از کجا می دانیم چگونه از داخل بدن عکس بگیریم؟

تاریخ بشر سرشار از داستان کشف هایی است که به شکلی کاملاً تصادفی انجام شده اند؛ اما همانطور که لویی پاستور بیش از یک قرن پیش گفت: «شانس تنها به ذهن های آماده رو می کند.» وقتی دانشمند آلمانی،‌ ویلهلم رونتگن پرتوهای ایکس را به شکل کاملاً تصادفی در سال 1895 کشف کرد، می دانست باید کشفش را پیگیری کند. لامپ های پرتوی کاتدی یا همان لوله های کروکس (Crookes Tubes) که او مشغول آزمایش با آنها بود، در آن زمان ابزاری متداول در آزمایشگاه فیزیکدانانی بود که به مطالعه درباره چگونگی عبور ذرات باردار از میان گازها علاقه مند بودند. این ابزار در سال 1875 بوسیله فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس ابداع شده بود و چندان بعید نیست که طی 20 سال استفاده و تا پیش از کشف رونتگن، بعضی از این دستگاه ها از خودشان پرتوهای ایکس منتشر کرده باشند. برای مثال، خود کروکس کشف کرده بود صفحه های عکاسی در مجاورت این لوله ها تار می شوند؛ پدیده ای که بعدها مشخص شد یکی از اثرات جانبی پرتوهای ایکس است.

از زمان کشف پرتوهای ایکس تا راه یافتن آنها به بیمارستان ها، مسیر نسبتاً سریعی طی شده است. ویژگی های منحصر به فرد و چشمگیر این پرتوها به سرعت بوسیله پزشکان به خدمت گرفته شد و نقش کاتالیزوری را برای توسعه فناوری های مدرن تر تصویربرداری ایفا کرد. در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها آشنا شوید.

نخستین گام ها

رونتگن نخستین بار در هشتم نوامبر 1895 (17 آبان 1274) و تنها یک ماه پس از استفاده از لوله های کروکس متوجه پرتوهای ایکس شد. هیچکس به درستی نمی داند در آن روز چه اتفاقی افتاد، چون رونتگن وصیت کرد پس از مرگش تمام یادداشت هایش را بسوزانند؛ اما گمان می شود او مشغول تحقیق روی پرتوهای کاتدی بود که متوجه می شود یکی از پرده های اتاق شفاف شده است. او نام «پرتوهای ایکس» را روی آن گذاشت تا ماهیت مرموز و ناشناخته آن را نشان دهد.

رونتگن دیگر کارهایش را کنار گذاشت و شش هفته عمرش را بی وقفه صرف مطالعه پرتوهای جدید کرد. او متوجه شد این پرتوها قادرند از میان طیف وسیعی از مواد مثل کتاب و کاغذ عبور کنند، اما مواد دیگری مثل سرب مسیر آنها را سد می کنند. چند روز پیش از فرا رسیدن کریسمس، او تصویری از دست چپ همسرش «برتا»، با قرار دادن آن بین منبع پرتو ایکس و صفحه عکاسی تهیه کرد. احتمالاً این عکس نخستین تصویر تهیه شده با استفاده از پرتوهای ایکس نبود، اما با استخوان هایی که به خوبی در عکس دیده می شوند، نخستین عکسی بود که با قصد و هدف قبلی گرفته شده بود.

بهره برداری از پرتوهای ایکس

امروزه می دانیم پرتوهای ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی هستند، یعنی روی همان طیفی قرار دارند که نور مرئی را می بینیم. وقتی الکترون های منتشر شده کاتد لوله های کروکس با آند دستگاه برخورد می کنند، حدود یک درصد از انرژی تولید شده به شکل پرتوهای ایکس تابش می شود. در حالی که نور مرئی بوسیله بدن جذب می شود، فرکانس های بالاتر پرتوهای ایکس از میان بدن ما عبور می کنند. مواد مختلف مقادیر متفاوتی از پرتوهای ایکس را جذب می کنند. مواد چگال مثل استخوان ها مقدار بیشتری از این پرتوها را به خود جذب می کنند، در نتیجه در تصاویر تهیه شده با پرتو ایکس به دلیل آنکه بخشی از فیلم عکاسی که در سایه آنها قرار می گیرد تابش کمتری دریافت می کند، استخوان ها به خوبی مشاهده می شوند.

فراوانی لوله های کروکس در آزمایشگاه های تحقیقاتی آن زمان به معنی این بود که دیگر محققان هم می توانستند به سرعت آزمایش های خودشان را آغاز کنند. همچنین، خبر وجود روشی که به ما اجازه می داد درون بدن را ببینیم، به سرعت تلگراف های دنیا را درنوردید. 16 ژانویه 1895 (26 دی 1274)، روزنامه نیویورک تایمز مقاله ای درباره این شیوه جدید عکاسی منتشر کرد که پیش بینی می کرد با هدایت جراحان برای مکان یابی اجسام خارجی باعث زیر و رو شدن جراحی‌ خواهد شد. تنها طی چند هفته پس از انتشار یافته های رونتگن، استفاده پزشکی از پرتوهای ایکس آغاز شد. پزشکی آلمانی از پرتوهای ایکس برای تشخیص سرطان استخوان در پای یک پسربچه استفاده کرد و داستان های مختلفی درباره شناسایی گلوله و دیگر اجسام فلزی در بدن بیماران با استفاده از آن وجود دارد. در انگلستان، پزشکی اهل بیرمنگام به نام جان هال ادواردز نخستین کسی بود که در همان سال، از عکس های پرتو ایکس برای هدایت جریان جراحی استفاده کرد. عکس پرتو ایکس دست برتا توجه عمومی را به خود جلب کرد و خیلی زود، پرتوهای ایکس برای تهیه «پرتره های استخوانی» به قصد یادگاری، الهام بخشی شاعران، سرودن ترانه ها و نمایشنامه های تئاتر کاربرد یافتند.

اما خوشبختانه، خطرات پرتوهای ایکس هم نسبتاً سریع پدیدار شد. رویکرد هیجان زده ای که خیلی ها برای استفاده از این پرتوهای نامرئی داشتند، به گزارش هایی از سوختگی، زخم های دردناک، ریزش مو و بعدها ابتلا به تومور منجر شد. بعضی از آزمایشگران، از جمله هال ادواردز، مجبور به قطع بازوهایشان در اثر ابتلا به سرطان یا آماس پوستی ناشی از پرتوهای ایکس شدند. همچنین، تصاویر اولیه پرتو ایکس چندان شفاف نبودند. اگر قرار بود از پتانسیل بی نظیر پرتوهای ایکس بهره گرفته شود، شرایط باید تغییر می کرد.

مهار کردن پرتوهای ایکس

برای تهیه یک عکس پرتو ایکس، به منبع پرتوهای ایکس و راهی برای ثبت تصویر نیاز دارید. هر دوی این مولفه ها تنها طی چند دهه تغییر کردند. لوله های کروکس اولیه برای چنین هدفی طراحی نشده بودند، مشکلی که تولید کنندگان لوله های پرتو ایکس «کاتد سرد» را دلگرم کرد که بازار به آنها رو خواهد کرد. اما این ابزارها چندان قابل اعتماد نبودند، به سرعت از کار می افتادند و پرتوهای ایکس را در همه جهات منتشر می کردند.

سال 1913، فیزیکدان آمریکایی ویلیام کولیج (William D. Coolidge) که از کارمندان شرکت جنرال الکتریک بود، با الهام از کارهای یکی از همکارانش، نخستین لوله های پرتو ایکس «کاتد گرم» را ساخت. این ابزار منبع متمرکز و قابل اعتمادی از پرتوهای ایکس بود که لوله آن در جعبه ای از جنس سرب جای گرفته بود و جز بیماری که مقابل آن قرار می گرفت، دیگر افراد را از قرارگیری در معرض پرتوها مصون می کرد. (نسخه هایی از لوله های کولیج هنوز هم استفاده می شوند.)

مولفه دوم صفحات شیشه ای عکاسی بودند که با ترکیبات حساس به نور، رنگ می شدند. این صفحات تا سال 1918 برای ثبت عکس های پرتو ایکس استفاده می شدند، تا اینکه فیلم های رادیوگرافی از سوی شرکت کداک معرفی شدند. امروزه، در بسیاری از بیمارستان ها و کاربردها، فیلم های رادیوگرافی هم با شناساگرهای دیجیتال جایگزین شده اند.

همزمان که این تغییرات فنی رخ می دادند، تغییراتی در زیرساخت های بالینی و بیمارستانی هم ایجاد شد. نخستین واحد آموزشی پرتوهای ایکس سال 1897 در درمانگاه سلطنتی گلاسکو احداث شد و تصویرهای پرتو ایکس خیلی زود به بخشی از تمرین ها و آموزش های روزمره پزشکی تبدیل شدند. چندی بعد، پزشکی فرانسوی به نام آنتونی بکلر (Antoine Beclere) نخستین دانشکده پرتو ایکس را در پاریس راه اندازی کرد و واژه «رادیوگرافی» را به نام خود سند زد. تجهیزات متنوعی مانند صفحات سربی، پیش بندها و دستکش های مخصوص برای کارکنان تهیه تصاویر پرتو ایکس همگی از ابداعات بکلر هستند.

در حالی که پرتوهای ایکس کمک مفیدی برای جراحانی بودند که به دنبال خارج کردن اجسام خارجی یا تومورها بودند، تحلیل اندام های داخلی بدن کار دشوارتری بود. حتی با وجود اینکه روش های عکسبرداری بهبود پیدا می کردند، تصویرسازی بافت های نرم به چالشی بزرگ‌ تبدیل شده بود. این مشکل با معرفی «ماده حاجب» برطرف شد؛ مایعاتی که برای پرتوهای ایکس کدر بودند و بنابراین آشکارساز اندامی بودند که در آن نفوذ می کردند. در سال 1906، بکلر پیشگام عکاسی پرتو ایکس با استفاده از «خوراک باریمی» از دستگاه گوارش بود؛‌ مخلوطی از آب و باریم سولفات که بلعیده می شد تا طرح کلی مری و معده را آشکار کند. (امروزه از این روش هنوز هم برای آشکارسازی انسدادها و تومورهای دستگاه گوارش استفاده می شود.)

بعدها، مواد حاجب بر پایه یُد برای تصویربرداری از دستگاه گردش خون و کلیه ها توسعه داده شدند.

روش های دیگر

به موازات تصویربرداری سنتی پرتو ایکس، فلوئوروسکوپی (Fluoroscopy) هم توسعه داده شد. این روش از اصولی مشابه تصویربرداری پرتو ایکس استفاده می کند، اما به جای تهیه تصاویر ساکن، پزشکان می توانند درون بدن را به شکل زنده مشاهده کنند. نخستین فلوئوروسکوپ که چند ماه پس از کشف رونتگن ساخته شد، ابزاری دوکی شکل بود. انتهای پهن تر آن با مقوای نازکی پوشانده شده بود که با یک لایه نمک فلزی موسوم به باریم پلاتینوسیانید رنگ می شد و با قرارگیری در معرض پرتو ایکس،‌ از خود تابش فلوئورسان منتشر می کرد. بیمار بین منبع پرتو ایکس و فلوئوروسکوپ قرار می گرفت و کاربر در شکاف تعبیه شده در انتهای باریکتر نگاه می کرد و می توانست تصویری زنده از داخل بدن بیمار مشاهده کند.

توماس ادیسون نخستین فلوئوروسکوپ تجاری را در اوایل قرن بیستم تولید کرد که در آن، باریم پلاتینوسیانید با کلسیم تنگستن جایگزین شده بود که تابش فلوئورسان روشن تری داشت. با وجود این بهینه سازی، تابش فلوئورسان بیش از اندازه کم نور بود که در نور روز دیده شود. کاربران فلوئوروسکوپ های اولیه مجبور بودند کار خودشان را در اتاق های تاریک انجام دهند و پیش از آغاز کار،‌ چند دقیقه ای را صبر کنند تا چشمانشان به تاریکی عادت کند. بخشی از این مشکل در سال 1916 و با ساخت عینک های مخصوص، و بخش دیگر آن با ساخت تقویت کننده های تصویر برطرف شد، این تقویت کننده ها که در دهه 1940 اختراع شدند، تابش فلوئورسان را به نور مرئی تبدیل می کردند. در دهه 1950 هم فلوئوروسکوپ ها با دوربین های مدار بسته ترکیب شدند. اکنون پزشکان قادر بودند تصاویر را روی نمایشگری در اتاقی دیگر و به دور از منبع پرتو ایکس مشاهده کنند. امروزه از روش فلوئورسکوپی برای راهنمایی لحظه ای جراحان، مثل نصب پلاتین روی استخوان های شکسته، استفاده می شود.

قدرت کامپیوتر

وقتی یک عکس پرتو ایکس تکی را می بینید، آن تصویر تنها از یک زاویه گرفته شده است. به عبارت دیگر، در آن عکس اندام‌ ها و استخوان های بدن روی هم افتاده اند و تحلیل جداگانه آنها دشوار است. در دهه 1930، رادیولوژیست ایتالیایی الساندرو واله بونا (Alessandro Vallebona) روشی را پیشنهاد کرد که تصاویر شفافی از برش هایی از بدن تولید می کرد. برای اینکار، لوله پرتو ایکس و شناساگر به صورت مکانیکی در جهت مخالف هم به دور جسم می چرخیدند و به این ترتیب، هر لحظه تصویر شفافی از یک بخش می گرفتند. روش او که توموگرافی نامگذاری شده بود (واژه توموس (tomos) در یونانی به معنی برش زدن است) رفته رفته و طی سال های میانی قرن بیستم بهبود پیدا کرد، اما استفاده آن در حد محدودی باقی ماند.

ورود کامپیوتر به صحنه، انقلاب را در زمینه های گوناگون ایجاد کرد و پزشکی و تصویربرداری پرتو ایکس هم یکی از آنها بود. در سال 1967، مهندس انگلیسی به نام گادفری هانسفیلد (Godfrey Hounsfield) تصویربرداری توموگرافی محاسباتی یا همان سی تی اسکن را ابداع کرد که اساساً،‌ نسخه کامپیوتری شده روش واله بونا بود. در مقایسه با تصویربرداری پرتو ایکس سنتی، سی تی اسکن عکس هایی بی شمار با جزئیات فراوان می گرفت و آنها را پیش از استفاده برای تشخیص پزشکی پردازش می کرد. مهم ترین مزیت سی تی اسکن این بود که مجموعه‌ برش های دو بعدی تولید شده این قابلیت را داشتند که به صورت دیجیتالی به هم وصله شوند و تصویری سه بعدی از بدن ایجاد کنند.

سال 1971، نخستین سی تی اسکن درمانی برای بیماری مشکوک به تومور مغزی انجام شد و دستگاه های سی تی اسکن از سال بعد وارد بیمارستان ها شدند. سه سال پس از آن و در سال 1975، نخستین سی تی اسکن تمام بدن هم وارد بازار شدن و جایزه نوبل سال 1979 هم برای ابداع این روش تصویربرداری به هانسفیلد (مشترک با آلن کورمک فیزیکدان) رسید.

برای چشمان امروزی، تصویر تهیه شده در سال 1971 حالتی پیکسل زده دارد (آن تصویر تنها 80×80 پیکسل بود) اما نخستین باری بود که علم موفق شده بود داخل مغز یک انسان را بدون صدمه زدن به او ببیند. تهیه هر برش تصویر در اسکن های اولیه هانسفیلد پنج دقیقه طول می کشید، اما دستگاه های امروزی برای تهیه تصاویری به مراتب با کیفیت تر تنها به کمتر از یک ثانیه زمان نیاز دارند. سی تی اسکن های امروزی برای بررسی شرایط خاص استخوانی هم استفاده می شوند، اما اهمیت آنها در توانایی شان برای تصویربرداری از بافت نرم است که به شناسایی سرطان یا آسیب اندام های داخلی کمک می کند.

سال 2011 گروهی از محققان مجموعه تجهیزات تصویربرداری پرتو ایکس 1896 را احیاء کردند – که یک لوله کروکس قدیمی هم در بین آنها وجود داشت – تا آن را با کیت های مدرن امروزی مقایسه کنند. طبق نتایج بدست آمده، در آن دوران برای تهیه تصویری از دست بیمار، شخص دوز پرتو ایکسی 1500 برابر استاندارد امروزی دریافت می کرد. همچنین بیمار مجبور بود دستش را 90 دقیقه بی حرکت نگه دارد که به هیچ وجه با زمان 20 میلی ثانیه ای امروزی قابل مقایسه نیست. تصویربرداری پرتو ایکس راهی طولانی را طی کرده است و با وجود اینکه روش های تصویربرداری جدیدتری همچون MRI توسعه داده شده اند، به نظر می رسد کماکان این روش جایگاه خود را تا مدت ها حفظ خواهد کرد.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «از کجا می دانیم چگونه از داخل بدن عکس بگیریم؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.