DE2447829A1

DE2447829A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der elektronendichte in einem teilvolumen eines koerpers

Info

Publication number: DE2447829A1
Application number: DE19742447829
Authority: DE
Inventors: Leunbach Vanloese Daenemark Ib
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-10-08
Publication date: 1975-04-10
Also published as: SE7412639L; DK131955C; SE396884B; DK547373A; CA1020292A; US3961186A; DK131955B; JPS5067599A; GB1466617A

Description

PATENTANWALT-. ^:

DR.-ING. VON KRcISlER ÜR.-ING. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL-ING. SELTING

SKÖLN^DEICHMANNHAUS _q

'2-4-47 o2"

7. Okt. 1974 Sg-Is

Ib Leunbach

Birkholmvej 29, 2720 Vanloese, Dänemark

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Elektronendichte in einem Teilvolumen eines Körpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Elektronendichte, des Absorptionskoeffizienten oder des Transmissionskoeffizienten in kleinen Bereichen (Teilvolumina) eines Körpers durch Strahlungstransmission durch den Körper hindurch mit einem ionisierenden Strahl, bei welchem das betrachtete Teilvolumen, das Meßvolumen MV, von einem Strahl definiertes Intensität I₀ in einer ersten Richtung durchdrungen wird, bei dem man die Intensität (Meßgröße T-, ) der ausgesandten Strahlung in der ersten Richtung (Primärstra^lung) außerhalb des Körpers und die Intensität der Streustrahlung (Meßgröße C ), der Sekundärstrahlung, in einer zweiten Richtung, die unter einem Winkel J zur ersten Richtung verläuft, mißt, wobei das Meßvolumen MV in der zweiten Richtung möglicherweise mit derselben Strahlungsintensität durchdrungen

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wird wie zuvor, und bei welchem die Intensität (Meßgröße Tp) dieser anderen ausgesandten Primärstrahlung in der zweiten Richtung ebenso wie die Intensität (Meßgröße c_d) der Sekundärstrahlung in der °rsten Richtung gemessen wird und die Werte der beiden gemessenen Intensitäten zur Berechnung der Elektronendichte in dem Meßvolumen MV herangezogen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß ein dreidimensionaler Körper, wenn er mit Röntgenstrahlen (X-Strahlen) bestrahlt wird, durch ein zweidimensionales Bild wiedergegeben wird, und daß die zwischen der Vorder- und der Rückseite'liegenden Details des Objektes so wiedergegeben werden, daß sie sich überlagern und dadurch die Auswertung des RÖntgenbildos schwierig machen. Wenn das Objekt in eine Anzahl paralleler ebener Schnitte mit geringem gegenseitigem Abstand unterteilt werden könnte, und wenn die se entstehenden Scheiben separat mit Röntgenstrahlen untersucht werden könnten, würde es möglich sein, geringfügige Unterscniede in der Elektronendichte zwischen verschiedenen Gewebestrukturen zu ermitteln, die dann über möglicherweise existierende Anomalitäten Auskunft geben könnten. Dadurch würde die Diagnosearbeit erheblich erleichtert. Da jedoch eine solche physische Aufteilung in Scheiben in der Praxis nicht möglich ist, müssen mehr indirekte Methoden angewandt werden.

Es ist bekannt, die Intensität der Sekundärstrahlung zu messen, die von einem beobachteten Teilvolumen eines Körpers durch Streuung abgestrahlt wird, wenn ein hochenergetischer X-Strahl oder Gammastrahlung (Compton-Effekt)

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durch das Teilvolumen hindurchgeht. Auf diese Weise erhält man einen numerischen Wert für die Elektronendichte des Teilvolumens. Es ist bekannt, beispielsweise aus einem Aufsatz unter dem Titel "The Examination of Internal Tissues, using Gammaray Scatter with a Possible Extension to Megavoltage Radiography" von P.G. Laie in der Zeitschrift Fhysics in Medicine and Biology, Volume 4, 1959, p. 159-166, einen schmalen Röntgenstrahl durch einen Körper hindurchzuschicken und ihn auf seinem Weg ein Teilvolumen im Inneren des größeren Körpers durchlaufen zu lassen. Die von dem Teilvolumen ausgehende Streustrahlung wird durch einen Kollimator gesammelt, dessen Schlitz auf das Teilvolumen fokussiert ist. Die Intensität der so gestreuten Strahlung wird danach mittels eines Szintillationszählers gemessen. Die Intensität der Streustrahlung, die den Detektorkristall erreicht, hängt ab von

1
I

1. der Intensität des Primärst^ahles in dem Meßvolumen,

2. der Elektronendichte in dem Gewebe im Meßvolumen, und

3· dem Absorptionsgrad der Streustrahlung.

Man kann zeigen, daß unter der Voraussetzung, daß erste und die letzte dieser drei Variablen konstantgehalten oder kompensiert werden kann, der Meßwert in dem Detektor, der auch die Zählgröße genannt wird, der Elektronendichte in dem Gewebe in dem in Rede stehenden Meßvolumen proportional ist.

Der Nachteil dieser bekannter. Methode besteht jedoch darin, daß Inhomogenitäten in den das Meßvolumen um-

- 4 -509815/1007

gebenden Teilbereichen nicht voll kompensiert werden können. Das bekannte Verfahren ist daher mit einer gewissen Meßunsicherheit behaftet, die für die Bestimmung der Elektronendichte in einem Teilvolumen in einem tierischen oder menschlichen Körper, die die Grundlage für eine möglichst sichere Diagnose bilden soll, nicht akzeptierbar ist.

Es ist ferner aus der DK-Patentanmeldung Nr. 5867/72 bekannt, die Elektronendichte eines Teilvolumens min einer Korrektur in jedem Bereich theoretisch vollständig für solche Inhomogenitäten zu bestimmen, die das Meßvolumen umgeben könnten, mittels der oben beschriebenen Methode. Für die in der genannten Patentanmeldung beschriebene Methode ist es jedoch eine Vorbedingung, daß die Compton-Verschiebung vernachlässigbar ist, was man bei Verwendung einer Strahlung mit geringer Energie von weniger als 100 keV erreicht.

Die Verwendung einer Strahlung, die so weich ist, bringt eine Anzahl Nachteile mit sich, die teilweise strahlungsphysikalischer Natur und teilweise ökonomischer Natur sind, und von denen die wichtigsten nachfolgend aufgezählt werden sollen.

Die Verwendung einer niedrig-en°rgetischen Strahlung hat die Wirkung, daß Mehrfach-Compton-Prozesse außerhalb des Meßvolumens die resultierende Messung in solcher Weise beeinflussen, daß das Signal/Rausch-Verhältnis relativ klein ist. Dem kann man in der Regel entgegenwirken, Indem man Detektoren mit Impulsamplitudenanalysacoren verwendet, jedoch gerade weil die Compton-

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Verschiebung vernachlässigt ist, ist dies kein Heilmittel in dem erwähnten Zustand. Inhomogenitäten in der Nähe des Meßvolumens erzeugen daher eine.so starke Rauscherhöhung durch Mehrfachstreuungen, daß die Genauigkeit für medizinische Diagnosen unzureichend ist.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß fotoelektrische Effekte in dem Meßvolumen nicht ausgeschlossen'werden können, wenn man'niedrig-energetische Strahlung verwendet. Der gemessene Parameter ist daher nicht genau definiert, wodurch die Diagnose noch unzureichender wird.

Schließlich ist es schwierig, ein monochromatisches Isotop von hinreichend geringer Energie aufzuzeigen, dessen Halbwertszeit nicht unangenehm kurz ist. Farner bedeutet das geringe Durchdiingungsvermögen durch den Patienten und die Strahlungsquelle selbst, daß das Aktivitätsniveau des Quantenemitters erheblich vergrößert werden muß. Diese zuletzt genannten Faktoren machen es wirtschaftlich unmöglich, bekannte Isotope als Strahlungsquellen einzusetzen.

Es verbleibt noch die Verwendung von Röntgenröhren, aber da diese nicht monochromatisch sind, führt der erforderliche Einsatz von Impulsamplitudenanalysatoren mit sehr kleinen Fensterweiten notwendigerweise zu einem überhaupt nicht akzeptablen Anwachsen der Dosierung für den Patienten, und zu einer erheblichen Steigerung der Kosten der elektronischen Geräte, so daß dies ebenfalls keine zu empfehlende Lösung darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah-

- 6 -5098 15/1007

ren anzugeben, das die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man eine Strahlung so hoher Energie verwendet", daß der Compton-Effekt sowohl in dem Meßvolumen als auch in dem ersten und dem zweiten Strahlungsweg das vollständig dominierende Absorptionsphänomen darstellt, und daß die durch die -Compton-Verschiebung hervorgerufene Änderung in dem Absorptionsquerschnitt von der Primärstrahlung zur- Sekundärstrahlung wesentlich ist.

Durch den Einsatz hochenergetischer Strahlung verhindert man, daß die fotoelektrischen Prozesse zu stark jη den Vordergrund treten,und aufgrund dieser Vorbedingung kann gezeigt werden, daß die Gleichung für die Elektronendichte η in jedem Teilvolumen folgendermaßen geschrieben werden kann:

n=K

'a

-1

(D

Hierin bedeutet

K = eine Eichkonstante

= den linearen Gesamtdämpfungskoeffizienten für die

Primärstrahlung
= den linearen Gesamtdämpfungskoeffizienten für die

Compton-Strahlung in Vorwärtsrichtung u s= den linearen Gesamtdämpfungskoeffizienten für die

Compton-Strahlung in Rückwärtsrichtung ι = einen willkürlichen Ausdruck für die Energie der

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Strahlungsquelle, und

C T
i' i sind Meßwerte oder Zählwerte.

Die Dämpfungskoeffizienten yu,, μ^ und ^u können in einer Tabelle gefunden werden.

Man kann ferner beweisen, daß der Exponent für die Meßwerte C und G_K für eine geeignete Wahl des Radionukleides und des Beugungswinkels τ so klein sind, daß ihre Messung entfallen kann, da selbst eine sehr ungenaue Schätzung dieser Größen die Bestimmung von η nur zu einem sehr kleinen Grade'beeinflußt.

Die Formel kann dann wie folgt angenähert werden:

1/2 'c " ^d

η = K

¹Hk

(2)

Man sieht, daß die in Verbindung mit der bekannten niedrig-energetischen Methode verwendete Formel nur einen speziellen Fall der Gleichung (2) ausdrückt, nämlich wenn ju, = /-U. Dies ist natürlich praktisch die Definition, der niedrig-energetischen Strahlung, weil yu,= yUp den Umstand ausdrückt, daß der Dämpfungskoeffizient der Primärstrahlung gleich dem Dämpfungskoeffizienten der Compton-Strahlung in Vorwärtsrichtung ist.

Durch den Einsatz hochenergetischer Strahlung erhält man auch eine wesentliche Compton-Verschiebung zwischen der Primärstrahlung und der Sekundäretrahlung, so daß das Rauschen durch Inhomogenitäten in der Nähe des Meß-

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volumens durch Ausf"* lterung eliminiert werden kann. Hierdurch kann man die erforderliche Meßgenauigkeit erhalten.

Schließlich kann man ein geeignetes monochromatisches Isotop mit relativ langer Halbwertszeit (30 Jahre) auf zeigen, das als Hochenergie-Strahlungsquelle verwendet werden kann. Diese Tatsache ermöglicht die Herstellung eines Gerätes, das sowohl medizinisch als auch wirtschaftlich betrachtet "gesund" ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung liegt der Winkel ir zwischen den Strahlen in einem Intervall von 30° bis 60° und als Strahlungsquelle dient Cs-^' oder Co⁶⁰.

Die Sekundärstrahlung kann in einer anderen Richtung gemessen werden, als in Richtung der Primärstrahlung und auf entgegengesetzten Seiten des Meßvolumens. Dies ermöglicht die Bestimmung der Dämpfung, der ein isonisierender Röntgenstrahl ausgesetzt ist, wenn er von einem willkürlich gewählten Punkt in einem Körper zu einem anderen läuft,und natürlich auch.die Messung der Elektronendichte in dem Teilvolumen.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorricntung zur praktischen Durchführung des Verfahrens, mit einer ersten und einer zweiten Strahlungsquelle zur sukzessiven Aussendung eines ersten und eines zweiten auf das zu untersuchende Meßvolumen gerichteten Strahles, wobei die Strahlen zusammen einen Winkel 7 bilden, mit Abschirmungen zur wechselweisen Abschirmung der einen oder der

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⁰I-

anderen Strahlungsquelle, einem, bezogen auf das Meßvolumen, der ersten Strahlungsquelle gegenüberliegend angeordneten er.sten Detektor zur Messung der Intensität der von der ersten Strahlungsquelle ausgesandten Primärstrahlung, einem in dem Strahlenweg der anderen Strahlungsquelle angeordneten Detektor zur Messung der Intensität der beim Durchgang der ersten Primärstrahlung durch das Meßvolumen erzeugten Sekundärstrahlung, ferner mit einem in dem Strahlenweg des ersten Strahles angeordneten Detektor zur Messung der Intensität .der beim Durchgang der anderen Primärsisrahlung durch das Meßvolumen erzeugten Sekundärstrahlüngsdichte und mit einem weiteren Detektor zur Messung der Intensität der von der zweiten Strahlungsquelle ausgesandten Primärstrahlung sowie Mitteln zur Registrierung der Meßwerte

Bei einer derartigen Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Sti-ahlungsquellen derart ausgebildet sind, daß sie eine so hohe Energie erzeugen, daß der Compton-Effekt das vollständig dominierende Phänomen in dem Meßvolumen sowohl in dem Primärstrahlungsweg als auch in dem Sekundärstrahlungsweg darstellt, und daß die von der Compton-Verschiebung verursachte Änderung des Absorptionsquerschnittes von der Primärstrahlung zur Sekundärstrahlung wesentlich ist.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit geeigneten Mitteln zur Verarbeitung der gemessenen Werte für die Berechnung der Elektronendichte in dem untersuchten Meßvolumen ausgestattet sowie mit Mitteln zur Ausgabe des Ergebnisses und möglicherweise mit Abtastmitteln.

- 10 509815/1007

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Meßanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2, 3 und 4 zeigen partielle·Meßanordnungen als Illustrationen einer Meßtechnik mit 90°-Geometrie, und Anwendung dreier verschiedener Isotopen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Illustration einer Meßtechn:

Isotops.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Illustration einer Meßtechnik mit beliebiger Geometrie ( Anwendung nur eines einzigen Isotops.

Meßtechnik mit 90 -Geometrie und Anwendung nur eines

Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Ableitung der gänzlich verallgemeinerten Formel für die Elektronendichte η in einem Meßvolumen MV (Gleichungen 1 und 2), und

Fig. 8 zeigt schematisch eine Ansicht eines Kollimators, der mehr als eine Strahlungsquelle und mehr als einen Detektorkanal aufweist.

In Fig. 1, die aus Gründen der Übersichtlichkeit sehr stark vereinfacht ist und in der unnötige Einzelheiten, die im Hinblick auf die Erfindung nicht relevant sind, fortgelassen sind, ist die Außenkontur eines Körpers, z.B. eines Patienten, mit P bezeichnet. Die-

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- li -

ser Patient ist in horizontaler Lage dargestellt, z.B. auf einem Tisch B liegend.

E, bezeichnet einen monoenergetischen Gammafotonen-Emitter (Radionucleid), der von einem Kollimator 1 so abgeschirmt ist, daß ein schmaler Strahl aus X-Strahlen (Röntgenstrahlen) ausgesandt wird. Dieser Röntgenstrahl 2 wird durch den Patienten· P geleitet und die empfangene Strahlung wird von einem Detektor in Position d gemessen. Die Meßeinrichtung ist mit T₁ bezeichnet. In gleicher Weise sind in den Stellungen c und b Registriervorrichtungen angeordnet, die so abgeschirmt sind, daß von ihnen ausschließlich das Meßvolumen MV "betrachtet" wird. Sie registrieren die Comptonstrahlung, die aus dem Meßvolumen MV heraus auf die Detektoren gerichtet ist (die Meßwerte hierfür sind mit C und C,

cb

bezeichnet). Wenn die Strahlungsquelle E, in Position b ist, kann die ausgesandte Strahlung 4 in Position c gemessen werden (Meßwert Tp). Die Comptonstrahlung kann in den Positionen a μηα d gemessen werden (Meßwate C

und C.). Wegen des Gewichtes des Kollimators ist es jedoch unzweckmäßig, die Strahlungsquelle vor und zurück zwischen den Positionen a und b zu bewegen. Stattdessen werden zwei Strahlungsquellen verwendet, von denen eine in der Position a und eine weitere Strahlungsquelle 5 mit einem entsprechenden Kollimator 6 in der Position b angeordnet ist.

Der Wechsel zwischen den Strahlungsquellen erfolgt mittels einer Blende 7 mit einem rotierenden Sektor. Der Winkel zwischen den Strahlungsrichtungen 2 und 4 ist mit ^ bezeichnet.

- 12 509815/1007

- ■*■ - 2U7829 Ά-

Für die Ableitung der oben angegebenen Gleichung 1 wird das im folgenden beschriebene Verfahren angewandt. Die Beschreibung umfaßt weiterhin die erfindungsgemäße Meßanordnung .

In Fig. 2 stellt S₁ eine Strahlungsquelle (z.B. Radionucleid) dar, die so abgeschirmt ist, daß sie einen schmalen Röntgenstrahl von monochromatischer Strahlung hoher Energie durch den Patienten P schickt. Die Detektoren 8 und 9 (z.B. Szintillationsgeräte) sind in Verbindung mit (nicht dargestellten) Kollimatoren" in den Positionen b und c derart angeordnet, daß sie ausschließlich das Meßvolumen MV "betrachten" und ferner in solcher Weise, daß ihre "Sichtachsen" koinzident sind bzw. rechtwinklig zu dem von der Strahlungsquelle S₁ erzeugten Strahlenweg verlaufen.

Die Fotonen der Röntgenstrahlung, die von den Detektoren in den Positionen b und c registriert werden, sind auf die Compton-Streuung der Hochenergiestrahlung bei ihrem Durchtritt durch das Meßvolumen MV zurückzuführen. Diese Sekundarfotonenstreuung in Richtung der Detektoren b und c hat eine wohl-definierte Energie, die geringer ist als diejenige der Primärstrahlung, und da der Streuwinkel für die Fotonen in dem Strahlenweg MV-c und im Strahlemveg MV-b gleich ist, sind auch die Intensitäten der Sekundärstrahlung in beiden Richtungen (b und c) beim Verlassen des Meßvolumens MV gleich, ebenso wie die Fotonenenergie.

Wenn E, die Fotonenenergie in dem Primärstrahlungsweg darstellt, ist die Quantenenergie in den Sekundärstrah-

- 13 509815/1007

limgswegen v;ie folgt definiert:

1 ^El

^E2 ^{= E}l > ^wobei ^ = ~2 >

wobei mc die stationäre Energie des Elektrons ist. Im vorliegenden Falle erhält man mit * - 90

^Λ2 " 1 + oc '

Der Fluß an .Sekundärfotonen (Fluß ist hier definiert als Fotonen/Zeiteinheit), die von MV in den Richtungen b und c ausgehen,sei C^x. Infolge der Strahlungsabsorption in den Strahlenwegen MV-b und MV-c ist der von den Detektoren in den Positionen b und c registrierte Fluß kleiner als C . Für diese mit C, und C ■ bezeichneten

b c

Meßgrößen müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

C, = a, . C^X

^b Ca

oder __b _ _1

C_c = a₂ . C^{X C}c ^a2

a-, und a» bezeichnen die insoweit unbekannten Dämpfungsfaktoren (kleiner als 1), die für die gegebene Fotonenenergie in bezug auf die vorhandenen StrahlenwegpMV-b und MV-c wirksam sind. Wenn demnach der Faktor a, bekannt wäre_> würde es möglich sein, die Dämpfung zu errechnen, der ein Strahl mit der relevanten Fotonenenergie (Ep) ausgesetzt ist, wenn er von MV bis zur Hautoberfläche bei c läuft oder von c nach MV.

Die Anordnung der Fig. ~j ist genau die gleiche wie diejenige der Fig. 2 mit der Ausnahme, daß die Strahlungs-

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quelle sich dort in Position b befindet und ein Radionucleid mit genau der Gamma-Quantenenergie E_p enthält. Ferner ist in Position c ein Detektor 10 derart angeordnet, daß er die Intensität der von Sp erzeugten Strahlung nach ihrem Durchgang durch die Haut des Patienten mißt.

Die Detektoren 8 und 9, die zuvor" in den Positionen b und c angeordnet worden waren, sind nun in Fig. 3 in den Positionen a und d derart angeordnet, daß sie die (durch Streuung von Primärstrahlungsquanten der Energie Ep entstandenen) Sekundärquanten über die Strahlenwege MV-a und MV-d sammeln (d.h. diejenigen, die zuvor den gesamten Primärstrahlungsweg in Fig. 2 bildeten).

Der von MV in die Richtungen a und d ausgesandte Sekundärfluß (C^y) ist definiert durch

C^y = K . η . A₀ . Bl₁, (?)

wobei K eine Eichkonstante, η die Anzahl der Elektronen in dem Meßvolumen MV und A der primäre Fotonenfluß 1st, den die Strahlungsquelle S₀ in den Patienten leitet, a, ist die Dämpfung,der die Quanten der Primärstrahlungsquelle unterworfen sind, bevor sie das Meßvolumen erreichen (a·, in Fig. 1 ist der gleiche Wert wie in Fig. 2).

Damit Gleichung 3 richtig ist, muß vorausgesetzt werden, daß der einzige Dämpfungsprozeß in dem Meßvolumen (jedoch nicht außerhalb des Meßvolumens) auf den Comptoneffekt zurückzuführen ist, da sonst keine exakte Pro-

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portionalität zwischen den in das Meßvolumen eingebrachten Primärquanten einerseits und seiner Elektronendichte und den das Meßvolumen verlassenden Sekundärcjuanten andererseits bestehen würde.

In diesem Stadium der Erklärung ist der Faktor a-, noch nicht bekannt.

Es sei angenommen, daß der Zählwert, der mit dem Detektor 10 in Position c gemessen werden kann, 1- ist. Da a, ein Faktor ist, der kleiner ist als 1 und mit A multipliziert werden muß, um den exakten Quan'öenfluß zu ermitteln, der bei c durch die Haut nach außen dringt, müssen die folgenden Beziehungen gelten:

^Tl A · a-, = Τ·, oder a, = r—.

- ο

Da jedoch genau dieselbe Fotonenenergie in dem Strahlenweg b - MV-c in Fig. 3 eingesetzt wird^wie in Fig. durch Messung der von MV in Richtung b und c ausgehenden Streustrahlung ermittelt wird, muß die folgende Beziehung richtig sein:

^a-5 ~ ^al * ^a? *

Man kann daher nun a, und a₂ aus dem folgenden Gleichungssystem bestimmen:

^al ' ^a2 ⁼ A₀""

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Für die in Fig. 3 erhaltenen Zählwerte C und C-, ergibt

et Cl

sich in Anwendung auf Fig. 2 folgendes: '

^Cd ^{= a}5 '

Darüberhinaus gilt folgende Beziehung:

Die Quantenenergie (E.,) in dem Strahlenweg a - d in Fig. 3 ist

E = E₂ , wenn

= E₂ ,

der Winkel J = 90°. .

In Fig. 4 ist S^, eine Stranlungsquelle mit Gamma-Fotonenenergie, die exakt gleich E, ist, und die Strahlungsquelle ist natürlich so abgeschirmt, daß der Strahlenweg mit dem Primärstrahlungsweg in Fig. 2 zusammenfällt (oder mit dem Sekundärstrahlungsweg in Fig. 3).

Wenn der E,-Gammafluß in der Hautoberfläche bei d mit Α·, bezeichnet wird, muß die folgende Beziehung für den Quantenfluß (Tp) gelten, der von dem Detektor 10 in Position a gemessen wird:

T A₁ - a₆ = T₂ oder a_ß ^ .

Durch Vergleich der Fig. J> mit der Fig. 4 kann folgendes Gleichungssystem aufgestellt werden:

T
²

- 17 50981 5/1007

Hieraus kann a ^ errechnet werden (und ebenfalls a^.), und durch Einsetzen dieses Wertes in die Gleichung

C_a = a₄ . C^y ■

kann Cr errechnet werden. Hieraus ergibt sich durch Einsetzen in Gleichung (3) eine Bestimmung des Wertes von η und eine Bestimmung der Elektrorendichte des Meßvolumens MV.

Die einzige Voraussetzung dafür, daß die aufgestellten Gleichungen Gültigkeit haben, ist, daß der Compton-Effekt in dem Meßvolumen die einzige Dämpfungsursache für d^J.e Strahlung ist. Was für Dämpfungen außerhalb des Meßvolumens auftreten, ist unbedeutend für die obigen Gleichungen.

Das oben beschriebene Meßverfahren basiert auf einer 90°-Geometrie und arbeitet mit drei verschiedenen Isotopen, die an drei unterschiedlichen Positionen angeordnet werden, sowie mit bilateralen Messungen, indem die Streustrahlung zu beiden Seiten des Patienten gemessen wird. Dieses Verfahren wird im folgenden als Methode I bezeichnet.

Diese Methode kann zu einer anderen Methode abgewandelt werden, die ebenfalls auf einer 90°-Geometrie und auf bilateralen Messungen basiert, bei der jedoch nur ein einziges Isotop in zwei unterschiedlichen Positionen verwendet wird. Dieses Verfahren wird im folgenden als

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Methode II bezeichnet.

Der Umstand, daß die folgenden Gleichungssysteme gelten:

T₁ a, C.

^al ^a2 " A ' a_o ~ C ^Una
O 2 c

- . a -Ί&. ti-2i
^a* 5 - A₁ ■ a₅ - D_d

ergibt sich daraus, daß das Energieniveau für die verwendeten Primarstrahlungsquellen das gleiche ist wie das Energieniveau für die Streustrahlung entlang derselben Strahlungswege.

In Fig. 5 stellt S die übliche Strahlungsquelle dar, jedoch nicht wie in Fig. 2 mit einer Quantenenergie E,, sondern mit einer Quantenenergie E~· Als Folge davon ist die Sekundär-Fotonenenergie in dem Strahlenweg MV-b und MV-c kleiner, nämlich E^, anstatt von E«.

χ, und Xp seien die Anzahlen der Elektronen/cm in den Strahlenwegen MV-b und MV-c. Aus Gründen der Klarheit der Erläuterung sei angenommen, daß die Strahlenwege

ρ
einen Querschnitt von 1 cm haben.

Aus Fig. 5 können unmittelbar die folgenden Beziehungen hergeleitet werden:

χ χ _ χ
Z₁ . a₂ - a

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Die Sternindizes zeigen an, daß die oberste Gleichung mit der entsprechenden Gleichung von Fig. 3 verglichen werden sollte. Dabei' ist jedoch berücksichtigt, daß a* (a, und a₂) nicht der Dämpfungsfaktor ist, der in Fig. gemessen wurde, sondern der Dämpfungsfaktor, der sich ergeben würde, wenn in Fig. J5 nicht die Energie Ep verwendet worden wäre, sondern stattdessen, die 'Energie E-,. ■

In der zweiten dieser Gleichungen zeigen die Sternindizes

an C^ und C^x an, daß es sich um den tatsächlich in D ..... c . . . . . . -.,

Fig. 5 gemessenen Wert'handelt, der eingesetzt wird, d.h. es sind nicht dieselben Werte wie in Fig. 2 gemessen worden.

Um' dieses Gleichüngssystern zu lösen, muß daher der Wert von a* gefunden werden., Die folgende Gleichung muß erfüllt sein: '

-((Ä) (X + X )
A₀ · e ^x ^x = T₁, v.'obei

E-6,2 den wirksamen Querschnitt bezeichnet und ebenfalls die Wahrscheinlichkeit, daß ein Foton mit der Energie

E₀ sich aus einem Strahlenweg, der ein Elektron/cm ent-

hält, entfernt. Qf ,2 kann man als Ausdruck für den "gesamten linearen Absorptionskoeffizientän" verstehen, der in einer xvillkürlichen Einheit gemessen wird.

Bildet man den natürlich Logarithmus auf beiden Seiten, *o erhält man

-<φ (X_{1 +} X₂) = InT₁ - I_nA₀

• ?0 -

50981B/1007 _;

In fi - In T,
+ 3U- £ i

Dies bedeutet, daß es möglich ist, in Fig. 3 die Elektronenmenge in dem Strahlenweg b-MV-'c zu bestimmen, wenn (s^2 zuvor bekannt ist (Tabelle). Diese letzte Rechnung setzt voraus, daß "die Fotonen nicht sehen können, welchem Atomtyp (Atomanzahl) die Elektronen zugehören". Dies bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit pro Elektron,daß das Foton seinen Strahlenweg verläßt, ohnv.· Rücksicht auf den Typ des Elektronensystems,Jn dem es wirksam ist, exakt die gleiche ist.

Dies bedeutet praktisch, daß Ep ausreichend groß sein muß, so daß keine fotoelektrischen Prozesse in dem Material (Gewebe) auftreten, das das Meßvolumen umgibt, jedoch gleichzeitig nicht so groß, daß der Paarbildungsprozeß eintritt. Im Falle des menschlichen Gewebes liegt die Anzahl der Atome im allgemeinen unter 7 (N). Ep sollte daher zwisehen etwa 100 keV und 1,02 MeV liegen.

Genau hier ist der lineare Gesamt-Absörptionskoeffizient unabhängig von der Atomzahl des Materials (innerhalb der angegebenen Grenzen) und hängt daher lediglich von der Elektronenzahl und von der Quantenenergie ab.

Unter der Voraussetzung dieser Bedingung ist es dann möglich, den für Fig. 5 benötigten Wert a^ zu berechnen,weil

F ^

ene Tabelte den Wert für0"^3 liefert, wenn E = E-, ist und nicht, wie in Fig. J>, E = Ep:

509815/1007 - 2i -

Dementsprechend können ai und a* in Fig. 5 bestimmt werden, jedoch ist für diese Dämpfungsfaktoren bekannt, daß gilt:

a* = e

- (X₁) (<φ)

(φ)

Nun kann a* beispielsweise zu a-, transformiert werden:

In a? = -x-, · G' ->Ί> =
-In a*

a-j ist daher durch Anwendung der Vorrichtungen in Fig. 5 und 3 bestimmt.

In vollständig analoger Weise kann a^ durch Wiederholung der Anordnung in Fig. 4 bestimmt werden, wobei die Strahlungsquelle S-, jedoch nicht mit der Energie E.,, sondern mit Ep betrieben wird.

Auf diese Weise verfügt uian über ein Meßverfahren zur Bestimmung der Elektronendichte eines Teilvolumens durch Einsetzen eines Isotops (mit der Quantenenergie. Ep) in eine Position a und nachfolgend b, und durch sukzessive Messung der Streustrahlung in den Positionen b - c/a - d. Dies ist Methode II.

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Nun wird der Reflexionswinkel i/Von 90° auf einen willkürlichen Winkel verstellt, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Strahlungsquelle S in Position a erzeugt bei dem Strahlendurchgang durch MV entlang der Strecken MV-b und MY-c eine Sekundärstrahlung und die hindurchgehende Primärstrahlung kann in Position d gemessen werden (T₁).

Die Quantenenergien in den Strahlungswegen der Sekundärstrahlungen können in der üblichen Weise berechnet werden. Die relevanten linearen Gesamtabsorptionskoeffizienten (oderC-,) können dann bestimmt werden (Tabelle). Für die Zählwerte in den Detektoren in Positionen b und c gilt iolgendes:

C_b = C^Z . e -/S * ^Xl

C = C^q · e " /*2 * ^X2,
c

Z Q

wobei C und C die Zählwerte darstellen, die man in den Detektoren b und c erhalten würde, wenn keine Dämpfung der Sekundärquanten während ihres Durchganges von MV zu dem Detektor in Position b bzw. Position c stattfinden würde. Bei 90°-Geometrie gilt C^q = C^Z wegen der symmetrischen Raumverteilung der Sekundärquanten um die Laufrichtung der Primärquanten herum. Da diese Raumverteilung jedoch nicht symmetrisch in bezug auf eine rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung liegende Ebene ist, gilt-C^q £ C^Z, wenn if ^ oq° ±_st. Die Beziehung C^q /C^q kann man ebenfalls aus Tabellen erhalten (oder kann sie

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in der Eichkonstante mit veranschlagen), so daß die obigen Gleichungen dann wie folgt geschrieben v/erden können:

Wenn die Strahlungsquelle S (E,) nun aus Position b in Fig. 6 entfernt wird, gil^J;, wie leicht ersichtlich ist, die folgende Gleichung:

(^Xl + X₂)= -Ά .
^Ao

Man kann daher das folgende Gleichungssyslern aufsteller:

ii=e /Il V
^Ao

Da K-,, /ü, , yug und w -, aus Tabellen bekannt sind,und da A , C,, C und Tp gemessene Größen sind, ermöglicht dieses Gleichungssystem eine Bestimmung von x, und Xp.

Wenn die Prozedur mit der Strahlungsquelle in Position b wiederholt wird, und die Übertragungen T₁, C und C,

J- a ο.

gemessen werden, ist es einwandfrei möglich, die Elektronendichte des Meßvolumens in einer der Methode II entsprechenden Weise zu bestimmen, jedoch nun bei willkürlicher Geometrie. Dies ist Methode III.

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2Ü7829

Aus Fig. 7 sieht man, daß das folgende Gleiohungssystem für die zuletzt genannte Methode aufgestellt werden kann, wobei man eine Formel für die Bestimmung von η erhält, in der K (mit verschiedenen Indizes) Konstante bezeichnet und alle anderen Symbole wie zuvor verwendet werden:

η *	^κι ·	K ο	• e
	^Κ2 ·	^Κο	• e
V		^x₁	+
η ♦		h	• e
η ·	K₂ .		• e
	• e	^₁(X	., +

= C

= ^C'

= T-

= T

2.

Dieses gesamte Gleichungssystem kann aufgelöct werden. Die Auflösung des Gleichungssystems nach η ergibt folgendes:

n=K

C -C.
c d

Λ ^]

In dieser Gleichung sind alle Exponenten pocitiv (was hier nicht ausdrücklich bewiesen wird). Daraus folgt, daß die Meßgrößen C und C, einen kleineren Exponenten haben als die Meßwerte C-, und C , nämlich

α c

.CL

und ^Ju wobei

C.C_H

50981B/1007

- ar; -

■%

Wenn es bei geeigneter Auswahl der Gamma-Quantenenergie der Strahlungsquelle und des Refraktionswinkels ^ möglich wäre, einen Wert für P zu erhalten, der sehr, nahe an (jedoch ein wenig unterhalb) 1/4' liegt, dann" würde dies bedeuten, daß das Produkt C₀ · C, in der Gleichung

a ο

einen Exponenten haben würde, der sehr nahe 0 liegt und daher stets den Wert 1 annehmen würde, unabhängig von den gemessenen Werten für C und C, .

ei' U

In diesem Falle würde die Gleichung wie folgt reduziert:

' η = k

^Cc * ^Cd

Diese Gleichung würde eine dichte Annäherung an die folgende einfache Formel (Grenzwert) bilden:

η =

1/2

Hierbei handelt es sich nicht um Wunschdenken, sondern um eine Tatsache..

Wenn Cp^ (E₁ = 0,662 MeV) als hadionucleid gewählt wird, erhalten wir einen Wert von 1/4 - β - 0,02728 im Falle von *f = 45°. Für ψ = J0° erhalten wir: 1/4 - β = 0,01357. Dieser Wert liegt hinreichend dicht bei 0 für das Produkt (C_& · C_b) ~ t um bei Messungen an menschlichen Körpern praktisch konstant zu sein (~1). Die letzte beschriebene Methode basiert daher auf einer willkürlichen Geometrie unter Anwendung eines einzelnen

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Isotops, das in zwei verschiedenen Positionen angeordnet wird, wobei die Messungen nur von einer Seite des Patienten her vorgenommen werden.

Die theoretische Basis für die Methode kann als ziemlich kompliziert angesehen werden, jedoch ist die Meßtechnik selbst einfach.

Es wurde ein radiologisches Verfahren zur Messung der Elektronendichte eines Teilvolumens beschrieben. Grundsätzlich liegt seine Idee in dem Einsatz dreier verschiedener Isotope, von denen jedes eine eigene genau definierte Gammaenergie aufweist. Diese Isotope werden außerhalb des Körpers so angeordnet, daß in dem Organismus sowohl Primärstrahlen als auch Sekundärstrahlen von Röntgenstrahlung auftreten. Ferner sind die Strahlungüquellen und die Meßgeräte so angeordnet, daß bei Fertigstellung der Messung die Strahlenwege der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammenfallen, und daß jeder von ihnen bei Einzelmessungen rechtwinklig zu dem anderen verläuft. Dieses Verfahren erlaubt eine Bestimmung der Elektronendichte des Teil'volumens unter der Voraussetzung, daß nur Compton-Prozesse im Inneren des Volumen selbst und völlig unabhängig von dem das Volumen umgebenden Material stattfinden.

Diese ziemlich plumpe Meßanordnung kann durch mathematische Hilfsmittel auf eine viel elegantere Methode reduziert werden, bei der nur ein einziges Radioisotop geeigneter Charakteristik verwendet wird. Dieses wird in nur zwei unterschiedliche Stellungen gebracht μηά erlaubt die Messung der Elektronendichte in dem Teilvolumen durch

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Messungen außerhalb des Körpers auf nur einer Seite (Gegenseite) des Patienten, wenn und sobald angenommen werden kann, daß der Patient keine wesentliche Menge an Material enthält, dessen Atomzahl so groß ist, daß fotoelektrische Effekte auftreten.

Das zuerst beschriebene radiologische Meßverfahren erlaubt die Bestimmung der Dämpfung, der ein ionisierender Röntgenstrahl während des Durchlaufs von einem freigewählten Punkt in einem Körper zu einem anderen ausgesetzt ist, und ferner natürlich auch die Messung der Elektronendichte des Teilvolumens.

Die letztbeschriebene Meßanordnung ermöglicht die ausschließliche Anzeige der Elektronendichte des Teilvolumens

Aufgrund der obigen Erörterungen ist verständlich, daß die verschiedenen aufgezeigten Meßprinzipien tatsächlich in so engem Zusammenhang zueinander stehen, daß es sich prinzipiell um ein einheitliches radiologisches Meßverfahren mit verschiedenen Varianten handelt.

Abschließend soll ein spezielles Problem kurz behandelt werden, das die Konstruktion der Kollimatoren für die praktische Anwendung mehr als einer Strahlenquelle betrifft. Dabei wird eine größere Strahlungskraft und eine reduzierte Bestrahlungszeit benötj$, so daß die Abtastprozedur bemerkenswert schnell durchgeführt werden kann.

Fig. 8 zeigt ein Kollimatorpaar, d.h. einen Strahlungsquellenkollimator K₀ und einen Detektorkollimator K_,

Og

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die Schlitze aufweisen, die so angeordnet sind, daß diese Kollimatoren auf das Meßvolumen MV fokussiert sind. Aus Gründen der Einfachheit ist der Strahlungsquellenkollimator mit nur zwei Kanälen 14 bzw. 15 dargestellt, von denen jeder seine eigene Strahlungsquelle aufweist, während natürlich auch eine größere Anzahl von Strahlungsquellen möglich ist. Die Strahlungsquel- · len erzeugen die Primärstrahlungswege 16 und IJ, während die Sekundärstrahlungswege mit 1.8 bzw. 19 bezeichnet sind. Die Sekundärstrahlungswege laufen durch die entsprechenden Schlitze in dem Detektorkollimator K^ hindurch und treffen auf den entsprechenden Detektorkristall, an dem die Zählwerte C. erzeugt v/erden. Der Detektorkristall ist mit O_n bezeichnet. Da der Kanal 19 einen kleineren Winkel zu den Strahlungskanälen 14 und 15 bildet als der oberste Kanal l8, ist der Fluß durch den Detektorkanal I9 größer als derjenige durch den oberen Kanal l8, was darauf zurückzuführen ist, oaß die Wahrscheinlichkeit der Quantenstreuung in Vorwärtsrichtung größer ist als in Rückwärtsrichtung. Die Sekundärstrahlung ist daher nicht langer eine monoenergetische Strahlung, aber die Spektralbreite, die als Änderung von /u über das Spektrum gemessen wird, wird selbst bei erheblicher Fächerform des Kollimators klein sein.

Wenn man annimmt, daß der Fluß im Kanal l8 der G^öße 80 entspricht und derjenige im Kanal I9 der Größe 100, wird die Zählgröße in dem Detektor D„ I80 sein.

Nun wird eine 'Inhomogenität I5 in den Sekundärstrahlungsweg l8 eingebracht, wodurch die Absorption in diesem Strahlungsweg um z.B. 10 % erhöht wird.

- 29 509815/1007

Der Fluß in den Detektor T)_n beträgt nun

ι «r> 10 · 80 _ η vo ·
180 - ₁₀₀ - 172.

Wenn die Inhomogenität Γ5 nun in den anderen Sekundär-Sirahlungsweg I9 umgesetzt wird, wird der Zählwert entsprechend der mathematischen Grundlage dieses Verfahrens immer noch I72 betragen. ·

Da die Änderung in xi_? über das Spektrum wiederum als vernachlässigbar angesehen wird, ist der Zählwert in dem Detektor D^:

_l8o - - 170.

Dieser Wert weicht von dem oben angegebenen ab.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein keilförmiger Absorptionskörper 20 vor dem Detektor T)_n aufgebaut wird. Die Stärke dieses Keiles soll an dem obersten Sekundärstrahlungsweg l8 0 sein. Der Fluß bleibt daher 80 in dem Detektor.

Für den anderen Sekundärstrahlungsweg 19 sollte die Stärke so gewählt werden,-daß der Fluß in den Detektor O_n an dieser Stelle von 100 auf 80 reduziert ist. Der Zählwert in dem Detektor D„ wirü dann ohne Inhomogenität zu 80 + 80 = 16O.

Wenn die Inhomogenität Γ3 in dem obersten Sekundärstrahlungsweg 18 angeordnet wird, wird der Zählwert zu

- 30 509815/1007

80 - + 80 = 152.

Wenn die Inhomogenität 13 in dem anderen Sekundärstrahlungsweg I9 angeordnet wird, wird der Zählwert zu

8p + 80 - = 152,

was in Übereinstimmung mit dem theoretischen Wert steht, Durch Einführung dieses Detektorkeilsystemes wird ein Fehler in den Meßwert für die übertragene Primärstrahlung eingebracht. Dieses Problem wird durch Anordnung eines weiteren Keiles 21 hinter dem Detektor D_r gelöst, wie in Fig. 8 dargestellt ist.

Dieser rückwärtige Keil muß so geformt sein, daß das vollständige System, bestehend aus dem Vorderkeil 20, dem Detektor O_n und dem rückwärtigen Keil 21, in bezug auf die Primärstrahlung als ein planparalleles Filter in bezug auf die Strahlensammliing funktioniert. Der richtige Meßwert für die übertragene Strahlung kann nun durch einen weiteren Detektor D_T, der hinter dem Keil 21 angeordnet ist, erzeugt werden. Die genauen Abmessungen des Keiles können in einem Computer errechnet werden.

Hinsichtlich der einzelnen Elemente der Vorrichtung kann beispielsweise angemerkt werden, daß die Detektorkollimatoren als 40 cm lange fächerförmige Bleiblocks ausgebildet sind mit einer Basis von 10 cm χ 30 cm. Die Strahlungsquellen bestehen aus zwei Sätzen nadeiförmiger Cs¹⁵⁷-Stifte (0,662 MeV, 2 χ 50 Ci).

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Die Detektoren zur Messung von C , C. bestehen aus 2x3 NaI^v(6")-Kristallen mit zugehöriger Elektronik mit Impulsamplituden-Analysator sowie zwei Flüssigkeits-Szintillationszählern zur Messung von T-, und Tp. Der Brechungswinkel wird zu f= j58° gewählt, und für MV wählt man einen Durchmesser von 7,2 mm und eine Länge von 15 mm.

Das in die Kollimatoren eingebaute Abschirmsystem könnte 2 χ 3 aus Blei bestehende rotierende Sektorblenden aufweisen.

Die Bestrahlungszeit würde dann etwa 50 Sek. für den Zählwert C (C.) = 2 χ IC)-³ betragen und daran sollte

CQ.

sich eine Eichzeit von 2 Min. anschließen. Die Patientendosierung kann so auf 0,1 Rad in dem Meßvolumen und auf einen erheblich geringeren Wert in der Hautfläche geschätzt werden.

