أجهزة طبية

كيف يعمل الطب النووي

 التشخيص والعلاج بالطب النووي

كيف يعمل الطب النووي

تحدثنا في مقالات سابقة عن الاشعاع النووي وعن انتاج الطاقة الكهربية من المواد المشعة التي تطلق اشعة جاما وجسيمات الفا وجسميات بيتا خلال نشاطها الاشعاعي للتحول من مواد مشعة إلى مواد مستقرة، وكل نواة غير مستقرة تطلق هذه الاشعاعات التي نسميها بالاشعة النووية، ولعلنا نسمع عن خطورتها التي تصل إلى درجة الدمار الشامل اذا تم استخدامها في تصنيع القنابل النووية وهذه الاشعة خطرها قاتل للكائنات الحية لانها تحمل طاقة عالية جداً، ومن خلال قراءتك للموضوع السابق حول انتاج الطاقة الكهربية بواسطة المفاعلات النووية لابد وان لاحظت الكم الهائل من الحرارة التي تتولد من قطعة صغيرة من اليورانيوم-235 التي استخدمت في تحويل الماء إلى بخار لتحريك التوربينات.

وبرغم من كل هذا فإن الاشعاعات النووية تلعب دوراً كبيرا في الطب، وتستخدم في التشخيص وفي العلاج ايضا، وتوجد في المستشفيات قسم خاص بالطب النووي يستخدم لعلاج الامراض السرطانية وكثيرا ما يطلب الطبيب من المريض اجراء تصوير PET لتشخيص الحالة المرضية للمريض، هذا القسم بالكامل يعتمد على المواد المشعة والتي تسمي بالطب النووي nuclear medicine ويستخدم فيه المواد المشعة لتصوير الاعضاء الداخلية لجسم الانسان وانواع اخرى تستخدم للعلاج.

اعلانات جوجل

كيف يعمل الطب النووي

جهاز PET في احد المستشفيات

وفي هذه المقالة من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل اجهزة الطب النووي وسوف نعرف كيف تستخدم المواد المشعة لرؤية الاعضاء الداخلية في جسم الانسان في حين تعجز الاجهزة الاخرى عن القيام بهذا الدور ومن جانب آخر سوف نتحدث عن اساليب العلاج بواسطة المواد المشعة وفكرة عملها.

 تاريخ الطب النووي

يعود الفضل في نشأة الطب النووي إلى اختراع السيكلترون cyclotron بواسطة العالم ايرنيست أورلاندو لورانس Ernest Orlando Lawrence.  والذي كان يعمل في جامعة بيركلي في ولاية كلفورنيا الامريكية في العام 1928 كفيزيائي نووي.  وفي العام 1930 تمكن لورنس من بناء اول سيكلترون يعمل على تعجيل المواد المشحونة بفرق جهد يصل إلى مليون فولت. والشكل ادناه يوضح جهاز السيكلترون الذي اخترعة ارنست وفكرة عمل هذا الجهاز تعتمد على استخدام المجال الكهربي المتردد بين التجويفين على شكل حرف D والظاهران باللون الاصفر  Dee لتعجيل الايونات، ويعتمد ايضا على اسخدام مجال مغناطيسي لجعل مسار الايونات المعجلة تأخذ مساراً دائرياً.

كيف يعمل الطب النووي

السيكلترون المستخدم في تعجيل الجسيمات المشحونة لاستخدامها في تشعيع العناصر المستخدمة في الطب النووي

كان للورنس اخ يدرس الطب اسمه جون متخصص في استخدام الاشعة النووية في علاج الاورام السرطانية والقضاء عليها، وكان اول من استخدم جهاز السيكلترون في قذف انوية الفوسفور المعجل بواسطة السيكلترون على فئران مصابة بالسرطان، وقد اكتشف بعد ساعات تحسن طرأ عليها. وفي العام 1935 قام جون باستخدام النيوترونات في بعض تجاربه الطبية ولكنه وجد ان تلك النيوترونات تسبب خطورة كبيرة على الكائن الحي تفوق اشعة اكس في ذلك الوقت بخمسة مرات، مما دفع اصحاب القرار إلى منعه من مواصلة ابحاثه في هذا المجال. ولكن في العام 1937 شاءت الظروف ان تصاب والدته بمرض السرطان واخبرها الاطباء بان امامها بضعة ايام للعيش. فما كان من جون وأخيه ان قررا أخذ والدتهم إلى احد المصحات التي سمح لهم فيها باستخدام فكرة العلاج بالنظائر المشعة للقضاء على السرطان، وبالفعل كللت محاولتهم بالنجاح وكتب لوالدتهم ان عاشت 15 عاماً.

العالمان ارنيست “الذي يعمل على الجهاز” وجون “الذي على يساره” في مختبر ابحاثهما

اعلانات جوجل
John Lawrence

سجل اكبر نجاح للعلاج بواسطة النظائر المشعة في العام 1939 عندما استخدم الفوسفور-32 لعلاج مرض البوليثيما الذي يسبب خلل في الدم بزيادة كبيرة في كريات الدم الحمراء.  وتوالت النجاحات بعد ذلك ففي العام 1946 استخدم الأيودين-131 لمنع انواع معينة من السرطان من النمو كما تم استخدام هذا العنصر في التصوير للاجزاء الداخلية لجسم الانسان ليدخل بعده الطب مرحلة جديدة هي مرحلة الطب النووي.وللعلم حصل العالم ارنيست على جائزة نوبل لاكتشافه السيكلترون في العام 1939 والتي استخدمت في تعجيل البروتونات للحصول على نظائر مشعة صناعية، كما حصل العالم جون على جائرة فيرمي في العام 1983 على اعماله البارعة التي أهلته ليكون قائد الطب النووي.

التصوير في الطب النووي

من المشاكل الرئيسية للحصول على صور لجسم الانسان وخصوصا الأعضاء الداخلية مثل القلب والدماغ والكلية والكبد هي ان جسم الانسان لايمر عبره الضوء مثل الزجاج والماء.  واذا تطلب الامر تشخيص دقيق لمرض يصيب تلك الاعضاء كان يتطلب اجراء عملية جراحية لمعرفة ماذا اصاب جسم الانسان.  ولكن في ايامنا هذه وبفضل الله علينا تمكن العلماء الفيزيائيين من استخدام العديد من التقنيات التي لا تتطلب عملية جراحية والتي تعرف بتقنيات التشخيص عن بعد non-invasiveمثل استخدام اشعة اكس واستخدام الرنين المغناطيسي واسخدام الامواج فوق الصوتية واجهزة التصوير المقطعية والتي قد تحدثنا عنها بالتفصيل في مقالات سابقة.  وبالطبع لكل من هذه التقنيات مزاياه وعيوبه التي جعلت لكل تقنية افضلية في توجيهها لمنطقة محددة من جسم الانسان للحصول على افضل وادق النتائج.

اما التصوير باستخدام تقنيات الطب النووي فهي تعطي للطبيب وسيلة للنظر داخل جسم الانسان، مستخدما المواد المشعة والكواشف الخاصة لها واجهزة الكمبيوتر المتطورة وتعتمد طرق التصوير النووي على التقنيات العلمية التالية:

(1) اشعاع البوزيترون الطبقي Positron emission tomography (PET)

(2) الاشعاع الفوتوني المقطعي Single photon emission computed tomography (SPECT)

(3) تصوير جهاز الدورة الدمويةCardiovascular imaging

(4) اجهزة مسح العظام Bone scanning

اعلانات جوجل

ملاحظة: يرجى الاعتماد على المصطلحات باللغة الانجليزية والترجمة هي اجتهاد شخصي.

تستخدم تلك التقنيات الاربعة خصائص مختلفة للعناصر المشعة للحصول على الصور وللعلم فإنه تعتبر الطريقة الامثل للحصول عى صور للاورام السرطانية tumors وللمناطق الضعيفة في الأوردة الدموية aneurysms واكتشاف العجز في تدفق الدم في اعشية جسم الانسان thyroid  وكذلك الخلل الذي قد يصيب الرئتين pulmonary function deficiencies.

وبناء على الحالة المرضية فإن الطبيب قد يوجه المريض للحصول على فحص يعتمد على اي من التقنيات الاربعة السابقة واحياناً يتطلب التشخيص استخدام اكثر من تقنية. وسوف نشرح فكرة عمل كل تقنية من هذه التفنيات

اشعاع البوزيترون الطبقي Positron emission tomography PET

يمكن باستخدام تقنية اشعاع البوزيترون الطبيقي PET الحصول على صورة لحسم الانسان من خلال التقاط الاشعاع الذي يصدر عن المواد المشعة التي يحقن بها جسم المريض والتي تكون اما كاربون-11 أو فلورين-18 أو أكسجين-15 أو نيتروجين-13، وكل هذه العناصر مواد مشعة لها عمر نصف قصير جداً. ويتم الحصول على هذه المواد المشعة من خلال تسليط نيوترونات معجلة على ذرات تلك العناصر لتصبح مشعة ولفترة زمنية قصيرة. عند حقن جسم الانسان بتلك العناصر المشعة التي جهزت بواسطة معجل السيكلترون فإنها تطلق جسيمات تسمى البوزيترون وهذا البوزيترون هو جسيم اولي له نفس كتلة الالكترون ولكن يحمل شحنة الإلكترون ولكن موجبة. البوزيترون جسيم موجب يتحد مع الكترون في جسم الانسان وينطلق عن هذا الاتحاد فوتونين كل فوتون عبارة عن اشعة جاما والتي تستخدم للحصول على الصورة كما سيتم شرحه من خلال كاميرات خاصة تسمى كاميرا جاما Gamma Camera.

اعلانات جوجل

 

اعلانات جوجل

يوضح الشكل مراحل اتحاد البوزيترون مع الالكترون لاطلاق فوتونيين جاما

 

(1) يوجد في جسم الانسان العنصر المشع الذي حقن به ويوجد الكترون من ذرات جسم الانسان بالقرب  من نواة العنصر المشع.

(2) تطلق نواة العنصر المشع البوزيترون

(3) يتحد البوزيترون مع الالكترون

(4) يتلاشى الالكترون والبوزيترون وتتحول كتلتهما إلى طاقة يحملها فوتونين بطاقة اشعة جاما

كيف تتكون الصورة من فوتونات اشعة جاما؟

في تقنية التصوير باستخدام PET يتم حقن المريض بمادة مشعة ويتم وضعه على سرير خاص متحرك ليدخل في حلقة كما في الشكل المبين ادناه. وفي داخل هذه الحلقة يوجد كواشف اشعة جاما والتي تعرف باسم كاميرا جاما، وتتكون هذه الكواشف من سلسلة من بلورات خاصة تعرف باسم scintillation crystals كل بلورة متصلة مع مكبر فوتوني يعرف باسم photomultiblier tube وتعمل البلورات على تحويل اشعة جاما المنطلقة من جسم الانسان إلى فوتونات ضوئية يتم تحويل الفوتونات الضوئية الى الكترونات عندما تستقيل بواسطة المكبر الفوتوني والتي تعمل على تكبيرها الاف المرات لتشكل اشارة كهربائية.  هذه الاشارات الكهربائية تعالج بواسطة الكمبيوتر لتكون الصورة.  ويتحرك السرير ببطء ليتم التقاط اشارات اخرى وتأخذ صور لكل جزء من الجسم حسب حركة السرير داخل الحلقة.  وبهذه الطريقة يحصل الطبيب على مسح كامل للمنطقة المحددة من جسم الانسان مثل الدماغ أو الصدر او الكبد.  يتم تجميع هذه الصور الطبقية في ذاكرة الكمبيوتر والذي يقوم بمعالجتها وتحويلها إلى صور ثلاثية الابعاد.

مخطط يوضح فكرة عمل كاميرا جاما المستخدمة في التصوير بتقنية PET

توفر صور الـ PET معلومات في غاية الأهمية عن تدفق الدم في الاوعية الدموية بالاضافة إلى معلومات عن العديد من الوظائف البيوكيميائية التي تحدث في الجسم.  ويمكن تحديد المنطقة المراد تصويرها او العملية البيوكيميائية بدقة من خلال اختيار المادة المشعة التي تحقن للمريض.  فعلى سبيل المثال يمكن بواسطة الـ PET الحصول على صور لعملية احتراق الجيليكوز في الدماغ أو اي تغيرات سريعة تحدث خلال الانشطة المختلفة التي تقوم بها اعضاء الجسم.

توضح الصورة الجانبية صورة للأعضاء الداخلية لجسم الانسان وتعرض الصورة على شاشة كمبيوتر الجهاز في الابعاد الثلاثة

وعلى كل حال اماكن تواجد هذه الاجهزة التي تعمل بتقنية الـ PET محدودة ونطاق انتشارها قليل في الكثير من الدول لانه يتطلب بناء مراكز خاصة لها بالقرب من المعجلات النووية لتوفير المواد المشعة التي لها عمر نصف صغير.

الاشعاع الفوتوني المقطعي Single photon emission computed tomography SPECT

 تشبه تقنية الاشعاع الفوتوني المقطعي SPECT  تقنية اشعاع البوزيترون الطبيقي PET ولكن تستخدم في عملية التصوير عناصر مشعة مختلفة مثل الزينون-1333 والتكنيتيوم-99 والايودين-123 والتي لها اعمار نصف اطول من تلك المستخدمة في التقنية السابقة الذكر.  كما انها تطلق شعاع جاما واحد بدلاً من شعاعين كما في PET.  توفر تقنية SPECT معلومات حول تدفق الدم من خلال الصور المأخوذة بهذه التقنية وفي الغالب تكون اقل معلومات ولكن تكلفتها اقل بكثير من تلك المأخوذة بواسطة PET. واماكن تواجد الاجهزة التي تعمل بتلك التقنية متوفرة اكثر لانه لا يتطلب وجودها بالقرب من المعجلات النووية.

تصوير جهاز الدورة الدموية Cardiovascular imaging

تستخدم تقنية تصوير الدورة الدموية للحصول على منحنيات عن تدفق الدم بين القلب والشرايين والاوردة في داخل جسم الانسان. وفي هذه التقنية يقوم الطبيب المختص بحقن المريض بمركب الثاليوم المشع بينما يمارس المريض الجري على جهاز رياضي ويتم تصوير باستخدام اشعة جاما الصادرة عن انحلال عنصر الثاليوم بواسطة كاميرا جاما.  وبعد ذلك يأخذ المريض فترة راحة لدراسة معدل النبض بدون اي مجهود على القلب. ومن الصور التي تم الحصول عليها قبل التمرين وبعده يمكن معرفة التغير في تدفق الدم في الحالتين، وبهذا الفحص يستطيع الطبيب معرفة العوائق التي قد تكون موجودة في الشرايين والاوعية او حتى في عضلة القلب نفسه.

اجهزة مسح العظام Bone scanning

في بعض الفحوصات يتم حقن المريض بمادة خاصة تعرف باسم technetium-pp methyldiphosphate والتي يتم تحتوي على الفوسفات التي تتجه إلى العظام في جسم الانسان خصوصاً تلك المناطق التي يكون فيها نشاط غير طبيعي. والصور الناتجة تعطي بقع مضيئة لاماكن التي تكثر فيها تلك المناطق وتعطي بقع داكنة للمناطق التي تحتوي على نشاط عادي.  وبهذا يمكن مسح شامل للهيكل العظمي في الجسم واذا ما كان هناك اي اثر لورم سرطاني لا سمح الله.

العلاج في الطب النووي

في الفحوصات التي تستخدم العناصر المشعة في الطب النووي لا تعتبر ضارة لجسم الانسان لان عمر بقائها في الجسم قصير يصل لبعض الدقائق وفي بعض الاحيان ساعات محدودة وتعتبر خطورة التصوير بهذه الوسائل السابقة الذكر اقل خطورة من الاجهزة التي تستخدم اشعة اكس مثل جهاز التصوير المقطعي CT ويتخلص جسم الانسان من هذه المواد عن طريق البول.

المهم في هذا الموضوع هو ان بعض الخلايا تتأثر بشدة بالاشعاعات المؤينة مثل اشعة جاما وبيتا والفا واشعة اكس. وحيث ان الخلايا الحية تنقسم بمعدلات مختلفة فإن الخلايا التي تنقسم بمعدلات عالية تتأثر اكثر بالاشعة من الخلايا التي تنقسم بمعدلات طبيعية وهذا يعود إلى الخاصيتين التاليتين:

(1) الخلايا تتمتع بقدرة على اصلاح اية اصابة في الـ DNA

(2) اكتشفت الخلية ان الـ DNA قد اصيب بالاشعة اثناء الانقسام فإن الخلية تدمر نفسها.

وبهذا فإن الخلايا التي تنقسم بسرعة لا تمتلك الوقت الكافي لاصلاح الضرر في الـ DNA وبالتالي فإن فإنها تموت فوراً عندما تتعرض للاشعاعات النووية.

وبما ان الخلايا السرطانية تمتلك خاصية الانقسام بسرعة كبيرة فإنها عندما تتعرض الى جرعات من المواد المشعة فإنها تعمل على قتلها وبهذا فإن تعريض الاجزاء المصابة بالخلايا السرطانية في جسم الانسان إلى الاشعاعات النووية يعتبر نوع من العلاج.  حيث يتم تثبيت المواد المشعة في صورة اسلاك رفيعة بجوار المناطق المصابة ولكن في المناطق العميقة التي قد تكون مصابة يتم تسليط اشعة اكس بتركيز عالي عليها.

وتكمن المشكلة في هذه الطريقة من العلاج إلى تعرض الخلايا السليمة التي تنقسم بسرعة في جسم الانسان للموت بسبب تواجد تلك الاشعاعات مثل خلايا الشعر وخلايا المعدة خلايا الجلد وخلايا الاوعية الدموية ولهذا تتعرض تلك الخلايا السليمة لاشعة وتصيبها عند محاولة القضاء على الخلايا السرطانية.  ولهذا نجد ان المرضي الذين يتعرضوا لجرعات من المواد المشعة كعلاج يحدث تساقط للشعر ويصابوا بالصلع.

وفي النهاية لا شك ان التطور العلمي مستمر فجهود العلماء في مختلف التخصصات مكنتهم من التوصل إلى وجود هذه الاجهزة التي سخرت من أجل خدمة الانسان، فالتقنيات التي شرحت في هذا المقال ساهمت ولا شك في اكتشاف الاصابة بالامراض المستعصية قبل انتشارها في جسم الانسان وبدونها لما كان بالامكان اكتشاف تلك الخلايا السرطانية الا بعد فوات الاوان لا قدر الله.

لمزيد من المعلومات عن الطب النووي والاجهزة والتقنيات المستخدمة يرجى الاطلاع على المواقع المختارة التالية:

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى