Behzad AZ
06-21-2010, 12:35 PM
امواج صوتی والکترومغناطسی
اشعه ایکس یا پرتو ایکس (اشعه رونتگن) نوعی از امواج الکترومغناطیس با طول موج حدود ۱۰ تا ۱۰-۲ آنگستروم است که در بلورشناسی و عکسبرداری از اعضای داخلی بدن و عکسبرداری از درون اشیای جامد و به عنوان یکی از روشهای تست غیرمخرب در تشخیص نقصهای موجود در اشیای ساخته شده (مثلاً در لولههاو...) کاربرد دارد.
تاریخچه
اشعهٔ ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط و.ک.روتنگن (رنتگن)، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، اشعهٔ ایکس نامیده شد. او پی برد که برخورد پرتوهای کاتدی بر جدارههای لامپ خلاء، پرتوهایی نامرئی با قدرت نفوذ بسیار زیاد تولید میکند که بر روی فیلمهای عکاسی تأثیر میگذارند. این پرتوها توانایی عبور از لایههای ضخیم مواد کدر، از جمله بافتهای بدن انسان را داشتند. این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاهند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی.گ.بارکلا انجام گرفت، تائید شد. اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیلهی فون لاوه ارائه شد.
انواع پرتو ایکس
• پرتو ایکس تکفام (تک رنگ): پرتو ایکسی که فقط دارای یک طول موج خاص است را پرتو ایکس تکفام مینامند.
• پرتو ایکس سفید (پیوسته): پرتو ایکسی که تکفام نبوده و دارای طول موجهایی در بازهٔ λ1 تا λ2 است.
روشهای تولید
در هنگام برخورد الکترونهای با سرعت بالا به فلزات، الکترونهای لایههای پایینتر به لایههای بالاتر منتقل شده (اتمها برانگیخته میشوند) و در هنگام برگشت الکترونها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل میکنند. بنابراین هر لامپ تولید اشعه ایکس باید شامل:
• منبع الکترون
• میدان شتابدهنده به الکترونها
• هدف فلزی
باشد. بعلاوه از آنجایی که قسمت عمدهی انرژی جنبشی الکترونها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل میشود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک میکنند تا ذوب نشود.
ایمنی
پرتو ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و میتواند آسیبهای زیستی قابل توجهی را پدید آورد. این آسیبها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی میباشند.
گستره اشعه فرابنفش
اشعه فرابنفش بین طول موجهای 0.0144 میکرومتر و 0.39 میکرومتر است. اشعه فرابنفش را به سه منطقه تقسیم میکنند:
• ماورا بنفش با طول موج بلند یا ماورا بنفش A : این اشعه بین طول موجهای 0.39 و 0.315 میکرومتر قرار دارد. نسبت این اشعه در نور آفتاب ، قوس الکتریکی زغال و چراغهای الکتریکی معمولی زیاد است.
• ماورا بنفش با طول موج متوسط یا ماورا بنفش B : این اشعه بین طول موجهای 0.315 و 0.28 میکرومتر است. این اشعه در نور چراغ بخار جیوه و قوسهای الکتریکی با الکترودهای فلزی وجود دارد، تاثیر آنها در پوست شدید است.
• ماورا بنفش با طول موج کوتاه یا ماورا بنفش C : این اشعه شامل طول موجهای کوتاهتر از 0.28 میکرومتر است و فقط در قوس الکتریکی جیوه وجود دارد.
جذب اشعه فرابنفش
• از شیشه معمولی فقط اشعه فرابنفش A عبور میکند. در صنعت شیشههایی با ترکیبات مخصوص میسازند که طول موج 0.26 یعنی ماورا بنفش B و A و قسمتی از C را نیز عبور دهد.
• شفافیت کوارتز خیلی بیشتر از شیشه است و فقط طول موجهای کوتاهتر از 0.18 میکرومتر در آن جذب میشود. به همین سبب حبابهای چراغهای مولد اشعه فرابنفش را از کوارتز تهیه میکنند.
• آب خالص برای اشعه فرابنفش ، شفافترین مایعات است و طبقات نازک آن امواج بلندتر از 0.2 میکرومتر را از خود عبور میدهند.
• گازها معمولا برای اشعه فرابنفش ، شفاف هستند و طول موجهای بلندتر از 0.18 میکرومتر از لایههای نازک هوا بخوبی عبور میکنند.
منابع اشعه فرابنفش
منابع اشعه فرابنفش خیلی زیاد است. تعدادی از آنها عبارتند از:
قوس الکتریکی زغال
نسبت اشعه فرابنفش در قوس الکتریکی زغال نسبتا کم است، ولی اگر اکسیدهای فلزی به الکترودهای زغالی اضافه کنند، مقدار این اشعه افزایش مییابد. برای این کار الکترودهایی میسازند که در آنها یک غلاف زغالی دور اکسید فلزی را گرفته است. قوسهایی که الکترود آنها از فلز خالص ساخته شده باشند، نیز به نسبت زیاد اشعه فرابنفش دارند.
چراغهای بخار جیوه
مهمترین و متداولترین منابع اشعه فرابنفش چراغهای بخار جیوه هستند که با مصرف کم نیروی الکتریکی ، مقدار زیادی اشعه فرابنفش تولید میکنند. قسمت اساسی لامپ از لولهای از جنس کوارتز ساخته شده است که در دو طرف آن دارای دو مخزن جیوه است.
اندازه گیری اشعه فرابنفش
اساس اندازه گیری اشعه فرابنفش متکی به خواص فیزیکی و شیمیایی آن است. وسایلی که برای اندازه گیری اشعه فرابنفش وجود دارد، اکتی نومتر (Actinometer) نامیده میشود و به سه دسته تقسیم میشود:
• پیل ترموالکتریک : جسمی را که کلیه اشعه را جذب میکند، در معرض تابش اشعه قرار داده و حرارت حاصله را اندازه گیری میکنند.
• اکتی نومتر فیزیکی : مهمترن این نوع اکتی نومترها سلول فوتوالکتریک (Photoelectric) است که از یک حباب از جنس کوارتز که به خوبی تخلیه شده است، تشکیل شده و نیز شامل دو الکترود است.
• اکتی نومتر شیمیایی : املاح نقره در اثر تابش اشعه فرابنفش احیا شده و چون نقره آن آزاد میگردد، املاح سیاه رنگ میشود. اکتی نومتری که متکی به خاصیت فوق است، اکتی نومتر بوردیه (Bordier) است.
خواص فیزیکی و شیمیایی اشعه فرابنفش
خواص فیزیکی اشعه فرابنفش
خاصیت فوتوالکتریک
اگر اشعه فرابنفش به فلزات بتابد، از آنها الکترون جدا میکند، ولی جدا شدن الکترون در کلیه فلزات به یک اندازه نیست و حساسیت کادمیوم بیش از همه میباشد. مقدار الکترونی که از فلز جدا میشود، متناسب با مقدار انرژی اشعهای است که به آن میتابد
خواص شیمیایی اشعه فرابنفش
خاصیت فلوئورسانس
یکی از خواص مهم و جالب اشعه فرابنفش خاصیت فلوئورسانس آن میباشد. اگر در مقابل اشعه فرابنفش و یا یک چراغ بخار جیوه ، اجسامی از قبیل گچ و کولوفان (Colophan) و محلول سالسیلات دو سود یا آنتی پیرین و یا بعضی از سنگهای معدنی را قرار دهند، ملاحظه میشود که هر یک به نسبت جذب اشعه به رنگهای مختلف درخشندگی پیدا میکند. این خاصیت نیز بستگی به طول موج و شدت جذب اشعه دارد. بعضی اجسام در مقابل اشعه فرابنفش با موج بلند این خاصیت را ندارند و به عکس در مقابل اشعه فرابنفش با موج کوتاه خاصیت فلوئورسانس پیدا میکند.
خاصیت فوتو شیمیایی
اشعه فرابنفش باعث تعداد زیادی فعل و انفعالات شیمیایی میشود و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه 0.3 میکرومتر شدیدتر است. از جمله مانند نور مرئی که املاح نقره را تجزیه و فلز آنها را آزاد میسازد و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه بیشتر است. مدتها برای اندازه گیری مقدار اشعه فرابنفش از این خاصیت استفاده میکردند.
کاربرد اشعه فرابنفش
1. برای ضد عفونی کردن آبها
2. تحریک پذیری شدید روی اعضای حسی سطحی
3. تخریب نسوج
4. تخریب باکتریها
اصول توموگرافی
توموگرافی
- سیستمهای توموگرافی حرکتی:
اطلاعات مربوط به عمق را در بر دارد و در همه سطوح به جز سطح مورد نظر ، عدم وضوح یا رنگ باختگی حرکت عمومی ایجاد می کند.
در این روش لوله اشعه ایکس و فیلم را حول محوری واقع در صفحه مورد نظر از بدن حرکت میدهند. و اسکن به صورت خطی یا پیچشی یا دایره ای صورت می گیرد.
قدرت این روش برای جداکردن یک روش خاص محدود است چون فقط می تواند صفحات غیر دلخواه را کم رنگ کند. کیفیت وضوح تصویر با رادیوگرافی معمولی فرقی ندارد.
توموگرافی محوری کامپیوتری این مزیت را دارد که قادر به تولید تصویر ایزوله از یک قسمت و حذف کامل قسمتهای دیگر است.
- اسکنرهای توموگرافی محوری کامپیوتری(CAT)
- محاسن:
1. به دلیل تولید تصاویر مقطعی مستقل عوامل تداخلی سطح دلخواه را کاهش نمیدهند.
2. فقط قسمت مورد نظر پرتودهی می شود ، در نتیجه دوز اشعه ایکس کم است.
3. اختلافات تضعیف بافتی کمتر از یک درصد را می توان مشاهده کرد.
1.1.2. CT اسکن
مقطع نگاری کامپیوتری:
اسکنر آن انقلابی در عرصه پزشکی بوجود اورده است زیرا این اسکنر تصویررا به طور معمول ثبت نمیکند .در این اسکنر هیچ گیرنده تصویر عمومی مثل فیلم یا تیوب تقویت کننده تصویر وجود ندارد در این جا بیمار مستقیما در عرض باریکه پرتو X قرار میگرد. پرتو تشکیل دهنده تصویر تضعیف شده بوسیله آشکار ساز اندازه گیری میگردد.حاصل این اندازه گیر به یک کامپیوتر فرستاده می شود،سپس کامپیوتر سیگنال رسیده از اشکار ساز را تحلیل کرده وتصویر را بازسازی می کندو تصویر نهایی را بر روی یک نمایشگر نشان می دهد.این تصویر را می توان برای ارزیابی های بعدی به صورت عکس درآورد. بازسازی تصویری که از برش عرضی آناتومی بدن بدست آمده با استفاده از الگوریتم صورت میگیرد کیفیت تصویری که از اسکنرهای آن بدست می آیدو بسیار بیشتر از رادیوگرافی معمولی است
اصول عملکرد:
هنگامی که با تکنینک رادیوگرافی معمولی محدوده شکم به تصویر کشیده می شود تصویر به طور مستقیم بر روی گیرنده تصویر به وجود می آید که این تصویر دارای کنتراست نستبا کمی است .