Mit der hier beschriebenen Meßanordnung, und selbst bei Vorhandensein beträchtlicher Inhomogenitäten rund um das Meßvolumen MV, sollte es möglich sein - in Anbetracht der biologischen Varianz der Einwirkung auf die Elektronendichte (2 o/oo) des pathologischen Prozesses - zwischen diesen zu unterscheiden, unter der Voraussetzung, daß ihre Elektronendichten sich um 6-10 o/oo unterscheiden.

Nachfolgend wird eine Versuchsliste der verschiedenen Diagnosen gegeben, die hier-durch möglich gemacht werden sollten, obwohl die gegenwärtige Kenntnis der Elektronendichte der in Rede stehenden Gewebe zugegebenermaßen unvollständig ist. Wo der Kontrast mit hoher Wahr-

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scheinlichkeit geschätzt werden kann oder tatsächlich gemessen worden ist, ist dies nachfolgend in Klammern angegeben, gefolgt von einem -. In den übrigen Fällen basiert die Schätzung auf dem patholologisch-anatomischen Bild der betreffenden Strukturen und sollte daher als versuchsweise betrachtet werden.

Kopf (zentrales Nervensystem)

1) Ventrikelerwcitung (26 o/oo - )

2) Epidurales Hämatom (27 o/oo - ) Normale Rinde

3) Subdurales Hämatom (20 o/oo - ) Normale Rinde

4) Zystisch zerebellares Astrocytom (12 o/oo - ) Normales Zerebellargewebe

5) Metastasen (10 o/oo - ) Normales Gewebe

6) Glioblastom (10 o/oo) Metastasen

7) Meningeom (25 o/oo) Metastase

8) Meningeom (35 o/oo) Glioblastom

9) Gefäß-verbildung (14 o/oo) Metastase

10) Meningeom (12 o/oo) Gefäßverbildung

11) Neurinom (35 o/oo) Meningeom

12) ZNS-Sarkom (15 o/oo) Normales ZNS-Gewebe

13) Glioblastom (20 o/oo) Hämatom

14) Zysl/isches Astrocytom (10 o/oo - ) Medulloblastom

15) Chromophobe Hypophysenadenome (10-20 o/oo) Eoslnophile (basophile) Adenome

16) Kraniales Pharyngeom (40 o/oo) Chromophobes Adenom

17) Epidermoides (25 0/00) Meningeom

18) Epidermoides (10 0/00) Neurinom

19) Hirnstamm (I5 0/00) Angioreticulcm

20) Akutes Hämatom (25 0/00 - ) Normale weiße Substanz

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21) Porenzephalie' (10 o/oo) Normale Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit

22) Sheehan's Syndrom (10 o/oo) Normale Adenohypophyse

Hals

1) Schilddrüsenzyste (15 o/oo - ·) Kalte Module

2) Schilddrüsen-Karzinom (20 o/oo) Riedel-Struma

Thorax Ösophagus (Speiseröhre) 1) Kardiospasmus (14 o/oo - ) Speiseröhrenkarzinom

Mediastinum

1) Metastase in den Drüsen um die Carina (50 0/00 - ) Normale Drüsen

2) Zyste (30 0/00) Aortenaneurisma

3) Lymfosarcom (I5 0/00) Drüsenmetastase

4) Lipom (70 0/00 - ) spezifische Diagnose 5)" Thymom (I5 0/00) Rectro-sternales Struma

6) Thymom (10 0/00) Invasives Kstastasieren eines Bronchialkarzinomes

7) Fibrom (5 0/00 - ) spezifische Diagnose

8) Teratom (10 0/00) Zyste

9) Teratom (50 0/00) Aortenaneurisma

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Cor

1) Perikardiales Lipom (110 o/oo - ) Mesotheliom

2) Perikardiale Zyste (100 o/oo - ) Lipom

3) Ektasia cordis (20 o/oo - ) Hydroperikard

4) Myokardiale fettige Degeneration (10 o/oo) Normales Myokardium

5) Myocardiale Fibrosis (10 o/oo) Normales Myokardium

6) Perikardiales Fibrom (50 o/oo) Mesotheliom

7) Perikardiale Zyste (70 o/oo - ) Perikardiales Fibrom

8) Perikardiales Lipom (150 o/oo - ) Perikardiales Fibrom

Pulmonales Parenchym

1) Verändertes Bild der Spreizung und Entwicklung der Emphysema (-)

2) Hamartom (50 o/oo - ) Metastase

5) Hamartom (50 o/oo - ) Pulmona.les Karzinom

Pleura (Brustfell)

1) Pleurales Mesotheliom (50 o/oo) Fibrom

2) Neurinom (10 o/oo) Metastase

Abdomen Leber

1) Steatosis Hepatitis (0-50 o/oo - ) Normales Leber gewebe

- 55 -509815/1007

2) Leberzirrhose (0-20 o/oo - ) Normales Lebergewebe

3) Metastase (10 o/oo - ) Normales Lebergewebe

4) Leberabszeß (10 o/oo) Leberzyste

5) Leberabszeß (25 o/oo - ) Normales Lebergewebe

6) Amyloidose-Hepatitis (7 o/oo) Normales Lebergewebe

7) Hepatitlsche Zirrhose (10 o/oo - ) Hepatitische Steatose

Magen

1) Fundus Karzinom (14 o/oo - ) Normales umgebendes Lebergewebe

2) Ventrales Retothelsarkom (20 o/oo) Liritis plastica >) Ventrales Fibrom (20 o/oo - ) Lymphonode Metastase

4) Ventrales Neurinom (10 o/oo) Ventrales Fibrom

5) Leiomyom (10 o/oo) Neurinom

6) Leiomyom (20 o/oo) Fibrom

7) .Adenokarzinom (20 o/oo - ) Fibrom

8) Adenokarzinom (15 o/oo) Neurinom

9) Adenokarzinom (10 o/oo) Leiomyom

Pankreas (Bauchspeicheldrüse)

1) Akute Pankreatitis (10 o/oo) Normale Pankreas

2) Chronische Pankreatitis (25 o/oo - ) Normale Bauchspeicheldrüse

3) Pankreaskarzinom (15 o/oo) Chronische Pankreatitis

4) Akute Pankreatitis (10 ö/oo) Pankreaskarzinom

5) Pankreaskarzinom (10 o/oo) Normale Pankreas

6) Pseudo-Zyste (20 o/oo - ) Pankreaskarzinom

- 36 -509815/1007

Nieren

1) Hypernophrom (20 o/oo - ) Solitare renale Zyste

2) Ellis-Typ I, Zustand II (7 o/oo) Ellis Typ I, Zustand III

J5) Renale Amyloidose (7 o/oo) Normales Renalgewebe

Suprarenale Drüsen

1) Neuroblastom (10 o/oo) Solitäre renale Zyste

2) Phachromocytom (20 o/oo) Solitäre renale Zyste

3) Amyloidose (7 o/oo) Normale Cortex

4) Phächromocyt<~>m (15 o/oo) Neuroblastom

5) Suprarenale Hämorrhagie (10 o/oo) Normales Gewebe

6) Suprarenale Metastase (10 o/oo - ) Normales Gewebe

7) Suprarenale Hämorrhagie (I5 0/00 - ) Metastase

Dünndarm

1) Lymphosarkom (10 0/00) Adenokarzin'om

2) Appendix der Mukozele (15 0/00) Zökalkarzinom

2) Appendix der Mukozele (I5 0/00) Appendix-Argentafinom 4) Zökales Karzinom (20 0/00 - ) Fäkalien

Dickdarm

1) Periappendikularer Abszeß (20 0/00 - ) Omentum

2) Divertikulitis (15 0/00) Adenokarzinom

3) Gutartige Striktur (20 0/00) Bösartige Striktur

509815/1007 ~³⁷~

Genitalien

1) Brenner-Tumor (> I5 0/00 - ) Spezifische Diagnose

2) Teratom Ovarii (< 10 0/00) Spezifische Diagnose

3) Granulosa-Zelltumor (10 0/00) Zystische Ovarial-Tumoren

Andere Diagnosen

1) Osteodensitometrie

2) Becken-Enchondrom (70 0/00 - ) Knochenzyste

3) Hernia cruralis (20 0/00) Adenitis inguinalis

Dieser Diagnoseliste können die folgenden Schlußfolgerungen hinzugefügt werden:

Wenn das hier beschriebene Verfahren bei einem Patienten angewandt wird, dessen klinischer Zustand nicht auf andere Weise insgesamt irgendeine bestimmte Diagnose anzeigt, so ist das Ergebnis: "Diese und jene pathologischen Zustände sind möglich, wobei eine geringe Wahrscheinlichkeit der folgenden Krankheit besteht und die folgenden anderen Krankheiten können vollständig ausgeschlossen werden".

