DE2256701A1 - Verfahren zur zerstoerungsfreien messwertbestimmung kleiner volumina innerhalb unregelmaessig geformter nicht gleichmaessiger gegenstaende - Google Patents
Verfahren zur zerstoerungsfreien messwertbestimmung kleiner volumina innerhalb unregelmaessig geformter nicht gleichmaessiger gegenstaendeInfo
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Description
744o w/wö
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE 46
Atomic Energy of Canada Limited, Commercial Products
Verfahren zur zerstörungsfreien Meßwertbes-t immun g kleiner
Volumina innerhalb unregelmäßig geformter nicht gleichmäßiger Gegenstände.
Die Erfindung bezieht sich auf ein zerstörungsfreies Verfahren zur Messung der Elektronendichte eines kleinen
ausgewählten Volumens innerhalb eines unregelmäßig geformten nicht gleichmäßigen Gegenstandes. Die Erfindung
ist insbesondere, aber nicht ausschließlich auf die Verwendung bei der Bestimmung der Elektronendichte von
Knochen gerichtet, die von Gewebe umgeben sind.
Die bekannten Verfahren dieser Art zur Messung der Dichte eines Volumens in einem Gegenstand zeigen den
einen oder den anderen der nun folgenden beiden lachteile:
entweder handelt es sich um zerstörende Verfahren, so
daß der Gegenstand selbst geändert wird, oder, wenn
409824/1041 -
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
- 2
elektromagnetische Strahlung Anwendung findet, beispielsweise
die X-Strahlen oder Gamma-Strahlen, muß die Verteilungsdichte
des Materials bekannt sein, das das zu betrachtende Volumen umgibt.
Gemäß dem Stand der Technik ist ferner erforderlich gewesen, die Absorption des das ausgewählte Volumen umgebenden
Materials zu bsre'hnen oder auf andere Weise zu
ermitteln, deren Elektronendichte gemessen werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgäbe zugrunde, die oben erwähnten beiden Nachteile zu beheben. Gemäß dem
allgemeinen Erfindungsgedanken geschieht dies durch eine Messung der Intensität der übermittelten Strahlung und
der Streu-Strahlung. Hierbei wird die Schaltung der Quellen und der Meßstellen so gehandhabt, daß bei der
End-Berechnung der Elektronendichte die Abhängigkeit von der Absorption der Strahlung theoretisch beseitigt
ist.
Die Erfindung verwendet dabei die physikalischen Prinzipien, daß die Intensität der Compton-Streu-Strahlung
einer hohen elektromagnetischen Strahlungsquelle in einem
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE 46
Volumen direkt proportional ist zu der Elektronendichte
in dem Volumen gemäß der Klein-Üiishina-Gleichung (sine
0. Klein, Y. Mshina, Z. Physik 52853 (1929)), und daß
die Energie der Streu-Photonen geringer ist als die der einfallenden Photonen und zwar um einen Betrag, der
eine Funktion der 'Winkelstreuung ist, siehe A. H. Compton und S.K. Allison "X-Strahlen in Theorie und Versuch",
D. Van Nostrand Co. Inc., lew York (1935)). Die Anwendung
dieses Prinzipes erfordert, die Absorption der Strahlung in Rechnung zu stellen, während diese den
Gegenstand durchstrahlt, und zwar sowohl wenn sie durchgeht als auch dann, wenn sie von dem ausgewählten Volumen
zurückkommt.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung besteht
in den nun folgenden Verfahrensschritten:
1. Ausrichten eines fein gebündelten Strahles von Photonen mit der Intensität L· mittels einer
ersten Quelle mit einer durchschnittlichen Energie E.J, der durch das Volumen des Körpers .geschickt
wird, wobei diese erste Quelle in einer ersten Lage positioniert ist;
4Q9824/KK1 ~ 4 "
2. Ausrichten eines zweiten fein gebündelten Strahles von Photonen mit der Intensität Io mittels einer
zweiten Quelle mit der DurchSchnittsenergie E2,
welcher Strahl durch das Volumen des Körpers geschickt wird, wobei E2 kleiner ist als E^ und die
zweite Quelle an einer zweiten Stelle positioniert ist, so daß zwischen dem ersten und dem zweiten
Strahl ein Winkel 0 gebildet ist;
3. Justieren des Winkels Θ, so daß die nach dem Compton-Effekt
gemessene Streu-Strahlung an einer zweiten Meßstelle, welche Strahlung von dem ersten
Strahl herrührt, Photonen enthält, die an dem zweiten Volumen die Streu-Strahlung erzeugen, welche
eine Durchschnittsenergie aufweisen, die gleich der Durchschnittsenergie E? des zweiten Strahles;
sind;
4. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität T1 an der ersten Meßstelle, die koaxial hiermit
ausgerichtet ist, und an der gegenüberliegenden Seite des Körpers der ersten Quelle, wobei die
zweite Quelle abgeschaltet wird, in der der Wirkungsgrad der Messung d. ist;
409824/104 1
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
5. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität Tp an der zweiten Meßstelle, in koaxialer Ausrichtung
hiermit, und an der gegenüberliegenden Seite des Körpers der zweiten Quelle, wobei die
erste Quelle abgeschaltet wird, bei der der Wirkungsgrad der Messung Ddp ist;
6. Messung der Intensität der Streu-Strahlung s..,
die von dem ersten Strahl erzeugt wird, wobei der zweite Strahl abgeschaltet ist;
7. Drehung des Körpers um 180° gegenüber den beiden Strahlen und den Meßpositionen, Messen der Intensität
der Streu-Strahlung Sp» die von dem ersten Strahl erzeugt wird, wobei der zweite Strahl abgeschaltet
wird, und
8. Benutzung eines Wertes von s^, Sp, L·, Ip, Th, Tp,
d. und dp zur Bestimmung des Wertes der Elektronendichte p, die durch den nun folgenden Ausdruck gegeben
ist:
1 S1 S9 I9 d..
ρ _ Q.
1 λ Lr\ X λ Q9
4 0 9 8 2 4/1041 " 6 "
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE 46
worin G durch die Klein-Nishina-Gleichung und die
Geometrie der Bündelung der Strahlen 1 und 2 bestimmt ist.
Durch diese Maßnahmen wird die oben erwähnte Aufgabe gelöst, so daß die dadurch bedingten erwähnten Vorteile
eintreten.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Test-Volumens, das von zwei eng gebündelten elektromagnetischen
Strahlen durchstrahlt wird, wobei das Test-Volumen innerhalb eines unregelmäßig geformten nicht
gleichmäßigen Gegenstandes angeordnet ist und
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, wobei der Gegenstand
aber um 180° gedreht ist.
In den Zeichnungen sind zwei eng gebündelte elektromag-
4 0 9 8 2 4/1041 "7 "
PATENTANWALT DIPL.-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
netische Strahlen 1 und 2 dargestellt, wobei es sich um X-Strahlen oder Gamma-Strahlen handeln kann, d.h.
Photonen, die von zwei Strahlungsquellen S^ und Sg ausgehen,
die eine Durchschnittsenergie von E^ und E2 haben,
worin E- größer ist als E^. Diese Strahlen sind
von .der gleichen Größe und durchstrahlen das Testvolumen V nach Fig. 1. Die Bezeichnungen in Fig. 1 sind
wie folgt:
A1 sei die Absorption des Strahles 1 von k zu Y;
A4 sei die Absorption des Strahles 1 von V zu n;
sei die Absorption des Strahles 2 von 1 zu V; A2 sei die Absorption des Strahles 2 von Y zu m;
Strahl 1 hat die Intensität I-., Strahl 2 hat die Intensität Ip,
Detektor D2 hat den geometrischen und wahren
Wirkungsgrad d2,
ρ sei die Elektronendichte des streuenden Volumens,
409824/100
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
G eine Kombination von Faktoren, so daß die Wahrscheinlichkeit der Streuung für die Photonen
bezüglich des Strahles 1 in den Strahl 3 ist ρ G (siehe die Klein-Nishina-Gleichung,
wie sie durch die Gleichung 25 von Rev.Mod. Physics 24 79 (1952) gegeben ist.)
Das Testvolumen V wird bestimmt durch den Bereich der
Kreuzung der Strahlen 1 und 2. Der Winkel θ zwischen den beiden Strahlen wird so gewählt, daß die Compton-Streustrahlung,
die Detektor Dp erreicht und die durch
den Strahl 1 erzeugt wird, Photonen enthält, die nach der Streuung bei V eine Durchschnittsenergie haben,
die gleich der Durchschnittsenergie E2 des Strahles 2
ist.
Die Absorption der Compton-Streustrahlung für den Weg ' von B m ist Somit A2- Die Intensität T der durch den
Detektor D1 gemessenen elektromagnetischen Strahlung
vom Strahl 1 bei abgeschaltetem Strahl ist somit:
T1 = I1 A1 A4 d1 1
und mittels des Detektors 2 vom Strahl 2 bei abgeschaltetem Strahl 1:
A0982A/1041
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNS R EUTE.46
T2 = I2 A2 A3 d2 1 (b)
Hierin stellen d- und d2 die Wirkungsgrade der Detekto-"
ren D. und D2 dar. Wenn der Strahl 2 abgeschaltet ist,
mißt Detektor D2 die Compton-Streustrahlung, die durch
den Strahl 1 erzeugt wird. Die Intensität der Streustrahlung ist somit:
s^ = !.j A1 A9 pG d9 2 (a)
Jetzt rotiert die Probe um 180°, siehe Fig. 2. Die Absorption der Compton-Streustrahlung von V zu klein 1 ist '
nun A,. Am Detektor D2 ist die Intensität der Streustrahlung:
s2 = I1 A4 A5 pG d2 2 (b)
Hierin erscheint die Größe A2 in beiden Gleichungen Ib
und 2a und zwar wegen4er Änderung (Compton-Änderung) der
Energie des Strahles mit dem Index 1 und. der mit dem Index 2 und wegen der identischen Wege des Compton-Streustrahles
mit dem Index 1 und dem eingefallenen Strahl mit.
409824/1041
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREÜTE
-lodern Index 2. Das gleiche gilt für die A^ in den Gleichungen
1 b und 2b.
Man kann nun alle Gleichungen wie folgt kombinieren:
TT TH
I1 L2 s I2 Q1
S1 S2 I1
Eine Umstellung dieses Ausdrucks ergibt die Elektronendichte:
ρ = i S1 S2 * l2 d2
T1 T2 I d2
Die nicht gemessene Menge G kann theoretisch aus der Klein-Nishina-Gleichung ermittelt werden, ebenso die
Geometrie der Bündelung der Strahlen mit dem Index 1 und 2. Die Strahlungsstärken I1 und Ip und die Detektor-Wirkungsgrade
d.. und d2 können durch übliche Maßnahmen
ermittelt werden. Die Gleichung 4 ergibt eine absolute Festlegung der Elektronendichte p. Als Abwandlung hier
von kann der Ausdruck wie folgt geschrieben werden:
409824/1041
PATENTANWALT DIPL-iNG. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE 46
- Ii -
T2
Hierin ist K- eine Konstante für die Vorrichtung. K-.
kann durch Messung einer Probe mit bekannter Elektronendichte wie Wasser gemessen werden. Die Werte für ρ für
unbekannte Proben werden anschließend gegenüber der bekannten Probe bestimmt.
Ein abgewandeltes Verfahren hierzu besteht darin, die Quelle des Strahles mit dem Index 1 und Detektor 1 mit
der Strahlungsquelle 2 und dem Detektor 2 auszuwechseln, siehe Fig. 2. Es ist vorgesehen, daß dies durch
Fixierung der Quellen und Detektoren aneinander durchgeführt werden kann. Die hierdurch sich ergebende Anordnung
wird anschließend um 18o° um den Gegenstand bewegt. ■ '--7^- r ■ ■·. *■■"'"■'■ "
Es sind zwei Gamma-Strahlungsquellen mit verschiedenen
Energien wie z.B. Co-6o mit einer Durchschnittsenergie von 1,25 MeV und Cs-137 mit einer Energie von 667 keV
verwendet worden. Dabei kann die Quellenstärke so gewählt werden, daß sie dem besonderen Erfordernis angepaßt ist,
409824/1 (H 1
- 12
vorausgesetzt, daß Photonen mit zwei bestimmten Energien vorhanden sind. X-Strahlungsquellen können hierbei Verwendung
finden. Der Streuwinkel O war 5o°, für den cie Energie der Streustrahlung des Co-60 663 keV ist.
Die Erfindung wird im nachfolgenden bei der Verwendung einer Strahlung mit niedriger Energie beschrieben werden.
Ein Beispiel ist Gd-153 mit einer Durchschnittsenergie
von ungefähr o,l MeV. Wenn die Gd-153 Strahlung um 45 gestreut wird, zeigt die zweite Strahlung eine Energie
von o,o95 MeV, und dies liegt sehr nahe bei der ursprünglichen Strahlung. Die beiden Streustrahlungsmessungen
können durch zwei Detektoren der Reihe nach durchgeführt werden, ohne die Quellen und die Detektoren oder
die Muster zu drehen.
Es soll nun angenommen werden, daß in den Figuren die Quellen mit dem Index 1 und dem Index 2 identisch sind.
Die folgenden Satz-Gleichungen erhält man für die Quelle mit dem Index 1 wie vorher:
T1 = I1 A1 A4 d1 5a
T2 = I2 A3 A2 d2 5b
S1 = 1I Al A2 d2 Gp 6a
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- 13 -
Die zweite gestreute Lesung erhält man unter Verwendung
der Quelle mit dem Index 1 bezüglich des Detektors D2:
o A^ A4 d-, Gp 6b
Die Bezeichnung Ap erscheint somit in beiden Gleichungen
5b und 6a, weil eine vernachlässigbare Änderung der Streuenergie vorhanden 1St1 und die Wege sind identisch. Das
gleiche Argument läßt sich auch auf die Verwendung der Bezeichnung A* in den Gleichungen 5b und 6b anwenden.
Wenn man die Gleichungen wie zuvor kombiniert, ergibt sich:
S1 · S2 r2 2 7
m ■ φ — U- P
I I
I I
und somit:
V=I S1 ' S2 8
Die nicht gemessene Menge G kann theoretisch aus der Klein-Nishina-Gleichung
und der Geometrie der Bündelung der Strah-
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- 14 -
len mit dem Index 1 und dem Index 2 ermittelt werden. Die
Gleichung 8 gibt anschließend eine absolute Bestimmung der Elektronendichte p. Als Abwandlung kann G von einem
Satz der Lesungen für eine Probe bekannter Elektronendichte wie Wasser ermittelt werden. Der Wert von ρ für unbekannte
Proben ergibt sich dann gegenüber der bekannten Probe.
Für den Fachmann ist nun klar, daß eine der Varianten des erwähnten Verfahrens bei einer Anzahl von Anwendungsfällen zur Anwendung gelangen kann. Beispielsweise ist es
möglich, den mineralischen Bestand an Knochen zu ermitteln, ohne eine Biopsy durchführen zu müssen und ohne ι
auf die Interferenz des darüberliegenden weichen Gewebes Rücksicht nehmen zu müssen. Tatsächlich ist durch die
Erfindung die zerstörungsfreie statische Messung der Elektronendichte kleiner Volumen in irgendeinem dieses
Volumen umgehenden Medium möglich. Ein benachbartes An- ' wendungsgebiet der Erfindung ist die Messung der Dichte
in einem kontinuierlichen Materialfluß. Dies wird erreicht, indem man zusätzlich die Quellen mit elektromagnetischer
Strahlung und zusätzliche Detektoren anstelle von rotierenden Proben verwendet oder indem man die Strahlungsquelle
und die Empfangsvorrichtung auswechselt.
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Claims (8)
1. Ausrichten eines fein gebündelten Strahles von Photonen mit der Intensität I-, mittels einer ersten
Quelle mit einer durchschnittlichen Energie E-,, der
durch das Volumen des Körpers geschickt wird, wobei diese erste Quelle in einer ersten lage positioniert
ist;
2. Ausrichten eines zweiten fein gebündelten Strahles,
von Photonen mit der Intensität I^ mittels einer
zweiten Quelle mit der Durchschnittsenergie JUr.,
welcher Strahl durch das Volumen des Körpers geschickt wird, wobei ^ kleiner ist als E-,-und die
zweite Quelle an einer zweiten Stelle positioniert ist, so daß zwischen dem ersten und dem zweiten
Strahl ein "Winkel 0 gebildet ist;
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PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
/C
3. Justieren des Winkels Θ, so daß die nach dem
Compten-Effekt gemessene Streu-Strahlung an einer zweiten Meßstelle, welche Strahlung von
dem ersten Strahl herrührt, Photonen enthält, die an dem zweiten Volumen die Streu-Strahlung
erzeugen, welche eine Durchschnittsenergie aufweisen, die gleich der Durchschnittsenergie
Ep des zweiten Strahles sind;
4. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität T-, an der ersten Meßstelle, die koaxial
hiermit ausgerichtet ist, und an der gegenüberliegenden Seite des Körpers der ersten Quelle,
wobei die zweite Quelle abgeschaltet wird, in der der Wirkungsgrad der Messung d-, ist;
5. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität Tp an der zweiten Meßstelle, in koaxialer
Ausrichtung hiermit, und an der gegenüberliegenden Seite des Körpers der zweiten Quelle, wobei
die erste Quelle abgeschaltet wird, bei der der Wirkungsgrad der Messung .'dp ist;
6. Messung der Intensität der Streu-Strahlung s-,
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PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
die von dem ersten Strahl erzeugt wird, wobei der zweite Strahl abgeschaltet ist;
7. Drehung des Körpers um 18o gegenüber den beiden
Strahlen und den Meßpositionen, Messen der Intensität der Streu-Strahlung Sp, die von dem
ersten Strahl erzeugt wird, wobei der zweite Strahl abgeschaltet wird, und
8. Benutzung eines Wertes von s.., Sp, I1, Io, T1,
T2, α. und d2 zur Bestimmung des Wertes der Elektronendichte
p, die durch den nun folgenden Ausdruck gegeben ist:
= I S1 S2 I2 d1
= G T1 T2 1I d2
worin G durch die klein-Nishina-Gleichung und die
Geometrie der Bündelung der Strahlen 1 und 2 bestimmt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronendichte gegenüber einer bekannten
Substanz durch den nun folgenden Ausdruck bestimmt wird; 4098247 1 OA 1
PATENTANWALT DIPL.-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
4t
| 2
1 1I l2
worin K. eine Konstante der Vorrichtung ist, die
durch Messung einer Standard-Probe festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung mit niedriger Energie, gekennzeichnet
durch die nun folgenden Verfahrensschritte:
1. Ausrichten erster und zweiter in gleicher Weise fein gebündelter Strahlen von Photonen einer
ersten und einer zweiten Quelle mit gleicher Durchschnittsenergie, die durch das Volumen des
Körpers geschickt werden;
2. Justieren des Winkels 0, so daß ein geeignetes Versuchsvolumen durch den Schnitt der Strahlen 1
und 2 definiert ist, damit die Energie, die zwischen dem ersten und dem Streu-Strahl entsteht,
in angemessenem Umfang niedrig liegt;
3. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität T. an einer ersten Meßstelle, die koaxial
409824/1Q41
-
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
22567ΟΙ
auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Körper an der ersten Quelle ausgerichtet ist, wobei die
erste Quelle abgeschaltet wird;
4. Messung der elektromagnetischen Strahlungsintensität
To an einer zweiten Meßstelle, die koaxial an der gegenüberliegenden Seite des Körpers zu
der zweiten Quelle liegt, wobei die erste Quelle abgeschaltet wird;
5. Messung der ersten Streu-Strahlung, die von der ersten Quelle S1 stammt und an der zweiten Meßstelle
ermittelt wird, wobei die zweite Quelle abgeschaltet wird;
6. Messung einer zweiten Streu-Strahluiig S2, die von
der zweiten Quelle stammt, an der ersten Meßstelle, wobei die erste Quelle abgeschaltet wird und
7. Verwendung der Werte S-, S21 T1 und T2 zur Bestimmung des Wertes der absoluten Elektronendichte p,
_ 1 51 S2
worin PG Ti' T2
worin PG Ti' T2
409824/1041 " 6 "
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
ΙΟ
worin G durch die Klein-Nishina-Gleichung und
die Geometrie der Bündelung der Strahlen 1 und zwei bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronendichte ρ relativ zu einer bekann
ten Substanz durch den nun folgenden Ausdruck bestimmt wird:
S1 S2
P=G
worin die Konstante G der Vorrichtung durch eine Messung einer Standardprobe ermittelt wird.
b. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine einzelne Quelle abwechselnd von der Position dieser ersten Quelle zu der Position
der zweiten Quelle und zurück bewegt wird, wobei sie auch anstelle von zwei Quellen Verwendung finden
kann.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzelne Meßstelle verwendet
409824/1041 - 7 -
PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE
wird, die abwechselnd von der Lage der ersten Meßstelle zu der Lage der zweiten Meßstelle und zurück
bewegt wird, wobei diese anstelle von zwei Meßstellen Verwendung finden kann.
409824/1041
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| FR (1) | FR2163076A5 (de) |
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