أساسيات الأشعة المقطعية

     جهاز الأشعة المقطعية نتج عن العديد من البحوث في مجال الفيزياء الطبية والهندسة الطبية الحيوية  والرياضيات، ولايخفى على أحد أن مبتكرا جهاز الأشعة المقطعية أحدهما مهندس والآخر فيزيائي. تتشارك في هذا الجهاز العديد من العلوم ، فمن المستحيل إختراع جهاز الأشعة المقطعية بدون وجود القدرة الهائلة للكمبيوترات على معالجة البيانات، أيضاً اللوغاريتمات في علم الرياضيات ركن أساسي في بناء الصور المقطعية reconstruction. أيضاً تطور هندسة الكواشف و مستقبلات الأشعة detectors ساهمت بشكل كبير في تقليل الوقت المستغرق للفحوص من ساعات إلى ثواني. الفيزياء الطبية لها أيضاً دور مهم في الأشعة المقطعية خاصة في ضبط جودة الأجهزة  والتأكد من دقة جرعات الأشعة والحماية من الإشعاع.

     فيزياء وهندسة الأشعة المقطعية موضوع كبير ومتشعب وقد يكون معقد بعض الشئ. ولكن ماسأكتبه هنا هو موجهه لفنيي وأخصائيي الأشعة وأنا أحدهم. لذلك سأحاول في هذا الموضوع تبسيط هذه الموضوعات وذكر المهم والضروري منها لكي نفهم فقط آلية عمل جهاز الأشعة المقطعية، فأنا مؤمن بمقولة لوي رومان في حديثه عن تعقيد جهاز الأشعة المقطعية: “ليس من المهم أن تعرف كيف صُنعت السيارة لكي تتمكن من قيادتها”!

“You don’t have to know how to build a car to be a good driver”

ولكن بعض الفهم للأمور الأساسية مهم جداً للحصول على صورة تشخيصية واضحة بطريقة آمنة على المريض. فليس من المعقول أن يبدأ احدهم بقيادة السيارة بدون أن يعرف أولاً كيفية إستخدام الفرامل ، أو في حالة تعطل السيارة هل يذهب بها إلى الميكانيكي أو فقط يزودها بالوقود. كذلك جهاز الأشعة المقطعية من المهم معرفة العديد من الأساسيات والعوامل لكي نحصل على فحص جيد يمكن قراءته وتشخيص المرض بأقل إشعاع و ضرر على المريض.

كيف يتم أخذ صور الأشعة المقطعية؟

للأشعة المقطعية أنبوبة أشعة x-ray tube مشابهة تقريباً لـ أنبوبة الأشعة المستخدمة في الأشعة السينية ماعدا أن أنبوبة الأشعة المقطعية تدور حول المريض لإلتقاط عدة صور. تدور هذه الأنبوبة حول المريض وتصوره من عدة زوايا لكي نحصل في النهاية على عدة صور على شكل مقاطع أو شرائح. كل صورة من صور الأشعة المقطعية توضح الأنسجة والأعضاء التي تتواجد في المقطع فقط. ولذلك صورة الأشعة المقطعية هي عبارة عن سلسلة من الصور وهذا  لكي يتم رؤية العضو المراد تصويره بشكل كامل.

 التداخل أو التراكب Superimposition 

أحد أهم ميزات الأشعة المقطعية أنها تقلل من التداخل superimposition بين الأنسجة المتجاورة وذلك يؤدي إلى رؤية هذه الأنسجة بدقة أكثر. لاحظ تفاصيل الرئة في الصور ادناه، أيهما أكثر وضوح؟

فنحن عندما ننظر إلى صورة الصدر في الأشعة السينية AP نجد التداخل بين الأعضاء على سبيل المثال القلب والرئة والشعب الهوائية …إلخ. الصورة الجانبية Lateral تستطيع فك بعض من هذا التداخل ولكن بشكل محدود. وعلى الرغم من كم المعلومات الهائل التي تعطينا إياه صورة الأشعة السينية ولكن الأشعة المقطعية تتميز بتوضيح الأعضاء والأنسجة بشكل أكثر دقة ووضوح. ففي المثال السابق تمكننا صورة الأشعة المقطعية للصدر برؤية حجرات القلب وتفاصيل الرئة والأوعية الدموية وعظام الضلوع والعمود الفقري وما إلى ذلك.

توهين(أو تضعيف) الإشعاع Beam Attenuation

لقد تعلمنا في الأشعة السينية أن الإشعاع يجعل من صورة الأشعة سوداء، ولو افترضنا أن الإشعاع الخارج من أنبوبة الأشعة وصل كاملاً لمستقبل الأشعة بدون توهين لرأينا صورة سوداء، ولكن صورة الأشعة المقطعية هي عبارة عن طيف من التدرج الرمادي بين الأسود والأبيض. هذا التدرج يعكس أيضاً التدرج في إمتصاص الأشعة Absorption بين خلايا جسم المريض. وكما نعرف أن الأشعة السينية التي ينتجها جهاز الأشعة المقطعية هي عبارة عن فوتونات عديدة،  هذه الفوتونات قد تمتص في جسم الإنسان وقد تتبعثر أيضاً و البعض الآخر يخترق المريض نحو مستقبل الأشعة. كمية الأشعة المخترقة هي التي تحدد التدرج الرمادي في الصورة، فعندما يزيد إختراق الأشعة لجسم المريض ووصولها لمستقبل الأشعة يزيد اللون الأسود في الصورة، والعكس صحيح فكلما زاد إمتصاص الأشعة في أنسجة المريض زاد اللون الأبيض في الصورة وهذا لماذا تظهر العظام بيضاء في صور الأشعة. فالعظام تمتص الكثير من الإشعاع لكثافتها العالية. هذا الإختلاف في توهين الإشعاع بين الأنسجة هو مايجعلنا نميز فيما بينها في صور الأشعة.

هذا يعني أن حزمة الإشعاع قد ضعفت بعد إختراقها للمريض وتسمى هذه العملية بـ توهين الإشعاع Beam Attenuation.

يعتمد إختراق الأشعة السينية جسم الإنسان على عدة عوامل منها: طاقة الأشعة السينية – السماكة – العدد الذري – الكتلة. فكلما زادت طاقة الأشعة السينية Energy زادت قدرتها على الإختراق والعكس صحيح. أيضاً كلما زاد العدد الذري للعنصر قلت قدرة الأشعة السينية على الإختراق وعندها يزيد الإمتصاص والتبعثر. أيضاً الكتلة density والسماكة thickness تحدد قدرة الأشعة على الإختراق فكلما زادا قلت الأشعة السينية المخترقة.

إذن لكل مادة لها القدرة على توهين الإشعاع بنسبة معينة. فبعض المواد تستطيع توهين الإشعاع بنسبة بسيطة والبعض الآخر لديه القدرة على توهين الإشعاع بدرجة كبيرة.

وحدات هونسفيلد Hounsfield Units

وأحياناً يسمى بـ CT Number ويمكننا تعريفه بدرجة توهين الأشعة السينية بواسطة نسيج ما. فالعظام يمكنها توهين الإشعاع بدرجة أكبر من الرئة ولذلك للعظام وحدة هونسفيلد أكبر من الرئة. الجدول التالي يوضح HU لمختلف اعضاء وانسجة جسم الإنسان حيث إن للماء قيمة رقم صفر.

من خلال هذا الجدول يمكننا ملاحظة أن وحدة هونسفيلد HU للهواء هي الأقل -1000 وهذا يعني أن الهواء هو الأقل في توهين الإشعاع ولذلك يظهر باللون الأسود في صورة الأشعة المقطعية. على العكس من العظام في تأخذ أكبر قيمة مما يعني أنها الأكبر في توهين وتضعيف الإشعاع ممايجعلها تظهر بيضاء في صور الأشعة المقطعية.

الجدول التالي يوضح كيف تؤثر وحدة هونسفيلد HU وتوهين الإشعاع على لون الأنسجة والأعضاء في صورة الأشعة المقطعية.

مراحل أخذ صورة الأشعة المقطعية

يوجد ثلاث مراحل لأخذ صور الأشعة المقطعية كالتالي:

1. تجميع البيانات Data Acquisition
2. بناء الصورة Image Reconstructions
3. عرض الصورة Image Display

المرحلة الأولى: تجميع البيانات Data Acquisition

هذه هي مرحلة جمع البيانات وتشمل توجيه الأشعة نحو المريض ومن ثم إلتقاط الأشعة التي اخترقت المريض بواسطة مستقبلات الأشعة. وفي هذه المرحلة لايتم تكوين الصورة ولكن فقط تجميع للبيانات. أما تكوين الصورة فيبدأ في الخطوة الثانية وهي بناء الصورة Image Reconstruction وسوف نناقشها لاحقاً.

إن الإشعاع الصادر من أنبوبة الأشعة المتحركة حول المريض يتم توهينه attenuation من قبل المريض إما بواسطة الإمتصاص أو التبعثر absorption & scatter. الأشعة المخترقة يتم تسجيلها بواسطة عدة مستقبلات للأشعة detectors ويتم حفظها كبيانات خام raw data.

وظيفة مستقبل الأشعة الأساسية هو تحويل الإشعاع إلى إشارة كهربائية Electrical Signal  لكي يتعرف عليها كمبيوتر الأشعة المقطعية. ويوجد نوعان من هذه المستقبلات في الأشعة المقطعية:

النوع الأول مصنوع من غاز الزينون Xenon Gas الذي يتأين ionization عند وصول الأشعة السينية إليه. تتحول هذه الأيونات إلى تيار إشارة كهربائية يستطيع الجهاز قرائتها وتحليلها. يستخدم هذا النوع على نطاق ضيق وغالباً في الأجهزة القديمة ومن عيوب مستقبلات الزينون هو حاجة هذا الغاز إلى أن يكون دائماً تحت الضغط pressurized. أما النوع الثاني فهو مصنوع من كرستالة صلبة Solid-State Crystal تتوهج بالضوء عند اصطدام الأشعة السينية بها. لاحقاً صمام ثنائي يحول هذا الضوء إلى إشارة كهربائية يستطيع الكمبيوتر التعامل معها. النوع الثاني هو النوع الأكثر إستخداما في أجهزة الأشعة المقطعية.

المرحلة الثانية: بناء الصورة Image Reconstruction

يتم إستخدام لوغارتمات رياضية معقدة جداً لبناء صور الأشعة المقطعية، ولن أكتب بالتفصيل عن هذا الموضوع وإنما سأشير إلى بعض المبادئ الرئيسية وهذا مايهمنا كتقنيي أشعة. كما ذكرت سابقاً فإن إنبوبة الأشعة المقطعية تدور حول المريض وفي كل مرة تلتقط منظر view. وهذا الـ view الواحد لانستطيع تسميته بصورة حتى الآن، ونطلق عليه تسمية صورة عندما تكتمل عملية بناء الصورة reconstruction من تجميع عدة مناظر views.

ولتبسيط الموضوع لنفترض أننا نريد أخذ صورة مقطعية لشئ يوجد به عنصرين فقط كما في الصورة ادناه بدلاً عن جسم الإنسان الملئ بالأنسجة والأعضاء.

عندما نأخذ منظر view لهذان العنصران من سنحصل على بيانات خام raw data كما في الصورة.

نستطيع الآن بناء هذه الصورة المأخوذة من منظر واحد فقط ولكن سنحصل على الصورة التالية:

وهذه الصورة التي حصلنا عليها هي عبارة عن أشرطة من تدرج الرمادي بين الأبيض والأسود. ولكن ماذا سيحدث  إذا أخذنا منظر view آخر؟!

لقد حصلنا على صورة تُمثل العنصران بشكل أفضل من الصورة الأولى. وهذا مايحدث في الأشعة المقطعية عندما نأخذ عدة مناظر views من زوايا عديدة. تسمى هذه العملية بـ Filtered Back Projection وهي الطريقة التقليدية منذ إبتكار جهاز الأشعة المقطعية وحتى الآن.

حديثاُ تم تطور طريقة لبناء الصور عن طريق البناء التكراري Iterative Reconstruction هدفها هو تقليل جرعة الأشعاع وفي بعض الحالات ممكن تقليل جرعة الإشعاع إلى النصف 50% reduction.

تسمى هذه الطريقة بـ ASIR وهي إختصار لـ adaptive statistical iterative reconstruction. والفكرة هنا هي عندما يتم تقليل جرعة الإشعاع يزيد الـ noise في صورة الأشعة وهو الذي يجعل صورة الأشعة خشنة وغير واضحة، عندها يأتي هذا اللوغاريتم ويتعامل مع هذا الـ noise ويجعل الصورة واضحة ومصقولة. هنا قللنا الإشعاع بشكل كبير مع عدم التنازل عن وضوح أو جودة الصورة، ولكن قد يختلف مظهر الصورة قليلاً وهذا عامل مهم  لطبيب الأشعة  فلابد أن يتعود على مظهر الصور الجديد.

تجدر الإشارة هنا أن الـ ASIR هو نسبة يختارها تقني الأشعة تتراوح مابين 10%-100%.  الصورة هي عبارة عن خليط من FBP مع ASIR بنسبة معينة. مثلاً عندما نقول أن هذه الصورة هي ASIR 40 نقصد أنه تم بناء الصورة بواسطة 60% FBP مع 40% ASIR.

المرحلة الثالثة: عرض الصورة Image Display

يتم عرض صور الأشعة المقطعية بواسطة شاشة تتكون من بكسلات صغيرة. كل بكسل يعرض لون محدد من التدرجات بين الأبيض والأسود وذلك على حسب رقم وحدة هونسفيلد HU ومدى توهين الإشعاع.

  البكسل والفوكسل والماتركس Pixels & Voxels, and Matrix

 البكسل يمثل أصغر وحدة في الصورة وكل بكسل يُوضح رقم هونسفيلد HU محدد، وهذا يعني أن لكل بكسل لون في تدرجات الرمادي بين الأبيض والأسود. فإذا كان هذا البكسل يمثل عظم فيكون أبيض وإن كان يمثل هواء فيكون أسود وهكذا تتمثل بقية الصورة في هذه البكسلات.

أما مجموع هذه البكسلات فيسمى ماتركس Matrix وهي تمثل الصورة الكاملة لشريحة الأشعة المقطعية المعروضة.

أما الفوكسل فهو يوضح كما في الصورة أعلاه سماكة Thickness صورة الأشعة المقطعية، وتأتي سماكة الأشعة المقطعية غالباً بين 0.6 ميليميتر وحتى 10 مليميتر على حسب إختيار تقني الأشعة المقطعية.

Windowing

تستطيع الأشعة المقطعية إلتقاط تفاصيل دقيقة لجسم الإنسان وإظهارها كتدرج للرمادي يصعب على العين البشرية تمميزها في صورة واحدة. ولذلك يتم التحكم في التباين بين الأبيض والأسود(تدرج الرمادي) للنظر للصور بشكل أفضل. وهذا يمكننا من عرض مانريد في الصورة وحجب التفاصيل التي لانريدها.

في الأعلى نرى ثلاث صور ولكن في الحقيقة هي صورة واحدة لمقطع في الصدر ولكن تم تغيير التباين بين الأبيض والأسود للرؤية بشكل أفضل. ففي الصورة التي في الوسط يمكننا ملاحظ تفاصيل الرئة ولذلك تسمى بـ Lung Window. أما الصورة التي على اليمين فتوضح العظام Bone window. الصورة التي على اليسار فهي Soft Tissue window.

ولنأخذ مثال آخر وهذه المرة ليكون على الدماغ:

ولكن كيف يتم ذلك؟

يتم ذلك عن طريق تغيير التباين بواسطة التحكم بعاملين هما: Window Width – Window Level

Window Width WW

يتحكم هذا العامل في كمية التدرج في الطيف الرمادي، فكلما زاد هذا الرقم زاد عدد الالوان الرمادية في صورة الأشعة.

الآن بعد أن حددنا كمية التدرج الرمادي التي ستُعرض في صورة الأشعة المقطعية إلا أن السؤال الذي يجب أن يتبادر الى الذهن الآن هو ماذا نريد أن يعرض هذا المقياس؟ هل سيعرض العظام أو أنسجة الرئة أم الدماغ؟ وهنا تأتي وظيفة الـ window level.

لنفترض على سبيل المثال أننا أخترنا 50 كقيمة ثابتة للـ window width. ستعرض صورة الأشعة المقطعية عدد 50 من الطيف الرمادي. ولكن الـ window level يحدد أين سيكون المركز. فلو اردنا أن المركز أن يكون صفر عندها سيتم عرض 25 فوق الصفر و 25 تحت الصفر.

وللإيضاح تأثير هذان العاملان أكثر لنأخذ مثال واقعي، لأنسجة الدماغ قيمة WW-WL: 100-40. هنا ستعرض الشاشة 100 هونسفيلد من تدرج الرمادي وسيكون مركزها 40. أي قيمة أعلى من ذلك ستكون أبيض، وأي قيمة أقل ستكون أسود.

ولرؤية العظام في الرأس  bone window تكون العوامل كالتالي: WW-WL: 2200-350