In einigen Fällen wird es sogar in dieser Situation möglich sein, eine ganz spezielle Diagnose zu stellen.

Wenn die Methode andererseits bei einem Patienten angewandt wird, für den man eine Diagnose insgesamt als wahrscheinlich annimmt, kann das Ergebnis der Prüfung

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sein "Die beabsichtigte Diagnose ist radioUopmetrisch wahrscheinlich", jedoch werden wir in einigen Fällen finden (und dies sind diejenigen, die eine Überprüfung rechtfertigen), daß die abgegebene Diagnose nicht wahrscheinlich ist, wogegen die folgenden Konditionen vernünftigerweise in Betrag gezogen werden sollten. ■

Die glücklichste Situation ist natürlich die, in der das klinische Problem mit einer der ^paarungcn in der Liste verschiedener Diagnosen zusammenfällt. Es scheint wahrscheinlich, daß die Methode vielversprechende Ergebnisse insbesondere bei der Untersuchung (Abtastung) oder Erstellung einer Radiobiopsie bei der Leber, der Pankreas, den Nieren oder interkranieH liefert.

Zusammenfassung

Es wurde eine radiologische Meßmethode beschrieben, nach der die Elektronendichte einer anatomischen Struktur von der Größe einer Erbse mit Radionukleiden (Cs ^ , 2 χ 50 Ci) und Detektoren untersucht werden kann, die außerhalb des Körpers angeordnet sind.

Auf der Grundlage einer Trennschärfe von mindestens 6-10 0/00 wurde eine Liste von nahezu einhundert "Paarungen" erstellt, mit der die differentielle Diagnose des Inhalts des Meßvolumens möglich erscheint. Die Methode sollte eine Unterscheidung zwischen verschiedenen gutartigen pathologischen Konditionen und zwischen bösartigen und gutartigen Krankheiten möglich machen. Besonders optimistisch können die Aussichten hinsichtlich der Untersuchungsergebnisse für die Pankreas, Leber, Niere und das Zentralnervensystem angesehen werden.

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Claims

Ansprüche

/ 1.)Verfahren zur Bestimmung der Elektronendichte, des ^~"^/^ Absorptionskoeffizienten oder des Transmissionskoeffizienten in kleinen Bereichen (Teilvolumina) eines Körpers durch Strahlungstransmission durch den Körper hindurch mit einem ionisierenden Strahl, bei welchem das betrachtete Teilvolumen, das Meßvolumen MV, von einem Strahl definierter Intensität I₀ in einer ersten Richtung durchdrungen wird, bei dem man die Intensität (Meßgröße T-, ) der ausgesandten Strahlung in der ersten Richtung (Primärstrahlung) außerhalb des Körpers und die Intensität der Streustrahlung (Meßgröße C ), der Sekundärstrahlung, in

einer zweiten Richtung, die unter einem Winkel if zur ersten Richtung verläuft, mißt, wobei das Meßvolumen MV in der zweiten Richtung möglicherweise mit derselben Strahlungsintensität durchdrungen wird wie zuvor, und bei welchem aie Intensität (Meßgröße Tp) dieser anderen ausgesandten.Primärstrahlung in der zweiten Richtung ebenso wie die Intensität (Meßgröße C_d) der Sekundärstrahlung in der ersten Richtung gemessen wird und die Werte der beiden gemessenen Intensitäten zur Berechnung der Elektrcnendichte in dem Meßvolumen MV herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Strahlung so hoher Energie verwendet, daß der Compton-Effekt sowohl in dem Meßvolumen als auch in dem ersten und dem zweiten Strahlungsweg das vollständig dominierende Absorptionsphänomen darstellt, und daß die durch die Compton-Verschiebung hervorgerufene Änderung in dem Absorptionsquerschnitt von der Primärstrahlung

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zur Sekundnrstr?.hlung wesentlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel in einem Intervall von 30° bis 60° liegt, und daß man als Strahlungsquelle Cs ^' oder Co wählt.
j5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dai3 die Sekundärstrahlung in einer von der Richtung der Primärstrahlung abweichenden Richtung und an gegenüberliegenden Seiten des Meßvolumens gemessen wird (Meßgröße C,, C_c bzw. C_a, C_d).
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Meßvolumina, die nach-

. einander von einer Reihe von Strahlen durchdrungen werden, und durch entsprechende Intensitätsrnessungen, die so erfolgen, daß man paarweise Messungen erhält, auf deren Basis die Elektronendichten der Meßvolumina innerhalb eines bestimmten Bereiches bestimmbar sind.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer asten und einer zweiten Strahlungsquelle zur sukzessiven Aussendung eines ersten und eines zweiten auf das zu untersuchende Meßvolumen gerichteten Strahles, wobei die Strahlen zusammen einen Winkel Ψ bilden, mit Abschirmungen zur wechselweisen Abschirmung der einen oder der anderen Strahlungsquelle, einem, bezogen auf das Meßvolumen, der ersten Strahlungsquelle gegenüberliegend angeordneten ersten Detektor zur

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2U7829

Messung der Intensität der von der ersten Strahlungsquelle ausgesandten Primärstrahlung, einem in dem Strahlenweg der anderen Strahlungsquelle angeordneten Detektor zur Messung der Intensität der beim Durchgang der ersten Primärstrahlung durch das Meßvolumen erzeugten Sekundärstrahlung, ferner mit einem in dem Strahlenweg des ersten Strahles angeordneten Detektor zur Messung der Intensität der,.beim Durchgang der anderen Primärstrahlung durch das Meßv.olumen erzeugten Sekundärstranlungsdichte,und mit einem weiteren Detektor zur Messung der Intensität de¹⁰ von der zweiten Strahlungsquelle ausgesandten Primärstrahlung sowie Mitteln zur Registrierung der Meßwerte, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen derart ausgebildet sind, daß sie eine so hohe Energie erzeugen, daß der Compton-Effekt das vollständig dominierende Phänomen in dem Meßvolumen sowohl in dem Primärstrahlungsweg als auch in·dem Sekundärstrahlungsweg darstellt, und daß die von der Compton-Verschiebung verursachte Änderung des Absorptionsquerschnittes von der Primärstrahlung zur Sekundärstrahlung wesentlich ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 j dadurch g e kennze i chne t , daß in den rückwärtigen Verlängerungen der Strahlungswege zwei weitere Detektoren zur Messung der in Rückvjärtsrichtung gestreuten Strahlung vorgesehen sind (Meßwerte C , C, ).

a D
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Aufbereitung der gemessenen Werte für die Berechnung der

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Elektronendichte in dem Meßvolumen und Mittel zur Ablesung des Ergebnisses vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß in einer großen Anzahl von Teilvolumina die Elektronendichte durch Abtastung bestimmbar ist.

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