الأشعة السينية عبارة عن حزمة منفصلة من الطاقة الكهرومغناطيسية تسمى الفوتون، فهو مشابه لأشكال أخرى من الطاقة الكهرومغناطيسية مثل الضوء أو الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية أو موجات الراديو أو أشعة جاما، كما يمكن اعتبار الطاقة الكهرومغناطيسية المرتبطة بها على أنها مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة تنتشر عبر الفضاء بسرعة الضوء.
التصوير التشخيصي
تختلف الأشكال المختلفة للطاقة الكهرومغناطيسية عن ندرة (أو طول الموجة). ومع ذلك، نظرًا لأن الطاقة التي يحملها كل فوتون تتناسب مع التردد (يسمى ثابت التناسب)، فإن تردد الأشعة السينية أو فوتونات أشعة جاما تكون أكثر نشاطًا بكثير من فوتونات الضوء ويمكنها تأين الذرات الموجودة بسهولة في المواد التي يصطدمون بها.
تكون طاقة الفوتون الضوئي في حدود إلكترون فولت واحد، في حين أن متوسط طاقة الفوتون السيني في حزمة الأشعة السينية التشخيصية يكون في حدود 30 كيلو إلكترون فولت وطوله الموجي أصغر من قطر ذرة (108 سم). باختصار، يمكن اعتبار حزمة الأشعة السينية بمثابة سرب من الفوتونات التي تنتقل بسرعة الضوء ويمثل كل فوتون حزمة من الطاقة الكهرومغناطيسية.
إنتاج الأشعة السينية
يمكن إنتاج الإشعاع الكهرومغناطيسي في مجموعة متنوعة من الطرق، إحدى الطرق هي تسريع أو تباطؤ الإلكترونات. على سبيل المثال، جهاز الإرسال اللاسلكي هو مجرد مصدر للتيار المتردد عالي التردد الذي يتسبب في تأرجح الإلكترونات في سلك الهوائي الذي يتصل به (التسريع والتباطؤ) وبالتالي إنتاج موجات راديوية (فوتونات) عند تردد المرسل. في أنبوب الأشعة السينية، يتم تسريع الإلكترونات المغلية من خيوط ساخنة باتجاه أنود التنغستن بجهد عالٍ يصل إلى 100 كيلوفولت.
قبل أن تصطدم بالقطب الموجب مباشرة، ستمتلك الإلكترونات طاقة حركية بالكيلو إلكترون فولت تساوي في المقدار الجهد الكهربي (على سبيل المثال، إذا كان الجهد عبر أنبوب الأشعة السينية 100 كيلو فولت، فإن طاقة الإلكترون تساوي 100 كيلو إلكترون)، عندما تصطدم الإلكترونات بأنود التنغستن، يصطدم معظمها بإلكترونات أخرى وتتشتت طاقتها على شكل حرارة. في الواقع، قد يصبح الأنود أبيض ساخنًا أثناء التعرض للأشعة السينية وهو أحد أسباب اختيار الأنود المصنوع من التنجستن، مع نقطة انصهار عالية جدًا.
يعتمد فوتون الأشعة السينية المشتق من طاقة الإلكترون الحادث على مقدار التسارع المحول إلى الإلكترون، كما يعتمد حجم التسارع بدوره على مدى قرب مرور الإلكترون من النواة، إذا تخيل المرء هدفًا يتكون من سلسلة من الدوائر متحدة المركز مع تركيز عين الثور على النواة، فمن الواضح أن عددًا أكبر من الإلكترونات سيصطدم بمسافات أكبر وبالتالي، سيتم إنتاج مجموعة متنوعة من طاقات فوتون الأشعة السينية عند جهد أنبوب معين بحد أقصى يساوي جهد الأنبوب، حيث يتخلى الإلكترون عن كل طاقته اشعة فوتونية.
ستؤدي زيادة الجهد إلى تحويل طيف فوتون الأشعة السينية إلى طاقات أعلى وستصبح فوتونات الطاقة الأعلى أكثر اختراقًا، كما يُطلق على الإشعاع الناتج بهذه الطريقة اسم Bremsstrahlung (إشعاع الكبح) ويمثل فقط حوالي 1٪ من طاقة الإلكترون التي يتم إلقاؤها في حزمة الإلكترون، أما الـ 99٪ الأخرى فتتحول إلى حرارة.
تفاعل الأشعة السينية مع المادة
تتفاعل الأشعة السينية بشكل أساسي مع المادة من خلال تفاعل مجالها الكهربائي المتذبذب مع الإلكترونات الذرية في المادة. نظرًا لعدم وجود شحنة كهربائية، فإن الأشعة السينية أكثر اختراقًا من الأنواع الأخرى من الإشعاع المؤين (مثل جسيمات ألفا أو بيتا) وبالتالي فهي مفيدة لتصوير جسم الإنسان.
كما قد تمتص الأشعة السينية أو تشتت بواسطة الإلكترونات الذرية. في عملية الامتصاص (الامتصاص الكهروضوئي)، يتم امتصاص الأشعة السينية بالكامل، مما يعطي كل طاقتها لقشرة داخلية إلكترون ذري والذي يتم بعد ذلك طرده من الذرة ويستمر في تأين الذرات الأخرى في المنطقة المجاورة مباشرة للتفاعل الأولي.
في عملية التشتت (تشتت كومبتون)، ترتد الأشعة السينية من إلكترون ذري وتفقد بعض طاقتها وتغير اتجاهها، يستمر الإلكترون الراجع أيضًا في تأين مئات الذرات في المنطقة المجاورة، كما تستمر الإلكترونات من كلا العمليتين في تأين العديد من الذرات الأخرى وهي مسؤولة عن الضرر البيولوجي الناتج عن الأشعة السينية.
يتبع توهين شدة الأشعة السينية بسمك المادة قانونًا أسيًا بسبب طبيعة التفاعل العشوائي، كما تشبه هذه العملية إطلاق رصاصة من البنادق في غابة، حيث قد يعلق الرصاص في شجرة (يتم امتصاصه) أو يرتد من شجرة (مبعثر)، وبالمثل، يمكن للأشعة السينية أن تشق طريقها عبر جسم المريض دون لمس أي شيء وتبقى دون تغيير، كما لو كانت قد مرت عبر فراغ بدلاً من ذلك.
وتسمى هذه الأشعة السينية الأولية. عادةً ما يخترق المريض حوالي 1٪ فقط من الأشعة السينية الحادثة وحوالي ثلث هذه فقط هي أشعة سينية أولية، الباقي عبارة عن أشعة سينية متناثرة لا تساهم في الصورة التشريحية. صورة الأشعة السينية هي صورة ظل أو إسقاط تفترض أن الأشعة السينية التي تصل إلى الفيلم قد تحركت في خط مستقيم من المصدر ولكن هذا صحيح فقط بالنسبة للأشعة السينية الأولية.
الصورة الإشعاعية
لإنتاج الصور الشعاعية، يتم وضع فيلم الأشعة السينية في كاسيت ويتم وضعه بين شاشتين فلوريسنت يتوهجان تحت التعرض للأشعة السينية والضوء المنبعث من هذه الشاشات الفلورية هو الذي يسوّد الفيلم بشكل أساسي. على الرغم من أن فيلم الأشعة السينية، الذي يشبه إلى حد بعيد فيلم التصوير الفوتوغرافي العادي، يمكن أن يُسود بالتعرض المباشر للأشعة السينية، إلا أن الفيلم لا يمتص الأشعة السينية المخترقة بكفاءة عالية، لأن المستحلب يتكون من بلورات هاليد الفضة المضمنة في مستوى منخفض وقاعدة الجيلاتين ذات العدد الذري.
إن الشاشات الفلورية التي تسمى شاشات التكثيف مصنوعة من مواد ذات عدد هيجاتومي، وبالتالي تمتص الأشعة السينية بكفاءة عالية وتصدر أيضًا مئات الفوتونات الضوئية لكل الأشعة السينية الممتصة، كما يتم امتصاص هذه الفوتونات الضوئية بدورها بكفاءة بواسطة الفيلم. نتيجة لذلك، يتم تقليل تعرض المريض للأشعة السينية بعامل يصل إلى 100 مقارنة بالتعرض المباشر للأشعة السينية للفيلم.
تنتج الشاشات قدرًا ضئيلًا من حدة الصورة بسبب انتشار الضوء من نقطة امتصاص الأشعة السينية قبل أن يصل الضوء إلى الفيلم، كما يمكن تقليل هذا التأثير بجعل الشاشة أرق. ومع ذلك، فإنه يمتص بعد ذلك جزءًا أصغر من الأشعة السينية الواقعة وبالتالي ينتج عنه نظام أبطأ (يتطلب المزيد من تعرض المريض).
في السنوات الأخيرة، دخلت مستقبلات الصور الرقمية حيز الاستخدام، نوع واحد يسمى (التصوير الشعاعي المحوسب) يستخدم كاسيت مع مادة فوسفورية تحفز ضوئيًا تخزن صورة الأشعة السينية في شكل إلكترونات محاصرة لقراءتها لاحقًا بواسطة شعاع ليزر ممسوح ضوئيًا والذي يطلق الإلكترونات من مصائدها، عند الإطلاق تتسبب هذه الإلكترونات في إصدار الفوسفور لضوء ذي طول موجي أقصر من طول شعاع الليزر.
يمكن معالجة هذه الصور الرقمية التي تتكون من مجموعة من الأرقام في مصفوفة لتحسين جودة الصورة، كما يتم عرضه ومعالجته على شاشة العرض ثم طبع على فيلم باستخدام طابعة أفلام الليزر، تتمثل ميزة هذه الأنظمة الرقمية في أنه يمكن معالجة الصورة لتحسين التباين وتوفير تحسين للحواف ويمكن طباعة الفيلم في الظلام المناسب بغض النظر عن التعرض للأشعة السينية.
يتم اختيار تقنية التعرض عمومًا عن طريق اختيار كيلو فولت أولاً، يعطي الجهد المنخفض للكيلو تباينًا أكبر للصورة ولكن أيضًا تعرضًا أعلى للمريض ويتطلب وقتًا أطول للتعرض في إعداد معين من المللي أمبير، لأن شعاع الأشعة السينية أقل اختراقًا وإنتاج الأشعة السينية يكون أقل عند الفولتية المنخفضة. وبالتالي، بالنسبة لأجزاء الجسم السميكة، يجب الحرص على عدم اختيار جهد كيلوفولت منخفض للغاية.
