
أن تم اكتشافها من قبل العالم الألماني وليام رونتكن أواخر عام 1895 أصبح
للأشعة السينية أو (أشعة اكس) تطبيقات وفوائد واسعة في مجالات الحياة
العامة
ففي الصناعة استخدمت للتأكد من نوعية وكفاءة لحام الأنابيب
والأحواض المعدنية واعتمدت في مجال البحوث لدراسة الأشكال البلورية للمواد
ودراسة أطباق العناصر لمعرفة توزيعها ونقاوتها أما التطبيقات الطبية للأشعة
فقد غزت مجالي التشخيص والعلاج.(العلاج الطبي)
الخبير الفيزياوي ثائر
شفيق الأمين يقول: ترجع معظم هذه التطبيقات إلى اختلاف قدرة الأشعة السينية
لاختراق المواد اعتماداً على كثافة المواد أو إلى نوعية الأشعة المنعكسة
عن هذه المواد نتيجة تفاعلها مع الأشعة السينية ويضيف: تم استخدام الأشعة
في مجال التشخيص لتصوير تراكيب عظام الجسم لمعرفة الخلل والكسر وعدم
الانتظام علماً بان هذه التقنية تطورت وأصبح من الممكن تصوير أي عضو آخر
غير عظمي بالاستعانة بمركبات كيماوية يمتصها عضو ما بحيث تكون تلك الأنسجة
إما عاكسة أو غير نافذة للأشعة السينية إضافة إلى استخدامها لمعرفة وضع
الجنين وحجمه وفي مجال العلاج الطبي فتستخدم للقضاء على الكثير من أنواع
الأورام السرطانية باستعمال طاقة معينة لتلك الأشعة.
* ماهية الإجراءات الرسمية للوقاية منها؟
هناك
اهتمام متزايد في جميع أنحاء العالم باتجاه ضبط وتوجيه الدول لكيفية
استخدام الأشعة السينية وتنقسم الإجراءات الرسمية إلى قسمين داخل المستشفي
وخارجها إذ يجب أن تكون هناك مفاهيم طبية محدودة لضرورة إجراء الأشعة
السينية لشخص ما قبل قرار أخذها ومع هذا فانه عادة ما تجري فحوصات عديدة
بالأشعة لا تتفق أبدا مع مبدأ الوقاية منها كبعض المسوحات الطبية العامة
غير المهمة والاختبارات الروتينية لأغراض التعيين واختبارات التقاعد وتقدير
حالات العجز والاختبارات المكثفة للعمل في المستشفيات واختبارات التأمين
على الحياة ولمجرد رغبة بعض المرضى للفحص بالأشعة.
أما الإجراءات التي
يمكن أن تتخذ داخل المستشفى فتتضمن وضع جميع متطلبات أجهزة الأشعة تحت
إشراف مسؤول الأطباء الإشعاعيين حتى ولو لم تكن كلها مجمعة في بناية واحدة
وعليه تقع عملية الاهتمام لوقاية المرضى أينما فحصوا ويجب أن يحدد كل فحص
هدفه مسبقاً والتأكد قبل كل فحص عن الوقت الذي اجري فيه الفحص السابق لتجنب
إعادة فحص غير مجد ومن الضروري عند انتقال أي مريض من مستشفى أو قسم إلى
آخر تنتقل معه كل الصور الشعاعية ونسخ التقارير الخاصة به ويجب تجنب إعادة
الفحص بالأشعة في فترة زمنية قصيرة نتيجة لانتقال الشخص من مكان إلى آخر.
*ما أوجه الشبه والاختلاف