مقدمه
وجود
پادماده اولین بار توسط پل دیراک در سال 1928 مطرح شد. با ترکیب مکانیک کوانتومی و
نسبیت خاص، دیراک معادله موج نسبیتی مجزا برای فرمیون‌ها
(ذرات بنیادی که تابع قانون پاؤلی هستند) را بیان کرد، که منجر به نتیجه‌ای شگفت‌آور
شد: حل این معادله، نه تنها الکترون دارای بار منفی (که اکنون شناخته شده است)، بلکه
الکترون بار مثبت را توضیح میدهد.
این موضوع باعث شد تا دیراک وجود «پادماده» را پیش‌بینی
کند، و منجر به این ادعا شد که برای هر
ذره‌ای از ماده، یک ذره
پادماده با جرم یکسان اما بار مخالف وجود دارد.
چهار
سال بعد وجود پادماده توسط کارل اندرسون1، دانشجوی پسا دکتری در مؤسسه
فناوری کالیفرنیا ثابت شد [1]. اندرسون با استفاده از یک اتاقک ابر، برخی از مسیر‌های غیرمعمول پرتو‌های
کیهانی را شناسایی و مشاهده کرد. این مسیرها ویژگی‌های
یکسانی داشتند به‌طوری که این مسیرها
ردهایی را از خود به‌جا
گذاشته بودند، که در جهت مخالف الکترون‌ها
خم شده بودند. این موضوع به یک ذره الکترون یا بار مثبت اشاره می‌کرد. بنابراین، آندرسون، پوزیترون، پاد
ذره الکترون، را کشف کرد و اولین تأیید پادماده دیراک را ارائه کرد:
با
اینکه دانشمندان از کشف پادماده
مسحور شده بودند، اما تا زمانی که با داستان‌های
علمی تخیلی به عموم معرفی نشد توجه زیادی به آن نشد. ابتدا «پیشتازان فضا2»
علاقه مردم به پادماده
را به واسطه یو‌اس‌اس که شامل هسته پیچیده ماده/پادماده بود جلب کرد. با استفاده از انرژی
آزاد شده از نابودی ماده و پادماده،
سازمان فضانوردی قادر به کشف جهان بود. بعدها کتاب دن‌براون3
به نام فرشتگان و شیاطین مردم را بیشتر به سمت پادماده
سوق داد. در ابتدای کتاب آمده است که شخصی به سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای
(CERN) نفوذ کرد تا یک قوطی پادماده را به سرقت ببرد و بعداً از آن به‌عنوان یک بمب برای از بین بردن واتیکان
استفاده کند [2].
شاگردان
با این تصاویر ذهنی و بقیه تصاویر مشهوری که از علم در ذهن دارند وارد کلاس می‌شوند. در حالی که این مثال‌ها دیدگاه متفاوتی از علم را در اختیار آن‌ها
قرار میدهد، و علاقه آن‌ها را برمی‌انگیزد.
این علاقه فرصتی عالی را برای معلمان در ارائه موضوع‌های
فیزیک جدید مانند پادماده،
پرتوزایی، هم‌ارزی جرم و انرژی و
حتی برخورد‌دهنده هادرون در کلاس
درس فراهم می‌کند. این موضوع‌ها جرقه‌ای
در ذهن شاگردان می‌زند
و علاقه به فیزیک را در آن‌ها
پرورش میدهد. علاوه بر این،
به ما اجازه میدهد تا به شاگردان
نشان دهیم در حالی که ما سامانه‌های
دفاعی متشکل از پادماده نداریم، برنامه‌های
دنیای واقعی فیزیک پادماده
مانند پت‌اسکنر را داریم که دنیای
خودمان را با تشخیص تومورها، متاستاز
(پخش شدن) سرطان، آلزایمر، و زوال عقل بهتر می‌سازیم.
با این برنامه‌‌ها، شاگردان نمونه‌ای از فیزیک انتزاعی و زیست‌شناسی را در قالب یک دستگاه پزشکی مفید،
به هم پیوند می‌دهند.
پیش‌زمینه
پوزیترون‌ها در فرایند واپاشی بتازا تولید می‌شوند. کانال واپاشی+ß به هسته با مقدار بار مثبت اجازه ثبات بیشتر
را میدهد. وقتی در یک عنصر
واپاشی+ß صورت می‌گیرد،
یک پروتون به یک نوترون تبدیل می‌شود،
سپس در گسیل یک پوزیترون و نوترینو، بارالکتریکی پایسته می‌ماند.
پوزیترون به سرعت با یک الکترون ماده معمولی برخورد می‌کند.
در این فرایند دو پرتو گاما تولید می‌شود
که با انرژی هر یک 511 کیلو الکترون ولت در جهت کاملاً مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند [3]. این نابودی یکی از واضح‌ترین نمونه‌های
دقیق تبدیل ماده به انرژی است.
در
سال 1953، گوردون براونل و ویلیام سویت از نابودی پوزیترون/ الکترون برای نشان
دادن مغز و تشخیص تومورهای مغزی استفاده کردند [4]. به بیماران ایزوتوپ پرتوزا تزریق
شد که در آن واپاشی+ß
صورت می‌گرفت. وقتی ایزوتوپ
در بدن حرکت می‌کرد واپاشیده می‌شد و پوزیترون‌ها
با الکترون‌های مجاور نابود می‌شدند. پرتو‌های
گاما گسیل شده از بدن بیمار را آشکار‌سازهای
دو طرف بدن او جذب می‌کرد.
این
آشکارسازها رویدادی را ثبت
می‌کردند که هر دو آشکارساز
یک پرتو گاما را در فاصله حدود 5 میلیاردیم ثانیه از یکدیگر ثبت کنند. با ثبت
تعداد کافی رویداد مشاهده شده، یک تصویر فازی از مغز ایجاد شد و براونل و سویت
توانستند وجود تومور را تعیین کنند.
این
اولین مورد توموگرافی گسیل پوزیترون بود، (پت‌اسکن).
در طول سال‌ها، اسکنرها و فناوری
تصویربرداری پیچیده‌تر
شده است، در حالی که پرتوداروها در اسکن مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما اصول اساسی اسکنرهای PET همچنان یکسان باقی مانده‌اند [5)].
در
حالی که اصول فیزیک برای درک چگونگی و چرایی کار آشکارسازها مهم هستند، دانش زیست‌شناسی
نیز برای شناخت توانایی پت‌اسکنرها
در تشخیص تومورها مهم هستند. نکته کلیدی در سوخت‌وساز
سلول است. سلول‌ها از گلوکز (C6H12O6)
برای انرژی استفاده می‌کنند،
و سلول‌های متفاوت نیازهای
انرژی مختلف را دارند. از آنجا که سلول‌های
سرطانی به سرعت رشد می‌کنند
و تقسیم می‌شوند، سوخت‌وساز بالاتری نسبت به سلول‌های سالم دارند [6]. برای استفاده مفید
از تفاوت‌های بین سلول‌های سالم و سرطانی، پت اسکن‌ها از مولکول‌های
گلوکز که دارای یک فرستنده پوزیترون هستند استفاده می‌کنند.
در
حال حاضر، بیشترین کاربرد، مولکول فلوئوروکسی گلوکز (C6H11FO5) است که به‌عنوان
FDG6 نیز شناخته شده است. انتشار پوزیترون درF -18، FDG است، ایزوتوپ پرتوزای
فلوئور دارای نیمه‌عمر
تقریباً 110 دقیقه است. تفاوت سوخت‌وساز
سلول‌های سرطانی و سالم به
این معنی است که سلول‌های
سرطانی گلوکز را با سرعت بیشتری نسبت به سلول‌های
سالم جذب می‌کنند. این موضوع برای
FDG نیز صدق می‌کند.
با این حال، FDG قادر به تکمیل مسیر متابولیک نیست و بنابراین
در سلول‌ها به دام می‌افتد. این کار باعث ایجاد FDG در سلول‌های
سرطانی می‌شود [7]. زمانی که
فلوئور تحت‌تأثیر واپاشی+ß قرار می‌گیرد،
پوزیترون بیشتر اوقات در ناحیه سرطانی منتشر می‌شود.
بنابراین، در حالی که آشکار سازها وقایع را در اطراف بدن ثبت می‌کنند، پوزیترون بیشتری در مناطق سرطانی
ثبت می‌شود. هنگامی که بسیاری
از همپوشانی‌ها در همان منطقه ردیابی
می‌شوند نشان دهنده یک تومور است.
در
حالی که شبیه‌سازهای زیادی برای
نشان دادن چگونگی عملکرد پت‌اسکن
وجود دارد، یک فعالیت ساده در کلاس می‌تواند
به شاگردان در توانایی تشخیص سرطان توسط پت‌اسکن
فهم عمیق‌تری ارائه دهد.
فعالیت
برای
درک بهتر چگونگی عملکرد پت‌اسکنر،
به شاگردان یک اسکنر مدل ایجاد شده با استفاده از بورد میکروکنترلر آردوینو، ال‌ای‌دی‌ها، و اتصال پی‌وی
سی (شکل1) داده شد. علاوه بر اسکنر مدل، به شاگردان یک برگه با یک جدول و یک
نمودار که نشان‌دهنده نمای بالا اسکنر
است (شکل2) داده می‌شود.
اسکنر
از قبل به این صورت برنامه‌ریزی
شده است تا ال‌ای‌دی‌ها
را در فواصل زمانی تعیین شده روشن و خاموش کند. هر اسکنر به‌صورتی
برنامه‌ریزی می‌شود تا مکان‌های
تومورهای مختلف را با تغییرات جزئی به صورت
کد نشان دهد. زمانی که آموزش به اتمام رسید،
شاگردان اسکنرهای خود را روشن می‌کنند
و به تماشای رویداد‌های
تصادفی می‌پردازند. همانند یک
پت اسکنر واقعی، رویداد‌های
کاتوره‌ای زمانی ایجاد می‌شود که دو چراغ همان زمان روشن شود. در
مدل، این رویداد‌های کاتوره‌ای نشان‌دهنده
تشخیص دو پرتو گاما تولید شده از رویداد نابودی پوزیترون/ الکترون است. این موارد
تنها رویداد‌هایی هستند که
شاگردان باید به آن‌ها
توجه کنند و علاقه‌مند
باشند.
شاگردان
تعداد موقعیت چراغ‌هایی
که به‌طور همزمان روشن شده‌اند را ثبت می‌کنند،
به‌عنوان مثال، اگر چراغ‌های 1 و 8 همزمان
روشن شوند، آن‌ها 1 و 8 را در ستون
اول جدول ثبت می‌کنند. آن‌ها اسکنر را تا پایان اسکن نگاه می‌کنند و تمام رویداد‌ها را ثبت می‌کنند.
در صورت نیاز، آن‌ها می‌توانند اسکن را تکرار کنند تا از مشاهده
همه رویداد‌ها اطمینان حاصل کنند.
شاگردان باید مواردی را که فقط یک چراغ روشن می‌شود
را نادیده بگیرند، این موارد نشان‌دهنده
تابش پس‌زمینه کاتوره‌ای است که در اسکنر دیده می‌شود. شاگردان باید درک کنند که این تابش‌ها وجود دارند و توسط اسکنر شناسایی می‌شوند، اما فیلترهای الکترونیکی این‌ها را حذف می‌کنند
به‌صورتی که اسکنر تنها
بر رویداد‌های اصلی تمرکز می‌کند.
هنگامی
که شاگردان اطمینان پیدا کردند که همه رویداد‌های
کاتوره‌ای را ثبت کرده‌اند، هر کدام را بر روی نمودار ترسیم می‌کنند. اگر اولین رویداد 1، 8 باشد،
شاگردان یک خط را بین موقعیت 1 و 8 می‌کشند.
آن‌ها همچنان این کار را
برای تمام وقایع انجام می‌دهند.
زمانی که همه وقایع ترسیم گردید، آن‌ها
قادر خواهند بود محل تومور سرطانی را با نگاه کردن به نقطه‌ای
که بیشتر خطوط یکدیگر را قطع کرده‌اند
تعیین کنند. شکل 3 یک برگه تکمیل شده را نشان میدهد.
برای
اینکه مدل واقعی‌تر باشد، وقایع ثبت
شده‌ای که تومور را نشان
نمی‌دهند نیز باید در نظر
گرفته شوند. این کار به دانشجویان کمک می‌کند
تا این موضوع را درک کنند که واپاشی‌های
پوزیترون/ الکترون منحصر به یک منطقه سرطانی نیست در عوض، آن‌ها
در همه‌جا اتفاق می‌افتند، اما در یک منطقه سرطانی فراوانی
بیشتر دارد.
هنگام
استفاده از هر مدلی، بسیار ضروری است که مربیان با شاگردان محدودیتهای آن را به بحث بگذارند. یکی از محدودیتهای مهم این مدل این نکته است که برای یادآوری
مدت کوتاه اسکن و تعداد رویداد‌های
کاتوره‌ای نیز ثبت شده است.
باید به دانشجویان نشان داد که یک پت اسکن معمولی 10 تا 20 دقیقه طول می‌کشد که در آن زمان ده‌ها میلیون رویداد کاتوره‌ای شناسایی و کشف می‌شود. شاگردان همچنین از تصاویر واقعی شکل
4 و 5 استفاده بهینه می‌برند.
نتیجه‌گیری
این
فعالیت می‌تواند به بحث‌هایی در مورد تعدادی از موضوع‌های فیزیک از جمله ماده، پادماده، پرتوزایی، بیوفیزیک، تشخیص ذرات، هم‌ارزی انرژی- جرم و تابش الکترومغناطیس بینجامد
و به مطالب مهندسی، فناوری، محاسبه و ریاضی اشاره‌ای ندارد. علاوه بر این شاگردان چگونگی
ترکیب این مفاهیم برای ارائه یک برنامه مهم در دنیای واقعی را احساس می‌کنند. برای بحث بیشتر، معلمان می‌توانند تحقیقات بنیادی فعلی مانند
برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای
(CERN) را ارائه دهند. دانشمندان در سازمان اروپایی
پژوهش‌های هسته‌ای (CERN) در حال حاضر درحال کار بر روی آنچه که از آشکار‌سازهای برخورد‌دهنده‌های هادرونی بزرگ آموخته‌اند، هستند و از آن در ماشین‌هایی مانند پت‌اسکنرها
برای اسکن دقیق‌تر استفاده می‌کنند که به پزشکان این امکان را میدهد از مواد پرتوزای کمتری استفاده کنند
و نتیجه و تصاویر بهتری را بگیرند. نشان دادن اهمیت تحقیقات بنیادی به شاگردان در
حال حاضر بسیار ضروری است، اگر بخواهیم حمایت عمومی از این نوع تحقیق را در آینده
داشته باشیم.
مواد
تکمیلی
برای
اطلاعات بیشتر در مورد مواد تکمیلی به ساخت مدل پت‌اسکنر،
کد نمونه آردوینو، برگه دانشجویی و ویدیو اسکنر مراجعه کنید [10].
پی‌نوشت‌ها
1.Carl
David Anderson
2. STAR TREK
3. Dan Brown
منابع
1.
Carl David Anderson, The Discovery of Anti-matter, (World Scientific
Publishing, Singapore, 1999), pp. 27–32. Google Scholar
2. Dan
Brown, Angels and Demons (Pocket Books, New York, 2000). Google Scholar
3. Syed
Naeem Ahmed, Physics & Engineering of Radiation Detection, 1st ed. (Academic
Press, San Diego, 2007), p. 78. Google Scholar
4. Leah H.
Portnow, David E. Vaillancourt, and Michael S. Okun, “The history of cerebral
PET scanning,” Neurology 80, 952–956 (March 2013).
https://doi.org/10.1212/WNL.0b013e318285c135, Google ScholarCrossref
5.Gordon L.
Brownell, “A history of positron imaging,” in Physics Research Laboratory
(Massachusetts General Hospital, 1999). Google Scholar
6. R.A
Cairns, I. Harris, S. McCraken, and T. W. Mak, “Cancer cell metabolism,” Cold
Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 76, 299–311 (2011).
https://doi.org/10.1101/sqb.2011.76.012856, Google ScholarCrossref, CAS
7. P. Oehr,
H. J. Biersak, and R. E. Coleman, PET and PET-CT in Oncology (Springer-Verlag,
Germany, 2004), p. 36. Google ScholarCrossref
8.S.
Rossman, US Navy 030819-N-9593R-151, https://commons.wikimedia.org/
wiki/File:US_Navy_030819-N-9593R-151_A_patient_goes_through_Positiron_Emission_Tomography_(PET)_at_t
he_National_Naval_Medical_Center_in_Bethesda,_Maryland.jpg, accessed May 30,
2017. Google Scholar
9. E. Prieto
et al., “Voxel-based analysis of dual-time-point 18F-FDG PET images for brain
tumor identification and delineation,” J. Nucl. Med. 52, 865–872 (2011).
https://doi.org/10.2967/jnumed.110.085324, Google ScholarCrossref
10. Readers
can view the supplemental documents at TPT Online,
https://doi.org/10.1119/1.5033868 E-PHTEAH-56-008805, under the Supplemental
tab. Google Scholar