DE1573079C - Schaltungsanordnung für einen elektronischen Impulszähler für radioaktive Strahlung, insbesondere zur Messung der Blutdurchflußmenge in einem Organ - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eine zwischen dem Zähler und der Taktschaltung für einen elektronischen Impulszähler für radioaktive liegende Steuerschaltung, an deren Eingang eine erste Strahlung, insbesondere zur Messung der Blutdurch- bistabile Kippschaltung Impulse von einem Ausgang fiußmenge in einem Organ, in welches ein radioaktiver des Zählers empfängt und nach Untersetzung an den Tracer mit einer im Verhältnis zur Meßdauer langen 5 Eingang einer zweiten bistabilen Kippschaltung weiter-Halbwertzeit injiziert worden ist, mit einem Scintilla- leitet, deren einer Ausgang mit den ersten Eingängen tionsrohr, einem daran angeschlossenen Binärzähler, zweier UND-Glieder, deren zweiter Ausgang mit den einem Speicher und einer Taktschaltung für die Frei- ersten Eingängen zweier weiterer UND-Glieder und gäbe der Zahlung in aufeinanderfolgenden gleichen mit dem Eingang einer dritten bistabilen Kippschal-Zeitintervallen und der Übertragung des Zählerwertes io tung verbunden ist, deren beide Ausgänge in gleicher in den Speicher am Ende jeden Zeitintervalls sowie mit Weise wie die der zweiten Kippschaltung an die UND-einem Digital-Analog-Wandler am Ausgang des Glieder, jedoch an deren jeweils zweite Eingänge Speichers, einer Auswerteschaltung und einem Meß- gelegt sind, deren Ausgänge über je einen Stromveroder Aufzeichnungsgerät. stärker an den vier Eingängen eines Schrittmotors

Die Anwendung radioaktiver Isotope in der medi- 15 liegen, der die Einstellung eines zeitbestimmten Potenzinischen Diagnostik ist bekannt (Künstliche radio- tiometers verstellt, das ein Teil der Taktschaltung ist. aktive Isotope in Physiologie und Therapie, Bd. I, 11, Hierdurch wird erreicht, daß die Schaltung trotz Springer-Verlag Berlin—Göttingen—Heidelberg. 1961: einfachen Aufbaues genau arbeitet und ohne schwierige Helvetica Physiologica et Pharmacologica Acta. 9, Einstellvorgänge auskommt. Wie gestattet die direkte 1951, S. 303 bis 315; Deutsches medizinisches Journal, 20 Ablesung der Blutdurchflußmenge sowie gegebenen-8. Jahrgang, Heft 6, 12. Juni 1957, S. 330 bis 333). Die falls deren fortlaufende Registrierung, beispielsweise Abnahme der Radioaktivität eines strahlenden EIe- im Verlauf einer chirurgischen Operation.
mentes wie Xenon 133, das in ein Organ injiziert ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäverläuft nach einem Exponentialgesetz. Sie erfolgt in ßen Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus. einer biologischen Zeitspanne, die für das beispielsweise 25 daß mit einem Ausgang jeder bistabilen Kippstufe des gewählte Xenon 133 zwischen 2 und 15 Minuten liegt Zählers je eine bistabile Kippschaltung einer Hilfs- und dabei um so größer ist, je geringer die Blutdurch- schaltung verbunden ist und der komplementäre Ausflußmenge in dem untersuchten Organ ist. Falls der gang je einer Kippschaltung und der direkte Ausgang Blutkreislauf vollständig unterbrochen ist. wird nur der nächstfolgenden Stufe an je einem Eingang eines noch die Halbwertszeit des radioaktiven Elementes 30 UND-Gliedes mit drei Eingängen liegen, dessen selbst beobachtet. Diese beträgt für Xenon 133 etwa dritter Eingang mit einer Zeitgeberschaltung des Takt-5 Tage, ist also im Vergleich mit den biologischen Halb- gebers verbunden ist und dessen Ausgang die Anzeige wertszeiten so groß, daß die dadurch bedingte Ab- eines Hilfszählers steuert. Hierdurch gelingt eine benähme vernachlässigt werden kann. Unter diesen Um- sonders schnelle Bestimmung der der Blutdurchflußständen ist die Blutdurchflußmenge proportional dem 35 mengenmessung zugrunde liegenden Halbwertszeit logarithmischen Dekrement der beobachteten Ex- des injizierten radioaktiven Tracers,
ponentialfunktion. Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der

Insbesondere aus der Kernreaktor-Meßtechnik sind Zeichnung beispielsweise erläutert und dargestellt,

verschiedene Geräte und Schaltungen zur Messung F i g. 1 ist ein Prinzipschema einer Vorrichtung

der Halbwertszeit eines radioaktiven Stoffes bekannt 40 nach der Erfindung;

(Zeitschrift für Instrumentenkunde, Bd. 67, 1959, F i g. 2 ist ein Ausschnitt (entsprechend der Dauer

Heft 4, S. 89 bis 93; Handbuch für Hochfrequenz- einer Messung) aus der Kurve, mit der die Strahlung

und Elektrotechniker, 7. Band, 1964, S. 647; deutsche eines Organs abklingt, in das ein radioaktives Element

Auslegeschrift 1185 737). Neben analogen Meß- injiziert worden ist;

verfahren, die mit einer Umwandlung der von einem 45 F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der

Strahlungsdetektor abgegebenen Impulse in eine pro- Vorrichtung 13 von Fig. 1, und

protionale Spannung mit nachfolgender Logarith- F i g. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der

mierung und Differenzierung arbeiten, werden auch Vorrichtung 14 von F i g. 1.

digitale Meßverfahren verwendet, bei denen z. B. ein Ein Szintillationsrohr 1 empfängt die Strahlung

Binärzähler in Intervallen bestimmter Dauer die 50 eines radioaktiven Isotops wie Xenon 133, das in

Gesamtzahl der von dem Strahlungsdetektor abge- einem bestimmten Organ des Patienten lokalisiert ist.

gebenen Impulse ermittelt und speichert und ein Die von einem Photomultiplier 2, der mit demSzintilla-

Rechner aus zwei aufeinanderfolgenden Messungen tionsrohr I verbunden ist, abgegebenen Impulse ge-

die Halbwertszeit bestimmt. langen nach Eichung und Selektion mittels nicht dar-

Die auf diesen vorbekannten Schaltungen beruhen- 55 gestellter Organe zu einem »und«-Stromtor 3. Dieses

den Geräte werden von auf dem Gebiet der Kern- Stromtor 3 wird von einem Zeitgeber 4a gesteuert, der

technik fachkundigen Personal bedient. Sie eignen beispielsweise aus einem zweischichtigen Transistor

sich nicht für das einleitend angegebene Anwendungs- und einem damit verbundenen Schwingungskreis be-

gebiet, da dort derartiges Personal nicht zur Ver- steht. Der Zeitgeber öffnet das Stromtor 3 während

fügung steht. 60 aufeinanderfolgender Zeitintervalle und schließt es

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine während weniger Mikrosekunden am Ende jedes dieser

Schaltungsanordnung der einleitend angegebenen Gat- Intervalle.

tung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und weit- Ein binärer Zähler 6 nimmt die geeichten Impulse

gehend selbsttätigem Arbeiten die unmittelbare Mes- auf, und zwar entweder direkt oder über einen Fre-

sung und gegebenenfalls fortlaufende Aufzeichnung 65 quenzteiler 5 entsprechend der Stellung eines Schal-

der Blutdurchflußmenge nach dem einleitend angege- ters 7.

benen Verfahren ermöglicht. Die Werte des Zählers 6 werden in bestimmten

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch Augenblicken von einem logischen Kreis 4b. der dem

Zeitgeber Aa zugeordnet ist, auf einem Speicher 8 a übertragen, an dessen Ausgang ein numerisch-analoger Umwandler 86 vorgesehen ist, auf dem wiederum ein Analogdifferentiator folgt.

Dieser enthält eine Diode 9a in Reihe mit einem Widerstand 9b, an dessen Klemmen ein Differentiatorkreis angeschlossen ist, welcher seinerseits aus einem Kondensator 10 in Reihe mit einem Widerstand 11 besteht. Ein Meß- oder Aufzeichnungsgerät 12, welches mit den Klemmen des Widerstandes 11 verbunden ist, ergibt eine direkte Ablesung oder Registrierung des gemessenen Blutdurchflusses.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner eine Einrichtung 13 vorgesehen, von der eine Ausführungsform an Hand von F i g. 3 beschrieben wird. Diese Einrichtung 13 wirkt auf den Zeitgeber 4a und regelt automatisch die Dauer der Impulszählung derart, daß der Zähler im Augenblick Z₁, wie nachstehend definiert, etwa entsprechend seiner maximalen Kapazität gefüllt ist. *

Vorteilhaft ist ferner eine Einrichtung 14. die im nachstehenden an Hand von F i g. 4 beispielsweise beschrieben ist. Diese Einrichtung dient zur Messung und Anzeige der Halbwertszeit, d. h. der Zeit zwischen dem Augenblick, wo der untersuchte Blutdiirchfluß einen gegebenen Wert passiert, und dem Augenblick, wo er den mittleren Wert erreicht.

Nun sei die Funktion der Vorrichtung an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Die Kurve der F i g. 2 stellt die Zahl η der Impulse dar, die in der Zeit / von der Vorrichtung registriert werden.

Bekanntlich hängt die Geschwindigkeit, mit der ein biologisch inerter und frei diffusionsfähiger Tracer nach der Injektion in ein Gewebe entfernt wird, von der Durchflußmenge des Blutes in diesem Gewebe an. Im Falle von Xenon 133 wird der Tracer im Verlaufe des ersten Pulmunalzyklus vollständig ausgetrieben.

Wenn N die Zahl der radioaktiven Atome zur Zeit /, TV₀ die Zahl der radioaktiven Atome zu Beginn der Messung, k eine Funktion aus Blutdurchfluß und Verteilungskoeffizienten von Xenon 133 zwischen dem Blut und dem Gewebe ist, kann man schreiben

und die Rückstellung des Zählers 6 auf Null. Dann wird das Stromtor von neuem geöffnet, und eine neue Zählung beginnt während eines zweiten Intervalls T, welches von Z₁ bis t₂ reicht. Am Schluß dieses zweiten Intervalls steuert der logische Kreis nacheinander die Rückstellung des Speichers auf Null, die Übertragung des Zählerwertes auf den Speicher und die Rückstellung des Zählers auf Null. Anschließend wird ein drittes Zählungsintervall T bewirkt, welches von /₂ bis /_:i reicht usf.

Der logische Kreis 4b läßt sich leicht durch Kippvorrichtungen realisieren, die mit geeigneten Verzögerungen die von dem Zeitgeber erzeugten Zähler-Schließimpulse übertragen.

Am Schluß jedes Zählungsintervalls T ist der Strom I (t), der in der Diode 9 fließt, am Ausgang des numerisch-analogen Umwandlers86 proportional dem vom Zähler erreichten Wert. Das Intervall T wird derart gewählt, daß es gegenüber der Funktions-Halbwertszeit « vernächlässigbar ist, so daß der Wert η im Verlauf dieses Intervalls kaum verändert wird, wie die Kurve von F i g. 2 zeigt. Unter diesen Bedingungen

N = N₀ e~

^k ■ K

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Praktisch ist die Zahl η der von der Vorrichtung registrierten Impulse proportional der Xenon-133-Atome, die zur Zeit / in den Geweben anwesend sind. Man kann also setzen:

η = N₀ e~^k ■ '·.

Diese Relation entspricht der Exponentialkurve, von der ein kleiner Teil in F i g. 2 dargestellt ist. Die »Halbwertszeit« liegt in der Größenordnung von 200 Sekunden, und während dieser Zeit kann man, wie oben gesagt, die Abnahme der Radioaktivität des Xenons selbst vernachlässigen.

Im Zeitpunkt 0 sind der Zähler 6 und der Speicher 8 leer. Der Zeitgeber 4a öffnet das Stromtor 3, und die vom Photomultiplier 2 kommenden Impulse werden direkt auf den Zähler 6 gegeben.

Zu einer Zeit I₁, die vom Zeitpunkt 0 durch das Intervall T in der Größenordnung von beispielsweise 1 Sekunde getrennt ist, schließt der Zeitgeber 4a das Stromtor für eine gegenüber T vernachlässigbare Dauer während weniger Mikrosekunden.

Der logische Kreis 4b steuert während dieser Zeit 0 die Übertragung des Zählerwertes auf den Speicher 8 ist der Strom /(/) proportional zu e

-k . 1

— / p-k . I

Folglich arbeitet die Diode in einem Teil ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik, in welchem die Spannung an ihren Anschlüssen proportional zu Log / und schließlich somit zu —k · t ist.

Der Differentiatorkreis, der durch die Kapazität 10 und den Widerstand 11 gebildet wird, liefert also an den Klemmen des Widerstandes eine Spannung, die proprotional ist dem Quotienten

d/

d. h. dem Inkrement A-, welches man messen oder registrieren will.

Wenn die Blutdurchflußmenge variabel ist, kann somit deren Veränderung abgelesen werden, falls das Gerät 12 eine genügend große Zeitkonstante hat.

Es liegt auf der Hand, daß die beschriebene Vorrichtung auch bei anderen radioaktiven Elementen als Xenon 133 eingesetzt werden kann, vorausgesetzt, diese Elemente werden so gewählt, daß ihre Halbwertszeit im Vergleich zu der Meßdauer genügend groß ist, so daß die Abnahme der Impulszahl auf Grund der Verminderung der Radioaktivität des radioaktiven Elementes selbst vernachlässigbar klein ist.

Wenn man den Schalter 7 derart einstellt, daß die Impulse über den Frequenzteiler 5 auf den Zähler geleitet werden, zählt der Zähler in einem gegebenen Augenblick nur die Hälfte der Impulse, welche in diesem Augenblick von dem Szintillationsrohr geliefert werden; dies gestattet eine Verdoppelung des Meßverhältnisses der Vorrichtung. Der Frequenzteiler, der keinesfalls obligatorisch ist, erleichtert also die Eichung des Gerätes.

F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für die Einrichtung 13 von Fig. 1, die an den Zähler 6 und den Zeitgeber 4a angeschlossen ist. Diese Einrichtung umfaßt eine gewisse Anzahl elektronischer Kippvorrichtungen, beispielsweise drei, die mit den Bezugszeichen 15, 16, 17 bezeichnet und mit einem Ausgang des Zählers 6 in Reihe geschaltet sind. Der eine der beiden Ausgänge der Kippvorrichtung 16 ist mit einem Eingang eines »Und«-Stromtores 19 und

mit einem Eingang eines »Und«-Stromtores 21 verbunden, während der andere Ausgang der Kippvorrichtung 16 mit einem Eingang eines »Und«-Stromtores 18 und einem Eingang eines »Und«-Stromtores 20 verbunden ist. Der eine der beiden Ausgänge der Kippvorrichtung 17 ist mit dem anderen Eingang des Stromtores 18 und mit dem anderen Eingang des Stromtores 21 verbunden, während der andere Ausgang der Kippvorrichtung 17 mit dem anderen Eingang des Stromtores 19 und mit dem anderen Eingang des Stromtores 20 verbunden ist.

Die Ausgänge der »Und«-Stromtore sind jeweils mit den Erregungseingängen der Stromgeneratoren 22 bis 25 verbunden. Die Ausgänge dieser Generatoren betätigen einen Einzelschrittmotor 26. Dieser wirkt auf die Einstellung eines Potentiometers 27, welches seinerseits einen Teil des Zeitgeberkreises Aa bildet und dessen Periode regelt (beispielsweise durch Modifizierung des Widerstandswertes eines Schwingungskreises, oder auf irgendeine andere bekannte Weise).

Selbstverständlich können die Organe 22 bis 27, deren Ausführung dem Fachmann überlassen werden kann, durch jede andere bekannte Vorrichtung ersetzt werden, die sich von den Signalen der Stromtore auslösen lassen, um die Zeiten des Gebers 4a zu regeln.

Die Arbeitsweise der Einrichtung von F i g. 3 ist wie folgt: Solange der Zähler 6 nicht seine Maximalkapazität überschreitet, gelangt kein Impuls zum Eingang der Kippvorrichtung 15. Wenn dagegen die Maximalkapazität überschritten wird, werden die überschüssigen Impulse nach und nach auf die Kippvorrichtungen 15 bis 17 geleitet, die ein Schieberegister bilden.

Die Tore 18 bis 21 dekodieren die Zahl der überschüssigen, von den Kippvorrichtungen gemeldeten Impulse und lösen entsprechend dieser Zahl einen oder mehrere Generatoren 22 bis 25 aus, was zur Folge hat, daß der Motor 26 um eine Anzahl von Schritten vorrückt, die der Größe der Überschreitung entspricht.

Das Vorrücken des Motors bewirkt über die Einstellung des Potentiometers 27 eine Verkürzung der Periode des Zeitgebers 4a und damit der Zeitintervalle.

Daraus ergibt sich, daß die Zahl der Impulse verringert wird, die während des ersten Zeitintervalls 0 bis t_x (F i g. 2) am Eingang des Zählers ankommen, dergestalt, daß die Überschreitung reduziert wird, bis schließlich keine Überschreitung mehr auftritt.

Der Zähler wird also zur Zeit I₁ etwa entsprechend seiner Maximalkapazität gefüllt.

Dadurch wird ein beträchtlicher praktischer Vorteil bei der Messung einer Blutdurchflußmenge durch einen radioaktiven Tracer erzielt. So wie der Vorgang der Kernemission von zufälliger Natur ist, ist die Genauigkeit der Zahl η um so höher, je größer der während des Intervalls T gezählte Wert ist. Diesen Wert wird man also, jedenfalls für das erste Intervall (0 — J₁), so nahe wie möglich an die Maximal kapazität des Zählers legen. Beim praktischen Arbeiten mit dem Gerät hat jedoch das Bedienungspersonal nicht die Zeit, zu Beginn jeder Messung eine Regulierung durchzuführen, und es verfügt auch nicht über die hierzu nötigen Informationen. Die Erfindung ergibt eine genaue automatische Einregulierung, was in der Praxis einen entscheidenden Vorteil darstellt.

Es sei bemerkt, daß man sich auch andere Mittel zur Beeinflussung der Periode des Zeitgebers denken kann, mit denen diese Periode in Abhängigkeit von dem Überschreiten der Maximalkapazität des Zählers verringert wird. Die vorstehend beschriebenen Mittel sind jedoch besonders einfach zu realisieren.

Wenn auch die Messung der Blutdurchflußmenge nach der Erfindung auf der Bestimmung des logarithmischen Dekrements basiert, kann es. in gewissen Fällen erforderlich sein, eine schnelle Bestimmung der Halbwertszeit des Vorganges durchzuführen. So kann man beispielsweise an Hand zweier genügend repräsentativer Punkte der Kurve η (?) im Anschluß an die Messung der Halbwertszeit des logarithmische Dekrement zwischen zwei Zeitbereichen ermitteln.

Diese beiden Punkte werden dann einen groben Aufschluß über den Vorgang hinsichtlich seiner Ordnung im Vergleich zu anderen geben, worauf eine Feinanalyse durchgeführt wird.

Es gibt, wie oben bereits angedeutet, bereits Mittel zur Bestimmung der Halbwertszeit eines Exponentialvorganges.

Die Erfindung gibt nun ein besonders einfaches Mittel an die Hand, das ohne übermäßige Komplikation an die oben beschriebene Vorrichtung angeschlossen werden kann (14 der F i g. 1).

In Fig. 4 ist hierfür ein Prinzipschema gegeben. An den Zähler 6 ist ein Speicher 28 angeschlossen. Der Zähler 6 besteht aus einer gewissen Zahl von binären Kippvorrichtungen 6a, 6p —I, 6p, deren Verbindungen untereinander nicht gezeigt sind.

Der Speicher 28 umfaßt zwei binäre Kippvorrichtungen 28p-l und 2Sp, von denen die direkten Eingänge jeweils mit den direkten Ausgängen der Kippvorrichtungen 6/7-1 und 6p verbunden sind.

Der komplementäre Ausgang der Kippvorrichtung 28/7-1 und der direkte Ausgang der Kippvorrichtung 28/j sind mit den beiden Eingängen eines »Und«- Stromtores 29 verbunden, dessen dritter Eingang mit dem Ausgang eines Impulsgenerators für den Zeitgeber 30 verbunden ist. Der Ausgang des Stromtores 29 ist mit einem Impulszähler 31 verbunden.

Der Zähler gibt nun die Öffnungszeit des Tores 29 an, wenn er Impulse des Zeitgebers zählt, weiche dieser Zeit proportional sind. Also ist diese Zeit genau die Halbwertszeit des Vorganges.

Das Tor 29 ist offen, solange die direkten Ausgänge der Kippvorrichtungen mit dem Index p-\ und mit dem Index ρ im Zustand 1 bzw. im Zustand 0 sind. Dies entspricht dem Zeitintervall, in dem der Wert des Zählers die Hälfte eines Viertels seines Maximalwertes passiert.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen elektronischen Impulszähler für radioaktive Strahlung, insbesondere zur Messung der Blutdurchflußmenge in einem Organ, in welches ein radioaktiver Tracer mit einer im Verhältnis zur Meßdauer langen Halbwertzeit injiziert worden ist, mit einem Scintillationsrohr, einem daran angeschlossenen Binärzähler, einem Speicher und einer Taktschaltung für die Freigabe der Zählung in aufeinanderfolgenden gleichen Zeitintervallen und der Übertragung des Zählerwertes in den Speicher am Ende jeden Zeitintervalls, sowie mit einem Digital-Analog-Wandler am Ausgang des Speichers, einer Auswerteschaltung und einem Meß- oder Aufzeichnungsgerät, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Zähler (6) und der Taktschaltung

(4a) liegende Steuerschaltung (13), an deren Eingang eine erste bistabile Kippschaltung (15) Impulse von einem Ausgang des Zählers empfängt und nach Untersetzung an den Eingang einer zweiten bistabilen Kippschaltung (16) weiterleitet, deren einer Ausgang mit den ersten Eingängen zweier UND-Glieder (18, 20), deren zweiter Ausgang mit den ersten Eingängen zweier weiterer UND-Glieder (19, 21) und mit dem Eingang einer dritten bistabilen Kippschaltung (17) verbunden ist, deren beide Ausgänge in gleicher Weise wie die der zweiten Kippschaltung an die UND-Glieder (18 bis 21), jedoch an deren jeweils zweite Eingänge gelegt sind, deren Ausgänge über je einen Stromverstärker (22 bis 25) an den vier Eingängen eines Schrittmotors (26) liegen, der die Einstellung eines

zeitbestimmenden Potentiometers (27) verstellt, das einen Teil der Taktschaltung (4a) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur direkten Ermittlung der biologischen Halbwertszeit, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Ausgang jeder bistabilen Kippstufe (6_a bis 6_ρ-_λ, 6_P) des Zählers (6) je eine bistabile Kippschaltung (28a bis 28J,-!, 28p) einer Hilfsschaltung (14) verbunden ist und der komplementäre Ausgang je einer Kippschaltung (28p-!) und der direkte Ausgang der nächstfolgenden Stufe (29p) an je einem Eingang eines UND-Gliedes (29) mit drei Eingängen liegen, dessen dritter Eingang mit einer Zeitgeberschaltung (30) des Taktgebers (4a) verbunden ist und dessen Ausgang die Anzeige eines Hilfszählers (31) steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 548/462