RÖNTGENDEN MANYETİK REZONANSA KİMYASAL ANALİZ ve GÖRÜNTÜLEME CİHAZLARI

Bu yazımızda bilimsel araştırmalar sonucu yapılan röntgen, ultrasonografi ve kısaca MRI olarak anılan nükleer manyetik rezonans görüntüleme cihazlarının tarihsel gelişimlerini bilimsel araştırma öyküleri ve fiziksel temelleri ile pratik uygulamaya aktarılışlarını anlatacağız. Yola hiç de tıbbi alet yapmak amacıyla koyulmayan bilim insanları bir konuda çalışırken başka bir buluş yaparlar. Belirli fiziksel olayların temelini açıklayan bu buluşlarını bir alet haline getirerek fizik ve kimya biliminde madde yapısını aydınlatmada kullanırlar. Alınan sonuçlara göre benzer maddelerin bulunduğu mühendislik ve tıp alanında da kullanılabileceği düşünülür. Yeni alanlara uygulama için aletlerde değişiklikler yapılır. Başarı sağlanırsa o alanlardaki sorunların çözümünde kullanılan yararlı cihazların ticari üretimleri yapılır. Bilimsel araştırma sonuçlarının pratik uygulamaya aktarıldığı alanlara en güzel örnek tıbbı cihaz yapımları ve tıpta uygulamalarıdır. İlk örnek Röntgen cihazları ile başlayacağız.

Röntgen ışınları keşfi, temelleri ve uygulamaları:19 Yüzyılın sonlarına doğru Avrupa ülkelerinde atomun elektron yapısının aydınlatılmasına yönelik yoğun çalışmaların ve bu çalışmalar sonucu birçok buluşların yapıldığı yıllardır. Çağın ortalarında elektriğin keşfinde en öncü bilim adamlarından M. Faraday ın geliştirdiği katot ışınları tüpü olarak anılan vakum tüpünün yaydığı ışınları araştırmak üzere deneyler yapan Hollanda asıllı Alman fizikçi W. Kondrad Röntgen 1995 yılında tüpün katodundan anoduna doğru yayılan “katot ışınları” yanında anottan da bir ışın yayıldığını gözler. Başlangıçta bu ışınları “anot ışınları” olarak adlandırır. Katot ışınlarının enerjisi anot ve katot türüne bağlı olmayıp sadece uygulanan gerilime bağlı olduğu halde bu ışınlarının enerjisi anot maddesine göre değişmektedir. Katottan yayılan ve elektron demetinden oluşan katot ışınları gibi anot ışınlarının da pozitif yüklü olmasını beklerken bu ışınların bir yük taşımadığı gibi o tarihe kadar bilinen ışınlardan farklı ve daha girici olduğunu gözlemesi ile Röntgen bilinmeyen bu ışınları “X-Işınları” olarak adlandırır.
 
ABD ve İngiliz kaynaklarında “X-Işınları” Alman kaynaklarında “Röntgen ışınları” olarak adlandırılan bu yeni keşfedilen ışınlar görünen ve mor ötesi ışınlardan daha enerjili, yani elektromanyetik spektumun daha kısa dalga boylu bölgesinde (0,01-10 nm), radyoaktif çekirdeklerin yaydığı gama ışınlarından daha az enerjilidir (0,1-100 keV). X-Işınları oluşturmak için artık katot ışınları tüpü yerine X-ışınları tüpü denen bir düzenek kullanılmaktadır. X-ışınları tüpü içinde tungsten flamalı bir katot ve buna 0,5-1.0 cm uzaklıkta metal bir anodun yerleştirildiği vakumlu cam tüpüdür (Şekil 3). Anot katot arasına 100–100000 V arası gerilim uygulandığında katottan çıkan ışınlar metal anodu döver, gerilimin yüksekliğine ve anot maddesi türüne göre sürekli ve anoda özgü X-ışınları oluşur. Katottan çıkan elektronlar anot maddesinin çekirdek çevresindeki iç elekronları koparırsa o eletron yerine dış elektronlar alır ve aradaki enerji anot maddesine özgü dar çizgili ışınlar, elektron koparılmazsa frenleme ışınları denen sürekli ışın oluşur. Oluşan ışınlar tüpün berilyum florürlü pence-resinden istenen madde üzerine düşürülür. X-ışınları küçük atom numaralı elementlerden oluşan sistemlerden doğrudan geçerken, ağır atomlar tarafından soğrulur.
 
Bu özelliği nedeniyle X-ışınları keşfinden hemen sonra bizzat Röntgen tarafından el, ayak gibi organ ve insan vücudunun resmini çekmede kullanılmıştır. X-ışınları vücudumuzun karbon, hidrojen, oksijen ve azot gibi düşük atom numaralı elementlerinden oluşan deri, kas, et gibi dokulardan geçerken, kalsiyum, fosfor gibi daha ağır elementleri içeren kemik dokusu tarafından absorplandıklarından organların ve vücudun üzerine x-ışınları düşürülerek arka kısma yerleştirilen fotoğraf filmi üzerinde yarı geçirgen resmi elde edilir. X-ışınları organ ve vücuda düşürülerek ilk yıllar kemik kayması, kırık ve çatlakları olmak üzere kemikle ilgili, daha sonra da ağır elementleri içeren çözeltilerin veya süspansiyonların vücuda veya özel organlara verilmesiyle diğer doku ve organların hasar veya deformasyonlarının araştırılmasında yaygın bir kullanım bulmıştur. Daha sonraki yıllarda diğer yardımcı kontras yapıcı maddeler ve değişik yönlerden taramalı kesit alma teknikleri, verilerin bilgisayarda toplanarak üç boyutlu görüntüye dönüştürüldüğü tomografik teknikler yardımı ile tüm organ ve dokuların incelenebildiği yararlı bir teşhis tekniği olmuştur.
 
X-ışınlarının iyonlaştırıcı ve deforme edicisi etkisi nedeniyle uygulanması dikkatle yapılmalı ve doz süreleri kısa tutulmalıdır. Eski yıllarda halk arasında “aynaya tutma” denen tetkik vucudu uzun süre radyasyona maruz bıraktığından terk edilmiştir. Tomografi bile çok dikkatle yapılmalıdır. 1900 yılından bu yana  X-Işınları aletleri üreten firmalarlar dünyanın her ülkesine milyonlarca alet satmışlardır.

X-Işınları Röntgen tarafından keşiflerinden sonra fizik ve kimyanın her alanında bozuntusuz madde analizinde kullanılmaya başlamıştır. İlk yararlı başarısı periyodik cetvelin açmazlarının giderilmesinde özellikle lântanit ve aktinitleri gibi f-bloku elementlerin periyodik cetvele yerleştirilmesinde görülmüştür. İngiliz Mosoley 1916 yılında elementlerin yaydıkları X-ışını frekanslarının karekökleri ile atom numaraları arasında doğrusal ilişkiyi göstermesinden sonra periyodik sistem atom numaralarına göre düzenlenmiş, atom numarası 57–73 arasındaki 14 nadir toprak metali lântan ile aynı yerde olması gereği açıklanmıştır. X- ışınlarının diğer bir yararı dalga boylarının atom çapı büyüklüğünde olması sonucu madde üzerine düşerek girişim yapmasına dayanarak Bragg bağıntısı yardımı ile kristal yapı tayinlerinde kullanılmasıyla kendini göstermiştir.

Günümüzde X- ışınları spektral analiz teknikleri olarak kimyasal analiz ve kristal yapı tayininde çok yaygın kullanılmaktadır. Bu teknikler 1) X-ışınları girişimi teknikleri tek kristal difraksiyonu olarak molekül yapısı, toz difraksiyonu olarak mineral yapısı ve miktar tayini, 2) X-ışınları absorpsiyonu ( sınırlı), 3) X-ışınları emisyonu ( anot tarafından yayılan anoda özgü olmalardan nitel ve nicel analizde), en çok mikroprob tekniği olarak elektron mikroskopisiyle kullanılır. 4) X-ışınları floresans spektoskopisi kimyasal analizde en çok kullanılan tekniktir. Bir x-ışınları tüpünden oluşturulan x-ışınları örnek üzerine düşürül-düğüde örnekteki elementleri tarafından absorplanandıktan sonra kendilerine özgü dalga boylarında x-ışını yayması olayıdır. Yayılan floresans ışınları analizör kristali denen d-sabiti belli bir kristal üzerine düşürülerek dalga boyuna ayrılır ve gonyometre veya alıcı dedektörde şiddetleri belirlenir. Zemin ışıması azlığı nedeniyle sinyal/gürültü oranı x-ışınları emisyon tekniğine göre daha yüksek olduğundan daha düşük derişimler tayin edilebilir.
 
Bu teknik hem iletken maddelerin hem de iletken olmayan örneklere uygun olduğundan jeolojik örneklerin, maden ve çimento gibi endüstriyel örneklerin yüksek kesinlikle analizinde yaygın kullanılır. Dalga boyu ayırmalı tekniğin yanına enerji ayırmalı aletler, x- ışınları tüpü yerine radyoaktif izotoplu ışın kaynaklı teknikleri de vardır.
 
Son 20 yılda toplam yansıtmalı x-ışınları floresans tekniği (TXRF) denen yeni düzenekli şekli çok küçük örneklerin ve çok düşük derişimlerin hızlı tayinlerinde yaygın kullanılmaktadır. Bu teknikle hava tozu, kaplıca ve içme suları, kan serumu ve tekstil gibi yaygın örneklerde bulunan eser elementlerin tayinlerini bizzat yaptım. Adli olayların çözümünde, antik resimlerin boyalarındaki elementlerin tayinini yaparak orijinallik kontrolünde başarı ile kullanılmaktadır. X-ışını teknikleri son yıllarda ESCA (elektron spectroscopy for chemical analyse) altında yüzey analizlerinde de kullanım alanı bulmuştur. Çok pahalı aletler bile keşfinden itibaren yüz binlerce satılarak üreticilerine çok para kazandırmıştır.

Şekil 3 X-ışınları tüpü şeması

ULRASONOGRAFİ İLE GÖRÜNTÜLEME

 Kimya ve fiziğin birçok alanlarında ve hatta günlük yaşamımızda değişik amaçlarla kullanılan mikro metre dalga boyundaki ses ötesi dalgalar bir ossilatör yardımiyle kolayca oluşturulabilir. Bu dalgalar maddesel ortamla karşılaştıklarında maddenin durumuna göre tekrar yansıtılabil-mektedir. Radarların hedef tesbiti de bu prensibe dayanmaktadır. Benzer düzenek insan doku ve organlarına ses ötesi frekans gönderilerek organdaki yoğunluk farkına göre yansıması görüntüye dönüştürülerek dokulardki değişikliklerin incelebileceğinin görülmesinden sonra bu sistem aynı x-ışınları grafisi gibi tıbbı teşhiste kullanılmaya başlamıştır. Ultrasono-grafide dokuya gönderilen dalgaların enerjisi düşük olduğundan dokuya zarar vermeden onların incelen-mesinde rahatlıkla kullanılabilir. Sonografinin değişik uygulama şekli Doppler ultrasonografi ise gönderilen ses ötesi dalganın ekran üzerinde oluşturduğu dalga görüntüsü yardımı ile daha çok damar yatağındaki direnç ve damar görüntüsü,  hakkında bilgi almakta kullanılır.