اشعه تحت حمراء في طب

Infrared rays in medicine - Rayons infrarouges en médecine

الأشعة تحت الحمراء في الطب

محمد فراس الحناوي

 أهم التطبيقات الطبية للأشعة تحت الحمراء

 مبادئ التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

تستعمل الأشعة تحت الحمراء في الطب لأغراض مختلفة تعتمد على أطوالها الموجية، والتي تصنف كما يلي:

1- الأشعة تحت الحمراء القريبة ويرمز إليها near-infrared (NIR, IR-A). وتراوح الأطوال الموجية لها بين 0.75 و 1.4 مكرومتر.

2- الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي القصير (B-Ri, RIWS) short-wavelength infrared، وهي بين 1.4 و 3 مكرومتر.

3- الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي المتوسط (MWIR, IR-C) mid-wavelength infrared، كذلك تسمى intermediate infrared (IIR) ويقع طولها الموجي بين 3 و 8 مكرومتر.

4- الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل (LWIR, IR-C) long-wavelength infrared، ويراوح طولها الموجي بين 8 و 15 مكرومتر.

5- الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) far infrared، ويراوح طولها الموجي من 15 و1000 مكرومتر.

وكذلك يمكن تصنيف الأشعة تحت الحمراء وفق استجابة الحساسات (المحسّات) لها.

أهم التطبيقات الطبية للأشعة تحت الحمراء:

•معالجة البثور: يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لمعالجة البثور في الوجه (الجلدية)، وللجروح المزمنة المستعصية الشفاء، واعتلال الأعصاب المحيطية الناجم عن السكري، والسكتة الدماغية والوذمات الليفية وآلام الرقبة وهشاشة العظام. كما تُستخدم منبعاً للحرارة في المعالجة الفيزيائية؛ ويمكن استعمالها مخثِّراً للبواسير الداخلية المؤلمة والمستمرة النزف من الصنفين I و II.

•المعالجة بالأشعة تحت الحمراء البعيدة: يُمكن ذلك من زيادة الدوران الدموي وتغذية الأنسجة بالأكسجين ومعالجة المتضرر منها، ويساعد على تخفيف آلام المفاصل الحادة والعضلات والإصابات الرياضية. وكذلك الاسترخاء وتحسين النوم وتخفيف الضغط النفسي. كما أثبتت مراكز الأبحاث الألمانية أن استخدام هذه الأشعة مدة ساعة واحدة تساعد على تخفيف ضغط الدم، وهذا يعود إلى تمدد الأوعية المحيطية (الشكل1).

الشكل (1): جهاز معالجة موضعية بالأشعة تحت الحمراء.

يمكن عَدُّ الأشعة تحت الحمراء البعيدة ترياقاً للحروق الشمسية (الشكل 2). وتُستخدم في العيادة السنية لمعالجة التهاب اللثة.

الشكل (2): جهاز معالجة لكامل الجسم بالأشعة تحت الحمراء

•التحري المبكِّر عن الزرق: قام الباحثون من جامعة ديوك Duke في الولايات المتحدة الأمريكية باستخدام الكاميرا الحرارية (الأشعة تحت الحمراء) للتحري المبكر عن الزرق (الشكل 3). تلتقط الكاميرا الصورة تحت الحمراء التي تعطي تفاصيل قناة مجرى الدمع حيث تتدفق السوائل عبره إلى العين. يُبقي هذا التدفق كمية طبيعية من الضغط على العين. ولكن في حالة مرضى الزرق يؤدي انسداد هذه القناة إلى تراكم السائل، ومن ثَمَّ يولد ضغطاً يمكن أن يؤدي إلى تخريب العصب البصري، وهذا ما يؤدي إلى العمى الجزئي أو الكلي.

الشكل (3) جهاز تشخيص الزرق باستخدام جهاز الأشعة تحت الحمراء المركَّب على المصباح الشقي.

•قياس درجة حرارة الجسم: يتكون مقياس درجة الحرارة المستخدِم للأشعة تحت الحمراء (كما في الشكلين 4 و5) من عدسة لتركيز الأشعة تحت الحمراء على الكاشف detector الذي يحوِّل الطاقة المنبعثة والمستقبَلة إلى إشارة كهربائية، حيث تُكبر وتُعالج، ثم تُحوَّل إلى إشارة رقمية لتعرض بواحدة الدرجة المئوية بعد أن يجري التعويض عن الحرارة المحيطة.

الشكل (4): مخطط تدفقي لميزان حرارة باستخدام تقنية الأشعة تحت الحمراء.

الشكل (5): ميزان حرارة باستخدام تقنية الأشعة تحت الحمراء لقياس حرارة الجلد من خلال: أ- الجبهة ب- الأذن.

•التحليل الطيفي باستخدام الأشعة تحت الحمراء القريبة near-infrared spectroscopy (NIRS): وهي طريقة تستخدم الأشعة تحت الحمراء في المنطقة القريبة من 800 نانومتر إلى 2500 نانومتر. وتفيد في التطبيقات الصيدلانية، والتشخيص الطبي، ومنها قياس سكر الدم، ومستوى الأكسجين.

يتألف الجهاز من منبع ومحسّ وعنصر تبديد مثل الموشور، أو شبكة حزوز الانعراج للسماح بتسجيل الشدات ذات الأطوال الموجية المختلفة.

يُطبَّق تحويل فورييه Fourier transform للأشعة تحت الحمراء باستخدام مقياس تداخل خاص عند أطوال موجية أعلى من 1000 نانومتر. وبالاعتماد على العينة، يمكن قياس الطيف المنعكس أو العابر.

تُستخدَم المصابيح المتوهجة أو الهالوجينية الكوارتزية منابع عريضة النطاق للإشعاعات تحت الحمراء القريبة للتطبيقات التحليلية، أو الديودات الباعثة للضوء LED، إذ توفر ثباتية طيفية وتخفض متطلبات الطاقة، وهي طويلة العمر.

يعتمد نوع المحسّ المستَعمَل على الأطوال الموجية المطلوب تسجيلها، وتُعدّ النبائط المقترنة الشحنة المعتمدة على السِليكون silicon based (CCD) مناسبة للتطبيقات البسيطة لمجال الأشعة تحت الحمراء القريبة، ولكنها غير حساسة بما يكفي لبقية المجال (أطول من 1000 نانومتر).

إن تجهيزات الإنديوم زرنيخيد الغاليوم (InGaAs) وكبريتيد الرصاص II (PbS) أنسب للاستخدام، ولكنها أقل حساسية من النبائط المقترنة الشحنة. ففي الأجهزة ذات مصفوفة ديودات للأشعة تحت الحمراء القريبة، تُستخدم الحساسات المعتمدة على السليكون والإنديوم وزرنيخيد الغاليوم (InGaAs) في الجهاز نفسه، ويُسجل هذا الجهاز طيف الأشعة فوق البنفسجية المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة بالوقت نفسه (الشكل 6).

الشكل (6): مراقبة دماغ الطفل من خلال الأشعة تحت الحمراء القريبة. أ- اللصاقة الحاملة للمحسّات ب- الطفل وقد ربطت اللصاقة على جبهته.

يعتمد التطبيق الأولي للأشعة تحت الحمراء القريبة على جسم الإنسان؛ على خاصة النفاذ والامتصاص لضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة للأنسجة في الجسم البشري، والتي تضم معلومات عن تغيرات تركيز الكريات الحمراء، فمثلاً عندما تُحفَّز منطقة معينة في الدماغ فإن حجم الدم المتمركز في تلك المنطقة يتغير سريعاً، ويمكن للتصوير البصري قياس الموقع وفعالية منطقة محددة للدماغ بالمراقبة المستمرة لمستويات الكريات الحمراء بوساطة تقرير معاملات الامتصاص البصري.

• تقنية التصوير الحراري الطبي باستخدام الأشعة تحت الحمراء (MIT) :medical infrared thermography وهي وسيلة غير باضعة لتحليل الآليات الفيزيولوجية المتعلقة بدرجة حرارة الجلد. تعتمد هذه التقنية على تحرّي درجات الحرارة غير الطبيعية وتحديدها من خلال الزيادة أو النقص على سطح الجلد. تعتمد هذه التقنية التحري عن الإشعاعات تحت الحمراء التي يمكن أن ترتبط بتوزع درجة الحرارة على منطقة محدَّدة في الجسم (الشكل 7).

الشكل (7): كاميرا حرارية باستخدام تقنية الأشعة تحت الحمراء للتشخيص، ويظهر الحاسوب مع البرمجيات المستخدمة لمعالجة وإظهار الصورة.

يمكن لأي إصابة أن تؤدي إلى تغير التدفق الدموي، وهذا ما يؤثر في حرارة الجلد. فالالتهابات تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة في حين يخفف الانحطاط العام من الفعالية العضلية وتراجع التناضح، ويؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة.

ثمة تطبيقات عدة للتصوير الحراري الطبي باستخدام الأشعة تحت الحمراء مثل الاضطرابات العصبية وجراحة القلب المفتوح والأمراض الوعائية والضمور العضلي والمشكلات البولية وقياس درجات الحرارة المرتفعة عند الإصابة. لكن الحقل الأهم هو الكشف المبكِّر عن أورام الثدي السرطانية حيث صار من الممكن الحصول على نتائج تتمتع بحساسية وخصوصية تصل إلى 90 %. وتعود هذه النسبة المرتفعة إلى زيادة التدفق الدموي نحو الخلايا السرطانية لتغذيتها. ويُعدّ انخفاض درجة حرارة الجلد دليلاً على اضطراب عضلي هيكلي. فالجلد البارد حول الركبة هو مؤشر لإنذار ضعيف وزمن شفاء طويل.

مبادئ التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

هي تقنية تصوير ثنائية البعد توفر معلومات عن فيزيولوجية الأنسجة. ويكمن السؤال في إمكان تغير الصور الفيزيولوجية قبل ظهور الضرر التشريحي. لهذا جرى تطوير حزم برمجية تقدِّم معلومات فيزيولوجية وتشريحية بدمج الصورتين معاً، وهذا يساعد على تحديد مكان المنطقة المصابة ودرجة الإصابة.

يُعدّ الجلد البشري جسماً مشعاً قريباً من إشعاع الجسم الأسودbody black، بمعامل إصدار 0.98، ولهذا فهو مصدر بث مثالي للإشعاعات تحت الحمراء عند درجة حرارة الغرفة، فهو يبث إشعاعات بطول موجة يقع بين 2- 20 مكرومتر وعند قمة عظمى متوسطة تراوح بين 9- 10 مكرومتر. يحدد قانون بلانك Planck مواصفات الإشعاعات تحت الحمراء المنبعثة من جسم أسود وطيف إصداره spectral radiant emittance ويُعطى بالعلاقة:

حيث: ثابت بلانك.

ثابت بولتزمان.

سرعة الضوء في الخلاء.

λ طول الموجة (مقدراً بالمكرومتر).

T درجة الحرارة (مقدراً بالكلفن).

وبالاعتماد على قانون بلانك، فإن نسبة 90 % من الإشعاعات المنبعثة من الإنسان ليست أطول من 8- 15 مكرومتر.

تشير الإصدارية إلى قدرة الجسم على بث الإشعاعات مقارنة بالجسم الأسود. من ثَمّ تولد الكاميرات الحرارية صوراً اعتماداً على كمية الحرارة المتبددة من سطح ما؛ بالإشعاعات تحت الحمراء. وتعتمد هذه التقنية على استقبال هذه الإشعاعات الكهرطيسية وتحولها إلى إشارات كهربائية، وتعرض هذه الإشارات على شكل ظلال رمادية أو ملونة تمثل قيم درجات الحرارة.

استُخدمت الكاميرات الحرارية الأحادية المحسّ، وذات مصفوفة المحسّات المحرقية التي أعطت صوراً حرارية ذات دقة عالية من دون آليات مسح ميكانيكية. تعمل هذه الكاميرات في المنطقة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة (8- 15 مكرومتر)، وبميزة حساسيتها الضعيفة لضوء الشمس مقارنةً بالأمواج القصيرة.

تطورت تقنيات الكاميرات ذات الدقة العالية في القرن الحادي والعشرين، وهذا ما أدى إلى تحسن إمكانات التشخيص كما يظهر في الجدول (1)، وإلى اعتماد موثوقية هذا النوع من التصوير.

الجدول(1) الفرق بين التقنيات القديمة للكاميرات ذات الحساسية للأشعة تحت الحمراء والتقنيات الحديثة.
التقنيات القديمة	التقنيات الحديثة
حساس التبريد السائل	تقنية الكاميرا غير المبردة
عنصر حساس أحادي	مصفوفة الحساسات المسطحة
آلية مسح ميكانيكية بطيئة	تصوير ذو سرعة عالية بالزمن الحقيقي مع مصفوفات عناصر متعددة.
كاميرا ذات دقة منخفضة	كاميرا ذات دقة مرتفعة
التحويل التماثلي والحساب	التحويل الرقمي والحساب؛ تقوم دارات إلكترونية بنقل الصور من الكاميرا إلى الحاسوب الشخصي في الزمن الحقيقي.
صور بالتدرج الرمادي	صور ملونة
باهظة الثمن كبيرة الحجم غير متحركة	متوسطة الثمن صغيرة ومتحركة كاملة
في الغالبية ذات حساسية منخفضة	حساسية محسَّنة (0.02 درجة مئوية)
برمجيات وأدوات غير كافية	برامج معالجة الصورة سهلة الاستخدام

نشرت مجموعة التصوير الحراري من جامعة غلامورجان Glamorgan مجموعة اختبارات للتحري عن موثوقية الكاميرا العاملة على الأشعة تحت الحمراء. لذا فإن الكاميرا العاملة على الأشعة تحت الحمراء تناسب تقييم الجلد البشري بتحقيق ما يلي:

1) مَيْز (مكاني) حيزي spatial resolution: يعبر عن قدرة التفريق بين بقعتين متجاورتين. ومن ثمّ يكون الميز 320 بكسل (أفقياً) بـ 240 بكسل (شاقولياً) هي الحد الأدنى. ويعتمد الميز الحيزي على تبئير focusing الصورة.

2) مَيْز حراري عالٍ high thermal resolution: تعبير عن الحساسية، وتُعرَّف بأنها أصغر فرق حراري يمكن قياسه بين بقعتين وتمييزه.

3) الحصول على الاعتمادية الأوربية: فعندما تحدَّد درجة الحرارة بالدرجة المئوية فإن الجهاز يُصنف على أنه جهاز طبي، ويجب على صانعيه الحصول على الاعتمادية الأوربية.

4) المعايرة ذات النطاق الضيق بين 20- 40 درجة مئوية: وهذا يضمن قراءات تفصيلية طبية.

5) حزمة برمجيات للفحص الطبي، ومنها إمكان تصدير البيانات للتشخيص الطبي ومعالجة البيانات لدمج البيانات الأخرى مع الصورة (الشكل 8). ففي الشكل (8-أ) تظهر الصورة التشريحية، وفي الجزء (8- ب) تدمج الصورة التشريحية مع الصورة بالأشعة تحت الحمراء، وفي الجزء (8- ج) تتم تصفية ومعالجة أولية. الجزء (8- د) تظهر الصورة النهائية.

الشكل (8): آلية دمج الصورة: أ) الصورة التشريحية. ب) دمج الصورة (مرحلة أولى). ج) دمج الصورة (مرحلة ثانية) د) صورة الأشعة تحت الحمراء.

• قياس تشبع الأكسجين saturation pressure of oxygen (SpO2) أو قياس الأكسجة النبضي pulse oximetry هي طريقة غير باضعة تسمح بمراقبة نسبة الأكسجين في خضاب الدم.

يُوضع حساس على قسم رقيق من جسم المريض، عادة ما يكون قمة الأصبع (الشكل 9) أو حلمة الإذن أو القدم في حالة الأطفال. يخترق الضوء الأحمر بطول موجة 660 نانومتراً وضوء أشعة تحت حمراء 940 نانومتراً إصبع المريض (الشكل 10) أو أذنه أو قدم الطفل إلى حساس ضوئي. ويقاس الاختلاف في الامتصاص بين طولي موجتي الحزمتين، سامحاً لحساب الامتصاصية وذلك تبعاً للدم الشرياني النابض بمعزل عن الدم الوريدي أو الجلد أو العظم أو العضلات أو الدهون (ويراعى عند القيام بهذا القياس عدم وجود أي طلاء على الأظافر). وبالاعتماد على نسبة الفرق بين الامتصاصية لكل من الضوء الأحمر وتحت الأحمر الناجم عن الفرق اللوني بين خضاب الدم المشبع بالأكسجين (ذي اللون الأحمر الفاتح) وغير المشبع (أحمر قاني أو أزرق في الحالات الشديدة)؛ يمكن الوصول إلى الأكسجة، وهي نسبة جزيئات الخضاب المرتبطة بجزيئات الأكسجين.

إن قياس تشبع الأكسجين ضروري جداً عندما تكون حالة أكسجة المرضى غير مستقرة، كما هي الحال في غرف العناية المشددة والجراحة وقسم الإسعاف، وهي مؤشر مهم في تشخيص توقف التنفس في أثناء النوم.

الشكل (9): مقياس تشبع الأكسجين: موضوع على رأس الإصبع ويظهر على شاشته نسبة التشبع ومعدل نبضات القلب.

الشكل (10): المخطط التدفقي لمقياس تشبع الأكسجين الموضوع على رأس الإصبع SpO2.

 

مراجع للاستزادة: - N. A. Diakides and J. D. Bronzino, Medical Infrared Imaging, CRC Publishing, 2007. - C. Hildebrandt, C. Raschner, and K. Ammer, An Overview of Recent Application of Medical Infrared Thermography in Sports Medicine in Austria. Sensors, 10, 4700-4715, 2010. -R. MANIEWSKI, A. LIEBERT, M. KACPRZAK, and A. ZBIEC, Selected Applications of Near Infrared Optical Method in Medical Diagnosis, Opto-Electronics Review 12(3), 255–262, 2004 . -M. Vollmer and K. P. Mollmann, Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Application. John Wiley & Sons. 2010. -J. G. Webster, Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Wiley-inter-science, 2006.

 

---

- التصنيف : الهندسة الطبية - النوع : الهندسة الطبية - المجلد : المجلد الثاني مشاركة :