تصویر به اندازه مورد نظر واضح نیست زیرا همه ساختارهای آناتومی داخل شکم بر روی هم افتاده اند. برای مشاهده بهتر یک ساختار شکم مثل کلیه ها مقطع نگاری معمولی (conventional tomography) را میتوان مورد استفاه قرار داد در مقطع نگاری معمولی به علت اینکه ساختارهایی که بالا و پایین ساختار مورد نظر قرار دارند محو می شوند ساختار مورد نظر دارای کنتراست بیشتری خواهد بود و ضمنا تصاویر کمتر دچار تیرگی و محو شدگی خواهد بود
مقطع نگاری معمولی مقطع نگاری محوری (axial tomography) است زیرا صفحه تصویر موازی با محور طولی بدن است که نتیجه این امر تصاویر coronalو, sagittal است .در scan آن تصویر بصورت عرضی یا مقطعی است و تصویر عمود بر محور طولی بدن است.
منبع پرتو ایکس و آشکار ساز به گونه ای به یکدیگر متصل می شوند که همزمان با هم حرکت کنند.هنگامی که منبع اشکار سازی جاروب روی مقطع عرضی بیمار را انجام میدهد ساختارهای داخلی بدن بنابر چگالی جرمی وعدد موثرشان باریکه پرتو X راتضعیف می کنند. شدت پرتو گرفته شده توسط آشکار ساز مطابق با الگوی تضعیف یک intensity profile را تشکیل می دهد با تکرار حرکت انتقالی منبع آشکار ساز تعداد بیشتری protection بدست می آید. سپس این داده ها ی بدست آمده برای پردازش و بازسازی تصویر به کامپیوتری فرستاده می شود
پرتو گاما گونهای تشعشع الکترومغناطیسی است که در فرآیند تباهی هستهای یا در برهمکنشهای زیر اتمی پدید میآید.
با توجه به اینکه اشعه گاما نوعی تشعشع الکترومغناطیسی است، فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمیگردد و لذا برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمیدهند. معمولاً اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هستههای اتمهای ماده جذب کننده احساس میکند. در این برهمکنشها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید میگردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظهای تغییر مییابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش مییابد.
[ویرایش] فروپاشی گاما
در فروپاشی گاما، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایینتر یا حالت پایه آن میرود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر میگردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:
AZX*-------->AZX + γ
که در آنX و X* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.
حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما، فقط زمانی به عنوان ایزومر هستهای در نظر گرفته میشود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازهای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف میگردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونهها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار میرود.
حالتهای فروپاشی گاما نشر اشعه گامای خالص : در این حالت فروپاشی گاما، اشعه گامای منتشر شده بهوسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولاً از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت است، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه است، ولی این انرژی معمولاً نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و میتوان از آن صرفنظر کرد.
حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی : در این حالت فروپاشی، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته میگردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع میشود. اشعه گاما منتشر نمیشود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه، الکترونهای اوژه، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی است. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هستهای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی است.
با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اربیتال اتمی میشود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.
حالت فروپاشی بصورت جفت : برای گذارهای هستهای با انرژیهای بزرگتر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب میشود. در این فرآیند، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار میرود.
انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.
تاريخچه پرتوپزشکی:
يكي از روشهاي تشخيصي و درماني ارزشمند در طب، پزشكي هسته اي مي باشد. كه تبلور آن از ابتدا تا كنون تلفيقي از كشفيات مهم تاريخي بوده است. اولين جرقه در سال 1895 با كشف اشعه X و در 1934 با كشف مواد راديواكتيو زده شد. اولين استفاده كلينيكي مواد راديواكتيو، در سال 1937 جهت درمان لوسمي در دانشگاه كاليفرنيا در بركلي بود. بعــــــد از آن در 1946 با استــــــفاده از اين مواد توانستند در يك بيمار مبتلا به سرطان تيروئـــــيد از پيشرفت اين بيماري جلوگيري كنند.
البته تا 1950 كاربرد كلينيكي مواد راديواكتيو بطور شايع رواج نيافت و مسكوت ماند. طي سالهاي بعد از آن متخصصين و فيزيكدانان به اين واقعيت پي بردند كه مي توان از تجمع راديو داروها در ارگان هدف تصاويري از آن تهيه نمود و يا به درمان بافت آسيب ديده كمك نمود. بطوريكه در اواسط دهه 60 مطالعات بسياري در خصوص طراحي تجهيزات لازم آغاز گشت. در دهه 1970 توانستند با جاروب نمودن از ارگانهاي ديگر بدن مانند كبد و طحال، تومورهاي مغزي و مجاري گوارشي تصاويري را تهيه نمايند. و در دهه 1980 از راديو داروها جهت تشخيص بيماري هاي قلبي استفاده نمودند و هم اكنون نيز با ضريب اطمينان بسيار بالايي از پزشكي هسته اي در درمان و تشخيص و پيگيري روند درمان بيماريها استفاده مي گردد.
پرتوپزشکی چیست؟
پرتوپزشکی شاخهاي از پزشکي است که در آن تشعشع خواص هستهاي نوکليدهاي راديواکتيو و نوکليدهاي پايدار ، هم براي تشخيص و هم براي درمان امراض بکار ميروند. اين امر ميتواند يا با پرتودهي مستقيم مريض با يک چشمه تشتعشع خارجي يا با تزريق داروهاي نشاندار با راديواکتيويته به مريض تحقق يابد .
*راديو دارو
داروهاي نشاندار راديواکتيو که به مريض تزريق يا خورانده ميشوند، به نام راديو داروها معروف هستند. دارويي هستهاي يا راديو فارماکولوژي روش دارويي خاصي است که با ترکيبات ، آزمايش يا تزريق مناسب راديو دارو به مريض ارتباط دارد.
کاربرد راديوداروها
*روشهاي تشخيص زنده
روشهاي تشخيص زنده آن روشهايي هستند که در آنها يک راديو دارو در سيستم يک مريض زنده ، بطريق خوراندن ، تزريق ، يا با استنشاق وارد ميگرددم اشعه گاماي نشر شده بوسيله راديو داروها براي تامين اطلاعات مورد نياز بر روي صفحه کامپيوتر قابل مشاهده هستند.
روشهاي تشخيص غير زنده
روشهاي غير زنده آنهايي هستند که روي نمونههاي برداشته شده از يک مريض انجام ميگيرد. تعدادي از اين روشها مستلزم بکارگيري راديو داروها است. ولي مهمترين آنها روش راديو ايمونواسي (RIA) ميباشد.
راديو ايمونواسي و تاثير آن در پزشکي
راديو ايمونواسي نوعي تجزيه بطريق رقيق کردن ايزوتوپي (IDA) ، جزو استو کيومتري است که در آن عنصر مورد تجريه نشاندار و غير نشاندار براي پيوند با مقادير محدود مولکولي که بطور خاص با عنصر مورد تجزيه پيوند ميدهد، رقابت ميکند. RIA بطور گسترده در آزمايشگاههاي پزشکي براي تعيين هورمونها ، داروها ، ويروسها ، و ديگر گونههاي آلي در سطح جهان بکار ميرود. شروع RIA به سالهاي 1950 ، با بررسي S.Berson و R.Yalow برروي متابوليسم انسولين B1I در مريضهاي ديابتي بر ميگردد.
Berson و Yalow دريافتند که مريضهاي ديابتي موادي در سرم خون دارند که با انسولين پيوند ميدهند. آنها مشاهده کردند که انسولين نشاندار و غيرنشاندار با اين ماده پيوند دهنده رقابت کرده، و اين مقدار انسولين غيرنشاندار موجود ، مقادير انسولين نشاندار را که پيوند داده متاثر ميکند. آنها در اين مطالعه توانايي روش ، جهت ارزيابي انسولين را دريافتند. RIA از آن زمان تا کنون پيشرفتهاي گستردهاي را در روشهاي پزشکي با کاربردهاي وسيع براي اندازه گيري مقادير بسيار کم بسياري از بيو مولکولهاي مهم نموده است.
کاربردهاي درماني تشعشع
کاربردهاي درماني تشعشع و راديو داروها نسبت به کاربردهاي تشخيص محدودتر هستند. زماني که تشعشع براي درمان بکار ميرود، مقصود نابود نمودن يک قسمت خاص از نسوج مريض با تشعشع است. چشمه تشعشع ميتواند داخلي و خارجي باشد.
چشمههاي مورد استفاده در درمان
چشمههاي خارجي تشعشع در حال حاضر اساسا در شکل باريکههاي الکتروني يا اشعه ايکس است. بسياري از دستگاهها ميتوانند براي توليد اين تشعشعات بکار روند. ولي شتابدهندهاي خطي کوچک بيشترين کاربرد را دارند. الکترونهاي با انرژيهاي 4 تا 15 ميليون الکترون ولت براي درمان سرطانهايي که نزديک سطح بدن هستند، مانند سرطانهاي پوست ، سينه ، سر و گردن بکار ميروند.
زماني که نفوذ بيشتري از تشعشع لازم باشد، اشعه گاما از يک چشمه بسته راديو نوکليد مورد استفاده قرار ميگيرد. 60Co بطور گستردهاي براي اين منظور بکار رفته است، ولي در حال حاضر 137Cs ترجيح داده ميشود. علاوه بر تشعشع خارجي يک عضو ممکن است، يک سوزن يا دانه راديواکتيو را در داخل بدن مريض کاشت و لذا تنها مقاطع خاصي را که بايد نابود شوند، پرتودهي نمود. در اين رابطه کاشتهاي 198Au و 125I متداول است.
تصویر برداری در پرتوپزشکی
مشکل تصویر برداری از بدن انسان این است که ماده ای کدر و غیر شفاف است، نگاه کردن درون بدن انسان نیز بطور کلی دردناک است. در گذشته روش معمول دیدن درون بدن انسان جراحی بود! اما امروزه با استفاده از انبوهی از روشهای جدید دیگر نیازی به این روشهای وحشتناک نیست. تصویر برداری اشعه X، MRI، تصویر برداری CAT و مافوق صوت برخی از این تکنیک ها هستند. هر کدام از این تکنیک ها مزایا و معایبی دارند که باعث می شود برای شرایط مختلف واعضای مختلف بدن مفید باشند.
تکنیک های تصویر برداری پزشکی هسته ای روشهای جدیدی را برای نگاه کردن به درون بدن انسان برای پزشکان فراهم می کند. این تکنیک ها ترکیبی از استفاده از کامپیوتر، حسگرها و مواد رادیواکتیو است. این روشها عبارتند از:
• توموگرافی با استفاده از تابش پوزیترون (PET)
• اسپکت SPECT
• تصویر برداری قلبی – عروقی
• اسکن استخوان
هر کدام ازاین روشها از یکی از خصوصیات عناصر رادیواکتیو برای تولید یک تصویر استفاده می کنند.
تصویر برداری در پزشکی هسته ای برای شناسایی موارد زیر بسیار مفید است:
• تومورها
• آنوریسم Aneurysms
• نارسایی سلول های خونی و اختلال در عملکرد دستگاههای بدن مثل غده تیروئید و ریه
استفاده از هر کدام از این روشهای خاص یا مجموعه ای از آنها بستگی به علائم بیمار و نوع بیماری دارد.
کلمه سونوگرافی از لفظ لاتین sono به معنی صوت و نیز graphic به معنی شکل و ترسیم گرفته شده و ultrasound از ultra به معنی ماورا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده است.
تاریخچه
در سال 1876 میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی بوجود امواج فراصوت برد. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم انگیز کشتیهایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریاییها به کمک امواج صوتی به نام صوتیاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید میکرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده میشد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گستردهای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار میگرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت Sonar به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.
سیر تحولی در رشد
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال 1937 میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان امتحان شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم در آمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاههای تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده است.
تعریف امواج فراصوت
امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته میشود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت میکند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمیشود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ میدهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم.
روشهای تولید امواج فراصوت
روش پیزوالکتریسیته
تأثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته میگویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید میکنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها میشود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج میشود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک میگویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین مادهای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده میشد که اکنون هم استفاده میشود.
اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده میشود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه میشوند. از نمونه این نوع کریستالها، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطهای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) میگویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار میرود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.
روش مگنتو استریکسیون
این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبیهای مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبیهای مجاور خود همخط شوند) تحت تأثیر میدان مغناطیسی بوجود میآید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول میدهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در میآیند و میتوانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.
کاربرد امواج فراصوت
1. کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)
2. بیماریهای زنان و زایمان (Gynocology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان.
3. بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
4. بیماریهای چشم (ophthalmalogy) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
5. بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.
6. بیماریهای قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
7. دندانپزشکی مانند اندازهگیری ضخامت بافت نرم در حفرههای دهانی.
8. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمیکنند. بنابراین برای زنان و کودکان بیخطر هستند.
9. کاربرد درمانی (سونوتراپی)
10. کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت بهوسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل میشود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع میکند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش میدهد. کشش در جوشگاههای زخم (scars) افزایش میدهد و باعث بهبود آنها میشود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها میشود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است.
میکروماساژ مکانیکی
به هنگام فشردگی و انبساط محیط، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر میگذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) میشوند.
درمان آسیب تازه و ورم :آسیب تازه معمولاً با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار میرود.
درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را میشکند.
خطرات فراصوت
سوختگی
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی میشود و باید امواج حرکت داده شوند.
پارگی کروموزومی
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان میدهد.
ایجاد حفره
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظهای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها میتواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاختهها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ).
عناصر راديواكتيو معمولا سه نوع ذره يا اشعه از خود صادر ميكنند كه شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه راديواكتيو تحت تاثير ميدان مغناطيسي متوجه شدهاند كه ذره آلفا داراي بار مثبت ، بتا داراي بار منفي و اشعه گاما بدون بار است. خواص ذره آلفا جنس ذره آلفا ، هسته اتم هليوم است كه از دو نوترون و دو پروتون تشكيل يافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الكتريكي آن 2+ و علامت اختصاري آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژي اوليه و جنس محيط بستگي دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از راديوم در هوا تقريبا 4.8 سانتيمتر ميباشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامي كه از نزديكي يك اتم عبور مي كند، ممكن است تحت تاثير ميدان الكتروستاتيكي خود ، الكترون مدار خارجي آن اتم را خارج سازد و يا به عبارت ديگر اتم را يونيزه كند. همچنين ذره آلفا قادر است محل الكترون را تغيير دهد، يعني الكترون تحت تاثير ميدان الكتريكي ذره آلفا از مدار پايين تري به مدار بالاتر صعود ميكند و در نتيجه اتم به حالت برانگيخته در ميآيد. قابليت نفوذ ذره آلفا بسيار كم است. خواص ذره بتا جنس ذره بتاي منفي ، از جنس الكترون ميباشد، بار الكتريكي آن 1- و علامت آن بتاي منفي است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتيمتر تا حدود يك متر است. البته برد اين ذره نيز به انرژي اوليه (عنصر مادر) و جنس محيط بستگي دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت يك خطر خارجي محسوب ميشود. خاصيت يون سازي اين ذره به مراتب كمتر از ذره آلفا است، يعني بطور متوسط در حدود 100 مرتبه كمتر از ذره آلفا ميباشد. ذره بتا ميتواند در اتمها ايجاد برانگيختگي كند، ولي اين خاصيت نيز در ذره بتا، به مراتب كمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بيشتر از ذره آلفا است. طيف ذره بتا تك انرژي نيست، بلكه يك طيف پيوسته است كه تمام مقادير انرژي از 0 تا انرژي ماكزيمم را دارا ميباشد. اين ذره همان پوزتيرون است كه ضد ماده الكترون ميباشد. جرم آن با جرم الكترون برابر بوده و داراي باري مخالف با بار الكترون است و علامت اختصاري آن حرف بتاي مثبت است. خواص اشعه گاما جنس اشعه گاما از جنس امواج الكترومغناطيسي ميباشد، يعني از جنس نور است. ولي با طول موج بسيار كوتاه كه طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغيير ميكند. جرم آن در مقياس اتمي صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الكتريكي آن صفر و علامت اختصاري آن حرف گاما ميباشد. انرژي اشعه گاما از 10 كيلو الكترون ولت تا 10 مگا الكترون ولت تغيير ميكند. برد آنها بسيار زياد است. مثلا در هوا چندين متر است. خاصيت ايجاد يونيزاسيون و برانگيختگي در اشعه گاما نيز وجود دارد. ولي به مراتب كمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت يونيزاسيون متوسط اشعه گاما را يك فرض كنيم، قدرت يونيزاسيون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ اين اشعه به مراتب بيشتر از ذرات بتا و آلفا است. طيف انرژي اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تك انرژي است. يعني تمام فوتونهاي گاماي حاصل از يك عنصر راديواكتيو داراي انرژي يكساني هستند
گاه امکان بررسی اجسام از نزدیک وجود ندارد. برای مثال جهت بررسی سطح اقیانوسها نقشه برداری از عراضی جغرافیایی لزوم ساخت وسایلی که بتوانند از راه دور این کاررا انجام دهند به چشم میخورد. با دستیابی به فناوری سنجش از راه دور بسیاری از این مشکلات برطرف گشت. در واقع در این روش امکان بررسی اجسام وسطوحی که نیاز به بررسی از راه دور دارند را فراهم میآورد. سنجش از راه دور رامی توان به دو بخش فعال وغیر فعال تقسیم کرد. گستره طول موج امواج مایکرویو نسبت به طیف مادون قرمز ومرئی سبب گردیده تا از سنجش از راه دور به وسیله امواج از این طیف استفاده گردد . عملکردسیستمهای سنجش غیرفعال همانند سیستمهای سنجش دما عمل میکنند .در اینگونه سیستمها با اندازه گیری انرژی الکترومغناطیسی که هر جسم به طور طبیعی از خود ساتع میکند نتایج لازم کسب میگردد .هواشناسی واقیانوس نگاری از کاربردهای این نوع سنجش میباشد . در سیستمهای سنجش فعال از طیف موج مایکرویو برای روشن کردن هدف استفاده میشود. این سنسورها را میتوان به دو بخش تقسیم کرد : سنسورهای تصویری وغیرتصویری (فاقد قابلیت تصویربرداری) . از انواع سنسورهای غیر تصویری میتوان به ارتفاع سنج و اسکترومتر ها(پراکنشسنج) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنجها در عکس برداری جغرافیایی وتعیین ارتفاع ازسطح دریا میباشد .اسکترومتر که اغلب بر روی زمین نصب میگردند میزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گیری میکنند. این وسیله در مواردی همچون اندازه گیری سرعت باد در سطح دریا و کالیبراسیون تصویر رادار کابرد دارد . معمولترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام میدهد رادار میباشد. رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است .به طور کلی میتوان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد. سنسورها سیگنالهای مایکرویو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سیگنالهای بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی میکند. قدرت (میزان انر؟ی) سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد. با اندازه گیری فاصه زمانی بین ارسال ودریافت سیگنالها میتوان فاصله تا اهداف را مشخص کرد. از مزایای شاخص رادار میتوان به عملکرد رادار در شب یا روز وهمچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد. امواج مایکرویو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران میباشند. از آنجاییکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیفهای مرئی ومادون قرمز کار میکنند متفاوت است ازاینرو میتوان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد .
[ویرایش] تاریخچه
اولین تجربه در مورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتز آلمانی در سال ۱۸۸۶ بدست آمد. پس از گذشت مدت زمان کمی اولین رادار که از آن برای آشکارسازی کشتیها استفاده میشد مورد بهره برداری قرار گرفت. در سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ پیشرفتهایی در جهت ساخت رادار با قابلیت تعیین فاصله اهداف صورت گرفت. اولین رادارهای تصویری درطی جنگ جهانی دوم برای آشکارسازی وموقعیت یابی کشتیها وهواپیماها استفاده شد. بعد از جنگ جهانی دوم راداربا دید جانبی (SLAR) جهت جستجوی اهداف نظامی و کشف مناطق نظامی ساخته شد. اینگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسیر پرواز قادر به تفکیک دقیقتر اهداف مورد نظر بودند. در سال ۱۹۵۰ با توسعه سیستمهای SLAR تکنولو؟ی رادار دهانه ترکیبی ( رادار با آنتن ترکیبی) گامی در جهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شد. در سال ۱۹۶۰ استفاده از رادارها ی هوایی وفضایی توسعه یافت وعلاوه برکاربرد نظامی جهت نقشه برداریهای جغرافیایی و اکتشافات علمی و... نیز مورد استفاده قرار گرفتند. § اصول رادار : مهمترین نکته حائز اهمیت در بخش قبل را میتوان معرفی رادار به عنوان وسیله اندازه گیری معرفی کرد. اجزاء تشکیل دهنده سیستم رادار فرستنده , گیرنده آنتن وسیستمهای الکتریکی جهت ثبت و پردازش اطلاعات میباشد. همانطور که در تصویر شماره ۱ مشاهده میشود فرستنده پالسهای کوتاه مایکرویو (A) را که بوسیله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز میشوند(B) با فاصله زمانی معیین تولید میکند. آنتن راداربخشی از سیگنالهای بازتابیده شده (c) از سطوح مختلف را دریافت میکند. تصویر شماره ۱
با اندازه گیری مدت زمان ارسال پالس و دریافت پ؟واکهای پراکنده شده از اشیاء مختلف میتوان فاصله آنها ودر نتیجه موقعیت آنها را تعیین نمود .با ثبت و پردازش سیگنال بازتابیده توسط سنسور تصویر دو بعدی از سطح مورد نظر تشکیل میگردد . o پهنای باند : از آنجاییکه گستره طیف امواج مایکرویو نسبت به طیفهای مرئی ومادون قرمزوسیع تر میباشد لذا اکثر رادارها از این طیف استفاده میکنند. در رادارهای تصویری اغلب از طول موجهای زیر استفاده میشود: ka&k&ku band X_band C_band S_band L_band P_band max)) تمامی طول موجهای استفاده شده در رادارهای تصویری در محدوده سانتیمتر است. طول موج رادار در نحوه تشکیل تصویر موثر میباشد. با افزایش طول موج شاهد تصاویر با کیفیت بهتر میباشیم .در دو تصویر زیر(تصاویر شماره ۲و۳) از دو طول موج متفاوت استفاده شدهاست. شما میتوانید تفاوت آشکاری را که دراین تصاویر وجود دارد مشاهده نمایید. علت این تفاوت تغییر در نحوه فعل وانفعال سیگنال با سطح اشیاء میباشد که در ادامه درباره این موضوع صحبت خواهد شد . c-band l_band
قطبیدگی (polarization) : هنگامی که در مورد امواج الکترومغناطیسی همانند امواج مایکرویو صحبت میگردد بحث درباره قطبیدگی حائز اهمیت میباشد. قطبیدگی عبارت است از جهت میدان الکتریکی در امواج الکترومغناطیسی. به طور کلی میتوان قطبیدگی امواج را به سه دسته تقسیم بندی کرد : قطبیدگی خطی و دایرهای وبیضوی. اغلب رادارهای تصویری از قطبیدگی خطی استفاده کرده , که این نوع قطبیدگی را میتوان به دو بخش عمودی(vertical) وافقی (horizontal) تقسیم بندی کرد (تصویر شماره۴). اغلب سنسورهای رادار طوری طراحی شدهاند که قابلیت ارسال وهمچنین دریافت امواج را به یکی از دو صورت بالا دارا هستند. در بعضی از رادارها دریافت وارسال امواج با ترکیبی از دو نوع قطبیدگی انجام میپذیرد .
به طور کلی میتوان چهارترکیب از قطبیدگی رادرا در نظر گرفت : • HH • VV • HV • VH حرف H نشان دهنده قطبیدگی افقی وحرفV نمایانگر قطبیدگی عمودی میباشد. درچهارترکیب بالا حرف سمت راست نحوه دریافت سیگنال را نشان میدهد . § هندسه رادار (radar geometry): درسیستم تصویربرداری رادار هوایی با جابجانمودن سکو در یک مسیر مستقیم که مسیرپرواز(flight direction)(A) نامیده میشودعمل تصویربرداری انجام میگردد. پای قائم در صفحه تصویر را ندیر(nadir)(B) مینامیم .آنتن رادار امواج را برای روشن کردن نوارتصویر(swath) (C) ارسال میکند. با قرار گرفتن نوارهای تصویر در کنار هم ناحیه تصویر(track) (ناحیه خاکستری رنگ ) تشکیل میگردد که این ناحیه نسبت به خط ندیر فاصله دارد. محور طولی ناحیه تصویرکه با مسیر پروازموازی میباشدرا سمت(azimuth)(E) ومحورعرضی راکه برمسیرپروازعمود است را برد(range)(D) مینامیم .
تصویر شماره ۵ § وا؟هشناسی : محدوده نزدیک (Near range): بخشی از نوارتصویر که به خط ندیر نزدیک است . محدوده دور(far range) : بخشی از نوار تصویر که در فاصله دور نسبت به خط ندیر قرار دارد . برد مایل (slant range): خط شعاعی که از رادار به هریک از اهداف میتوان نظیر کرد . برد زمینی (ground range ) : تصویر برد مایل در سطح زمین . زاویه تابش(incidence angle) : زاویه بین پرتورادار و سطح زمین . زاویه دید(look angle) : زاویه بین خط عمود وپرتو رادار. تصویر شماره ۶ § اثرات سطح بر تصویر رادار : میزان روشنایی ( درخشندگی ) تصویر به میزان پراکندگی(scattering) سیگنالهای مایکرویودر برخورد باسطح بستگی دارد. پراکنش سیگنال به پارامترهایی از قبیل مشخصات رادار (فرکانس قطبیدگی هندسه دید و...) وهمچنین خصوصیات سطح (پستی وبلندی نوع پوشش و...) وابستهاست. به طور کلی میتوانیم عوامل بالا را در سه عامل اصلی زیر خلاصه کنیم : ۱) صیقلی بودن سطح ۲) هنسه دید و رابطه آن باسطح ۳) درصد رطوبت وخصوصیات الکتریکی سطح صیقلی بودن سطح مهمترین عامل تعیین کننده روشنایی تصویرمی باشد. سطوح صاف موجب بازتابش آیینه ای(A) در فعل وانفعال سیگنال رادار با سطح میگردند. درنتیجه این نوع بازتابش مقدار اندکی ازسیگنالهای بازتابیده شده به سمت رادار باز میگردند. بنابراین سطوح صاف با درجه تیره گی بیشتر در تصویر ظاهر خواهند گشت. سطوح ناصاف سیگنالهای رادار راتقریبا به صورت یکنواخت بازتاب میدهند. و درنتیجه بخش عمدهای از این سیگنالها به سمت راداربازمیگردند. بنابراین سطوح ناصاف با درجه روشنایی بیشتر در تصویر مشاهده میشوند. به این نوع انعکاس بازتابش پخشیده(B)گفته میشود. احتمال وقوع انعکاس زاویهای (C) در نواحی که از سطوح عمود برهم تشکیل شده وجود دارد. به بیان ساده تر سیگنالهای بازتابیده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده میشود .این نوع انعکاس به طور معمول در مناطق شهری (ساختمانها خیابانها پلها و... ) اتفاق میافتد. صخرهها کوهها ونیزار رودخانهها نیز سیگنال رادار را اینگونه بازتاب میدهند.
تصویر شماره ۷ زاویه تابش(incidence angle) نیز در نحوه شکل گیری تصویر همچنین صیقلی بودن سطوح نقش ایفا میکند. با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزایش زاویه تابش سیگنالهای کمتری به سوی رادار بازمیگردند ودر نتیجه درجه تیره گی افزایش مییابد .به بیان دیگر با افزایش زاویه تابش سطوح صیقلی تر از مقدار واقعی خود در تصویر ظاهرمی شوند. به طور کلی تغییر در هندسه دید در بهبود نقشههای جغرافیایی وهمچنین برطرف کردن اختلالهایی از قبیل سایه دارشدن و کاهش عمق تصویرموثر میباشد. وجود رطوبت در خصوصیات الکتریکی وحجم اجسام موثر میباشد. تغییر در خواص الکتریکی در جذب ارسال وهمچنین نحوه شکل گیری تصویر موثر میباشد. بنابراین درصد رطوبت اجسام در فعل وانفعال سیگنال رادارومتعاقبا تصویر موثر میباشد. معمولا با افزایش رطوبت جسم سیگنالهای بیشتری توسط جسم بازتابیده میشود. برای مثال علفزارهای وسیع در هنگامی که مرطوب هستند در تصویر رادار روشنتر ظاهر میشوند. § دقت تفکیک(spatial resolution) : به میزان توانایی رادار جهت تفکیک اشیاء مختلف از همدیگر دقت تفکیک گفته میشود. بر خلاف سیستمهای نوری افزایش دقت تفکیک در رادار بر اساس خصوصیات امواج مایکرویو وهمچنین تاثیرات هندسی انجام میپذیرد. دررادارهایی که از یک آنتن جهت ارسال امواج استفاده میکنند یک پالس موج ارسال گشته و با دریافت پ؟واک آن توسط گیرنده تصویر تشکیل میشود . دقت تفکیک را میتوان در دو راستا بررسی کرد. در جهت سمت ناحیه تصویر که دقت سمت (azimuth resolution) نامیده میشود ودر جهت برد که آن را دقت برد (range resolution) مینامیم . دقت برد به طول پالس رادار (P) بستگی دارد. در صورتی که عمل تفکیک با طول بیشتر از نصف پالس صورت گیرد اهداف از یکدیگر قابل تشخیص اند. برای مثال در شکل شماره ۸ اهداف ۱و۲ در تصویر به صورت یک جسم مشخص شده در حالیکه هدفهای ۳و۴ به راحتی از هم تفکیک شدهاند . با افزایش زاویه تابش (افزایش برد )شاهد کاهش دقت برد میباشیم . تصویر شماره ۸ دقت سمت به پهنای ستون امواج رادار یا پهنای زاویهای (beam width) (A) و همچنین برد مایل(slant range) وابستهاست. با افزایش پهنای زاویهای میتوانیم شاهد دقت سمت باشیم. در تصویرشماره ۹ اهداف ۱و۲ که در محدوده نزدیک قرار دارند توسط رادار به راحتی قابل تشخیص اند درحالیکه هدفهای ۳و۴ که در محدوده دور قرار گرفتهاند قابل تشخیص نمیباشند. همچنین با افزایش طول آنتن رادار میتوان دقت سمت را افزایش داد .
تصویر شماره ۹ رادار دهانه ترکیبی (synthetic aperture radar): همانطور که در قسمت قبل گفته شد جهت بالابردن دقت سمت میتوانیم طول آنتن رادار را افزایش دهیم. اگرچه در این افزایش طول ما با محدودیتهایی مواجه هستیم. در رادرهای هوایی طول آنتن رادار بین ۱ تا ۲ متر در نظر گرفته میشود. در ماهوارهها ما میتوانیم این محدوده را بین ۱۰ تا ۱۵ متر در نظر بگیریم. با تغییراتی در چگونگی حرکت سکوی رادار وثبت و پردازش سیگنالهای بازتابیده شده میتوان بر محدودیت اندازه غلبه کرد. بدین طریق که ما با تغییر در نحوه رفتار رادار به صورت مجازی طول آنتن رادار را افزایش دادهایم . تصویر شماره ۱۰ چگونگی رسیدن به این خواسته را تشریح میکند . ۱) ابتداشیءهدف (A)سیگنالهای مایکرویو را به صورت پالس دریافت کرده. پ؟واکهای هر پالس توسط رادار ثبت میشوند. سکوی رادار در مسیر مستقیم به طور پیوسته در حال حرکت است. در طول زمانی که شیء هدف در معرض پالسهای رادار قرار داردعمل ثبت سیگنالهای بازتابیده شده از شیءتوسط رادار انجام میپذیرد .۲) زمان چندانی طول نمیکشد تا طول آنتن ترکیبی (B) مشخص گردد . تصویر شماره ۱۰ با افزایش پهنای زاویهای وهمچنین کاهش سرعت سکو میتوانیم دقت سمت را در محدوده دور افزایش دهیم .در نتیجه شاهد ثابت ماندن دقت تفکیک درراستای سمت میباشیم .به تکنولو؟ی فوق که جهت افزایش دقت برد صورت میپذیرد رادار دهانه ترکیبی یا SAR گفته میشود .این روش در اکثررادارهای هوایی وفضایی استفاده میشود . § خصوصیات تصویر رادار : در تصاویر رادار با نوعی اختلال مواجه هستیم که به نویز اسپیک
اشعه ایکس یا پرتو ایکس (اشعه رونتگن) نوعی از امواج الکترومغناطیس با طول موج حدود ۱۰ تا ۱۰-۲ آنگستروم است که در بلورشناسی و عکسبرداری از اعضای داخلی بدن و عکسبرداری از درون اشیای جامد و به عنوان یکی از روشهای تست غیرمخرب در تشخیص نقصهای موجود در اشیای ساخته شده (مثلاً در لولههاو...) کاربرد دارد.
تاریخچه
اشعهٔ ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط و.ک.روتنگن (رنتگن)، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، اشعهٔ ایکس نامیده شد. او پی برد که برخورد پرتوهای کاتدی بر جدارههای لامپ خلاء، پرتوهایی نامرئی با قدرت نفوذ بسیار زیاد تولید میکند که بر روی فیلمهای عکاسی تأثیر میگذارند. این پرتوها توانایی عبور از لایههای ضخیم مواد کدر، از جمله بافتهای بدن انسان را داشتند. این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاهند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی.گ.بارکلا انجام گرفت، تائید شد. اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیلهی فون لاوه ارائه شد.
انواع پرتو ایکس
• پرتو ایکس تکفام (تک رنگ): پرتو ایکسی که فقط دارای یک طول موج خاص است را پرتو ایکس تکفام مینامند.
• پرتو ایکس سفید (پیوسته): پرتو ایکسی که تکفام نبوده و دارای طول موجهایی در بازهٔ λ1 تا λ2 است.
روشهای تولید
در هنگام برخورد الکترونهای با سرعت بالا به فلزات، الکترونهای لایههای پایینتر به لایههای بالاتر منتقل شده (اتمها برانگیخته میشوند) و در هنگام برگشت الکترونها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل میکنند. بنابراین هر لامپ تولید اشعه ایکس باید شامل:
• منبع الکترون
• میدان شتابدهنده به الکترونها
• هدف فلزی
باشد. بعلاوه از آنجایی که قسمت عمدهی انرژی جنبشی الکترونها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل میشود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک میکنند تا ذوب نشود.
ایمنی
پرتو ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و میتواند آسیبهای زیستی قابل توجهی را پدید آورد. این آسیبها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی میباشند.
گستره اشعه فرابنفش
اشعه فرابنفش بین طول موجهای 0.0144 میکرومتر و 0.39 میکرومتر است. اشعه فرابنفش را به سه منطقه تقسیم میکنند:
• ماورا بنفش با طول موج بلند یا ماورا بنفش A : این اشعه بین طول موجهای 0.39 و 0.315 میکرومتر قرار دارد. نسبت این اشعه در نور آفتاب ، قوس الکتریکی زغال و چراغهای الکتریکی معمولی زیاد است.
• ماورا بنفش با طول موج متوسط یا ماورا بنفش B : این اشعه بین طول موجهای 0.315 و 0.28 میکرومتر است. این اشعه در نور چراغ بخار جیوه و قوسهای الکتریکی با الکترودهای فلزی وجود دارد، تاثیر آنها در پوست شدید است.
• ماورا بنفش با طول موج کوتاه یا ماورا بنفش C : این اشعه شامل طول موجهای کوتاهتر از 0.28 میکرومتر است و فقط در قوس الکتریکی جیوه وجود دارد.
جذب اشعه فرابنفش
• از شیشه معمولی فقط اشعه فرابنفش A عبور میکند. در صنعت شیشههایی با ترکیبات مخصوص میسازند که طول موج 0.26 یعنی ماورا بنفش B و A و قسمتی از C را نیز عبور دهد.
• شفافیت کوارتز خیلی بیشتر از شیشه است و فقط طول موجهای کوتاهتر از 0.18 میکرومتر در آن جذب میشود. به همین سبب حبابهای چراغهای مولد اشعه فرابنفش را از کوارتز تهیه میکنند.
• آب خالص برای اشعه فرابنفش ، شفافترین مایعات است و طبقات نازک آن امواج بلندتر از 0.2 میکرومتر را از خود عبور میدهند.
• گازها معمولا برای اشعه فرابنفش ، شفاف هستند و طول موجهای بلندتر از 0.18 میکرومتر از لایههای نازک هوا بخوبی عبور میکنند.
منابع اشعه فرابنفش
منابع اشعه فرابنفش خیلی زیاد است. تعدادی از آنها عبارتند از:
قوس الکتریکی زغال
نسبت اشعه فرابنفش در قوس الکتریکی زغال نسبتا کم است، ولی اگر اکسیدهای فلزی به الکترودهای زغالی اضافه کنند، مقدار این اشعه افزایش مییابد. برای این کار الکترودهایی میسازند که در آنها یک غلاف زغالی دور اکسید فلزی را گرفته است. قوسهایی که الکترود آنها از فلز خالص ساخته شده باشند، نیز به نسبت زیاد اشعه فرابنفش دارند.
چراغهای بخار جیوه
مهمترین و متداولترین منابع اشعه فرابنفش چراغهای بخار جیوه هستند که با مصرف کم نیروی الکتریکی ، مقدار زیادی اشعه فرابنفش تولید میکنند. قسمت اساسی لامپ از لولهای از جنس کوارتز ساخته شده است که در دو طرف آن دارای دو مخزن جیوه است.
اندازه گیری اشعه فرابنفش
اساس اندازه گیری اشعه فرابنفش متکی به خواص فیزیکی و شیمیایی آن است. وسایلی که برای اندازه گیری اشعه فرابنفش وجود دارد، اکتی نومتر (Actinometer) نامیده میشود و به سه دسته تقسیم میشود:
• پیل ترموالکتریک : جسمی را که کلیه اشعه را جذب میکند، در معرض تابش اشعه قرار داده و حرارت حاصله را اندازه گیری میکنند.
• اکتی نومتر فیزیکی : مهمترن این نوع اکتی نومترها سلول فوتوالکتریک (Photoelectric) است که از یک حباب از جنس کوارتز که به خوبی تخلیه شده است، تشکیل شده و نیز شامل دو الکترود است.
• اکتی نومتر شیمیایی : املاح نقره در اثر تابش اشعه فرابنفش احیا شده و چون نقره آن آزاد میگردد، املاح سیاه رنگ میشود. اکتی نومتری که متکی به خاصیت فوق است، اکتی نومتر بوردیه (Bordier) است.
خواص فیزیکی و شیمیایی اشعه فرابنفش
خواص فیزیکی اشعه فرابنفش
خاصیت فوتوالکتریک
اگر اشعه فرابنفش به فلزات بتابد، از آنها الکترون جدا میکند، ولی جدا شدن الکترون در کلیه فلزات به یک اندازه نیست و حساسیت کادمیوم بیش از همه میباشد. مقدار الکترونی که از فلز جدا میشود، متناسب با مقدار انرژی اشعهای است که به آن میتابد
خواص شیمیایی اشعه فرابنفش
خاصیت فلوئورسانس
یکی از خواص مهم و جالب اشعه فرابنفش خاصیت فلوئورسانس آن میباشد. اگر در مقابل اشعه فرابنفش و یا یک چراغ بخار جیوه ، اجسامی از قبیل گچ و کولوفان (Colophan) و محلول سالسیلات دو سود یا آنتی پیرین و یا بعضی از سنگهای معدنی را قرار دهند، ملاحظه میشود که هر یک به نسبت جذب اشعه به رنگهای مختلف درخشندگی پیدا میکند. این خاصیت نیز بستگی به طول موج و شدت جذب اشعه دارد. بعضی اجسام در مقابل اشعه فرابنفش با موج بلند این خاصیت را ندارند و به عکس در مقابل اشعه فرابنفش با موج کوتاه خاصیت فلوئورسانس پیدا میکند.
خاصیت فوتو شیمیایی
اشعه فرابنفش باعث تعداد زیادی فعل و انفعالات شیمیایی میشود و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه 0.3 میکرومتر شدیدتر است. از جمله مانند نور مرئی که املاح نقره را تجزیه و فلز آنها را آزاد میسازد و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه بیشتر است. مدتها برای اندازه گیری مقدار اشعه فرابنفش از این خاصیت استفاده میکردند.
کاربرد اشعه فرابنفش
1. برای ضد عفونی کردن آبها
2. تحریک پذیری شدید روی اعضای حسی سطحی
3. تخریب نسوج
4. تخریب باکتریها
اصول توموگرافی
توموگرافی
- سیستمهای توموگرافی حرکتی:
اطلاعات مربوط به عمق را در بر دارد و در همه سطوح به جز سطح مورد نظر ، عدم وضوح یا رنگ باختگی حرکت عمومی ایجاد می کند.
در این روش لوله اشعه ایکس و فیلم را حول محوری واقع در صفحه مورد نظر از بدن حرکت میدهند. و اسکن به صورت خطی یا پیچشی یا دایره ای صورت می گیرد.
قدرت این روش برای جداکردن یک روش خاص محدود است چون فقط می تواند صفحات غیر دلخواه را کم رنگ کند. کیفیت وضوح تصویر با رادیوگرافی معمولی فرقی ندارد.
توموگرافی محوری کامپیوتری این مزیت را دارد که قادر به تولید تصویر ایزوله از یک قسمت و حذف کامل قسمتهای دیگر است.
- اسکنرهای توموگرافی محوری کامپیوتری(CAT)
- محاسن:
1. به دلیل تولید تصاویر مقطعی مستقل عوامل تداخلی سطح دلخواه را کاهش نمیدهند.
2. فقط قسمت مورد نظر پرتودهی می شود ، در نتیجه دوز اشعه ایکس کم است.
3. اختلافات تضعیف بافتی کمتر از یک درصد را می توان مشاهده کرد.
1.1.2. CT اسکن
مقطع نگاری کامپیوتری:
اسکنر آن انقلابی در عرصه پزشکی بوجود اورده است زیرا این اسکنر تصویررا به طور معمول ثبت نمیکند .در این اسکنر هیچ گیرنده تصویر عمومی مثل فیلم یا تیوب تقویت کننده تصویر وجود ندارد در این جا بیمار مستقیما در عرض باریکه پرتو X قرار میگرد. پرتو تشکیل دهنده تصویر تضعیف شده بوسیله آشکار ساز اندازه گیری میگردد.حاصل این اندازه گیر به یک کامپیوتر فرستاده می شود،سپس کامپیوتر سیگنال رسیده از اشکار ساز را تحلیل کرده وتصویر را بازسازی می کندو تصویر نهایی را بر روی یک نمایشگر نشان می دهد.این تصویر را می توان برای ارزیابی های بعدی به صورت عکس درآورد. بازسازی تصویری که از برش عرضی آناتومی بدن بدست آمده با استفاده از الگوریتم صورت میگیرد کیفیت تصویری که از اسکنرهای آن بدست می آیدو بسیار بیشتر از رادیوگرافی معمولی است
اصول عملکرد:
هنگامی که با تکنینک رادیوگرافی معمولی محدوده شکم به تصویر کشیده می شود تصویر به طور مستقیم بر روی گیرنده تصویر به وجود می آید که این تصویر دارای کنتراست نستبا کمی است .
تصویر به اندازه مورد نظر واضح نیست زیرا همه ساختارهای آناتومی داخل شکم بر روی هم افتاده اند. برای مشاهده بهتر یک ساختار شکم مثل کلیه ها مقطع نگاری معمولی (conventional tomography) را میتوان مورد استفاه قرار داد در مقطع نگاری معمولی به علت اینکه ساختارهایی که بالا و پایین ساختار مورد نظر قرار دارند محو می شوند ساختار مورد نظر دارای کنتراست بیشتری خواهد بود و ضمنا تصاویر کمتر دچار تیرگی و محو شدگی خواهد بود
مقطع نگاری معمولی مقطع نگاری محوری (axial tomography) است زیرا صفحه تصویر موازی با محور طولی بدن است که نتیجه این امر تصاویر coronalو, sagittal است .در scan آن تصویر بصورت عرضی یا مقطعی است و تصویر عمود بر محور طولی بدن است.
منبع پرتو ایکس و آشکار ساز به گونه ای به یکدیگر متصل می شوند که همزمان با هم حرکت کنند.هنگامی که منبع اشکار سازی جاروب روی مقطع عرضی بیمار را انجام میدهد ساختارهای داخلی بدن بنابر چگالی جرمی وعدد موثرشان باریکه پرتو X راتضعیف می کنند. شدت پرتو گرفته شده توسط آشکار ساز مطابق با الگوی تضعیف یک intensity profile را تشکیل می دهد با تکرار حرکت انتقالی منبع آشکار ساز تعداد بیشتری protection بدست می آید. سپس این داده ها ی بدست آمده برای پردازش و بازسازی تصویر به کامپیوتری فرستاده می شود
پرتو گاما گونهای تشعشع الکترومغناطیسی است که در فرآیند تباهی هستهای یا در برهمکنشهای زیر اتمی پدید میآید.
با توجه به اینکه اشعه گاما نوعی تشعشع الکترومغناطیسی است، فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمیگردد و لذا برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمیدهند. معمولاً اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هستههای اتمهای ماده جذب کننده احساس میکند. در این برهمکنشها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید میگردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظهای تغییر مییابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش مییابد.
[ویرایش] فروپاشی گاما
در فروپاشی گاما، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایینتر یا حالت پایه آن میرود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر میگردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:
AZX*-------->AZX + γ
که در آنX و X* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.
حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما، فقط زمانی به عنوان ایزومر هستهای در نظر گرفته میشود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازهای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف میگردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونهها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار میرود.
حالتهای فروپاشی گاما نشر اشعه گامای خالص : در این حالت فروپاشی گاما، اشعه گامای منتشر شده بهوسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولاً از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت است، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه است، ولی این انرژی معمولاً نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و میتوان از آن صرفنظر کرد.
حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی : در این حالت فروپاشی، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته میگردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع میشود. اشعه گاما منتشر نمیشود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه، الکترونهای اوژه، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی است. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هستهای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی است.
با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اربیتال اتمی میشود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.
حالت فروپاشی بصورت جفت : برای گذارهای هستهای با انرژیهای بزرگتر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب میشود. در این فرآیند، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار میرود.
انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.
تاريخچه پرتوپزشکی:
يكي از روشهاي تشخيصي و درماني ارزشمند در طب، پزشكي هسته اي مي باشد. كه تبلور آن از ابتدا تا كنون تلفيقي از كشفيات مهم تاريخي بوده است. اولين جرقه در سال 1895 با كشف اشعه X و در 1934 با كشف مواد راديواكتيو زده شد. اولين استفاده كلينيكي مواد راديواكتيو، در سال 1937 جهت درمان لوسمي در دانشگاه كاليفرنيا در بركلي بود. بعــــــد از آن در 1946 با استــــــفاده از اين مواد توانستند در يك بيمار مبتلا به سرطان تيروئـــــيد از پيشرفت اين بيماري جلوگيري كنند.
البته تا 1950 كاربرد كلينيكي مواد راديواكتيو بطور شايع رواج نيافت و مسكوت ماند. طي سالهاي بعد از آن متخصصين و فيزيكدانان به اين واقعيت پي بردند كه مي توان از تجمع راديو داروها در ارگان هدف تصاويري از آن تهيه نمود و يا به درمان بافت آسيب ديده كمك نمود. بطوريكه در اواسط دهه 60 مطالعات بسياري در خصوص طراحي تجهيزات لازم آغاز گشت. در دهه 1970 توانستند با جاروب نمودن از ارگانهاي ديگر بدن مانند كبد و طحال، تومورهاي مغزي و مجاري گوارشي تصاويري را تهيه نمايند. و در دهه 1980 از راديو داروها جهت تشخيص بيماري هاي قلبي استفاده نمودند و هم اكنون نيز با ضريب اطمينان بسيار بالايي از پزشكي هسته اي در درمان و تشخيص و پيگيري روند درمان بيماريها استفاده مي گردد.
پرتوپزشکی چیست؟
پرتوپزشکی شاخهاي از پزشکي است که در آن تشعشع خواص هستهاي نوکليدهاي راديواکتيو و نوکليدهاي پايدار ، هم براي تشخيص و هم براي درمان امراض بکار ميروند. اين امر ميتواند يا با پرتودهي مستقيم مريض با يک چشمه تشتعشع خارجي يا با تزريق داروهاي نشاندار با راديواکتيويته به مريض تحقق يابد .
*راديو دارو
داروهاي نشاندار راديواکتيو که به مريض تزريق يا خورانده ميشوند، به نام راديو داروها معروف هستند. دارويي هستهاي يا راديو فارماکولوژي روش دارويي خاصي است که با ترکيبات ، آزمايش يا تزريق مناسب راديو دارو به مريض ارتباط دارد.
کاربرد راديوداروها
*روشهاي تشخيص زنده
روشهاي تشخيص زنده آن روشهايي هستند که در آنها يک راديو دارو در سيستم يک مريض زنده ، بطريق خوراندن ، تزريق ، يا با استنشاق وارد ميگرددم اشعه گاماي نشر شده بوسيله راديو داروها براي تامين اطلاعات مورد نياز بر روي صفحه کامپيوتر قابل مشاهده هستند.
روشهاي تشخيص غير زنده
روشهاي غير زنده آنهايي هستند که روي نمونههاي برداشته شده از يک مريض انجام ميگيرد. تعدادي از اين روشها مستلزم بکارگيري راديو داروها است. ولي مهمترين آنها روش راديو ايمونواسي (RIA) ميباشد.
راديو ايمونواسي و تاثير آن در پزشکي
راديو ايمونواسي نوعي تجزيه بطريق رقيق کردن ايزوتوپي (IDA) ، جزو استو کيومتري است که در آن عنصر مورد تجريه نشاندار و غير نشاندار براي پيوند با مقادير محدود مولکولي که بطور خاص با عنصر مورد تجزيه پيوند ميدهد، رقابت ميکند. RIA بطور گسترده در آزمايشگاههاي پزشکي براي تعيين هورمونها ، داروها ، ويروسها ، و ديگر گونههاي آلي در سطح جهان بکار ميرود. شروع RIA به سالهاي 1950 ، با بررسي S.Berson و R.Yalow برروي متابوليسم انسولين B1I در مريضهاي ديابتي بر ميگردد.
Berson و Yalow دريافتند که مريضهاي ديابتي موادي در سرم خون دارند که با انسولين پيوند ميدهند. آنها مشاهده کردند که انسولين نشاندار و غيرنشاندار با اين ماده پيوند دهنده رقابت کرده، و اين مقدار انسولين غيرنشاندار موجود ، مقادير انسولين نشاندار را که پيوند داده متاثر ميکند. آنها در اين مطالعه توانايي روش ، جهت ارزيابي انسولين را دريافتند. RIA از آن زمان تا کنون پيشرفتهاي گستردهاي را در روشهاي پزشکي با کاربردهاي وسيع براي اندازه گيري مقادير بسيار کم بسياري از بيو مولکولهاي مهم نموده است.
کاربردهاي درماني تشعشع
کاربردهاي درماني تشعشع و راديو داروها نسبت به کاربردهاي تشخيص محدودتر هستند. زماني که تشعشع براي درمان بکار ميرود، مقصود نابود نمودن يک قسمت خاص از نسوج مريض با تشعشع است. چشمه تشعشع ميتواند داخلي و خارجي باشد.
چشمههاي مورد استفاده در درمان
چشمههاي خارجي تشعشع در حال حاضر اساسا در شکل باريکههاي الکتروني يا اشعه ايکس است. بسياري از دستگاهها ميتوانند براي توليد اين تشعشعات بکار روند. ولي شتابدهندهاي خطي کوچک بيشترين کاربرد را دارند. الکترونهاي با انرژيهاي 4 تا 15 ميليون الکترون ولت براي درمان سرطانهايي که نزديک سطح بدن هستند، مانند سرطانهاي پوست ، سينه ، سر و گردن بکار ميروند.
زماني که نفوذ بيشتري از تشعشع لازم باشد، اشعه گاما از يک چشمه بسته راديو نوکليد مورد استفاده قرار ميگيرد. 60Co بطور گستردهاي براي اين منظور بکار رفته است، ولي در حال حاضر 137Cs ترجيح داده ميشود. علاوه بر تشعشع خارجي يک عضو ممکن است، يک سوزن يا دانه راديواکتيو را در داخل بدن مريض کاشت و لذا تنها مقاطع خاصي را که بايد نابود شوند، پرتودهي نمود. در اين رابطه کاشتهاي 198Au و 125I متداول است.
تصویر برداری در پرتوپزشکی
مشکل تصویر برداری از بدن انسان این است که ماده ای کدر و غیر شفاف است، نگاه کردن درون بدن انسان نیز بطور کلی دردناک است. در گذشته روش معمول دیدن درون بدن انسان جراحی بود! اما امروزه با استفاده از انبوهی از روشهای جدید دیگر نیازی به این روشهای وحشتناک نیست. تصویر برداری اشعه X، MRI، تصویر برداری CAT و مافوق صوت برخی از این تکنیک ها هستند. هر کدام از این تکنیک ها مزایا و معایبی دارند که باعث می شود برای شرایط مختلف واعضای مختلف بدن مفید باشند.
تکنیک های تصویر برداری پزشکی هسته ای روشهای جدیدی را برای نگاه کردن به درون بدن انسان برای پزشکان فراهم می کند. این تکنیک ها ترکیبی از استفاده از کامپیوتر، حسگرها و مواد رادیواکتیو است. این روشها عبارتند از:
• توموگرافی با استفاده از تابش پوزیترون (PET)
• اسپکت SPECT
• تصویر برداری قلبی – عروقی
• اسکن استخوان
هر کدام ازاین روشها از یکی از خصوصیات عناصر رادیواکتیو برای تولید یک تصویر استفاده می کنند.
تصویر برداری در پزشکی هسته ای برای شناسایی موارد زیر بسیار مفید است:
• تومورها
• آنوریسم Aneurysms
• نارسایی سلول های خونی و اختلال در عملکرد دستگاههای بدن مثل غده تیروئید و ریه
استفاده از هر کدام از این روشهای خاص یا مجموعه ای از آنها بستگی به علائم بیمار و نوع بیماری دارد.
کلمه سونوگرافی از لفظ لاتین sono به معنی صوت و نیز graphic به معنی شکل و ترسیم گرفته شده و ultrasound از ultra به معنی ماورا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده است.
تاریخچه
در سال 1876 میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی بوجود امواج فراصوت برد. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم انگیز کشتیهایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریاییها به کمک امواج صوتی به نام صوتیاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید میکرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده میشد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گستردهای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار میگرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت Sonar به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.
سیر تحولی در رشد
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال 1937 میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان امتحان شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم در آمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاههای تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده است.
تعریف امواج فراصوت
امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته میشود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت میکند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمیشود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ میدهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم.
روشهای تولید امواج فراصوت
روش پیزوالکتریسیته
تأثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته میگویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید میکنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها میشود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج میشود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک میگویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین مادهای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده میشد که اکنون هم استفاده میشود.
اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده میشود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه میشوند. از نمونه این نوع کریستالها، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطهای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) میگویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار میرود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.
روش مگنتو استریکسیون
این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبیهای مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبیهای مجاور خود همخط شوند) تحت تأثیر میدان مغناطیسی بوجود میآید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول میدهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در میآیند و میتوانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.
کاربرد امواج فراصوت
1. کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)
2. بیماریهای زنان و زایمان (Gynocology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان.
3. بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
4. بیماریهای چشم (ophthalmalogy) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
5. بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.
6. بیماریهای قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
7. دندانپزشکی مانند اندازهگیری ضخامت بافت نرم در حفرههای دهانی.
8. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمیکنند. بنابراین برای زنان و کودکان بیخطر هستند.
9. کاربرد درمانی (سونوتراپی)
10. کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت بهوسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل میشود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع میکند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش میدهد. کشش در جوشگاههای زخم (scars) افزایش میدهد و باعث بهبود آنها میشود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها میشود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است.
میکروماساژ مکانیکی
به هنگام فشردگی و انبساط محیط، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر میگذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) میشوند.
درمان آسیب تازه و ورم :آسیب تازه معمولاً با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار میرود.
درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را میشکند.
خطرات فراصوت
سوختگی
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی میشود و باید امواج حرکت داده شوند.
پارگی کروموزومی
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان میدهد.
ایجاد حفره
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظهای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها میتواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاختهها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ).
عناصر راديواكتيو معمولا سه نوع ذره يا اشعه از خود صادر ميكنند كه شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه راديواكتيو تحت تاثير ميدان مغناطيسي متوجه شدهاند كه ذره آلفا داراي بار مثبت ، بتا داراي بار منفي و اشعه گاما بدون بار است. خواص ذره آلفا جنس ذره آلفا ، هسته اتم هليوم است كه از دو نوترون و دو پروتون تشكيل يافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الكتريكي آن 2+ و علامت اختصاري آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژي اوليه و جنس محيط بستگي دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از راديوم در هوا تقريبا 4.8 سانتيمتر ميباشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامي كه از نزديكي يك اتم عبور مي كند، ممكن است تحت تاثير ميدان الكتروستاتيكي خود ، الكترون مدار خارجي آن اتم را خارج سازد و يا به عبارت ديگر اتم را يونيزه كند. همچنين ذره آلفا قادر است محل الكترون را تغيير دهد، يعني الكترون تحت تاثير ميدان الكتريكي ذره آلفا از مدار پايين تري به مدار بالاتر صعود ميكند و در نتيجه اتم به حالت برانگيخته در ميآيد. قابليت نفوذ ذره آلفا بسيار كم است. خواص ذره بتا جنس ذره بتاي منفي ، از جنس الكترون ميباشد، بار الكتريكي آن 1- و علامت آن بتاي منفي است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتيمتر تا حدود يك متر است. البته برد اين ذره نيز به انرژي اوليه (عنصر مادر) و جنس محيط بستگي دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت يك خطر خارجي محسوب ميشود. خاصيت يون سازي اين ذره به مراتب كمتر از ذره آلفا است، يعني بطور متوسط در حدود 100 مرتبه كمتر از ذره آلفا ميباشد. ذره بتا ميتواند در اتمها ايجاد برانگيختگي كند، ولي اين خاصيت نيز در ذره بتا، به مراتب كمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بيشتر از ذره آلفا است. طيف ذره بتا تك انرژي نيست، بلكه يك طيف پيوسته است كه تمام مقادير انرژي از 0 تا انرژي ماكزيمم را دارا ميباشد. اين ذره همان پوزتيرون است كه ضد ماده الكترون ميباشد. جرم آن با جرم الكترون برابر بوده و داراي باري مخالف با بار الكترون است و علامت اختصاري آن حرف بتاي مثبت است. خواص اشعه گاما جنس اشعه گاما از جنس امواج الكترومغناطيسي ميباشد، يعني از جنس نور است. ولي با طول موج بسيار كوتاه كه طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغيير ميكند. جرم آن در مقياس اتمي صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الكتريكي آن صفر و علامت اختصاري آن حرف گاما ميباشد. انرژي اشعه گاما از 10 كيلو الكترون ولت تا 10 مگا الكترون ولت تغيير ميكند. برد آنها بسيار زياد است. مثلا در هوا چندين متر است. خاصيت ايجاد يونيزاسيون و برانگيختگي در اشعه گاما نيز وجود دارد. ولي به مراتب كمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت يونيزاسيون متوسط اشعه گاما را يك فرض كنيم، قدرت يونيزاسيون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ اين اشعه به مراتب بيشتر از ذرات بتا و آلفا است. طيف انرژي اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تك انرژي است. يعني تمام فوتونهاي گاماي حاصل از يك عنصر راديواكتيو داراي انرژي يكساني هستند
گاه امکان بررسی اجسام از نزدیک وجود ندارد. برای مثال جهت بررسی سطح اقیانوسها نقشه برداری از عراضی جغرافیایی لزوم ساخت وسایلی که بتوانند از راه دور این کاررا انجام دهند به چشم میخورد. با دستیابی به فناوری سنجش از راه دور بسیاری از این مشکلات برطرف گشت. در واقع در این روش امکان بررسی اجسام وسطوحی که نیاز به بررسی از راه دور دارند را فراهم میآورد. سنجش از راه دور رامی توان به دو بخش فعال وغیر فعال تقسیم کرد. گستره طول موج امواج مایکرویو نسبت به طیف مادون قرمز ومرئی سبب گردیده تا از سنجش از راه دور به وسیله امواج از این طیف استفاده گردد . عملکردسیستمهای سنجش غیرفعال همانند سیستمهای سنجش دما عمل میکنند .در اینگونه سیستمها با اندازه گیری انرژی الکترومغناطیسی که هر جسم به طور طبیعی از خود ساتع میکند نتایج لازم کسب میگردد .هواشناسی واقیانوس نگاری از کاربردهای این نوع سنجش میباشد . در سیستمهای سنجش فعال از طیف موج مایکرویو برای روشن کردن هدف استفاده میشود. این سنسورها را میتوان به دو بخش تقسیم کرد : سنسورهای تصویری وغیرتصویری (فاقد قابلیت تصویربرداری) . از انواع سنسورهای غیر تصویری میتوان به ارتفاع سنج و اسکترومتر ها(پراکنشسنج) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنجها در عکس برداری جغرافیایی وتعیین ارتفاع ازسطح دریا میباشد .اسکترومتر که اغلب بر روی زمین نصب میگردند میزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گیری میکنند. این وسیله در مواردی همچون اندازه گیری سرعت باد در سطح دریا و کالیبراسیون تصویر رادار کابرد دارد . معمولترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام میدهد رادار میباشد. رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است .به طور کلی میتوان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد. سنسورها سیگنالهای مایکرویو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سیگنالهای بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی میکند. قدرت (میزان انر؟ی) سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد. با اندازه گیری فاصه زمانی بین ارسال ودریافت سیگنالها میتوان فاصله تا اهداف را مشخص کرد. از مزایای شاخص رادار میتوان به عملکرد رادار در شب یا روز وهمچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد. امواج مایکرویو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران میباشند. از آنجاییکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیفهای مرئی ومادون قرمز کار میکنند متفاوت است ازاینرو میتوان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد .
[ویرایش] تاریخچه
اولین تجربه در مورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتز آلمانی در سال ۱۸۸۶ بدست آمد. پس از گذشت مدت زمان کمی اولین رادار که از آن برای آشکارسازی کشتیها استفاده میشد مورد بهره برداری قرار گرفت. در سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ پیشرفتهایی در جهت ساخت رادار با قابلیت تعیین فاصله اهداف صورت گرفت. اولین رادارهای تصویری درطی جنگ جهانی دوم برای آشکارسازی وموقعیت یابی کشتیها وهواپیماها استفاده شد. بعد از جنگ جهانی دوم راداربا دید جانبی (SLAR) جهت جستجوی اهداف نظامی و کشف مناطق نظامی ساخته شد. اینگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسیر پرواز قادر به تفکیک دقیقتر اهداف مورد نظر بودند. در سال ۱۹۵۰ با توسعه سیستمهای SLAR تکنولو؟ی رادار دهانه ترکیبی ( رادار با آنتن ترکیبی) گامی در جهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شد. در سال ۱۹۶۰ استفاده از رادارها ی هوایی وفضایی توسعه یافت وعلاوه برکاربرد نظامی جهت نقشه برداریهای جغرافیایی و اکتشافات علمی و... نیز مورد استفاده قرار گرفتند. § اصول رادار : مهمترین نکته حائز اهمیت در بخش قبل را میتوان معرفی رادار به عنوان وسیله اندازه گیری معرفی کرد. اجزاء تشکیل دهنده سیستم رادار فرستنده , گیرنده آنتن وسیستمهای الکتریکی جهت ثبت و پردازش اطلاعات میباشد. همانطور که در تصویر شماره ۱ مشاهده میشود فرستنده پالسهای کوتاه مایکرویو (A) را که بوسیله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز میشوند(B) با فاصله زمانی معیین تولید میکند. آنتن راداربخشی از سیگنالهای بازتابیده شده (c) از سطوح مختلف را دریافت میکند. تصویر شماره ۱
با اندازه گیری مدت زمان ارسال پالس و دریافت پ؟واکهای پراکنده شده از اشیاء مختلف میتوان فاصله آنها ودر نتیجه موقعیت آنها را تعیین نمود .با ثبت و پردازش سیگنال بازتابیده توسط سنسور تصویر دو بعدی از سطح مورد نظر تشکیل میگردد . o پهنای باند : از آنجاییکه گستره طیف امواج مایکرویو نسبت به طیفهای مرئی ومادون قرمزوسیع تر میباشد لذا اکثر رادارها از این طیف استفاده میکنند. در رادارهای تصویری اغلب از طول موجهای زیر استفاده میشود: ka&k&ku band X_band C_band S_band L_band P_band max)) تمامی طول موجهای استفاده شده در رادارهای تصویری در محدوده سانتیمتر است. طول موج رادار در نحوه تشکیل تصویر موثر میباشد. با افزایش طول موج شاهد تصاویر با کیفیت بهتر میباشیم .در دو تصویر زیر(تصاویر شماره ۲و۳) از دو طول موج متفاوت استفاده شدهاست. شما میتوانید تفاوت آشکاری را که دراین تصاویر وجود دارد مشاهده نمایید. علت این تفاوت تغییر در نحوه فعل وانفعال سیگنال با سطح اشیاء میباشد که در ادامه درباره این موضوع صحبت خواهد شد . c-band l_band
قطبیدگی (polarization) : هنگامی که در مورد امواج الکترومغناطیسی همانند امواج مایکرویو صحبت میگردد بحث درباره قطبیدگی حائز اهمیت میباشد. قطبیدگی عبارت است از جهت میدان الکتریکی در امواج الکترومغناطیسی. به طور کلی میتوان قطبیدگی امواج را به سه دسته تقسیم بندی کرد : قطبیدگی خطی و دایرهای وبیضوی. اغلب رادارهای تصویری از قطبیدگی خطی استفاده کرده , که این نوع قطبیدگی را میتوان به دو بخش عمودی(vertical) وافقی (horizontal) تقسیم بندی کرد (تصویر شماره۴). اغلب سنسورهای رادار طوری طراحی شدهاند که قابلیت ارسال وهمچنین دریافت امواج را به یکی از دو صورت بالا دارا هستند. در بعضی از رادارها دریافت وارسال امواج با ترکیبی از دو نوع قطبیدگی انجام میپذیرد .
به طور کلی میتوان چهارترکیب از قطبیدگی رادرا در نظر گرفت : • HH • VV • HV • VH حرف H نشان دهنده قطبیدگی افقی وحرفV نمایانگر قطبیدگی عمودی میباشد. درچهارترکیب بالا حرف سمت راست نحوه دریافت سیگنال را نشان میدهد . § هندسه رادار (radar geometry): درسیستم تصویربرداری رادار هوایی با جابجانمودن سکو در یک مسیر مستقیم که مسیرپرواز(flight direction)(A) نامیده میشودعمل تصویربرداری انجام میگردد. پای قائم در صفحه تصویر را ندیر(nadir)(B) مینامیم .آنتن رادار امواج را برای روشن کردن نوارتصویر(swath) (C) ارسال میکند. با قرار گرفتن نوارهای تصویر در کنار هم ناحیه تصویر(track) (ناحیه خاکستری رنگ ) تشکیل میگردد که این ناحیه نسبت به خط ندیر فاصله دارد. محور طولی ناحیه تصویرکه با مسیر پروازموازی میباشدرا سمت(azimuth)(E) ومحورعرضی راکه برمسیرپروازعمود است را برد(range)(D) مینامیم .
تصویر شماره ۵ § وا؟هشناسی : محدوده نزدیک (Near range): بخشی از نوارتصویر که به خط ندیر نزدیک است . محدوده دور(far range) : بخشی از نوار تصویر که در فاصله دور نسبت به خط ندیر قرار دارد . برد مایل (slant range): خط شعاعی که از رادار به هریک از اهداف میتوان نظیر کرد . برد زمینی (ground range ) : تصویر برد مایل در سطح زمین . زاویه تابش(incidence angle) : زاویه بین پرتورادار و سطح زمین . زاویه دید(look angle) : زاویه بین خط عمود وپرتو رادار. تصویر شماره ۶ § اثرات سطح بر تصویر رادار : میزان روشنایی ( درخشندگی ) تصویر به میزان پراکندگی(scattering) سیگنالهای مایکرویودر برخورد باسطح بستگی دارد. پراکنش سیگنال به پارامترهایی از قبیل مشخصات رادار (فرکانس قطبیدگی هندسه دید و...) وهمچنین خصوصیات سطح (پستی وبلندی نوع پوشش و...) وابستهاست. به طور کلی میتوانیم عوامل بالا را در سه عامل اصلی زیر خلاصه کنیم : ۱) صیقلی بودن سطح ۲) هنسه دید و رابطه آن باسطح ۳) درصد رطوبت وخصوصیات الکتریکی سطح صیقلی بودن سطح مهمترین عامل تعیین کننده روشنایی تصویرمی باشد. سطوح صاف موجب بازتابش آیینه ای(A) در فعل وانفعال سیگنال رادار با سطح میگردند. درنتیجه این نوع بازتابش مقدار اندکی ازسیگنالهای بازتابیده شده به سمت رادار باز میگردند. بنابراین سطوح صاف با درجه تیره گی بیشتر در تصویر ظاهر خواهند گشت. سطوح ناصاف سیگنالهای رادار راتقریبا به صورت یکنواخت بازتاب میدهند. و درنتیجه بخش عمدهای از این سیگنالها به سمت راداربازمیگردند. بنابراین سطوح ناصاف با درجه روشنایی بیشتر در تصویر مشاهده میشوند. به این نوع انعکاس بازتابش پخشیده(B)گفته میشود. احتمال وقوع انعکاس زاویهای (C) در نواحی که از سطوح عمود برهم تشکیل شده وجود دارد. به بیان ساده تر سیگنالهای بازتابیده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده میشود .این نوع انعکاس به طور معمول در مناطق شهری (ساختمانها خیابانها پلها و... ) اتفاق میافتد. صخرهها کوهها ونیزار رودخانهها نیز سیگنال رادار را اینگونه بازتاب میدهند.
تصویر شماره ۷ زاویه تابش(incidence angle) نیز در نحوه شکل گیری تصویر همچنین صیقلی بودن سطوح نقش ایفا میکند. با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزایش زاویه تابش سیگنالهای کمتری به سوی رادار بازمیگردند ودر نتیجه درجه تیره گی افزایش مییابد .به بیان دیگر با افزایش زاویه تابش سطوح صیقلی تر از مقدار واقعی خود در تصویر ظاهرمی شوند. به طور کلی تغییر در هندسه دید در بهبود نقشههای جغرافیایی وهمچنین برطرف کردن اختلالهایی از قبیل سایه دارشدن و کاهش عمق تصویرموثر میباشد. وجود رطوبت در خصوصیات الکتریکی وحجم اجسام موثر میباشد. تغییر در خواص الکتریکی در جذب ارسال وهمچنین نحوه شکل گیری تصویر موثر میباشد. بنابراین درصد رطوبت اجسام در فعل وانفعال سیگنال رادارومتعاقبا تصویر موثر میباشد. معمولا با افزایش رطوبت جسم سیگنالهای بیشتری توسط جسم بازتابیده میشود. برای مثال علفزارهای وسیع در هنگامی که مرطوب هستند در تصویر رادار روشنتر ظاهر میشوند. § دقت تفکیک(spatial resolution) : به میزان توانایی رادار جهت تفکیک اشیاء مختلف از همدیگر دقت تفکیک گفته میشود. بر خلاف سیستمهای نوری افزایش دقت تفکیک در رادار بر اساس خصوصیات امواج مایکرویو وهمچنین تاثیرات هندسی انجام میپذیرد. دررادارهایی که از یک آنتن جهت ارسال امواج استفاده میکنند یک پالس موج ارسال گشته و با دریافت پ؟واک آن توسط گیرنده تصویر تشکیل میشود . دقت تفکیک را میتوان در دو راستا بررسی کرد. در جهت سمت ناحیه تصویر که دقت سمت (azimuth resolution) نامیده میشود ودر جهت برد که آن را دقت برد (range resolution) مینامیم . دقت برد به طول پالس رادار (P) بستگی دارد. در صورتی که عمل تفکیک با طول بیشتر از نصف پالس صورت گیرد اهداف از یکدیگر قابل تشخیص اند. برای مثال در شکل شماره ۸ اهداف ۱و۲ در تصویر به صورت یک جسم مشخص شده در حالیکه هدفهای ۳و۴ به راحتی از هم تفکیک شدهاند . با افزایش زاویه تابش (افزایش برد )شاهد کاهش دقت برد میباشیم . تصویر شماره ۸ دقت سمت به پهنای ستون امواج رادار یا پهنای زاویهای (beam width) (A) و همچنین برد مایل(slant range) وابستهاست. با افزایش پهنای زاویهای میتوانیم شاهد دقت سمت باشیم. در تصویرشماره ۹ اهداف ۱و۲ که در محدوده نزدیک قرار دارند توسط رادار به راحتی قابل تشخیص اند درحالیکه هدفهای ۳و۴ که در محدوده دور قرار گرفتهاند قابل تشخیص نمیباشند. همچنین با افزایش طول آنتن رادار میتوان دقت سمت را افزایش داد .
تصویر شماره ۹ رادار دهانه ترکیبی (synthetic aperture radar): همانطور که در قسمت قبل گفته شد جهت بالابردن دقت سمت میتوانیم طول آنتن رادار را افزایش دهیم. اگرچه در این افزایش طول ما با محدودیتهایی مواجه هستیم. در رادرهای هوایی طول آنتن رادار بین ۱ تا ۲ متر در نظر گرفته میشود. در ماهوارهها ما میتوانیم این محدوده را بین ۱۰ تا ۱۵ متر در نظر بگیریم. با تغییراتی در چگونگی حرکت سکوی رادار وثبت و پردازش سیگنالهای بازتابیده شده میتوان بر محدودیت اندازه غلبه کرد. بدین طریق که ما با تغییر در نحوه رفتار رادار به صورت مجازی طول آنتن رادار را افزایش دادهایم . تصویر شماره ۱۰ چگونگی رسیدن به این خواسته را تشریح میکند . ۱) ابتداشیءهدف (A)سیگنالهای مایکرویو را به صورت پالس دریافت کرده. پ؟واکهای هر پالس توسط رادار ثبت میشوند. سکوی رادار در مسیر مستقیم به طور پیوسته در حال حرکت است. در طول زمانی که شیء هدف در معرض پالسهای رادار قرار داردعمل ثبت سیگنالهای بازتابیده شده از شیءتوسط رادار انجام میپذیرد .۲) زمان چندانی طول نمیکشد تا طول آنتن ترکیبی (B) مشخص گردد . تصویر شماره ۱۰ با افزایش پهنای زاویهای وهمچنین کاهش سرعت سکو میتوانیم دقت سمت را در محدوده دور افزایش دهیم .در نتیجه شاهد ثابت ماندن دقت تفکیک درراستای سمت میباشیم .به تکنولو؟ی فوق که جهت افزایش دقت برد صورت میپذیرد رادار دهانه ترکیبی یا SAR گفته میشود .این روش در اکثررادارهای هوایی وفضایی استفاده میشود . § خصوصیات تصویر رادار : در تصاویر رادار با نوعی اختلال مواجه هستیم که به نویز اسپیک