درسنامه طلایی رادیولوژی – فصل اول فیزیک

درسنامه طلایی رادیولوژی – فصل اول فیزیک

ترکیب ماده

ماده، هر آن چیزی است که جرم دارد و فضایی را اشغال می‌نماید. اتم واحد پایه تمام مواد است و از یک هسته شامل پروتون ها و نوترون ها و الکترون ها که با نیروهای الکتروستاتیک به هسته باند می‌شوند، تشکیل شده است. نگاه کلاسیک به اتم، مدل بور، ساختار اتم ها را مانند منظومه شمسی، با الکترون های با بار منفی که در اوربیتال های مجزا به دور یک هسته با بار مثبت حرکت می‌کنند، در نظر می‌گیرد. نظریه معاصر مدل مکانیک کوانتوم، الکترون ها را مجموعه‌ای از اربیتال‌های سه بعدی با سطوح انرژی متفاوت (energy sub-levels) در نظر می‌گیرد.

اربیتال‌های الکترون

الکترون ها ذراتی با بار منفی بوده که در فضای خارج هسته ای وجود دارند و توسط جاذبه الکترواستاتیک هسته اتم محدود می‌شوند.

مدل بور الکترون ها را در مدارهای جداگانه یا لایه در نظر می‌گیرد که به صورت K,L,M,N,O,P مشخص شده به گونه ای که لایه K نزدیکترین لایه به هسته است.همچنین لایه ها به وسیله عدد کوانتومی 1 و 2 و 3 و … تعیین می‌شوند و عدد کوانتومی لایه K یک در نظر گرفته می‌شود. هر لایه توانایی نگهداری ²n2 الکترون را دارد، در اینجا n گویای عدد کوانتومی لایه مورد نظر می‌باشد.

مدل مکانیک کوانتومی، الکترون ها را درون اربیتال های سه بعدی یا ابرهای الکترونی توصیف می‌کند. اربیتال‌های الکترونی بر پایه فاصله ای که از هسته دارند (قوانین عدد کوانتومی….n=1,2,3,) و شکل اربیتال(s,p,d,…) توصیف می‌شوند.

یونیزاسیون

اگر اتمی خنثی، یک الکترون از دست بدهد، تبدیل به یک یون مثبت شده و الکترون آزاد، تبدیل به یک یون منفی می‌شود. این فرآیند تشکیل جفت یون، یونیزاسیون نامیده می‌شود.

ماهیت رادیاسیون

رادیاسیون، انتقال انرژی از میان فضا و ماده است. ممکن است به دو شکل ایجاد گردد:

(1) ذره ای و (2) الکترومگنتیک

رادیاسیون ذره‌ای

اتم‌های بزرگ‌تر به دلیل توزیع نابرابر پروتون ها و نوترون ها ناپایدارند و ممکن است شکسته شده و ذرات آلفا (α) یا بتا (β) یا اشعه گاما (ϒ) آزاد نمایند. این فرآیند رادیواکتیویتی نامیده می‌شود.

یک اتم ناپایدار با نوترون های اضافی، با تبدیل یک نوترون به یک پروتون، یک ذره ^–β و یک نوترینو، می‌تواند متلاشی شود. ذرات ^–β مشابه الکترون‌ها هستند.

ذرات ^–β حاصل از  Iodine-131رادیواکتیو، برای درمان برخی سرطانهای تیروئید به کار می‌روند.

یک اتم ناپایدار با پروتون های اضافی، با تبدیل یک پروتون به یک نوترون، یک ذره ⁺β (پوزیترون) و یک نوترینو، می‌تواند متلاشی شود. پوزیترون ها به سرعت در ترکیب با الکترون ها از بین رفته و دو اشعه ϒ بوجود می‌آید. این واکنش، اساس Positron emission tomography scanning(PET) است.

توانایی رادیاسیون ذره ای در یونیزه کردن اتم ها، بستگی به جرم، سرعت و بار آنها دارد. سرعت از دست دادن انرژی یک ذره، هنگامی که در امتداد مسیر خود از میان ماده (بافت) عبور می‌کند، انتقال انرژی خطی آن (LET) می‌باشد.

هر چه اندازه فیزیکی ذره بزرگتر، بار ذره بیشتر وسرعت کمتر باشد، میزان LET بالاتر است. برای مثال، ذرات α که جرم بالاتری در مقایسه با الکترون دارند، بار بیشتر و سرعت کمتری داشته بشدت یونیزان بوده و سریعاً انرژی جنبشی خود را ازدست می‌دهند و دارای LET بالایی هستند. ذرات  β شدت یونیزاسیون کمتری به دلیل جرم سبکتر و بار کمتر دارند و در نتیجه LET کمتری دارند. پرتوهای دارای LET بالا، یونیزاسیون خود را در طول مسیر کوتاهی متمرکز می‌کنند درحالیکه پرتوهای دارای LET پایین، بطور پراکنده تر و در طول مسیر طولانی تری، جفت یون تولید می‌کنند.

اشعه های گاما، فوتون می‌باشند که فرمی از رادیاسیون الکترومگنتیک است. اغلب این حالت پس از اینکه هسته یک ذره α یا β ساطع میکند یا پس از فیژن یا فیوژن هسته اتفاق می‌افتد.

رادیاسیون الکترومگنتیک

رادیاسیون الکترومگنتیک، حرکت انرژی از میان فضا به صورت ترکیبی از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی است و زمانی که سرعت یک ذره باردار الکتریکی تغییر می‌کند، ایجاد می‌شود. اشعه هایϒ، اشعه های x، اشعه های ماوراء بنفش، نور مرئی، رادیاسیون مادون قرمز (گرما) و امواج رادیویی، همگی نمونه هایی از رادیاسیون الکترومگنتیک هستند. اشعه های گاما از درون هسته اتم‌های رادیواکتیو منشاء می‌گیرند. آنها معمولا انرژی بالاتری از اشعه های x دارند. اشعه های x خارج از هسته تولید می‌شوند و نتیجه تداخل الکترون ها با هسته های اتمهای بزرگ در دستگاه های اشعه x می‌باشند. اشعه های ماوراء بنفش، اشعه های x و اشعه های گاما دارای انرژی بالاتر رادیاسیون هستند و قادر به یونیزه کردن ماده می‌باشند.

معمولاً فوتون های پرانرژی مانند اشعه x و اشعه γ، بر حسب انرژی شان (الکترون ولت)، فوتون های با انرژی متوسط (مانند؛ نور مرئی و امواج ماوراء بنفش) بر حسب طول موجشان (نانومتر) و فوتون های کم انرژی (مانند :امواج رادیویی FM, AM) بر حسب فرکانس‌شان (MHz , KHz) مشخص می‌شوند.

تیوب اشعه x  X-RAY TUBE

تیوب اشعه x از یک کاتد و یک آند تشکیل شده است که درون یک محفظه یا تیوب شیشه ای خلاء  قرار دارد.

پانل کنترل امکان تنظیم طول مدت اکسپوژر و اغلب انرژی و میزان اکسپوژر اشعه x را برای کاربر فراهم می‌کند. مواد عایق الکتریکی که معمولا روغن است، تیوب و ترانسفورمر را احاطه می‌کنند. اغلب تیوب در بخش خلفی سر تیوب قرار دارد تا میزان فاصله جسم تا منبع (SOD) افزایش یافته و دیستورشن کاهش یابد.

کاتد CATHODE

کاتد تیوب اشعه x از یک فیلامنت و یک کاپ متمرکز کننده تشکیل شده است. فیلامنت، منشاء الکترون ها در تیوب اشعه x بوده و سیم پیچی از سیم تنگستن، با قطر mm2 و به طول cm1 یا کمتر می‌باشد. فیلامنت ها معمولا دارای حدود 1% توریوم می‌باشند که انتشار الکترون ها از سیم گرم شده را بسیار افزایش می‌دهد.

فیلامنت در یک کاپ متمرکز کننده قرار دارد که یک صفحه منعکس کننده مقعر، با بار منفی و از جنس مولیبدن است. شکل سهمی کاپ متمرکز کننده، الکترون های ساطع شده از فیلامنت را بطور الکترواستاتیک، به شکل یک پرتو باریک متمرکز نموده و به سوی یک ناحیه مستطیلی بر روی آند به نام فوکال اسپات (نقطه کانونی) هدایت می‌کند.

الکترون ها به دو دلیل نیروی دافعه ناشی از کاتد دارای بار منفی و نیروی جاذبه آند دارای بار مثبت به سمت فوکال اسپات حرکت می‌کنند. تیوپ اشعه x کاملاً وکیوم و محیط خلاء است تا از برخورد الکترون های سریع با مولکول های گاز که به طور قابل ملاحظه ای عامل کاهش سرعت آنهاست، جلوگیری شود. محیط خلاء همچنین مانع اکسیداسیون یا سوختن فیلامان می‌شود.

آند ANODE

آند در تیوب اشعه x، از یک تارگت تنگستنی که در یک پایه مسی جایگذاری شده، تشکیل شده است.

تنگستن عنصری است که ویژگی های فراوانی به عنوان یک ماده ایده آل برای تارگت دارد، که شامل موارد زیر می‌باشد:

عدد اتمی بالا (74)

نقطه ذوب بالا (3422⁰C)

هدایت گرمایی بالا (173W.m^-1.K^-1)

فشار تبخیر پایین در دماهای کارکرد تیوب اشعه x

تبدیل انرژی جنبشی الکترون ها به فوتون های اشعه x، فرآیندی ناکارآمد است که در آن بیش از 99% انرژی جنبشی الکترون به گرما تبدیل می‌شود. تارگتی که از ماده ای با عدد اتمی بالا ساخته شده باشد، بیشترین کارآیی را در تولید اشعه x دارد.

فشار تبخیر پایین تنگستن در دماهای بالا، به حفظ خلاء در دماهای بالای کارکرد کمک می‌کند.

فوکال اسپات ناحیه ای بر روی تارگت است که کاپ متمرکز کننده، الکترون ها را به آن سو هدایت کرده و اشعه های x از آن تولید می‌شوند.

شارپنس تصویر رادیوگرافی با کاهش سایز فوکال اسپات، افزایش می‌یابد اما با کاهش سایز فوکال اسپات، گرمای تولیدی در واحد سطح تارگت بیشتر می‌شود. چون الکترون ها روی سطح بزرگی از تارگت پخش می‌شوند، برای استفاده از مزایای یک فوکال اسپات کوچک، تارگت نسبت به پرتو الکترون ها با زاویه قرار داده می‌شود. اگر سایز ظاهری فوکال اسپات از موقعیتی عمود بر پرتوالکترونی دیده شود (فوکال اسپات مؤثر)، کوچک تر از سایز واقعی فوکال اسپات است. به طور معمول، تارگت حدود 20 درجه نسبت به اشعه مرکزی پرتو اشعه x شیب دارد. فوکال اسپات مؤثر حدود  mm1× mm1 است. فوکال اسپات واقعی،  حدود  mm3× mm1 است.

روش دیگر پراکنده نمودن گرما از یک فوکال اسپات کوچک، استفاده از یک آند دوار(rotating anode) است. در این طرح، تارگت تنگستنی به شکل دیسک بول (bevel) شده است که هنگام کارکرد تیوب، می‌چرخد. در نتیجه الکترون ها به نواحی متعددی از تارگت برخورد کرده، سبب عریض شدن فوکال اسپات به میزانی متناسب با محیط دیسک بول شده می‌گردد و گرما در سراسر این ناحیه وسیع، پخش می‌شود.

آندهای دوار در دستگاههای اشعه ایکس دندانی داخل دهانی به کار نمی روند، اما گاهی در واحدهای سفالومتری، معمولاً در دستگاه های cone-beam و همیشه در دستگاه های اشعه ایکسMultidetector CT (MDCT)، که نیاز به خروجی بالای رادیاسیون برای اکسپوژرهای طولانی تر دارند، استفاده می‌شوند.

منبع نیرو  POWER SUPPLY

عملکردهای اولیه منبع نیروی یک دستگاه اشعه x عبارتند از:

فراهم نمودن یک جریان ولتاژ پایین برای گرم کردن فیلامنت تیوب اشعه x

ایجاد یک اختلاف پتانسیل بالا برای شتاب دادن به الکترون ها از کاتد به سمت فوکال اسپات بر روی آند.

تیوب اشعه x و دو ترانسفورمر، درون یک پوشش فلزی که از نظر بار الکتریکی خنثی می‌باشد، قرار دارد که سر (head) دستگاه اشعه x نامیده می‌شود.

جریان تیوب Tube current

ترانسفورمر فیلامنت، ولتاژ جریان متناوب (AC) ورودی به مدار فیلامنت را به حدود 10 ولت کاهش می‌دهد.

شمارشگر  KVp (KVp Dial) ، ولتاژ را در سمت ولتاژ پایین ترانسفورمر ]افزاینده [اندازه می‌گیرد.

میزان عددی mA بر روی کنترل کننده جریان تیوب، به جریان تیوب اشاره دارد که معمولا حدود  mA10 بوده و توسط میلی آمتر(milliammeter) اندازه گیری می‌شود.

ولتاژ تیوب (کیلو ولتاژ Kv)

ولتاژ بالایی بین آند و کاتد برای تأمین انرژی کافی الکترون ها جهت تولید اشعه x نیاز است. Kvp Selector ترانسفورماتور ولتاژ بالا را جهت حداکثر ولتاژ ورودی تنظیم می‌کند (V 220یا 110). معمولاً دستگاه های داخل دهانی، پانورامیک، سفالومتری در kvp بین 50 و 90 (90000 تا50000 ولت) کار می‌کنند در حالیکه CT در kvp90 تا 120 یا بیشتر کار می‌کند.

ژنراتورهای اشعه x جریان متناوب: برای جریان ورودی با جریان متناوب (AC)، قطبیت شدت جریان به صورت 60 سیکل برثانیه  تغییر می‌کند.(تصویر 11-1 A) و پلاریته تیوب اشعه x با فرکانس مشابه تغییر می‌کند(تصویر B 3-1)، زمانی که پلاریته ولتاژ در طول تیوب اعمال می‌شود تارگت آند، مثبت و فیلامان دارای بار منفی می‌شود، الکترونهای اطراف فیلامان به سمت تارگت مثبت شتابدار شده و اشعه x تولید می‌شود (تصویر C 3-1).

زمانی که ولتاژ در سراسر کاتد و آند در بالاترین حد باشد، کارایی تولید اشعه x در بالاترین حالت است بنابراین شدت پالس های اشعه x در مرکز هر سیکل حداکثر خواهد بود. درطول نیمه بعدی سیکل (یا نیمه منفی) فیلامان مثبت و تارگت منفی می‌شود(تصویر B 1-11). در این زمان، الکترونها در میان فضای بین دو  المنت تیوب جریان نمی یابند و اشعه x تولید نخواهد شد. زمانی که به تیوب اشعه x جریان متناوب (AC) با 60 سیکل اعمال شود، 60 پالس اشعه x در هر ثانیه تولید خواهد شد، به گونه ای که هر کدام  ثانیه طول می‌کشد. بنابراین زمانی که از منبع تغذیه با جریان متناوب (AC) استفاده شود، تولید اشعه x به نصف سیکل AC محدود خواهد شد. اینگونه واحدهای اشعه x به عنوان خود یک سو شونده یا یک سو شده نیم موج نامیده می‌شود. بسیاری از سیستم های اشعه x دندانی از نوع خود یک سو شونده می‌باشند.

ژنراتورهای اشعه x پتانسیل ثابت (جریان مستقیم): برخی سازندگان دستگاه های اشعه x دندانی دستگاهی را تولید کرده اند که به جای منبع تغذیه دندانی یک سو شونده نیم موج، با جریان متناوب (AC) 60 سیکل، از منبع تغذیه فرکانس بالا که اغلب جریان مستقیم را تأمین می‌کند استفاده می‌کنند.

تصویر 3-1(A): جریان متناوب وارد شده ولتاژ (110V و 60  سیکل بر ثانیه در این مورد) (B) ولتاژ آند از میزان صفر تا kVp تنظیم شده (در این مورد 70 است) متغیر می‌باشد. (C) شدت اشعه تولید شده در آند (آبی رنگ) قویاً وابسته به ولتاژ آند بوده و زمانی که ولتاژ تیوب حداکثر است شدت اشعه نیز در بالاترین حالت می‌باشد. (D) پتانسیل ثابت ورودی (110V در این مورد) که در طی سیکل حفظ می‌شود. (E) ولتاژ در آند از صفر تا حداکثر kVp تنظیم شده (70 kVp در این مورد) متغیر است. توجه کنید که افزایش و کاهش اختلاف پتانسیل در شروع و پایان سیکل سریع می‌باشد. شدت رادیاسیون که در آند تولید می‌شود (رنگ آبی) بالاتر بوده و همچنین میزان هتروژن بودن انرژی فوتون ها کمتر است.

تایمر  TIMER

برای کنترل زمان اکسپوژر اشعه x، یک تایمر در مدار با ولتاژ بالا قرار گرفته است.

تایمر در مدار ولتاژ بالا در سمت سیم پیچ ثانویه ژنراتور ولتاژ بالا تعبیه شده تا طول مدت اکسپوژر اشعه x را کنترل کند. تایمر الکترونیک طول مدت زمان اعمال ولتاژ بالا در تیوب را کنترل کرده بنابراین مدت زمانی که اشعه x تولید می‌شود را تعیین می‌کند. اگرچه قبل از اعمال ولتاژ بالا در طول تیوب، فیلامان باید به درجه حرارت عملکرد برسد تا از ساطع شدن میزان کافی الکترون اطمینان حاصل شود. مواجهه فیلامان با گرمای مداوم در شدت جریان نرمال عملکردی، طول عمر آن را کاهش می‌دهد. جهت کاهش آسیب به فیلامان، مدار تنظیم زمان، ابتدا جریانی را به فیلامان در حدود نیم ثانیه اعمال کرده تا به دمای کارکرد مناسب برسد و سپس نیرو را در مدار ولتاژ بالا اعمال می‌کند. در برخی از مدارهای طراحی شده، جریان اندک به طور پیوسته از فیلامان عبور می‌کند تا آن را در یک دمای پایین ایمن نگه دارد تا تأخیر ناشی از پیش گرمایش فیلامان کاهش یابد. بر همین اساس، دستگاه اشعه x ممکن است بطور پیوسته در طول ساعات کاری روشن باقی بماند.

تعداد پالس ها تقسیم بر 60 (فرکانس منبع نیرو) زمان اکسپوژر در ثانیه را نشان می‌دهد. تنظیم 30 پالس به معنی آن است که 30 پالس رادیاسیون وجود خواهد داشت که معادل 5/0 ثانیه اکسپوژر خواهد بود.

توان تیوب و چرخه کار  TUBE RATING AND DUTY CYCLE

ظرفیت ذخیره گرمایی در آندهای تیوب های تشخیصی دندانی حدود  KHU20 می‌باشد. چرخه کار مربوط به تعداد اکسپوژرهای متوالی است که بدون گرم شدن بیش از حد آند می‌توان انجام داد. فاصله بین اکسپوژرهای متوالی برای پراکنده شدن گرما باید به قدر کافی طولانی باشد. این ویژگی، تابعی از اندازه آند، kVp و  mAاکسپوژر و روش بکار رفته برای خنک کردن تیوب است.

گرمای تولیدی در آند از طریق رسانس(Conduction) به آند مسی و بعد به روغن احاطه کننده و محافظ تیوب و از طریق همرفت(Convection) به اتمسفر دفع می‌شود.