DE3300566C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der GB 20 49 170 A bekannten Art.

Durch Vergleichsversuche hat man festgestellt, daß Röntgen­ fluoreszenztechnik, für quantitative Messungen in vivo von der Konzentration jodhaltiger Röntgenkontrastmittel in gut blut­ gefüllten Weichteilen angewendet, ein Maß der Geschwindigkeit geben kann, mit der der Körper Kontrastmittel absondert. Diese Absonderungsgeschwindigkeit wiederspiegelt ihrerseits die Funktion der Nieren. Somit läßt sich die Nierenfunktion durch wiederholte Messungen von der Konzentration des erwähnten Kontrastmittels in den Weichteilen bestimmen.

Bei einer solchen Röntgenfluoreszenzanalyse hat man als Anregungsstrahlungsquelle u. a. ²⁴¹Am ausgenutzt und einen Ge(Li)-Detektor zur Registrierung der charakteristischen K_α- Röntgenstrahlung von Jod angewendet. Dieser angewendete Detek­ tor ist indessen schwierig zu handhaben, sperrig und teuer und erfordert niedrige Temperaturen und ist demnach zur Anwendung in einem massengefertigten Gerät zum Durchführen von Messungen in großer Skala nicht geeignet. Es wäre erwünscht, wenn man beispielsweise einen NaI(T1)-Detektor anstelle des Ge(Li)- Detektors verwenden könnte. Der NaI(T1)-Detektor ist jedoch dadurch nachteilig, daß die Registrierung der für Jod charak­ teristischen K_α-Röntgenstrahlung, die vom Kontrastmittel emittiert wird, von der Registrierung der in der Probe Comp­ ton-gestreuten Photonen überlagert wird, die mit Jodatomen in dem eigentlichen Detektorkristall eine Wechselwirkung ausüben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen des Jodgehalts in einem Probevolumen zu schaf­ fen, die bei geringen Abmessungen eine Massenfertigung gestat­ tet und mit der es möglich ist, schnelle, einfache und genaue Messungen in vivo durchzuführen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Vor­ richtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dabei ist es aus Druckschrift (3) Prospekt Nr. E 632/1018 der Firma Siemens "Systeme für energiedispersive Analyse" 1974 bekannt, einen Winkel von etwa 135 Grad zwischen anregender und detektierter Strahlung anzuwenden. Die Gründe für die Wahl dieses Winkels ergeben sich aus Druckschrift (2) Analytical Chemistry, Vol. 44, No. 14, Dec. 1972, S. 57A-68A, aus der auch der Einsatz von Kollimatoren bekannt ist, die sich zur Untergrundreduktion eignen, wenn ein Detektor mit hoher Nach­ weiswahrscheinlichkeit, aber geringer Auflösung eingesetzt werden soll.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Dabei ist die Verwendung von Einkanalanalysatoren aus Druckschrift (3) Prospekt Nr. E 632/1018 der Firma Siemens "System für energie­ dispersive Analyse" 1974 bekannt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand der Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bis 3 Impulshöhen-Verteilungsdiagramme zur Erklärung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 den Längsschnitt und ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 das Schaltbild des elektrischen Kreises der Vorrichtung der Fig. 4.

Wie bereits erwähnt, ist die Nierenfunktion für die Absonderungsgeschwindigkeit von z. B. Röntgenkontrast­ mitteln entscheidend. In Verbindung mit z. B. Nierenröntgen, Angiographie und Computertomographie läßt sich diese Ab­ sonderungsgeschwindigkeit mit Hilfe der mit der Zeit ab­ nehmenden Konzentration des Kontrastmittels in den Weich­ teilen bestimmen. Die Konzentration kann ihrerseits mit Röntgenfluoreszenztechnik gemessen werden. Falls z. B. ²⁴¹Am als Quelle zur Bestrahlung einer Jod enthaltenden Probe verwendet wird, verursacht die Gammastrahlung mit der durchschnittlichen Energie 59,6 keV von dieser Quelle eine für Jod charakteristische K_α-Strahlung mit der durch­ schnittlichen Energie 28,5 keV von der Probe. Diese charakteristische Röntgenstrahlung kann mittels eines Ge(Li)-Detektors registriert werden, wobei eine Impuls­ höhen- oder Energieverteilung nach Fig. 1 erhalten wird. Der Detektor ist hierbei in üblicher Weise gerichtet, um eine Strahlung in 90° im Verhältnis zu der Gammastrahlung von der Probe zu empfangen. Die schraffierte Fläche unterhalb des linken Kurvenscheitelpunkts in Fig. 1 ist zur Menge Jod in der untersuchten Probe proportional. Die Fläche unterhalb des rechten Kurvenscheitelpunkts in Fig. 1 ist ein Maß der in einem Winkel von 90° inkohärent gestreuten Photonen von der Probe und kann zur Korrektur der festge­ stellten Jodkonzentration mit Rücksicht auf geometrische Veränderungen in der Meßanordnung verwendet werden.

