موضوع متكامل لفيزياء الأشعة السينية

إكتشاف الأشعة السينية

170px-WilhelmRöntgen

رونتجن مكتشف الأشعة

    ينسب الفضل بإكتشاف الأشعة السينية لعالم الفيزياء الألماني رونتجن عام 1895 ميلادي، رغم أنه ليس الأول في ملاحظة تأثيراتها لكن بالتأكيد كان أول من درسها بشكل منهجي وعلمي. أيضاً هو من سماها بهذا الإسم (أشعة إكس x-ray) في إشارة إلى غموض هذا النوع من الأشعة. ومازال بعض من العلماء يطلقون إسم أشعة رونتجن Rontgen Rays  على الأشعة السينية. يجدر الإشارة إلى أن رونتجن نال جائزة نوبل الأولى في الفيزياء عام  1901 نظير إكتشافه.

توفي رونتجن عام 1923 بسبب مرض السرطان، البعض قال أنها نتيجة تعرضه للكثير من الإشعاع خلال الأبحاث التي كان يجريها، بينما علماء آخرون يستبعدون ذلك لقصر المدة الزمنية التي كان يجري خلالها أبحاثه. وكان رونتجن مخلص للبحث العلمي بلا أطماع مادية، إذ لم يسجل براءة إختراع على إكتشافه لأنه يرى أن المعرفة ملك لجميع الناس وليس حكراً على شركة تشتري براءة الإختراع.

First_medical_X-ray_by_Wilhelm_Röntgen_of_his_wife_Anna_Bertha_Ludwig's_hand_-_18951222

أول صورة أشعة سينية في المجال الطبي لزوجة رونتغن تظهر فيها عظام اليد مع خاتم


ماهي الأشعة السينية

الأشعة السينية هي نوع من أنواع الموجات الكهرومغناطيسية وهي مشابهه للضوء ولكن ذات تردد أقصر. تعتبر الأشعة السينية مع أشعة جاما أشعة مؤينة Ionizing Radiation  وهذا هو سبب القلق من مخاطر الأشعة السينية، على عكس الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء وحتى موجات الراديو فهي تعتبر غير مؤينة Non-Ionizing Radiation.

electromagnetic wave

الأشعة السينية هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية مشابهه لموجات الضوء والراديو، ولكن يكمن الإختلاف في التردد والطول الموجي


خواص الأشعة السينية:

  • هي موجات كهرومغناطيسية تتكون من فوتونات photons.
  • لها نفس سرعة الضوء.
  • تسير في إتجاه مستقيم.
  • لايمكن رؤيتها.
  • لديها القدرة على إختراق الأشياء highly penetrating.
  • تحول لون فلم الأشعة عند ملامستها له إلى اللون الأسود.

مناقشة بعض المفاهيم الفيزيائية المهمة لفهم الأشعة السينية

الذرة Atom

الذرة تتكون من :

  1. بروتونات: موجبة الشحنة تتواجد داخل النواة.
  2. نيوترونات: ليس لديها شحنة أيضاً تتواجد داخل النواة.
  3. إليكترونات: سالبة الشحنة تدور حول النواة في مسارات.

2000px-Stylised_Lithium_Atom.svg

الرقم الذري Atomic Number:

  • الرقم الذري هو عدد البروتونات  في الذرة.
  • كلما زاد الرقم الذري (عدد البروتونات) زاد ثقل العنصر مثل الرصاص.
  • وكلما قل العدد الذري كان العنصر خفيف مثل الأوكسجين.

كثافة المادة  (الكتلة) Density of Matter:

  • المادة قليلة الكثافة: توجد فراغات بين الذرات مثل عنصر الليثيوم.
  • المادة عالية الكثافة: تكون الذرات قريبة جداً من بعض ومضغوطه مثل الرصاص.

density_box


كيف تُجرى صورة الأشعة السينية : بشكل مختصر

  • تخرج الأشعة السينية من أنبوبة الأشعة x-ray tube .
  • يتم توجيه الأشعة نحو المريض.
  • تخترق الأشعة جسم المريض ويتم تسجيلها على مستقبل الأشعة .

إنتاج أشعة أكس X-Ray Production

يتم تكوين وصنع أشعة أكس داخل أنبوبة الأشعة x-ray tube.

مكونات أنبوبة الأشعة:

  • أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء Vaccum Glass:

توجد بداخله جميع أجزاء أنبوبة الأشعة الداخلية الأخرى ويمنع من وجود أي هواء داخل أنبوبة الأشعة فهذا سيؤثر على إنتاج الأشعة السينية.

  • المهبط أو الكاثود Cathode

وظيفته هو إنتاج الإلكترونات التي سيتحول جزء منها لاحقاً إلى أشعة سينية. الكاثود هو سالب الشحنة. يتكون الكاثود من جزئين رئيسيين: الأول هو الفتيلة filament. عندما يتعرض الكاثود إلى فرق جهد تسخن الفتيلة وتولد الإلكترونات وتنطلق بسرعة عالية نحو الأنود. وفرق الجهد هو الطاقة الازمة لجعل الإلكترونات تتحرك من القطب السالب إلى القطب الموجب. عادة يكون فرق الجهد في الأشعة التشخيصية مابين 20 إلى 150 كيلوفولت kv. وكلما زاد فرق الجهد زادت كمية الإلكترونات المنبعثة من الفتيلة. الجزء الثاني هو الموجه focusing cup ودوره فقط توجيه الإلكترونات نحو الأنود.

  • المصعد أو الأنود Anode

هذا هو الجزء الذي ينتج الأشعة السينية. وهو يتكون من مادة التنجستن Tungsten. تصطدم الإلكترونات القادمة من الكاثود بمعدن التنجستن في الأنود ممايولد الأشعة السينية. الأنود هو موجب الشحنة. ويتكون الأنود من جزأين: الأول كما ذكرنا سابقاً هو التنجستن. وظيفة التنجستن هو   تحويل الإلكترونات القادمة بسرعة عالية جداً من الكاثود إلى أشعة سينية. ولكن كيف يتم ذلك؟ الإلكترونات القادمة من الكاثود تتوجه نحو التنجستن بسرعة عالية وهذه طاقة حركية Kinetic Energy. عندما تصطدم بالتنجستن يحدث توقف مفاجئ للإلكترونات وتتحول الطاقة الحركية إلى نوعين آخرين من الطاقة هما أشعة سينية وطاقة حرارية. تقريباً 2% من الطاقة الحركية تتحول إلى أشعة سينية و 98% تتحول لطاقة حرارية. وهذا تطبيق لقانون حفظ الطاقة الذي درسناه في الثانوية: “الطاقة لاتفنى ولاتستحدث من العدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر”. الجزء الثاني من أجزاء الأنود هو القاعدة النحاسية Copper Base ولديه القدرة على إمتصاص الطاقة الحرارية من التنجستن.

رسم توضيحي يوضح مكونات أنبوبة الأشعة الداخلية و كيفية إنتاج الأشعة السينية

إنتاج الأشعة السينية و مكونات الإكس راي تيوب


عوامل التعرض Exposure Factors: 

هي العوامل التي يمكن من خلالها التحكم بالأشعة الخارجة من إنبوبة الأشعة وهي ثلاث عوامل:

  1. الكيلو فولت KV:  هو فرق الجهد بين الكاثود والأنود خلال إنتاج الأشعة. وهو يتحكم بطاقة الأشعة السينية فكلما زاد الكيلوفولت زادت طاقة الأشعة. وكلما زادت طاقة الأشعة السينية زادت قدرتها على إختراق الأجسام.
  2. الميلي أمبير mA: كلما زاد الميلي أمبير زادت الإلكترونات المنبعثة من الكاثود إلى الأنود مما يؤدي إلى زيادة كمية الأشعة السينية.
  3. مدة إنتاج الأشعة: فكلما زادت مدة إنتاج الأشعة زادت معها كمية الأشعة وهي تقاس بالثانية.

ماذا يحدث للأشعة السينية عندما تدخل جسم الإنسان (التفاعل مع جسم الإنسان)

Interaction of X-Ray with Matter

  1. بعض من الأشعة السينية تخترق المريض نحو مستقبل الأشعة Penetration
  2. بعض من الأشعة السينية تمتص في جسم المريض Absorption
  3. بعض من الأشعة السينية يتبعثر Scatter

الأشعة السينية مع جسم الإنسان

يعتمد تفاعل الأشعة السينية مع جسم الإنسان على عدة عوامل منها: طاقة الأشعة السينية – السماكة – العدد الذري – الكتلة.

كلما 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. لهذا يستخدم الرصاص كدرع واقي من الأشعة السينية لأنه ذا عدد ذري كبير.


كيف يتم تكوين صورة الأشعة

  • صورة الأشعة هي عبارة عن لونين أبيض وأسود مع تدرج الرمادي بينهما.
  • كما ذكرنا سابقاً أنه من خواص الأشعة السينية أن تجعل الصورة سوداء. فكلما زاد وصول الأشعة لمستقبل الأشعة زاد السواد في الصورة.
  • أنسجة جسم الإنسان ذات الكتلة أو العدد الذري القليل تسمح بمرور أكثر للأشعة مما يجعلها تظهر في صورة الأشعة سوداء أو غامقه.
  • أنسجة جسم الإنسان ذات الكتلة أو العدد الذري الكبير تسمح بمرور كمية قليلة من الأشعة  ولذلك فهي تظهر بيضاء أو فاتحة اللون في الصورة. على سبيل المثال العظام تظهر بيضاء في صورة الأشعة لأن كتلتها عالية فهي تمتص الأشعة أو تبعثرها والقليل من الأشعة يصل لمستقبل الأشعة.

left-lower-lobe-pneumonia-and-left-proximal-humerus-fracture

  في هذه الصورة تتضح أن الرئة سوداء لعدم وجود مقاومة للأشعة السينية التي تجعل من فلم الأشعة أسود، على عكس العظام التي يكون لونها أبيض لأنها تمتص كمية أكبر من الأشعة. أما بقية الأنسجة فهي تأخذ تدرج الرمادي في صورة الأشعة.

للعودة للموضوع الأصلي: أساسيات الأشعة السينية اضغط هنا

Advertisements

6 replies »

التعليقات

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

WordPress.com Logo

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

w

Connecting to %s