جهاز الأشعة السينية

جهاز الأشعة السينية هو جهاز يستخدم الأشعة السينية في تطبيقات متنوعة، تشمل الطب ، والتصوير الفلوري بالأشعة السينية ، وفحص التجميع الإلكتروني، وقياس سماكة المواد في عمليات التصنيع. في التطبيقات الطبية، يستخدم أخصائيو الأشعة أجهزة الأشعة السينية للحصول على صور بالأشعة السينية للهياكل الداخلية (مثل العظام) للكائنات الحية، وكذلك في عمليات التعقيم .

يحتوي مولد الأشعة السينية عمومًا على أنبوب أشعة سينية لإنتاج الأشعة السينية. ومن المحتمل أيضًا استخدام النظائر المشعة لتوليد الأشعة السينية. ^{[ 1 ]}

أنبوب الأشعة السينية عبارة عن أنبوب مفرغ بسيط يحتوي على مهبط ، يوجه تيارًا من الإلكترونات إلى الفراغ، ومصعد ، يجمع الإلكترونات ويُصنع من التنجستن لتبديد الحرارة الناتجة عن التصادم. عند اصطدام الإلكترونات بالهدف، ينبعث حوالي 1% من الطاقة الناتجة على شكل أشعة سينية ، بينما تُطلق النسبة المتبقية البالغة 99% على شكل حرارة. نظرًا للطاقة العالية للإلكترونات التي تصل إلى سرعات نسبية، يُصنع الهدف عادةً من التنجستن، مع إمكانية استخدام مواد أخرى، خاصةً في تطبيقات مطيافية الأشعة السينية الفلورية (XRF).

يحتاج مولد الأشعة السينية أيضًا إلى نظام تبريد لتبريد المصعد؛ وتستخدم العديد من مولدات الأشعة السينية أنظمة إعادة تدوير الماء أو الزيت. ^{[ 2 ]}

التصوير الطبي

في تطبيقات التصوير الطبي، يحتوي جهاز الأشعة السينية على وحدة تحكم يستخدمها فني الأشعة لاختيار تقنيات الأشعة السينية المناسبة للفحص المحدد، ومصدر طاقة يقوم بإنشاء وإنتاج الجهد الكهربائي المطلوب (kVp)، والتيار الكهربائي المطلوب (mA)، والذي يشار إليه أحيانًا باسم mAs وهو في الواقع mA مضروبًا في طول التعريض المطلوب) لأنبوب الأشعة السينية، وأنبوب الأشعة السينية نفسه.

جاء اكتشاف الأشعة السينية من تجارب أجريت على أنابيب كروكس ، وهي أنابيب تفريغ كهربائي تجريبية مبكرة اخترعها الفيزيائي الإنجليزي ويليام كروكس حوالي عام 1869-1875. في عام 1895، اكتشف فيلهلم رونتجن الأشعة السينية المنبعثة من أنابيب كروكس، وسرعان ما اتضحت استخداماتها المتعددة. إحدى أولى صور الأشعة السينية كانت ليد زوجة رونتجن، حيث أظهرت الصورة خاتم زواجها وعظامها. في 18 يناير 1896، عرض هنري لويس سميث جهاز أشعة سينية رسميًا. وفي عام 1904، قدم كلارنس دالي وحدة عاملة بالكامل للجمهور في المعرض العالمي . ^{[ 3 ]} تطورت هذه التقنية بسرعة: ففي عام 1909، أنتج مونيكو سانشيز مورينو أول جهاز طبي محمول، وخلال الحرب العالمية الأولى، قادت ماري كوري تطوير أجهزة الأشعة السينية المثبتة في "سيارات الأشعة" لتوفير خدمات الأشعة السينية المتنقلة للمستشفيات الميدانية العسكرية.

في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، استُخدمت أجهزة الأشعة السينية في المتاجر للمساعدة في بيع الأحذية، وكانت تُعرف باسم أجهزة قياس الأحذية الفلورية . إلا أنه مع دراسة الآثار الضارة للأشعة السينية ، توقف استخدامها نهائيًا. وقد حظرت ولاية بنسلفانيا استخدامها لقياس الأحذية لأول مرة عام ١٩٥٧. (إذ كانت في الواقع أداة تسويقية ذكية لجذب الزبائن، وليست أداة مساعدة فعلية في القياس). وقد طوّر جون ج. ترامب، بالتعاون مع روبرت ج. فان دي غراف ، أحد أوائل مولدات الأشعة السينية ذات المليون فولت.

بحلول أواخر التسعينيات، أصبحت صناعة تصنيع أجهزة الأشعة السينية القائمة على تكنولوجيا الأفلام التقليدية سلعة أساسية.