Falls der Ge(Li)-Detektor in dem obigen Beispiel durch einen NaI(T1)-Detektor ersetzt wird, erhält man eine Impulshöhenverteilung nach Fig. 2. Der rechte Scheitel der Kurve in dieser Figur repräsentiert wiederum Compton- Photonen. Die Größe des linken Scheitels in Fig. 2 ist indessen nicht nur von der charakteristischen K_α-Strahlung von der Probe abhängig, sondern auch von Störungen infolge der sog. -Entweichung im Detektor. Genauer genommen werden einige der Compton-gestreuten Photonen, die den Detektor erreichen, durch Wechselwirkung mit den Jodatomen im Detektorkristall absorbiert, wobei eine für Jod charak­ teristische Strahlung (28,5 keV) im Kristall ausgesandt wird. Falls diese charakteristische Strahlung ihrerseits vollständig im Kristall absorbiert wird, erhält man in der gewünschten Weise eine Registrierung im Energieintervall rundum etwa 54 keV (die anregende Primärstrahlung von dem ²⁴¹Am-Präparat hat diese Energie nach Streuung in einem Winkel von etwa 90°). Falls die charakteristische Strahlung dagegen den Kristall verläßt ohne irgendwelche Wechsel­ wirkung, erhält man eine Registrierung im Energieintervall rund um 54-28,5=25,5 keV. Dies ergibt eine derart kräftige Störung der Registrierung der für Jod charakteristischen Strahlung mit der durchschnittlichen Energie 28,5 keV, daß eine Bestimmung der Jodkonzentration im Probevolumen nicht möglich ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die unvermeidliche Störung von dem jeweiligen Energieintervall von Interesse, d. h. dem Energieintervall rundum 28,5 keV beim Bestimmen der Jodkonzentration, energiemäßig zu trennen. Nach der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß der Winkel zwischen der auf die Probe einfallenden Primärstrahlung von der ²⁴¹Am-Quelle und der von dem NaI(T1)-Detektor detektierten Strahlung größer gemacht wird als 90° und zweckmäßigerweise in das Intervall von 90-135° verlegt wird, bei Jod vorzugsweise 135°. Bei einem Winkel von 135° erhält man eine Impulshöhenverteilung nach Fig. 3. Nach Streuung im Probevolumen wird die Primärstrahlung von dem ²⁴¹Am-Präparat in diesem Fall eine Energie von 50 keV haben, was bedeutet, daß die unvermeidliche Störung in einem Intervall rund um 50-28,5=21,5 keV auftreten wird. Die Störung ist somit hinreichend weit von dem je­ weils interessanten Energieintervall weggerückt, damit die Jodkonzentration im Probevolumen bestimmt werden kann.

Durch die Änderung des Winkels zwischen der Primär­ strahlung und der dekektierten Strahlung wird die Impuls­ höhenverteilung auch in einer solchen Weise verändert, daß die jeweils interessante charakteristische Strahlung auf einen Teil der Verteilungskurve fällt, welcher verhält­ nismäßig stabil und außerdem monoton, in diesem Falle genauer genommen abfallend ist. Infolgedessen kann man bei der Berechnung der Nettoimpulszahl der für Jod charakeri­ stischen K_α,β-Strahlung eine feste Hintergrundkorrektion verwenden.

Erfindungsgemäß wird also der Winkel zwischen der gegen das Probevolumen von der Anregungsquelle gerichteten Primärstrahlung und der von dem NaI(T1)-Detektor detektier­ ten Strahlung zur Optimierung der Detektionsgeometrie ver­ änderlich gemacht. Bei der Bestimmung der Jodkonzentration und Verwendung einer ²⁴¹Am-Strahlungsquelle ist der be­ vorzugte Winkel 135°. Es leuchtet indessen ein, daß es durch Wahl anderer Strahlungsquellen und Variationen des genannten Winkels möglich ist, andere stabile Elemente mit Atomnummern von etwa 47 und höher zu detektieren. Das Kriterium für die Wahl von Strahlungsquelle und Winkel zwischen Primärstrahlung und detektierter Strahlung ist, daß sowohl die Energie der Compton-gestreuten Photonen als auch die Differenz zwischen der Energie der Compton- gestreuten Photonen und 28,5 keV von der Energie der charak­ teristischen Röntgenstrahlung für das jeweilige Element gut getrennt sein soll.

Eine als Beispiel gewählte Ausführungsform einer er­ findungsmäßigen Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Vorrichtung ist zur Bestimmung der Konzentration eines Jod enthaltenden Kontrastmittels in dem Weichteil an der Spitze eines Fingers vorgesehen. Der Jodgehalt einer in einem Probe­ röhrchen enthaltenen Probe kann gleichfalls bestimmt werden. Die veranschaulichte Vorrichtung umfaßt genauer genommen eine ²⁴¹Am-Strahlungsquelle 1, die Gammastrahlung mit einer Energie von etwa 60 keV abgibt. Die Strahlung ist kollimiert und gegen eine Stelle gerichtet, wo ein Proberöhrchen 2 mit dem unteren Ende oder die Spitze eines Fingers 3 angebracht werden kann. Um eine korrekte Anbringung der Fingerspitze zu erleichtern, ist eine Fingerstütze 4 an einer Einführungs­ öffnung vorgesehen. Um eine unerwünschte Bestrahlung der Um­ gebung zu verhindern, ist ein Bleimantel 5 rund um die Strah­ lungsquelle und den Proberaum angeordnet. Ein Draht 6 ist vorgesehen, um die Anbringung des Fingers in korrekter Lage zu gewährleisten. Ein NaI(T1)-Szintillationskristall 7 mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 2 mm empfängt Fluoreszenzstrahlung von der bestrahlten Probe. Der Szin­ tillationskristall 7 ist in üblicher Weise an einen Photo­ vervielfacher 8 angeschlossen, dessen Ausgangssignale über einen Vorverstärker 9 und einen linearen Verstärker 10 drei Einkanalanalysatoren 11, 12 und 13 zugeführt werden. Die in den Einkanalanalysatoren 11, 12 und 13 registrierten Signalwerte werden über einen Analog-Digital-Umsetzer 14 zu einem Computer 15 geführt. Ein Netzgerät 16 ist zur Stromversorgung des Photovervielfachers und der Elektronik vorgesehen.

Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise. Der Einkanalanalysator 11 ist eingestellt, um Impulse in einem Energieintervall ΔE zu registrieren, das um den Energiewert E₁ zentriert ist. In derselben Weise ist der Einkanalanalysator 13 eingerichtet, um Impulse in einem Energieintervall ΔE zu registrieren, das um einen Energie­ wert E₂ zentriert ist. Es wird angenommen, daß die Zahl registrierter Impulse im Intervall rund um den Wert E₁ b₁ ist und daß die Zahl registrierter Impulse im Energieintervall rund um den Wert E₂ b₂ ist. Der Einkanalanalysator 12 soll Impulse in dem Energieintervall registrieren, das zwischen den obengenannten beiden Energieintervallen liegt. Die vom Einkanalanalysator 12 registrierte Impulszahl wird als A gesetzt. Die genannte Zahl A repräsentiert teils Hinter­ grundstrahlung, die der Fläche unterhalb der gestrichelten Linie im mittleren Intervall entspricht und als B bezeichnet werden kann, und teils die charakteristische Röntgenstrahlung des Elements, dessen Gehalt zu bestimmen ist. Die der cha­ rakteristischen Röntgenstrahlung entsprechende Impulszahl ist in Fig. 3 mit a bezeichnet. Somit gilt a=A-B, wobei A vom Einkanalanalysator 12 erhalten wird und B mit Hilfe der Impulszahlen von den Einkanalanalysatoren 11 und 13 erhalten werden kann. Zur Bestimmung von B wird angenommen, daß der gestrichelte Teil der Impulshöhenverteilungskurve in Fig. 3 durch die Gleichung

b (E) = k · E^-r + c

beschrieben werden kann, in welcher r hauptsächlich die Form der Kurve bestimmt und ein für allemal bestimmt und im Com­ puter 15 gespeichert werden kann, und in welcher k und c Konstanten sind, die für jede einzelne Analyse mit Hilfe der Werte b₁ und b₂ automatisch bestimmt werden können. Dies Konstanten k und c sind in der Hauptsache für die Lage der Kurve bestimmend.

Die Konstanten k und c sind genauer genommen durch die folgenden Ausdrücke gegeben:

Mit der erstellten Funktion kann die Impulszahl in Energieintervallen mit der Breite ΔE somit bestimmt werden. Der gesamte Untergrund B in Fig. 3 ist demnach:

n kann dadurch eindeutig bestimmt werden, daß die fol­ gende Bedingung erfüllt sein soll:

n kann von der Größenordnung 10 sein.

Der Computer 15 ist in der Weise programmiert, daß er ausgehend von den Werten b₁, b₂ und r die Konstanten k und c und danach die Untergrund­ impulszahl B bestimmt. Mit Hilfe der Impulszahl B und der Impulszahl A wird schließlich die Nettoimpulszahl a be­ stimmt, die ein Maß der Konzentration von Kontrastmittel in dem bestrahlten Probevolumen ergibt.

Die Impulszahl im Energieintervall oberhalb der drei Einkanalanalysatoren 11, 12, 13 stammt von in der Probe Compton- gestreuten Photonen und wird bei Bestimmungen in vivo zur Korrektion von variierenden Probevolumina verwendet.

Indem man die Öffnung, durch welche die Strahlungs­ quelle 1 das Probevolumen bestrahlt, als elliptischen Spalt anstelle einer kreisrunden Öffnung ausbildet, erhält das Strahlungsfeld ein Aussehen, das teils verhindert, daß das oberste Fingerglied bestrahlt wird, und teils eine Seitenbewegung des Fingers ermöglicht, ohne daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung beeinträchtigt wird.

Durch Verwendung eines NaI-Detektors erhält man auto­ matisch eine 20%ige Erhöhung der Fluoreszenzgeschwindig­ keit der charakteristischen Strahlung, und zwar aufgrund des Auflösungsvermögens dieses Detektors betreffs der Kα- und Kβ-Photonen.

Wie in Fig. 5 veranschaulicht, kann der Verstärker 9, welcher an den Ausgang des Photovervielfachers 8 angeschlossen ist, ein integrierender, schneller Vorverstärker sein, während der lineare Verstärker 10 eine Offseteinstellung und einen regelbaren Verstärkungsgrad haben kann. Der Aus­ gang des Verstärkers 10 ist an je einen von vier Kompara­ toren 17 angeschlossen, die je eine Referenzspannung haben, die mittels einer Präzisionsspannungsquelle 18 und vier Potentiometer 19 erzeugt wird. Die Ausgangsimpulse von den Komparatoren 17, die in Abhängigkeit von der Signal­ amplitude an dem Ausgang des Photovervielfachers 8 erzeugt werden, schalten Binärzähler 21 über bistabile Kippschal­ tungen 20 schrittweise fort. Mit Hilfe zweier monostabiler Kippschaltungen 22 und 23 wird die Länge der Ausgangs­ impulse von den bistabilen Kippschaltungen 20 und somit die Zählfrequenz gesteuert. Die Zähler 21 sind ihrerseits an den Mikrocomputer 15 angeschlossen, welcher seine oben beschriebenen Berechnungen auf Grundlage des Inhalts der Zähler 21 ausführt. Es sei erwähnt, daß einer der vier Kom­ paratoren 17 dem obenerwähnten Energieintervall über die drei Einkanalanalysatoren 11-13 entspricht.

Viele Abänderungen der oben beschriebenen Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Rahmen der Erfindung möglich.

Zusammenfassend sei erwähnt, daß sich die Erfindung für quantitative Analysen der Kinetik in vivo von jod- oder bariumhaltigen Röntgenkontrastmitteln gut eignet. Die Vor­ richtung kann auch zur quantitativen Bestimmung der Nieren­ funktion sowohl in vivo als auch in vitro durch Analyse des Verschwindens jodhaltiger Kontrastmittel aus dem Blut (Weichteilen) verwendet werden. Die Bestimmung kann hierbei unblutig (durch wiederholte Messungen an einem der Finger­ enden des Patienten), durch Analyse von Blutproben oder durch Anwendung beider Methoden gemacht werden. Es leuchtet ferner ein, daß die Vorrichtung zur Bestimmung des Gehalts verschiedener Elemente verwendet werden kann, bei denen es möglich ist, die Störung zu beseitigen, die von dem Jod­ inhalt im NaI-Szintillationsdetektor abhängig ist. Die Vorrichtung ist somit zur Bestimmung des Mineralgehalts in verschiedenen Matrizen gut geeignet. Sie kann auch zur "on stream"-Analyse des Mineralgehalts eines industriellen Produktionsverfahrens zur Herstellung von z. B. Röntgen­ konstrastmitteln verwendet werden. Beim Übergang von der Analyse eines Elements zu der Analyse eines andere Ele­ ments können sämtliche Energieeintervalle in optimale Lagen in der Impulshöhenverteilung gerückt werden.

Schließlich sei erwähnt, daß zur Einstellung des Winkels zwischen der Primärstrahlung von der Strahlungs­ quelle 1 und der von dem Detektor 7, 8 detektierten Strah­ lung die Strahlungsquelle 1 an einem U-förmigen Bügel 1a mon­ tiert ist, der um eine horizontale Achse schwenkbar ist, die durch die Spitze des Fingers läuft.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Jodgehalts in einem Probe­ volumen, mit einer aus ²⁴¹Am bestehenden Strahlungs­ quelle (1), die das Jod im Probevolumen zur Emission seiner chrakteristischen Strahlung anregt, und mit einem auf das Probevolumen gerichteten Detektor (7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung kollimierte Strahlung ist, daß der Detektor (7, 8) ein NaI(T1)-Szintillationsdetektor ist, daß der Winkel zwischen der Anregungsstrahlung und der detektierten Strahlung 135° beträgt, so daß sowohl die Energie der von dem Probevolumen empfangenen, Compton-gestreuten Photonen als auch die Differenz zwischen dieser Energie und 28,5 keV von der Energie der charakteristischen Röntgenstrahlung von Jod getrennt ist, und daß am Gehäuse der Vorrichtung eine Öffnung mit einer Auflage (4) und im Inneren des Gehäuses ein Anschlag (6) vor­ gesehen sind, die einen als Probevolumen dienenden zu untersuchenden Körperteil (3) im Schnittpunkt zwischen dem Strahl der Strahlungsquelle (1) und der Achse des Detektors (7, 8) positionieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei Einkanalanalysatoren (11, 12, 13), von denen ein erster (12) die Impulszahl (A) des Detektors in­ nerhalb eines vorbestimmten Energieintervalls (E) rund um den Energiewert (25,5 keV) für die charakteristische Röntgenstrahlung des genannten Elements und die zwei anderen (11, 13) die Impulszahlen (b₁, b₂) an den Gren­ zen (E₁, E₂) des genannten Intervalls registrieren, und eine Berechnungseinheit (15), die dazu dient, aus den letztgenannten beiden Impulszahlen die Untergrundstrah­ lung in dem genannten Intervall zu bestimmen und dem Gehalt aus dem Unterschied zwischen der Impulszahl (A) des ersten Analysators (12) und der die Untergrund­ strahlung repräsentierenden Impulszahl (B) festzulegen, wobei die Berechnungseinheit (15) die Impulszahl der Untergrundstrahlung nach folgender Formel berechnet: B = (k · (E₁ + ΔE/2)^-r + c) + (k · (E₁ + 3Δe/2)^-r + c) + . . . + (k · (E₁ + n · ΔE/2)^-r + c),worin bedeuten: r=eine Konstante, die von der Form der Impulshöhen­ verteilungskurve bestimmt ist, und
n=dadurch bestimmt, daß die folgende Bedingung erfüllt sein soll: