DE2042009B2

DE2042009B2 - Anordnung zur zerstörungsfreien Dichtemessung von Stoffen lebender Objekte mittels durchdringender Strahlen

Info

Publication number: DE2042009B2
Application number: DE2042009A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hans Dr.-Ing. 8520 Erlangen Reiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-08-25
Filing date: 1970-08-25
Publication date: 1974-07-11
Also published as: FR2104465A5; DE2042009A1; DE2042009C3; US3924133A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zerstörungsfreien Dichtemessung von Stoffen lebender Objekte mittels durchdringender Strahlen, bei der als Strahlenquelle eine Röntgennnlage mit einer hinter dem Meßobjekt ungeordneten Strnhlenmoßvorrichtung benutzt ist, die den gemessenen Strnhlenintensitätswerten entsprechende elektrische Werte bildet, und bei der eine Umschallvorrichtung die an der Röntgenröhre anliegende Hochspannung in rhythmischer Folge von einem niedrigen Wert auf einen höheren Wert umschaltet und die Strahlenrneßvorrichtunt, die während jeder Einschaltdauer der Röntgenröhre gemessenen

ίο elektrischen Werte integriert und aus beiden Werten den Quotienten bildet.

Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 121 166 bekannt. Sie dient dazu, mit Hilfe von Röntgenstrahlen die physikalischen Eigenschaften einer Materialprobe, wie etwa die Dicke des Probeobjekis, seine Zusammensetzung oder auch seinen Feuchtigkeitsgehalt zerstörung^.· ei zu ermitteln. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht vor allem darin, daß zwischen der Durchstrahlung der Meßprobe mit niedriger Energie und derjenigen mit hoher Energie eine große Dosisleistungsdiffercnz auftritt. Wenn eine solche Messung mit einer vorhandenen Röntgendiagnosiikcinrichtung an einem lebenden Objekt unter Durchleuchtungskontrolle vorgenommen

J5 werden soll, ergibt sich zum einen eine hohe Dosisbelasuing des Patienten, wegen der Dosisleistungsunterschiede ein starkes Bildflimmern des Durchleuchtungsbildes und außerdem eine Übersteuerung des Bildübertragungssystems während der Einwirkungsdauer der hohen Spannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der es unter weitgehender Ausnutzung vorhandener Bauelemente, insbesondere einer vorhandenen Röntgendiagnostikeinrichtung, auch technischen Laien, insbesondere Medizinern, möglich ist, routinemäßig unter Durrrhleuchtungskontroile Dichtemessungen an lebenden Objekten vorzunehmen und dabei die Strahlenbelastung des Patienten so gering wie möglich zu halten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der niedrige Spannungswert deutlich oberhalb der K-Absorptionskantc des zu messenden Stoffes liegt und ein von der Umschaltfrequenz synchronisiertes Steuermittel vorhanden ist, das während der Dauer des Anliegens des hohen Spannungswertes die Strahlenintensität derart schwächt, daß bei beiden Spannungswerten hinter einem mittleren Objekt dem linearen Meßbereich der Strahlenmeßvorrichtung entsprechende Intensitätswerte vorhanden sind.
Es ist zwar aus der USA.-Patcntschrift 2 831 980 an sich bekannt, die Strahlendosisleistung einer Röntgenröhre bei einer Anordnung zur Messung der Strahlendiirchlässigkcit von Objekten durch ein keilförmiges Filter zu schwächen. Dies geschieht aber nicht zu dem Zweck, bei aufeinanderfolgenden Durchstrahlungen mit unterschiedlicher Strahlungsenergie die in beiden Fällen erzeugten und auf das Meßobjekt einwirkenden Dosisleistungen einander anzugleichen, sondern dient dazu, durch eine Parallelmessung der durch das Testobjekt und den Keil hindurchgelassenen Strahlung eine Bezugsgröße für die Ermittlung der Materialstärke des jeweiligen Meßobjekts zu schaffen.

Diese sogenannte Zweispektrenmelhode beruht auf folgender physikalischer Überlegung. Im Spannungsbereich oberhalb der sogenannten K-Absorptionskanten überwiegt bei der Strahlenabsorption die sogenannte Comptonstreuung. Das bedeutet, daß sich die Massenabsorptionskoeffizienten KH mindestens aller in leben-

den Objekten vorkommenden Substanzen bei einer bestimmten Stnililenenergie (Röhrenspannung) demselben Wert niihern, so daß nur noch die Pichle der durchstrahlten Substanz die Sirahlenabsorption, el. h. bei unterschiedlichen Dichten den Kontrast bestimmt. Die Streustrahlung muß dabei natürlich durch entsprechend enge Einblendung weitgehend ausgeschaltet werden. Wi)I man auf diese Weise die Dichte messen, so müssen die Verhältnisse sowohl strahlenscitig als auch bei der Sirahlenmeßanordnung völlig konstant sein. Eine solche Konstanz der Verhältnisse kann bei medizinischen Röntgenanlagen für den Routinebetrieb nicht vorausgesetzt werden. Insbesondere bei der in der Praxis häufig angewandten, weil einfachen densitomctrischen Messung mit Röntgenfilm ergeben sich erhebliche Ungenauigkeiten, insbesondere durch den Filmentwicklungsprozeß und die Nichtlinearität der Gradationskurve des Films.

Alle diese Mangel sind durch die Zweispektrenmeihodc nach der vorliegenden Aninelc¹ :ng vermieden. Sie geht davon aus. daß die Schwächung, die eine Strahlung eines bestimmten Energicbercichs in einem Körper erleidet, von der Dichte des Körpers und der Strahlenencrgic abhängt. Ihr liegt der spezielle Gedanke zugrunde, daß es möglich ist, bei einer wechselweisen Durchstrahlung eines Körpers in unterschiedlichen Energicbereichcn, ausgehend von einer ein/igen Strahlcncrzeugungsanlage und einer Messung der Strahlungsintensität hinter dem Meßobjekt mit einem einzigen synchron mit der Energieiirnschaltung betätigten Meßeinrichtung auf eine hohe Absolutkonstanz sowohl des Strahlenerzeugers als auch der Meßeinrichtung zu verzichten, da sich durch die Quotientenbildung alle linearen Schwankungen kompensieren. Lediglich für die Konstanthaltung der Röhrenhochspannung müssen besondere Mittel vorgesehen werden, die aber bei größeren Röntgcnanlagen ohnehin vorhanden sind.

LJm nun von dem durch die Strahlenincßvorrichtung gebildeten Quotienten auf die mittlere Raumdichtc des Objekts oder den Mineralsalzgehalt etwa einer Knochcnstruktur zu kommen, braucht dieser Quotient lediglich mit demjenigen eines Standardobjekts verglichen /u werden, um zunächst die sogenannte Flächcnbclegungsdichtc zu erhalten. Setzt man diese Flächcnbelegungsdichtc dann ins Verhältnis /um Volumen des zu messenden Gegenstandes, so erhält man den gewünschten Dichicwjrl.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Umschaltung netzsynchron derart, daß die niedrige Spannung während der Dauer einer Halbwclle der Netzfrequenz und die höhere Spannung während der Dauer der jeweils folgenden Halbwolle wirksam ist. Dadurch ist erreicht, daß der Differenzwert der Strahlungsintensität ohne eine komplizierte Speicherclcklronik kontinuierlich angezeigt werden kann.

Um die Anordnung nach der Erfindung an vorhandenen Röntgcneinrichtungen betreiben zu können, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zur Erzeugung der beiden Spannungswerte einen Zusatzgenerator zu benutzen, der eine der halben Spannungsdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungswert entsprechende, dem vom Hauptgenerator gelieferten Spannungsmittelwcrt bei der einen Einschaltung additiv und bei der anderen Einschaltung subtraktiv hinzugefügte Zusatzhochspannung erzeugt.

Ein weiteres der Verwendung vorhandener Röntgencinrichtungen entgegenkommendes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß als Mittel für die Slrahleninleiisitiilsschwiichung eine Transportvorriciuung benutzt ist, die während der Dauer des Anliegens des hohen Spunnungswertes ein Strahlenfilier in den Strahlengang zwischen Röntgenröhre und Meßobjekt einführt.

Beim Vorhandensein einer Rönigenfernseheinriehtung kann die Strahlenintensitätsmessung nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an Stelle des Fotomultipliers von der Bildaufnahmeröhre vorgenommen werden, deren Signal dann entsprechend demjenigen des Fotomultipliers der Meßelektronik zugeführt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Darin zeigt

Fig.! eine Prinzipdarstellung der gesamten Anordnung und

F i g. 2 ein Schallschema der Strahlcnmcßvorrichtung.

Der Kern der Anlage g<_mäß F i g. I besteht aus einem Röntgengenerator I, bei dem alle Einstell-, Steuer- und Regelorgane der Einfachheit halber weggelassen sind, einer Röntgenröhre 2, in deren Strahlenkegel 3 ein Patient 4 angeordnet ist, dessen Strahlenbild über einen Röntgenbildverstärker 5, einer Optik 6 und einen schwenkbaren teildurchlässigen Spiegel 7 wahlweise auf eine Filmkamera 8 oder Bildaufnahmeröhre 9 einer nicht näher dargestellten Röntgenfemschanlage erscheint. In beiden Fällen wird die Bildhelligkeit vom Fotomultiplier 10 als Bestandteil einer Strahlenmeßvorrichtung U gemessen und dieser als Meßstromgrößc zugeführt.

Um mit einer solchen Anlage Dichtemessungen von Bestandteilen des Meßobjekts 4 vornehmen zu können, ist eine Umschaltvorrichtung 12 vorhanden, die einen Zusatzhochspannungsgenerator 13. einen Antriebsmotor 14 für ein im Strahlenkegcl rotierendes Strahlenfiltcr 15 sowie die Strahlenmeßvorrichtung 11 in folgender Weise steuert. Zunächst wird durch Drücken einer Taste 16 der Umschaltvorrichtung 12 eine Übersichtsdurchicuchtung eingeschaltet. Di-./.u werden Schalter 17 und 18 von der Umschaltvorrichtung 12 geschlossen, d.h. die vom Hochspannungsgenerator 1 erzeugte Spannung gelangt an die Röntgenröhre 2. Eine Irisblende 19 ist voll geöffnet, so daß der im Strahlenkegel 3 liegende Teil des Aufnahmeobjekts 4 etwa auf dem Monitor einer nicht dargestellten Röntgenfernseheinrichtung abgebildet wird. Auf Grund dieser Übcrsichtsdurchleuchtung wird die Irisblende 19 auf denjenigen Teil, etwa einen Wirbelkörpcr 20 des Aufnahmeobjekts, dessen Dichte gemessen werden soll, eingeblendet. Durch Drücken einer Taste 21 der Umschaltvorrichtung !2 öffnet diese den Schalter 18 des Zusatzhochspannungsgenerators 13 und betätigt einen Polumschalter 22 des Zusat/hochspannungsgenerators 13 in der Weise, daß der Spannung des Hochspannungsgenerators 1 von 112,5 kV die Spannung des Zusatzgenerators von 37,5 kV in einer Halbwelle der Netzfrequenz additiv und während der folgenden Hslbwelle subtraktiv hinzugemischt wird. Außerdem setzt die Umschaltvorrichtung 12 den Antriebsmotor 14 der Blende 15 in Bewegung und steuert diesen synchron mit dem Polumschalter 22 derart, daß sich der Filter 15 nur während der Phase der additiven Zumischung der Zusalzhochspannung im Strahlengang befindet. Darüber hinaus steuert die Umschaltvorrichtung 12 die Strahlenmeßvorrichtung 11 in der Weise, daß sie ebenfalls synchron mit dem Polumschalter 22 die Intensitätswerte der Röntgenstrahlung bei der additiven und der subtrakti-

vcn Zuniischung der Ziisalzhochspannung getrennt mißt. Das Filter 15 ist dabei so bemessen, daß der /wischen den beiden Spannungen von 75 sowie 15OkV auftretende Inlcnsitätssprung in den Grenzen des linearen Meßbereichs der Strahlcnmcßvorrichtung 11 bleibt. Nach dem Prinzipschema der Strahlcnmeßvorriehtung 11 gemäß F^: i g. 2 wird die am Arbeitswiderstand 23 des Folomultiplicrs 10 auftretende Meßgröße einem Verstärker 24 zugeführt, an den zwei Torsehiiltungcn 25, 26 angeschlossen sind. Diese beiden Torschallungen 25, 26 werden netzsynchron etwa in den Scheitelpunkten der den beiden Röhrenspannungswerten zugeordneten Amplituden kurzzeitig geöffnet. Dazu dient eine Synchronisierungsanordnung, bestehend aus einem Transformator 27. zwei Gleichrichtern 28, 29 und zwei Arbeilswidcrständcn 30, 31, die über Vcrzögcrungsglieder 32, 33 zwei Kippstufen 34, 35 zu den gewünschten Phasenpunkten ansteuern, so daß diese einen Rechteckimpuls erzeugen, der die Torschaltungcn 25, 26 zu dem gewünschten Zeitpunkt und während der gewünschten Dauer öffnet. Die von diesen Torschaltungen 25, 26 erzeugten Rechteckimpulsc, die den zu diesen Zeitpunkten vom Fotoniultiplicr 10 gemessenen Strahlenintensitiitswcrtcn entsprechen, werden in einer Brfickcnschaltung angeordneten Meßkondensatoren 36, 37 zugeführt, deren Spannungsdifferenz auf einem Anzeigeinstrument 38 ablesbar ist. Ein einstellbarer Widerstand 39 dient zum Abgleich der Brücke.

Der an dem Instrument 38 angezeigte Wert ist ein Maß für die sogenannte Flächenbclcgungsdiehtc. Um aus diesem Wert die gewünschte Raumdichlc zu crmillein, muß die Flächcnbclcgungsdiehic zur räumlichen Größe des gemessenen Objcktdclails in Beziehung gcset/.l werden. Dies kann mit Hilfe eines verhältnismäßig einfachen Rechenprogramms, etwa mittels eines elektronischen Tischrechners geschehen.

ίο Fs ist leicht zu erkennen, daß die vorgeschlagene Anordnung gegenüber bisherigen Verfahren clcnsitomctrisoher Art den Vorteil hat, daß sich alle linear auswirkenden Schwankungen sowohl der elektrischen Werte der Röntgenröhre 2 wie der Strahlcnmcßvorrichtung 11 weitgehend kompensieren. Wenn also z. B. die Netzspannung schwankt und sich dadurch die Empfindlichkeit der Strahlenmcßvorrichtung H bzw. der F.missionsstrom der Röntgenröhre 2 ändern, so sind diese Änderungen unerheblich, da sie sich für beide Spektren

so gleich auswirken und das Verhältnis der integrierten Intensitäten beider Spektren nicht beeinflussen. Eventuelle Schwankungen der Röhrenspannung wirken sich dagegen in der Regel stärker als linear auf die Strahlcnintcnsitälcn aus. Eis ist daher lediglich erforderlich.

bekannte Mittel für die Konstanthaltung der Röntgcnröhretv-pannung im Rahmen der gewünschten Mcßgcnauigkcil vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur zerstörungsfreien Dichtemessung von Stoffen lebender Objekte mittels durchdringender Strahlen, bei der als Strahlenquelle eine Röntgenanlage mit einer hinter dem Meßobjekt angeordneten Strahlenmeßvorrichtung benutzt ist, die den gemessenen Strahlenintensitätswerten entsprechende elektrische Werte bildet, und bei der eine Umschaltvorrichtung die an der Röntgenröhre anliegende Hochspannung in rhythmischer Folge von einem niedrigen Wert auf einen höheren Wert umschaltet und die Strahlenmeßvorrichtung die während jeder Einschaltdauer der Röntgenröhre gemessenen elektrischen Werte integriert und aus beiden Werten den Quotienten bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrige Spannungswert deutlich oberhalb der K-Absorptionskantc des /u messenden Stoffes liegt und ein von der Umschaltfrequenz synchronisiertes Steuermittel (14, 15) vorhanden ist, das während der Dauer des Anliegens des hohen Spannungswertes die Strahlenintcnsität derart schwächt, daß bei beiden Spannungswerten hinter einem mittleren Objekt dem linearen Meßbereich der Strahlcnmeßvorrichtung (11) entsprechende Intensitätswerte vorhanden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, c.aG· die Umschaltvorrichtung mit der Frequenz des die Röntgenanlage speisenden Netzes synchronisiert ist und die niedrige Spannung während der Dauer einer Halb 'eile der Netzfrequenz und die höhere Spannung während der Dauer der jeweils folgenden Halbwclle wirksam ist.

3. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der beiden Spannungswerte ein Zusatzgenerator (13) vorhanden ist, der eine der halben Spannungsdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungswert entsprechende, dem vom Hauptgeneratcr (1) gelieferten Spannungsmittelwcrt bei der einen Einschaltung additiv und bei der anderen Einschaltung subtraktiv hinzugefügte Zusatzhochspannung erzeugt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel für die Slrahlenintensitätsschwächung eine Transportvorrichtung (14) vorhanden ist, die während der Dauer des Anliegens des hohen Spannungswertes ein Strahlcnfilter (15) in den Strahlengang zwischen Röntgenröhre (2) und Meßobjekt (4) einführt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als niedriger Spannungswert etwa 75 kV und als hoher Spannungswert etwa 150 kV gewählt ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenempfänger der Strahlenmeßvorrichlung die Bildaufnahmeröhre einer vorhandenen Rönlgen-Ferriseheinrichtung benutzt ist, deren Ausgangssignal während der Meßdauer der Strahlenmeßvorrichtung vorgeführt wird.