شهدت هذه التقنية قفزة نوعية أخرى في العقد الأول من الألفية الثانية، حيث طور الفيزيائيون في مركز سيرن طريقة جديدة لرصد الجسيمات، وهي كاشف البكسل الهجين. تتميز هذه الطريقة بدقة أعلى من التصوير الإشعاعي التقليدي، إذ تحول طاقة كل جسيم إلى بيانات. ^{[ 4 ]} طُورت أول شريحة في تسعينيات القرن الماضي ^{[ 5 ]} ، وفي العقد الثاني من الألفية الثانية، أصبحت هذه التقنية متاحة تجاريًا. تُستخدم هذه التقنية في مجموعة واسعة من الأجهزة، أبرزها التصوير المقطعي المحوسب بتقنية عد الفوتونات .

يتكون نظام التصوير بالأشعة السينية من وحدة تحكم مولد حيث يختار المشغل التقنيات المطلوبة للحصول على صورة قابلة للقراءة بجودة عالية (kVp و mA ووقت التعريض)، ومولد أشعة سينية يتحكم في تيار أنبوب الأشعة السينية، وجهد أنبوب الأشعة السينية، ووقت تعريض انبعاث الأشعة السينية، وأنبوب أشعة سينية يحول الجهد والتيار إلى أشعة سينية فعلية، ونظام كشف الصور الذي يمكن أن يكون إما فيلمًا (تقنية تناظرية) أو نظام التقاط رقمي ونظام PACS .

تُستخدم أجهزة الأشعة السينية في الرعاية الصحية لتصوير بنية العظام، وأثناء العمليات الجراحية (وخاصة جراحة العظام) لمساعدة الجراحين في إعادة تثبيت العظام المكسورة باستخدام البراغي أو الصفائح الهيكلية، ولمساعدة أطباء القلب في تحديد الشرايين المسدودة وتوجيه وضع الدعامات أو إجراء عمليات رأب الأوعية الدموية، ولتصوير الأنسجة الكثيفة الأخرى مثل الأورام . وتشمل التطبيقات غير الطبية الأمن وتحليل المواد.

الدواء

المجالات الرئيسية التي تستخدم فيها أجهزة الأشعة السينية في الطب هي التصوير الشعاعي والعلاج الإشعاعي والإجراءات من نوع التنظير الفلوري .

التصوير الشعاعي

تُستخدم الأشعة السينية عمومًا للحصول على صور سريعة وعالية الاختراق، وتُستخدم عادةً في المناطق ذات المحتوى العظمي العالي، ولكن يمكن استخدامها أيضًا للكشف عن الأورام، كما هو الحال في تصوير الثدي بالأشعة السينية (الماموغرافي). تشمل بعض أنواع الأشعة السينية ما يلي:

• صورة بانورامية للفك تُظهر جميع الأسنان في وقت واحد
• التصوير الشعاعي للثدي - صور الأشعة السينية لأنسجة الثدي
• التصوير المقطعي - التصوير بالأشعة السينية في مقاطع

الأشعة السينية إشعاع مؤين ذو قدرة اختراق عالية ، ولذلك تُستخدم أجهزة الأشعة السينية لتصوير الأنسجة الكثيفة كالعظام والأسنان. والسبب في ذلك هو أن العظام تمتص الإشعاع أكثر من الأنسجة الرخوة الأقل كثافة . تخترق الأشعة السينية الصادرة من مصدرها الجسم وتسقط على شريط التصوير. تظهر المناطق التي امتصت الإشعاع بدرجات أفتح من الرمادي (أقرب إلى الأبيض). ويمكن استخدام هذه التقنية لتشخيص الكسور.

العلاج الإشعاعي

العلاج الإشعاعي هو استخدام الأشعة السينية لعلاج الخلايا السرطانية الخبيثة والحميدة . وهو تطبيق لا يعتمد على التصوير.

التنظير الفلوري

يُستخدم التنظير الفلوري في الحالات التي تتطلب رؤية فورية (ويُصادف استخدامه بكثرة في الحياة اليومية، خاصةً في نقاط التفتيش الأمنية بالمطارات ). وتشمل بعض التطبيقات الطبية للتنظير الفلوري ما يلي:

• تصوير الأوعية الدموية - يستخدم لفحص الأوعية الدموية في الوقت الحقيقي إلى جانب وضع الدعامات وغيرها من الإجراءات لإصلاح الشرايين المسدودة.
• حقنة الباريوم الشرجية - إجراء يستخدم لفحص مشاكل القولون والجهاز الهضمي السفلي
• ابتلاع الباريوم - يشبه حقنة الباريوم الشرجية، ولكنه يُستخدم لفحص الجزء العلوي من الجهاز الهضمي
• الخزعة - إزالة الأنسجة لفحصها
• إدارة الألم - تستخدم لرؤية وتوجيه الإبر بصريًا لإعطاء/حقن أدوية الألم أو الستيرويدات أو أدوية منع الألم في جميع أنحاء منطقة العمود الفقري.
• الإجراءات التقويمية - تُستخدم لتوجيه وضع وإزالة صفائح تقوية بنية العظام، والقضبان، وأدوات التثبيت المستخدمة للمساعدة في عملية الشفاء ومحاذاة هياكل العظام التي تلتئم معًا بشكل صحيح
• يتم تصوير الجهاز الهضمي بمساعدة عامل تباين إشعاعي مثل كبريتات الباريوم ، وهو مادة معتمة للأشعة السينية.

حماية

تُستخدم أجهزة الأشعة السينية لفحص الأشياء بطريقة غير جراحية. تُفحص الأمتعة في المطارات وحقائب الطلاب في بعض المدارس بحثًا عن أسلحة محتملة، بما في ذلك القنابل. تتراوح أسعار أجهزة فحص الأمتعة بالأشعة السينية بين 50,000 و300,000 دولار أمريكي. تتكون الأجزاء الرئيسية لنظام فحص الأمتعة بالأشعة السينية من مولد الأشعة السينية، وكاشف لرصد الإشعاع بعد مروره عبر الأمتعة، ووحدة معالجة الإشارة (عادةً ما تكون جهاز كمبيوتر) لمعالجة الإشارة الواردة من الكاشف، ونظام نقل لنقل الأمتعة إلى النظام. يوفر مولد الأشعة السينية النبضي المحمول الذي يعمل بالبطارية، والمستخدم في الأمن كما هو موضح في الشكل، لفرق الاستجابة لحالات الطوارئ تحليلًا أكثر أمانًا لأي خطر محتمل على الهدف.

عملية

عند وضع الأمتعة على سير النقل، يقوم المشغل بنقلها إلى داخل الجهاز. يوجد جهاز إرسال واستقبال يعمل بالأشعة تحت الحمراء للكشف عن الأمتعة عند دخولها النفق. يُرسل هذا الجهاز إشارة لتشغيل المولد ونظام معالجة الإشارات. يقوم نظام معالجة الإشارات بمعالجة الإشارات الواردة من الكاشف، ثم يُعيد إنتاج صورة بناءً على نوع وكثافة المواد داخل الأمتعة. تُرسل هذه الصورة بعد ذلك إلى وحدة العرض.

تصنيف الألوان

يعتمد لون الصورة المعروضة على نوع المادة وكثافتها. ويستند تحليل الأشعة السينية إلى الجدول الدوري. ^{[ 6 ]} العناصر من 1 إلى 10، مثل الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين، المصنفة كمواد عضوية، ستظهر بألوان برتقالية. تشمل هذه المواد الورق والملابس ومعظم المواد الغذائية وأغلب المتفجرات.

تظهر العناصر من 19 إلى 56، مثل التيتانيوم والحديد والنحاس والزركونيوم والفضة والقصدير، المصنفة كمواد غير عضوية، بدرجات اللون الأزرق.

يُستخدم اللون الأخضر لما يُمكن تسميته بالمجموعة المختلطة . تشمل هذه المجموعة العناصر من 11 إلى 18، مثل الصوديوم والألومنيوم والكلور. كما تشمل موادًا تتكون من خليط من العناصر، والتي تُعرض عادةً باللونين البرتقالي والأخضر أو ​​البرتقالي والأزرق.

من الأمثلة على ذلك مادة البولي فينيل كلوريد (PVC). يتكون البولي فينيل كلوريد من مزيج من الكربون (البرتقالي)، والهيدروجين (البرتقالي)، والكلوريد (الأخضر). مثال آخر هو بعض أنواع الأسمدة، مثل نترات الأمونيوم التي تحتوي على البوتاسيوم. تتكون نترات الأمونيوم من مزيج من الهيدروجين، والنيتروجين، والأكسجين (جميعها برتقالية)، والبوتاسيوم (الأزرق). عند فحص هذه المواد بالأشعة السينية، قد تظهر على شكل مواد مختلطة باللون الأخضر، وذلك بناءً على تركيبها.

ثمة سبب ثالث لاستخدام اللون الأخضر، وهو عندما تتراكب مادة ما، كالنحاس مثلاً، مع مادة أخرى، كالخشب مثلاً. عادةً ما يكون لون النحاس أزرقاً ولون الخشب برتقالياً، ولكن عند تقاطعهما (تراكبهما)، تعتبر الآلة ذلك مزيجاً، فتستخدم اللون الأخضر.

ستُعرض العناصر التي تبلغ كثافتها 57 فما فوق، مثل البلاتين والزئبق والذهب والرصاص، باللون الأسود. وسيُستخدم هذا اللون أيضًا في حال وجود كثافة كافية تمنع جهاز الأشعة السينية من تحليل المواد بكفاءة.

قد تعرض بعض الأجهزة الكثافة باستخدام اللون الأخضر المصفر أو الأحمر.

تعتمد درجة قتامة الألوان على كثافة أو سمك المواد. فكلما زادت كثافة أو سمك المادة، زادت قتامة اللون المستخدم.

يتم تحديد كثافة المادة باستخدام كاشف ثنائي الطبقات. تفصل بين طبقات بكسلات الكاشف شريط معدني. يمتص المعدن الأشعة اللينة، سامحًا للأطوال الموجية الأقصر والأكثر اختراقًا بالمرور إلى الطبقة السفلية من الكاشف، محولًا الكاشف إلى مطياف ثنائي النطاق بسيط.

في عام 2012، حددت المفوضية الأوروبية للحماية من الإشعاع حدًا لتسرب الإشعاع من مولدات الأشعة السينية مثل أنابيب الأشعة السينية وأجهزة التصوير المقطعي المحوسب بمقدار ملي غراي واحد في الساعة على مسافة متر واحد من الجهاز. ^{[ 7 ]}

تم تصنيع جهاز أشعة سينية باستخدام غشاء من أنابيب الكربون النانوية (ككاثود) ينبعث منه إلكترونات عند درجة حرارة الغرفة عند تعرضه لمجال كهربائي. يمكن وضع مصفوفة من هذه الباعثات حول الجسم المراد مسحه ضوئيًا، ويمكن تجميع الصور من كل باعث بواسطة برنامج حاسوبي لتوفير صورة ثلاثية الأبعاد للجسم في جزء من الوقت اللازم باستخدام جهاز أشعة سينية تقليدي. كما يتيح النظام تحكمًا سريعًا ودقيقًا، مما يمكّن من التصوير الفيزيولوجي الموجه. ^{[ 9 ]}

كانت شركة Micro-X الأسترالية لتصنيع أجهزة الأشعة السينية أول من سوّق تقنية الأشعة السينية باستخدام أنابيب الكربون النانوية في القطاع الطبي. وبالتعاون مع باحثين من جامعة فليندرز وجامعة أديلايد، ابتكرت الشركة طريقة جديدة ومستقرة لتوليد انبعاث أشعة سينية عالية التيار باستخدام أنابيب الكربون النانوية، وحصلت على براءة اختراع لها. ^{[ 10 ]} وتعمل الشركة حاليًا على تطوير جهاز تصوير مقطعي محوسب مصغر لتشخيص السكتة الدماغية بالشراكة مع التحالف الأسترالي للسكتة الدماغية. ^{[ 11 ]}

ابتكر مهندسون في جامعة ميسوري (MU) في كولومبيا مصدرًا صغيرًا للأشعة السينية وأنواع أخرى من الإشعاع. يبلغ حجم مصدر الإشعاع حجم قطعة علكة، ويمكن استخدامه لصنع أجهزة مسح ضوئي محمولة بالأشعة السينية. ويمكن تصنيع نموذج أولي لجهاز مسح ضوئي محمول بالأشعة السينية باستخدام هذا المصدر في غضون ثلاث سنوات فقط. ^{[ 12 ]}

• جهاز التنظير الفلوري
• الأشعة السينية ذات التشتت العكسي ، على سبيل المثال، لفحص الركاب أمنياً (بدلاً من الأمتعة).
• علم البلورات بالأشعة السينية
• التصوير الشعاعي
• التألق بالأشعة السينية
• علم الفلك بالأشعة السينية (أجهزة الكشف)

• تشانغ، جيه؛ يانغ، جي؛ تشنغ، واي؛ غاو، بي؛ تشيو، كيو؛ لي، واي زد؛ لو، جيه بي؛ تشو، أو (2005). "مصدر أشعة سينية ثابت قائم على باعثات المجال من أنابيب الكربون النانوية" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 86 (2 مايو): 184104. Bibcode : 2005ApPhL..86r4104Z . doi : 10.1063/1.1923750 . S2CID 120546441 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )