نقش فیزیک در تشخیص بیماری ها

[هادی عسکری، کارشناسی ارشد فیزیک، پژوهشگر و مدرس]

پزشکان برای تشخیص بیماری‌ها از انواع وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسکوپ) تا دستگاه‌های بسیار پیچیده مانند میکروسکوپ الکترونی، لیزر و هولوگراف که همه بر اساس قانون‌های فیزیک طراحی و ساخته‌شده استفاده می‌کنند.

رادیوگرافی و رادیوسکوپی

رادیوگرافی عکس‌برداری از بدن با پرتوهای ایکس و رادیوسکوپی مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عکاسی معمولی از نوری که از چیزها بازتابش می‌شود و بر فیلم عکاسی اثر می‌کند استفاده می‌شوند درصورتی‌که در رادیوگرافی پرتوهایی را که از بدن می‌گذرند به کار می‌برند.

پرتوهای ایکس را نخستین بار در سال 1895 میلادی، ویلهلم کنراد رنتیگن استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف کرد. این کشف بسیار شگفت‌انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه‌های جهان منتشر شد. جالب است که رنتیگن بر روی پرتوهای کاتدی کار می‌کرد و به‌طور اتفاقی متوجه شد که وقتی این پرتوها، که همان الکترون‌های سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می‌کنند پرتوهای ناشناخته‌ای تولید می‌شود او این پرتوها را پرتوایکس به معنی مجهول نامید.

پرتوهای ایکس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیاد دارند. به‌آسانی از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهای سبک مانند آلومینیوم می‌گذرند، لیکن فلزهای سنگین مانند سرب مانع عبور آن‌ها می‌شود. اشعه ایکس از استخوان‌های بدن که از مواد سنگین تشکیل‌شده‌اند عبور نمی‌کنند درصورتی‌که از گوشت بدن به‌آسانی می‌گذرند. همین خاصیت سبب شده که آن را برای عکس‌برداری از استخوان‌های بدن به کار برند و محل شکستگی استخوان‌ها را مشخص کنند. برای عکس‌برداری از روده و معده هم از پرتوهای ایکس استفاده می‌شود لیکن برای این کار ابتدا به شخص مایعاتی مانند سولفات باریم می‌خورانند تا پوشش کدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس رادیوگرافی صورت می‌دهند.

کشف پرتوهای ایکس که به‌وسیله رنتیگن عملی شد سرآغاز فعالیت‌های دانشمندانی مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماری کوری، پیر کوری، بارکلا و بسیاری دیگر شد به‌طوری‌که نه‌فقط چگونگی تولید، تابش و اثرهای پرتوایکس و گاما و نور شناخته شد بلکه خود اشعه ایکس یکی از ابزارهای شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی‌نهایت کوچک‌ها آشنا کرد و انرژی عظیم اتمی را در اختیار بشر قرارداد.

پرتوهای ایکس در پزشکی و بهداشت برای پیشگیری، تشخیص و درمان به کار می‌رود به‌طوری‌که در فناوری‌های مربوطه یکی از ابزارهای اساسی است.

سونوگرافی

سونوگرافی عکس‌برداری با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانیکی مانند صوت است که بسامد آن بیش از 20 هزار هرتز است. این امواج را می‌توان با استفاده از نوسانگر پتروالکتریک یا نوسانگر مغناطیسی تولید کرد. خاصیت پیزوالکتریک عبارت است از ایجاد اختلاف‌پتانسیل الکتریکی در دو طرف یک بلور هنگامی‌که آن بلور تحت‌فشار یا کشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی‌که تحت تأثیر یک میدان الکتریکی واقع شود. بنابراین هرگاه از یک بلور کوارتز تیغه متوازی‌السطوحی عمود بر یکی از محورهای بلور تهیه کنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازک فولادی قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف‌پتانسیل متناوبی وصل کنیم، تیغه کوارتز با همان بسامد جریان منبسط و منقبض می‌شود و به ارتعاش درمی‌آید و درنتیجه امواج فراصوت تولید می‌کند. پدیده پیزوالکتریک در سال1880 به‌وسیله پیر کوری کشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میکروفن‌های کریستالی و فندک استفاده می‌شود.

امواج فراصوتی دارای انرژی بسیار زیاد است و می‌تواند سبب بالا رفتن دمای بافت‌های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول‌ها شود. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشکی استفاده می‌شود.

در پزشکی برای تشخیص، درمان و تحقیقات این امواج را به کار می‌برند. دستگاهی که برای عکس‌برداری به کار می‌رود اکوسکوپ یا سونوسکوپ است. اساس کار عکس‌برداری با امواج فراصوت بازتابش امواج است در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهای میان یک میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده می‌کنند. دستگاه مولد ضربه‌های موجی در زمان‌های بسیار کوتاه یک تا پنج میلیونیم ثانیه را در حدود200 ضربه در ثانیه می‌فرستد و این ضربه‌ها در بدن نفوذ می‌کند و چنانچه به محیطی برخورد کند که غلظت آن با محیط قبلی متفاوت باشد پدیده بازتابش روی می‌دهد و با توجه به غلظت نسبی دو محیط مقداری از انرژی ضربه‌های فراصوت بازتابش می‌شود. دستگاه گیرنده این امواج را دریافت می‌کند و به کمک دستگاه الکترونی و یک اسیلوسکوپ آن را به نقطه یا نقاط نورانی به تصویر تبدیل می‌کند. عکس‌برداری با فراصوت را برای تشخیص بیماری‌های قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام می‌دهند.

وسایل الکتروپزشکی

بخشی از وسایل تشخیص بیماری‌ها، دستگاه‌هایی هستند که بر اساس قانون‌های مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته و به کار گرفته می‌شوند. نمونه‌ای از این دستگاه‌ها عبارت‌اند از الکتروکاردیوگراف، الکتروبیوگراف و الکترو آسفالوگراف. این دستگاه‌ها می‌توانند با رسم نمودارهایی وضع سلامت یا بیماری را برای پزشک مشخص کنند. ممکن است این دستگاه‌ها مجهز به نوسان نگار باشند و درنتیجه نمودارها مستقیماً بر روی یک صفحه تلویزیون مشاهده شود. نمونه این دستگاه‌ها کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیمار قرار می‌گیرد و بر آن منحنی ضربان قلب بیمار مشاهده می‌شود. در الکتروکاردیوگراف به‌جای آنکه منحنی‌ها مستقیماً دیده شود آن منحنی‌ها (نمودارها) بر روی نواری از کاغذ ثبت و ضبط می‌شود و پزشک از روی آن‌ها می‌تواند وضعیت قلب و نوع بیماری را تشخیص دهد.

الکتروآنسفالوگرافی دستگاهی است که با آن بیماری‌هایی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتیاد به دارو و الکل تشخیص داده می‌شود و کار این دستگاه با استفاده از فعالیت‌های الکتریکی که در سطح بدن ظاهر می‌شود، صورت می‌گیرد. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که در قشر مغز تغییرات پتانسیل الکتریکی منظمی انجام می‌شود. «این پتانسیل‌های الکتریکی به‌استثنای حالت بیهوشی عمیق یا قطع جریان خون به مغز همیشه وجود دارند. هنگامی‌که قشر مغز خراب شود، این نقش تغییر می‌کند. با قرار دادن الکترودهای پهن یا الکترودهای سوزنی شکل بر روی پوست سر می‌توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدایت کرد… این امواج نتیجه پتانسیل‌های کار نورون‌های عصبی قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر می‌شوند … خاصیت مهم این امواج بسامد آن‌ها است. گستره معمولی این بسامد از یک تا60 هرتز تغییر می‌کند. این امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل‌های تلاقی، شکل امواج و نقش‌هایی که دارند، ارزیابی می‌شوند.»

تهیه طرح‌های سه‌بعدی از بدن

در سال‌های70-۱۹۶۰ برای تشخیص بیماری‌ها چهار روش جدید ابداع شد:

• گرما‌نگاری: نخستین روش گرمانگاری بود که در سال۱۹۶۲عرضه شد. می‌دانیم که هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳ درجه سلسیوس) باشد از خود امواجی تابش می‌کند که به نام امواج گرمایی معروف است. از این خاصیت یعنی انتشار امواج گرمایی از بدن انسان استفاده‌شده و اختلاف دمای قسمتی از بدن را به‌صورت تصویری رنگی تهیه می‌کنند. این روش برای تحقیق و بررسی رگ‌های خونی سطحی بدن مفید است و با آن می‌توان از وجود تومورها نیز باخبر شد.
• توموگرافی: پرتوهای ایکس می‌توانند از بافت‌های نرم بگذرند، لیکن میزان جذب یا عبور آن‌ها به غلظت بافت بستگی دارد. چنانچه پرتوایکس در مسیر خود از غده‌ای بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی که غده وجود نداشته باشد، تفاوت می‌کند. به کمک کامپیوتر می‌توانند تصویری را که از بدن گرفته‌اند، پردازش کنند و اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمایند. عملی که با کمک پرتوایکس و کامپیوتر برای تعیین غده‌ها صورت می‌گیرد را توموگرافی می‌نامند.
• هولوگرافی (تمام‌نگاری): دنیس گابور فیزیکدان نوع جدیدی از عکاسی را در سال1947 ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون ازجمله در پزشکی از آن استفاده شد. هولوگرافی بر اساس خواص امواج متکی است و تصویری که از ریز شیء گرفته می‌شود، سه‌بعدی است. در این طریقه تصویری که از هر عضو بدن گرفته می‌شود، کاملاً همه قسمت‌های اطراف آن عضو دیده می‌شود. برای تهیه عکس سه‌بعدی معمولاً از پرتوهای لیزر استفاده می‌شود.
• دستگاه تشدید مغناطیسی (NMR) :اساس این دستگاه بر این خاصیت است که هسته اتم‌های خاصی در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی امواجی از خود تابش می‌کنند که قابل‌ردیابی است. این پدیده در سال1940 شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی برای نخستین بار در سوئد توسط «اریش اودبلاد» و از دهه 1950 شروع شد.

در سال1973در انگلیس از طریق ردیابی تابش تراکم اتم‌های هیدروژن در بافت‌های مختلف بدن نخستین تصویر NMR تهیه شد. از سال1977 به بعد تصویر از مغز نیز به این وسیله گرفته شد.

 منبع: http://www.narges1.blogsky.com