إنتاج الأشعة السينية واستخدامها
| English | العربية |
|---|---|
| tungsten/ˈtʌŋstn/ | التنجستن |
| target/ˈtɑːɡɪt/ | الهدف |
| anode/ˈænəʊd/ | القطب الموجب |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | القطب السالب |
| thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ | الانبعاث الحراري |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | الطاقة الحركية |
| photons/ˈfəʊtɒnz/ | الفوتونات |
| Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ | أشعة الفرامل (بريمسترالونغ) |
| hardness/ˈhɑːdnəs/ | صلابة |
| characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ | مميز |
| sharpness/ˈʃɑːpnəs/ | حدة |
| contrast/ˈkɒntræst/ | التناقض |
| attenuation/əˌtenjuːˈeɪʃn/ | التوهين |
| contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ | مواد التباين |
| half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ | سمك القيمة النصفية |
| computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ | التصوير المقطعي المحوسب |
جهاز يهدر تسعين بالمائة من طاقته
- أنبوب أشعة سينية يعمل عند $75\ \text{kV}$ و$30\ \text{mA}$ يستهلك $2250\ \text{W}$. حوالي $99\%$ من ذلك يتحول إلى حرارة في كتلة من التنجستن بحجم عملة معدنية.
- لو تُركت بمفردها، ارتفعت درجة حرارة الهدف بأكثر من $1000\ \text{K}$ في الثانية وانصهرت في ثوانٍ few.
- لهذا السبب تكون التعريضات قصيرة والدوار يدور. المئونة المتبقية هي الصورة.
- هذه الدرس هو كيف يتم إنتاج الأشعة السينية، وما الذي يحدد قدرتها الاختراقية، وكيف تصنع صورة.
الإنتاج
- الإجابة ذات الأربع علامات تأخذ أربع خطوات، وكل خطوة علامة.
- أولاً. تُبعث الإلكترونات من بلمبة مسخنة (المهبط) عبر انبعاث حراري كهربي.
- ثانياً. تتسارع عبر فرق جهد عالي، عشرات_AC_kV، عبر أنبوب مفرغ نحو هدف معدني، الأنود، عادة التنجستن.
- ثالثاً. تتباطأ بسرعة عند اصطدامها بالهدف.
- رابعاً. الطاقة الحركية المفقودة تُشع على شكل فوتونات أشعة سينية، هذا هو برمسسترالونغ أو إشعاع الفرمل، ومعظمها يتحول إلى حرارة.
سخن طرفاً واحداً، وأعدّ الحركة في الطرف الآخر
تتم إنتاج الأشعة السينية عندما تتحرك إلكترونات سريعة:
يعطي التباطؤ المفاجئ على الهدف فوتونات الأشعة السينية (Bremsstrahlung).
تتحول معظم الطاقة الحركية للإلكترونات في أنبوب الأشعة السينية إلى حرارة، وليس أشعة سينية.
جزء صغير فقط يتحول إلى أشعة سينية — ولهذا يجب تبريد الهدف.
تحكمان، مهمتان مختلفتان
- الشدة، الطاقة لكل وحدة مساحة لكل ثانية، تُحدد بعدد الإلكترونات التي تضرب الهدف في الثانية، لذا تُتحكم بها بواسطة تيار البلمبة. البلمبة الأكثر سخونة تبعث إلكترونات أكثر.
- الصلاسة، القدرة الاختراقية، تُحدد بطاقة الفوتونات، لذا تُتحكم بها بواسطة فرق الجهد المسرع. فرق الجهد الأكبر يعطي أشعة سينية أعلى طاقة، أقصر طول موجة، وأكثر اختراقاً.
- افصل بينهما. السؤال حول كيفية جعل الشعاع أكثر اختراقاً لا يُجاب بزيادة التيار.
- فلتر معدني يزيل أشعة السينية الرخوة (الناعمة)، والتي ستُمتص في جلد المريض دون الوصول للكاشف أبداً.
طابق كل تحكم بما يغيره.
السؤال حول كيفية جعل الشعاع أكثر اختراقاً لا يُجاب بزيادة التيار.
الطول الموجي الأدنى
- أكبر طاقة يمكن أن تحملها فوتون واحد هي الطاقة الحركية الكاملة لإلكترون واحد، مفقودة في حدث واحد:
- هذا هو القطع عند الطول الموجي القصير، ويعتمد فقط على فرق الجهد المسرع، ولا يعتمد أبدًا على المعدن المستهدف أو شدة التيار.
- مضاعفة فرق الجهد تُقلص الطول الموجي الأدنى إلى النصف.
أقل طول موجة للأشعة السينية المنبعثة من أنبوب عند جهد التسارع $V$ هو:
من $hf_{\max} = eV$ و$c = f\lambda$: $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$.
يعطي جهد تسريع أعلى طول موجة حدّي ____.
$\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$، لذا يعطي $V$ أكبر $\lambda_{\min}$ أصغر (أشعة إكس ذات طاقة أعلى).
مثال محلول: القطع عند 75 كيلوفولت
- تم تسريع الإلكترونات عبر $75\ \text{kV}$. أوجد أقصى طاقة للفوتون وأقل طول موجي.
- الطاقة القصوى $= eV = 75\ \text{keV} = 75000 \times 1.60\times10^{-19} = 1.2\times10^{-14}\ \text{J}$.
- $\lambda_{\text{min}} = \dfrac{hc}{eV} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{1.2\times10^{-14}} = 1.7\times10^{-11}\ \text{m}$.
- زخم الفوتون الأقصى هو $p = E/c = 4.0\times10^{-23}\ \text{N s}$.
- لاحظ أن $eV$ بالجول يتطلب فرق الجهد بـالفولت، وليس الكيلوفولت. عامل الألف هو الخطأ الشائع.
تُسرَّع الإلكترونات عبر 75 كيلو فولت. ما هو أقل طول موجة للأشعة السينية، بوحدات 1e-11 متر؟
lambda_min = hc/(eV) = 1.7e-11 م. استخدم الفولت وليس الكيلوفولت. مضاعفة فرق الجهد يُضعف الحد الأدنى للطول الموجي، ولا يؤثر المعدن المستهدف فيه.
قراءة الطيف
- الطيف متصل لأن كل إلكترون قد يفقد أي كسر من طاقته، في تباطؤ واحد أو عدة تباطئات، لذا تظهر فوتونات بكل طاقة تصل إلى القيمة القصوى.
- له قطع حاد عند $\lambda_{\text{min}}$ لأنه لا يمكن لفوتون أن يحمل أكثر من طاقة إلكترون واحد، $eV$.
- القمم الحادة ميزة مميزة للمعدن المستهدف: يسقط إلكترون incoming إلكترونًا داخليًا، ويدخل إلكتروني خارجي إلى الفراغ، ويحمل الفوتون الفرق بين هذين المستويين.
- لذلك، شكل المنحنى له ثلاثة أسباب منفصلة، والسؤال عنه يتطلب ذكر الثلاثة.
حافة، انتفاخ، وقرعانان
مسار إنتاج الأشعة السينية
تابع الإلكترونات من الكاثود إلى فوتونات الأشعة السينية.
لماذا يأخذ طيف الأشعة السينية هذا الشكل؟ حدد كل الخيارات الصحيحة.
تنتمي الذروات لمستويات طاقة المستهدف، لذا فإن تغيير المستهدف فقط يحركها. أما فرق الجهد فيحرك نقطة القطع.
الحدة والتباين أمران مختلفان
- الحدة هي مدى وضوح الحواف. تتحسن بحجم بقعة مصدر صغير، ومريض ثابت، وكاشف قريب من المريض.
- التباين هو الفرق في درجة التغميق بين المناطق المجاورة، الناتج عن فرق في التوهين.
- كلاهما مستقل: يمكن للصورة أن تكون حادة مع تباين ضعيف، أو ضبابية مع تباين قوي.
- حيث يتوهن نسيجان لايان بشكل مشابه، يُبتلع أو يُحقن وسيط تباين مثل الباريوم لتحديد حدود أحدهما.
نفس الشعاع، ظلال مختلفة تمامًا
الصورة السينية ذات الوضوح الممتاز يجب أن تكون أيضًا ذات تباين جيد.
إنهما مستقلان. الوضوح هو تحديد الحواف، ويحدده حجم المصدر والهندسة؛ والتباين هو فرق في التوهين بين الأنسجة.
مثال محلول: لماذا يظهر العظم أبيض
- تخترق الأشعة السينية $3.0\ \text{cm}$ من النسيج اللين ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) في منطقة و$3.0\ \text{cm}$ من العظم ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) في منطقة أخرى. قارن الشدات المارة.
- النسيج اللين: $I/I_0 = e^{-0.20\times3.0} = e^{-0.60} = 0.55$.
- العظم: $I/I_0 = e^{-0.60\times3.0} = e^{-1.80} = 0.17$.
- تتلقى منطقة النسيج أكثر من ثلاث مرات التعرض، لذا يبدو العظم أبيض والنسيج داكنًا.
- نسبة التعرض هي $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$، وهي تزداد مع السماكة: يتحسن التباين للهياكل الأكثر سماكة،尽管 إجمالي التوهين يزداد أيضًا.
قانون التوهين
- أشعة X ذات الطاقة الأعلى تخترق أبعد، مما يعني $\mu$ أصغر؛ العظم له $\mu$ أكبر بكثير من النسيج اللين.
- بالنسبة لسماكة معينة، خذ اللوغاريتم: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$. السماكة نصف القيمة هي $x_{1/2} = \ln 2/\mu$، تمامًا مثل عمر النصف.
- خلال طبقتين تتضرب الدوال الأسية، لذا اجمع الأسس: $I = I_0 e^{-(\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2)}$. لا تجمع السماكات nor المعاملات، ولاحظ أن ترتيب الطبقات لا يهم.
- اقرأ السؤال: "ما الكسر الممتص" هو $1 - e^{-\mu x}$، وليس $e^{-\mu x}$.
العظم يبدو أبيض في الصورة السينية لأنه:
العظم الكثيف عالي الـ$Z$ يمتص أكثر ($I = I_0 e^{-\mu x}$ مع $\mu$ كبير)، مما يُلقي ظلًا أقوى.
عبور شعاع 2.0 سم من P (mu = 0.35 /سم) ثم 1.5 سم من Q (mu = 0.90 /سم). ما الكسر المنقول من الشدة؟
الأعداد الأسية تُضرب، لذا نجمع الأسس: e^-(0.70 + 1.35) = e^-2.05 = 0.13. لا تجمع أبدًا السميكات أو المعاملات، وترتيب الطبقات لا يهم.
التصوير المقطعي المحوسب
- فحص التصوير المقطعي المحوسب (CT) يبني صورة ثلاثية الأبعاد، والمنهج يريد وصف البناء بالترتيب.
- الأول. تُلتقط صور many أشعة X لنفس القسم من زوايا مختلفة حول المريض.
- الثاني. يدمج الكمبيوتر الصور في صورة ثنائية الأبعاد واحدة لتلك القسم.
- الثالث. يتم تكرار العملية لـ العديد من الأقسام على طول محور.
- الرابع. تُدمج الأقسام ثنائية الأبعاد في صورة ثلاثية الأبعاد، يمكن تدويرها أو شقها على الشاشة. الجرعة أعلى بكثير من صورة إشعاعية فردية، وهو المفاضلة.
تأخذ الأشعة السينية المقطعية صوراً من زوايا متعددة لبناء صورة ثلاثية الأبعاد 3-D.
دوران الأنبوب والكاشفات وإعادة بناء الشرائح يفصل الأنسجة المتداخلة لتكوين صورة ثنائية الأبعاد 3-D.
رتب عملية بناء صورة الأشعة المقطعية بشكل صحيح.
الزوايا أولاً، ثم الشرائح. الجرعة الإشعاعية أعلى بكثير من صورة شعاعية واحدة، وهو التبادل المقبول مقابل منظور ثلاثي الأبعاد 3-D.
علامات ضائعة
- تيار filament يحدد الشدة، فرق الجهد المسرع يحدد القدرة الاختراقية. لا تبدل بينهما.
- $\lambda_{\text{min}}$ يعتمد فقط على الـp.d.، وليس على الهدف أو التيار.
- الحدة والتباين مستقلان. سؤال عن الحواف الضبابية لا يُجاب بالحديث عن التوهين.
- طبقتان: اجمع الأسس $\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2$.
- طابق وحدات $\mu$ و$x$، وتحقق مما إذا كان السؤال يطلب ما يعبر أو ما هو ممتص.
لقد فهمت الأمر
- تُنتج الأشعة السينية عندما تتسارع إلكترونات من كاثود ساخن عبر فرق جهد عالٍ وتتباطأ بسرعة في هدف معدني، معظمها كحرارة
- $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$ هو الحد الأقصى الذي تحده جهد التسريع وحده، مع ذروات مميزة من المعدن الهدف على منحنى مستمر
- الحدة هي تحديد الحواف، التباين هو فرق التوهين، وهما مستقلان
- $I = I_0 e^{-\mu x}$، مع سماكة نصف القيمة $\ln 2/\mu$ والأسس التي تُجمَع عبر الطبقات المتتالية؛ يجمع التصوير المقطعي المحوسب زوايا متعددة في مقطع وقطعًا متعددة في صورة 3-D