DE4214369C2

DE4214369C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke

Info

Publication number: DE4214369C2
Application number: DE4214369A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Hosokawa; Haruyoshi Hirata
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2012-05-01
Also published as: US5247560A; DE4214369A1; JPH04332537A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstär ke.

Bei der Diagnose von z. B. Osteoporose, nierenbedingter Kno chendystrophie eines Patienten mit künstlicher Dialyse und dergleichen werden Messungen der Knochenmineraldichte ausge führt, wozu ein Aufbau verwendet wird, wie er beispielsweise aus ROTH, J.: Methodische Untersuchungen zur Bestimmung der Knochendichte mit Jod-125, in: Fortschr. Röntgenstr. 122, (1975), 4, S. 326-329, bekannt ist. Dort wird ein zu messendes Knochenstück mit Gammastrahlen aus ei ner Jod-125 Quelle bestrahlt. Die Gammastrahlen werden durch das zu messende Knochenstück durchgelassen und teilweise von dem Knochenstück absorbiert, wodurch durchgelassene Röntgen strahlen entstehen. Diese durchgelassenen Röntgenstrahlen werden von einem Detektor nach Durchstrahlung durch einen Kollimator erfaßt. Das erfaßte Signal wird weiter verarbei tet.

Aus HERMANUTZ, GEBHARDT und MEURIN: Zur röntgenologischen Mi neraläquivalentbestimmung des Knochens - Das Problem des Do sisaufbaufaktors (build up factor), in: Fortschr. Röntgenstr. 125, 2 (1976), S. 178-180, ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Bestimmen des Mineralgehalts eines Knochens bekannt. Hierbei wird die Röntgenstrahlung einer Röntgenquelle mit einem Rönt genfilter gefiltert und durch einen Kollimator ein in etwa paralleles Strahlenbündel erzeugt. Die Röntgenstrahlung wird von dem zu messenden Knochen teilweise absorbiert und von ei nem Detektor wird die durchgelassene Strahlung erfaßt. Ziel dieser Vorrichtung ist es, die Streuung der Strahlung durch den Knochen möglichst klein zu halten und den Mineralgehalt des Knochens exakt zu bestimmen, wobei die Absorptionsdiffe renzen zwischen Weichteil- und Knochengewebe ausreichend groß sein sollen.

Bei keiner der bekannten Vorrichtungen werden Daten zur Kno chenstärke (Knochenzustand), die den Anteil kristalliner Be standteile in den Knochen anzeigen, erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben zum zuverlässigen Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke.

Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Merkmale von Anspruch 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale von An spruch 3 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen stand abhängiger Ansprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten zum Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke getrennt er faßt. Die Knochenmineraldichte wird nach wie vor mit Hilfe einer Transmissionsmessung bestimmt. Dagegen erfolgt die Messung der Knochenstärke mit Hilfe einer Beugungsmessung. Die gebeugte und die durchgehende Röntgenstrahlung werden getrennt ausgewertet. Dadurch lassen sich die Knochenmine raldichte und die Knochenstärke gleichzeitig mit hoher Zu verlässigkeit messen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Vorrichtung zum Messen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Szintillatoranordnung;

Fig. 3(A) und (B) sind Diagramme betreffend die Signalver läufe von einem NaJ- bzw. CsJ-Szintillator;

Fig. 4 ist eine Teildarstellung einer Variante der erfin dungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Knochenmineraldichte und der Kno chenstärke. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Röntgenröh re, die weiße Röntgenstrahlung 2 emittiert und deren Aus gangsleistung mit Hilfe einer stabilisierten Spannungsquelle 3 stabil gehalten wird. Ein Röntgenfilter 4 dient dazu, die weiße Röntgenstrahlung 2 in pleochromatische Sekundärrönt genstrahlung 5 umzuwandeln, die z. B. zwei Wellenlängen auf weist. Ein Primärkollimator 6 dient dazu, die Sekundärrönt genstrahlung 5 in einen Strahl geeigneten Durchmessers zu kollimieren. Ein Träger 7 trägt einen zu messenden Gegen stand 9, in dem sich ein Knochen 8 befindet, wie dies z. B. im Lendenbereich eines menschlichen Körpers der Fall ist. Ein Sekundärkollimator 10 blendet gestreute Röntgenstrahlung aus, wie sie erzeugt wird, wenn der Strahl der Sekundärrönt genstrahlung 5 auf den zu messenden Gegenstand 9 oder auf umgebende Substanzen fällt. Streustrahlung trifft dann nicht auf einen Röntgendetektor 13, der weiter unten näher be schrieben wird.

Der vorstehend beschriebene Aufbau unterscheidet sich kaum von einer herkömmlichen Vorrichtung dieser Art. Der Sekun därkollimator 10 ist jedoch so ausgebildet, daß er sowohl gerade durchgehende Sekundärröntgenstrahlung 5 durchläßt, die teilweise vom Knochen 8 im zu messenden Gegenstand 9 ab sorbiert wird, wie er auch gebeugte Röntgenstrahlung 12 durchläßt, die durch Beugung der Sekundärröntgenstrahlung 5 an Kristallen entsteht, die den Knochen 8 bilden. Die durch gelassene Röntgenstrahlung 11 geht also geradeaus durch den zu messenden Gegenstand 9, während die gebeugte Röntgen strahlung 12 gemäß der Bedingung 2 d sin Θ = λ gebeugt wird (wobei d den Gitterabstand des Kristallgitters bezeichnet, Θ den Beugungswinkel und λ die Wellenlänge bezeichnet).

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden ein NaJ (T1)-Szintillator 14 und ein CsJ(T1)-Szintillator 15 verwen det, die konzentrisch zueinander (Fig. 2) in der Empfangs fläche des Röntgendetektors 13 unterhalb des Sekundärkolli mators 10 angeordnet sind. Die beiden Szintillatoren 14 und 15 sind optisch mit einem Photovervielfacher 16 verbunden, auf den ein Vorverstärker 17 folgt, der das Stromsignal vom Photovervielfacher 16 in ein Spannungssignal wandelt, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist. Die durchge lassene Röntgenstrahlung 11 fällt auf den NaJ(T1)-Szintilla tor 14, während die gebeugte Röntgenstrahlung 12 auf den CsJ(T1)-Szintillator 15 fällt.

Ein Signalverarbeitungsbereich 18 dient zum Verarbeiten des Meßsignals, wie es vom Röntgendetektor 13 ausgegeben wird. Dieser Signalverarbeitungsbereich 18 weist z. B. eine Sig nalformunterscheidungsschaltung 19, Zählschaltungen 20 und 21, Verarbeitungsschaltungen 22, 23 und dergleichen auf.

Beim vorstehend beschriebenen Aufbau können die Röntgenquel le 1, das Röntgenfilter 4, der Primärkollimator 6, der Se kundärkollimator 10 und der Röntgendetektor 13 horizontal durch einen (nicht dargestellten) Abtastmechanismus verscho ben werden.

Ein Verfahren zum Messen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vor richtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Beim Anlegen einer vorgegebenen Spannung an die Röntgenröhre 1 mit Hilfe der stabilisierten Spannungsquelle 3 wird weiße Röntgenstrahlung 2 von der Röntgenröhre 1 abgestrahlt. Diese weiße Röntgenstrahlung 2 wird durch den Röntgenfilter 4 in pleochromatische Sekundärröntgenstrahlung 5 mit zwei Wellen längen umgewandelt. Die Sekundärröntgenstrahlung 5 wird durch den Primärkollimator 6 in einen Strahl geeigneten Durchmessers begrenzt, der auf den zu messenden Gegenstand 9 fällt, der vom Träger 7 gehalten wird.

Von den monochromatischen Sekundärröntgenstrahlen 5, die auf den zu messenden Gegenstand 9 fallen, treffen die durchge henden Röntgenstrahlen 11, die gerade, unter teilweiser Ab sorption durch den Knochen 8, durch den zu messenden Gegen stand 9 hindurchgehen, auf den NaJ(T1)-Szintillator 14 im Röntgendetektor 13. Die von den den Knochen 8 aufbauenden Kristallen gebeugten Röntgenstrahlen 12 fallen auf den CsJ (T1)-Szintillator 15. Die durchgelassenen Röntgenstrahlen 12, die auf den Szintillator 14 fallen, wie auch die gebeug ten Röntgenstrahlen 12, die auf den Szintillator 15 treffen, werden im Photovervielfacher 16 in das genannte Stromsignal umgewandelt. Dieses wird durch den Vorverstärker 17 in ein pulsförmiges Spannungssignal umgewandelt, das als Detektor ausgangssignal vom Röntgendetektor 13 ausgegeben wird.

Die Anstiegszeit des Szintillatorlichts vom NaJ(T1)-Szintil lator 14 für die durchgelassenen Röntgenstrahlen 11 unter scheidet sich von derjenigen des Szintillatorlichts des CsJ (T1)-Szintillators 15, auf den die gebeugte Röntgenstrahlung 12 fällt. Die Anstiegszeit ist 230 bis 250 Nanosekunden für den NaJ(T1)-Szintillator 14, während sie 1000 bis 1100 Nano sekunden für den CsJ(T1)-Szintillator 15 ist. Dadurch ist das Ausgangssignal vom Röntgendetektor 13 für die durchge henden Röntgenstrahlen 11 anders als für die gebeugten Rönt genstrahlen 12, und zwar in bezug auf die Anstiegszeit und damit die Signalform, wie dies in den Fig. 3(A) bzw. (B) dargestellt ist. In den Fig. 3(A) und (B) sind T_R1 bzw. T_R2 Anstiegszeiten von 230 bis 250 bzw. 1000 bis 1100 Nanosekun den. Daher können die durchgehenden Röntgenstrahlen 11 und die gebeugten Röntgenstrahlen 12 getrennt (in einem System mit der Zählschaltung 20 und der Verarbeitungsschaltung 22 bzw. in einem System mit der Zählschaltung 21 und der Verar beitungsschaltung 23) und gleichzeitig ermittelt werden, in dem die zugehörigen Signale in der Signalformunterschei dungsschaltung 19 voneinander unterschieden werden, Zählwer te in den Zählschaltungen 20 bzw. 21 erfaßt werden und die Zählwerte in den Verarbeitungsschaltungen 22 bzw. 23 verar beitet werden.

Der Zählwert für die durchgelassenen Röntgenstrahlen 11 drückt die Knochenmineraldichte auf dieselbe Weise aus wie beim herkömmlichen Verfahren des Messens der Knochenmineral dichte vom selben Verfahrenstyp. Der den gebeugten Röntgen strahlen 12 zugeordnete Zählwert ist ein Maß für die Kri stallinität und damit die Stärke des Knochens 8. Dementspre chend können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der er findungsgemäßen Vorrichtung die Knochenmineraldichte und die Knochenstärke getrennt und gleichzeitig und mit hoher Ge nauigkeit gemessen werden.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Aufbauteile 1, 4, 6, 10 und 13, aber nicht der Träger 7, in horizontaler Richtung durch einen (nicht dargestellten) Abtastmechanismus verstellt werden, wodurch die Knochenmineraldichte und die Knochenstärke in verschiedenen Bereichen des festgelegten auszumessenden Gegenstandes 9 bestimmt werden können. Wenn dann die Erfindung auf eine Diagnosevorrichtung für Osteo porose angewendet wird, können die Knochenmineraldichte und die Knochenstärke in verschiedenen Bereichen des Patienten körpers genau bestimmt werden, ohne daß der Patient bewegt werden muß. Die Diagnose kann nicht nur einfach, sondern auch zuverlässig ausgeführt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. Z. B. kann das Röntgenfilter 4 mehrere Elemente aufweisen, und pleochromatische Sekundär röntgenstrahlung mit drei oder noch mehr Wellenlängen, wie vom Filter 4 ausgegeben, kann verwendet werden. Darüber hin aus kann, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Sekundärtarget 24 mit drei oder mehr Elementen an einer Position angeordnet werden, an der die Röntgenröhre 1 im bevorzugten Ausführungs beispiel gemäß Fig. 1 angeordnet ist, und das Target kann unter 45° zur einfallenden Röntgenstrahlung stehen, wodurch es pleochromatische Sekundärröntgenstrahlung mit drei oder mehr Wellenlängen in Richtung der Sekundärröntgenstrahlen 2 von Fig. 1 abstrahlt. In allen Fällen kann ein Fehler auf grund unterschiedlicher Absorptionskoeffizienten von Knochen bzw. weichem Gewebe genau kompensiert werden, wodurch eine genaue Messung erzielbar ist.

Diese Kompensation wird gemäß der folgenden Formel ausge führt:

M_B = [(µ_S ^A _/µS ^B)·ln(I^E/I₀^E)-ln(I^A/I₀^A)]/[µ_B ^A-(µ_S ^A/µ_S ^B)·µ_B ^B-],

mit I₀^A: einfallende Röntgenstrahlung von A keV
I₀^B: einfallende Röntgenstrahlung von B keV
I^A: durchgehende Röntgenstrahlung von A keV
I^B: durchgehende Röntgenstrahlung von B keV
µ_S ^A: Absorptionskoeffizient bei A keV von weichem Ge webe (cm³/g)
µ_S ^B: Absorptionskoeffizient bei B keV von weichem Ge webe (cm³/g)
µ_B ^A: Absorptionskoeffizient bei A keV von Knochen (cm³/g)
µ_B ^B: Absorptionskoeffizient bei B keV von Knochen (cm³/g)
M_S: Dichte des weichen Gewebes (g/cm³)
M_B: Knochendichte (g/cm³).

Es ist jedoch auch möglich, monochromatische Sekundärrönt genstrahlung zu verwenden, jedoch kann in diesem Fall die Knochenmineraldichte nicht völlig korrekt bestimmt werden, da es dann nicht möglich ist, den Fehler zu kompensieren, wie er durch den Einfluß des weichen Gewebes hervorgerufen wird.

Im Röntgendetektor 13 können der NaJ(T1)-Szintillator 14 und der CsJ(T1)-Szintillator 15 konzentrisch gerade anders, als in Fig. 2 dargestellt, angeordnet sein. Es kann auch ein Halbleiterdetektor statt des Szintillators verwendet werden, auf den die durchgelassenen Röntgenstrahlen 11 und die ge beugten Röntgenstrahlen 12 gleichzeitig auftreffen.

Wie vorstehend beschrieben, können gemäß der Erfindung durchgelassene und gebeugte Röntgenstrahlen voneinander un terscheidbar gemessen werden, wodurch die Knochenmineral dichte und die Knochenstärke getrennt und gleichzeitig er faßbar sind. Demgemäß ist es nicht erforderlich, die Kno chenstärke aus den Daten für die Knochenmineraldichte abzu schätzen, was einen Unterschied zum herkömmlichen Verfahren und zur herkömmlichen Vorrichtung darstellt. Daher kann z. B. die Diagnose bei der Osteoporose oder dergleichen be deutend in ihrer Genauigkeit verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke, bei dem das zu untersuchende Knochenstück mit Röntgenstrahlen mit mindestens einer wohlde finierten Wellenlänge bestrahlt wird und die durchgehende Röntgenstrahlung gemessen wird, aus welchem Meßergebnis die Knochenmineraldichte unmittelbar bestimmt wird,edadurch gekennzeichnet, daß gebeugte Röntgenstrahlung zusätzlich zu der durchgehenden Röntgenstrahlung gemessen wird und aus dieser Messung unmit telbar die Knochenstärke bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- Röntgenstrahlung mit mindestens zwei wohldefinierten Wel lenlängen verwendet wird;
- die durchgehende Röntgenstrahlung für die mehreren Wellen längen gemessen wird; und
- mit Hilfe der mehreren Messungen der Einfluß von weichem Gewebe auf die Messung der Knochenmineraldichte eliminiert wird.

3. Vorrichtung zum Bestimmen der Knochenmineraldichte und der Knochenstärke, mit

- einer Röntgenquelle (1);
- einem Detektor (13) zum Erfassen der durch einen zu messen den Gegenstand (9) durchgehenden Röntgenstrahlung (11);
- einer Auswerteschaltung (18) zum Auswerten des Detektorsi gnals, die so ausgebildet ist, daß sie die Knochenmineral dichte aus der Messung für die durchgehende Röntgenstrah lung bestimmt;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Detektor so ausgebildet ist, daß er auch gebeugte Rönt genstrahlung (12) erfaßt; und
- die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, daß sie die Kno chendichte aus der Messung für die gebeugte Röntgenstrah lung bestimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- Szintillatoren (14, 15) mit unterschiedlichen Szintillator materialien zum Messen der durchgehenden bzw. der gebeugten Röntgenstrahlung vorhanden sind;
- den Szintillatoren ein gemeinsamer Photovervielfacher (16) zugeordnet ist; und
- eine Signalform-Unterscheidungsschaltung (19) vorhanden ist, um die Signale von den verschiedenen Szintillatoren aufgrund ihrer Signalformen voneinander zu unterscheiden.