RU2428115C2 - Method and device for determining density of substance in bone tissue - Google Patents
Method and device for determining density of substance in bone tissue Download PDFInfo
- Publication number
- RU2428115C2 RU2428115C2 RU2009100401/14A RU2009100401A RU2428115C2 RU 2428115 C2 RU2428115 C2 RU 2428115C2 RU 2009100401/14 A RU2009100401/14 A RU 2009100401/14A RU 2009100401 A RU2009100401 A RU 2009100401A RU 2428115 C2 RU2428115 C2 RU 2428115C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- density
- substance
- bone tissue
- gamma
- radiation
- Prior art date
Links
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 title claims abstract description 48
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 68
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 claims description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 1
- 208000001132 Osteoporosis Diseases 0.000 abstract description 9
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 abstract description 4
- 208000020084 Bone disease Diseases 0.000 abstract description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 abstract description 3
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 9
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 9
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 9
- 210000000459 calcaneus Anatomy 0.000 description 8
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 5
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 3
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000000326 densiometry Methods 0.000 description 2
- 210000000474 heel Anatomy 0.000 description 2
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000037182 bone density Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000005442 electron-positron pair Effects 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике состояния костной ткани, и может быть использовано при определении, например, таких заболеваний, как остеопороз и остеопатия.The invention relates to medicine, namely to radiation diagnostics of the condition of bone tissue, and can be used to determine, for example, diseases such as osteoporosis and osteopathy.
Костное неорганическое минеральное вещество состоит главным образом из кальция (фосфата и карбоната - около 65%) [Ю.Франке, Г.Рунге. "Остеопороз" /перевод с немецкого/. М.: "Медицина", 1995, с.27]. Остеопороз - системное заболевание скелета из группы метаболических остеопатий - характеризуется уменьшением костной массы и нарушением микроархитектоники костной ткани, что приводит к снижению минеральной плотности костной ткани (МПКТ) и, как следствие, к повышению риска возникновения переломов. Характерные последствия переломов, связанные с остеопорозом - это высокая смертность, высокий уровень инвалидности и тяжелое экономическое бремя, которое несут сами больные, система здравоохранения и государство в целом. В этой связи особую важность приобретают методы количественной оценки остеопороза. Измерение МПКТ методом остеоденситометрии является основным количественным показателем, определяющим выраженность остеопороза и риск переломов. Известны методы и приборы, основанные на:Inorganic bone mineral substance consists mainly of calcium (phosphate and carbonate - about 65%) [J. Franke, G. Runge. "Osteoporosis" / translation from German /. M .: "Medicine", 1995, p.27]. Osteoporosis, a systemic skeletal disease from the group of metabolic osteopathies, is characterized by a decrease in bone mass and a violation of bone microarchitectonics, which leads to a decrease in bone mineral density (BMD) and, as a result, to an increased risk of fractures. The characteristic consequences of fractures associated with osteoporosis are the high mortality, high disability and heavy economic burden borne by the patients themselves, the health care system and the state as a whole. In this regard, methods of quantifying osteoporosis are of particular importance. Measurement of BMD by osteodensitometry is the main quantitative indicator that determines the severity of osteoporosis and the risk of fractures. Known methods and devices based on:
- рентгенографии определенных участков скелета одновременно с проведением рентгенографии клиновидного ступенчатого эталона [патент РФ 2159577];- radiography of certain sections of the skeleton simultaneously with the radiography of a wedge-shaped step standard [RF patent 2159577];
- количественном измерении кальция, костной массы и МПКТ с помощью рентгеновской радиографии, в котором используется фантом с известным составом, который имитирует костную ткань. Через исследуемую область пропускают рентгеновское излучение, регистрируют его с другой стороны и получают изображение конечности и фантома и путем сравнения определяют содержание кальция, костной массы и МПКТ [патент США 5335260];- quantitative measurement of calcium, bone mass and BMD using x-ray radiography, which uses a phantom with a known composition that mimics bone tissue. X-ray radiation is passed through the study area, it is recorded on the other hand, and an image of the limb and phantom is obtained and the content of calcium, bone mass and BMD are determined by comparison [US Pat. No. 5,335,260];
- двухэнергетической гамма-абсорбциометрии, при котором количественно определяют минеральную плотность костной ткани, независимо от присутствия жировых или других мягких тканей. В этом методе исследуемая область облучается пучком проникающей радиации, содержащей гамма-излучение двух энергий, и измеряется коэффициент ослабления интенсивности излучения для каждой из этих заданных двух энергий и по результатам измерений определяется массовая плотность костной ткани [США 3996471];- dual-energy gamma-absorptiometry, in which the mineral density of bone tissue is quantified, regardless of the presence of adipose or other soft tissues. In this method, the study area is irradiated with a beam of penetrating radiation containing gamma radiation of two energies, and the attenuation coefficient of the radiation intensity is measured for each of these given two energies and the bone mass density is determined from the measurements [US 3996471];
- автоматической рентгеновской денситометрии костной ткани, в котором предусмотрены несколько экспозиций исследуемой области рентгеновским излучением с различными уровнями энергии [патент США 6320931];- automatic x-ray densitometry of bone tissue, which provides several exposures of the study area by x-ray radiation with different energy levels [US patent 6320931];
- рентгеновской денситометрии, в которой получают рентгеновское изображение объекта в различных энергетических областях излучения с помощью люминесцентного экрана, чувствительного к различным областям энергии рентгеновского излучения, выполненного в виде многослойного экрана, каждый слой которого поглощает рентгеновского излучение в своей части энергетического диапазона. При этом каждый слой экрана, более близкий к объекту, служит фильтром для последующего слоя, при этом каждый слой излучает свет в отличном от других слоев диапазоне длин волн, и результирующее оптическое изображение получают с помощью цветочуствительного светоприемника [Международная заявка WO2008033051];- X-ray densitometry, in which an X-ray image of an object is obtained in various energy regions of radiation using a luminescent screen that is sensitive to various regions of X-ray energy, made in the form of a multilayer screen, each layer of which absorbs X-rays in its part of the energy range. Moreover, each layer of the screen closer to the object serves as a filter for the next layer, with each layer emitting light in a different wavelength range from the other layers, and the resulting optical image is obtained using a color-sensitive light detector [International application WO2008033051];
- низкодозовом измерении содержания минералов в кости путем измерения обратного рассеяния гамма-излучения от костей и сравнения интенсивностей двух областей спектра обратно рассеянного излучения. При этом одна область спектра A1 обусловлена когерентным или томсон-рэлеевским рассеянием, а другая А2 - комбинацией рэлеевского и комптоновского излучений. Параметр W=A1/А2 примерно линейно зависит от содержания минералов в кости, поскольку когерентное рассеяние в основном определяется содержанием кальция в костной ткани [патент США 5351689].- low-dose measurement of the mineral content in the bone by measuring the backscattering of gamma radiation from the bones and comparing the intensities of the two regions of the backscattered radiation spectrum. Moreover, one region of the spectrum of A 1 is due to coherent or Thomson-Rayleigh scattering, and the other to A 2 is due to a combination of Rayleigh and Compton radiation. The parameter W = A 1 / A 2 approximately linearly depends on the content of minerals in the bone, since coherent scattering is mainly determined by the calcium content in the bone tissue [US patent 5351689].
Большинство из известных методов для их реализации требуют очень дорогого, крупногабаритного и тяжелого оборудования, а в некоторых случаях сопровождаются высокой дозой облучения. Такие системы, как, например, устройства для двухэнергетической гамма-абсорбциометрии, требуют централизованного размещения и могут обслуживаться только высококвалифицированными специалистами. В результате их использование ограничено только небольшим числом крупных, хорошо финансируемых медицинских клиник.Most of the known methods for their implementation require very expensive, bulky and heavy equipment, and in some cases are accompanied by a high dose of radiation. Systems such as, for example, devices for dual-energy gamma-absorptiometry, require centralized placement and can only be serviced by highly qualified specialists. As a result, their use is limited to only a small number of large, well-funded medical clinics.
Между тем, для проведения массовых скриннинговых исследований и первичного выявления и профилактики остеопороза пациентов требуются портативные приборы, с помощью которых можно было бы оперативно проводить неинвазивные, недорогие, с низкой дозовой нагрузкой исследования содержания минералов в костной ткани, не требующие сложных методик анализа результатов измерения.Meanwhile, for carrying out mass screening studies and the initial detection and prevention of osteoporosis of patients, portable devices are needed that could be used to promptly conduct non-invasive, inexpensive, low-dose studies of the mineral content in bone tissue, which do not require complicated methods for analyzing the measurement results.
Наиболее близкими, выбранными за прототип, являются способ и устройство определения содержания минерального вещества в пяточной кости [патент США 6252928]. В известном способе-прототипе производят облучение пяточной кости коллимированным пучком гамма-излучения и регистрируют излучение, рассеянное в обратном направлении по отношению к падающему пучку. Содержание кальция определяют по интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении от пяточной кости. Устройство включает опорную раму для фиксации ноги пациента и установленные на ней аксиально-симметричный коллиматор, в котором находится радиоактивный источник, и соосно с ним цилиндрический симметричный сцинтилляционный детектор. В качестве источника гамма-излучения используют 109Cd (Т1/2=1,29 года), который испускает характеристическое рентгеновское излучение К-серии серебра с энергией 22-25 кэВ. Источник гамма-излучения, коллиматор излучения и детектор обратно-рассеянного гамма-излучения расположены на одной оси симметрии и объединены в жесткую сборку, выполненную с возможностью перемещения по направляющим вдоль своей оси симметрии и подпружиненную для плотного контакта с ногой пациента, которая фиксируется на опорной раме таким образом, чтобы задняя часть пятки была напротив источника гамма излучения. Способ основан на измерении интенсивности обратно-рассеянного от пяточной кости гамма-излучения источника. Выбор энергия гамма-излучения произведен так, чтобы обеспечить сильную зависимость интенсивности поглощения первичного и рассеянного излучения от содержания кальция. Гамма-излучение рассеивается в тканях пятки и регистрируется с помощью сцинтилляционного детектора, сигнал от детектора рассеянного гамма-излучения поступает на блок регистрации и сравнивается с сигналами, полученными ранее от эталонов минеральной плотности. Это сравнение с эталонами позволяет судить о содержании кальция в исследуемом объекте. Периодическое измерение содержания кальция в пяточной кости пациента с помощью данного способа позволяет отслеживать изменения плотности костной ткани при развитии остеопороза.The closest selected for the prototype are a method and device for determining the content of mineral substances in the calcaneus [US patent 6252928]. In the known prototype method, the calcaneus is irradiated with a collimated beam of gamma radiation and the radiation scattered in the opposite direction with respect to the incident beam is recorded. The calcium content is determined by the intensity of gamma radiation scattered in the opposite direction from the calcaneus. The device includes a support frame for fixing the patient’s legs and an axially symmetric collimator mounted on it, in which the radioactive source is located, and a cylindrical symmetric scintillation detector coaxial with it. As a source of gamma radiation using 109 Cd (T 1/2 = 1.29 years), which emits the characteristic x-ray radiation of the K-series of silver with an energy of 22-25 keV. The gamma radiation source, the radiation collimator and the backscattered gamma radiation detector are located on the same axis of symmetry and are combined into a rigid assembly made with the possibility of moving along the guides along its axis of symmetry and spring-loaded for tight contact with the patient’s leg, which is fixed on the support frame so that the back of the heel is opposite the source of gamma radiation. The method is based on measuring the intensity of a gamma radiation source backscattered from the calcaneus. The choice of gamma radiation energy was made in such a way as to ensure a strong dependence of the absorption intensity of the primary and scattered radiation on the calcium content. Gamma radiation is scattered in the tissues of the heel and recorded using a scintillation detector, the signal from the scattered gamma radiation detector is fed to the recording unit and compared with signals previously obtained from mineral density standards. This comparison with the standards allows us to judge the calcium content in the studied object. Periodic measurement of the calcium content in the calcaneus of the patient using this method allows you to track changes in bone density with the development of osteoporosis.
Известные способ и устройство имеют ряд недостатков. Среди них - выбор низкой энергии используемого гамма-излучения. Вследствие этого исследование можно провести только для тех костей, которые скрыты малой толщиной мягких тканей, например для пяточной кости. При этом интенсивность рассеянного излучения зависит не только от содержания кальция в костной ткани, но и от толщины мягких тканей, которая, как правило, неизвестна, и результат измерения будет искажен. Кроме этого, данный способ позволяет получить лишь некоторое усредненное значение плотности исследуемой костной ткани. Этим способом невозможно получить распределение плотности вещества внутри костной ткани.The known method and device have several disadvantages. Among them is the selection of low energy gamma radiation used. As a result of this, research can only be carried out for those bones that are hidden by a small thickness of soft tissue, for example, the calcaneus. Moreover, the intensity of the scattered radiation depends not only on the calcium content in the bone tissue, but also on the thickness of the soft tissues, which, as a rule, is unknown, and the measurement result will be distorted. In addition, this method allows you to get only some average value of the density of the studied bone tissue. In this way, it is impossible to obtain the density distribution of the substance inside the bone tissue.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания точного и достоверного способа определения плотности вещества в костной ткани и устройства, позволяющего зондировать костную ткань на значительную глубину и измерять не только среднее значение, но и распределение плотности вещества вдоль оси зондирования.The basis of the invention is the task of creating an accurate and reliable method for determining the density of a substance in bone tissue and a device that allows you to probe bone tissue to a considerable depth and measure not only the average value, but also the distribution of the density of the substance along the axis of sounding.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения плотности вещества в костной ткани, включающем, как и прототип, облучение костной ткани коллимированным пучком от источника гамма-излучения, перемещение источника гамма-излучения и детектора со смещением зоны облучения вглубь костной ткани, регистрацию детектором обратно-рассеянного излучения по отношению к падающему пучку и определение плотности вещества по результатам измерения обратно-рассеянного излучения, согласно изобретению энергию фотонов гамма-излучения выбирают в диапазоне от 50 кэВ до 1 МэВ, перемещение источника гамма-излучения и детектора проводят с возможностью послойного смещения зоны обратно-рассеянного излучения, а получение распределения плотности вещества вдоль оси зондирования проводят посредством вычисления плотности во втором измерении для второго слоя вещества и всех последующих измерениях слоев до n-го по значению плотности, полученному в первом измерении для первого слоя и всех измерениях для (n-1) слоев.The problem is solved in that in a method for determining the density of a substance in bone tissue, which includes, like the prototype, irradiation of bone tissue with a collimated beam from a gamma radiation source, moving the gamma radiation source and detector with shifting the irradiation zone deeper into the bone tissue, registering the detector back -scattered radiation with respect to the incident beam and determination of the density of the substance according to the results of measuring back-scattered radiation, according to the invention, the energy of gamma-ray photons is selected in the range from 50 keV to 1 MeV, the gamma radiation source and the detector are moved with the possibility of a layer-by-layer shift of the backscattered radiation zone, and the distribution of the density of the substance along the sensing axis is carried out by calculating the density in the second measurement for the second layer of the substance and all subsequent layer measurements to the n-th density value obtained in the first dimension for the first layer and all dimensions for (n-1) layers.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для определения плотности вещества в костной ткани, содержащем, как и прототип, фиксатор конечности пациента, источник гамма-излучения, коллиматор излучения и детектор рассеянного гамма-излучения, расположенные на одной оси симметрии и объединенные в жесткую сборку, выполненную с возможностью перемещения посредством устройства перемещения вдоль оси симметрии со смещением зоны облучения вглубь костной ткани, блок регистрации сигнала от детектора рассеянного гамма-излучения, связанный с компьютером, в отличие от прототипа, устройство перемещения включает электропривод, связанный механическими передаточными звеньями с жесткой сборкой и подключенный к блоку управления перемещением, связанным с компьютером.The problem is also solved by the fact that in a device for determining the density of a substance in bone tissue, containing, like a prototype, a patient limb fixator, a gamma radiation source, a radiation collimator and a scattered gamma radiation detector, located on the same axis of symmetry and combined into a rigid an assembly configured to be moved by means of a device of movement along the axis of symmetry with a shift of the irradiation zone deep into the bone tissue, a signal recording unit from a scattered gamma radiation detector, anny with a computer, in contrast to the prior art, movement of the actuator device comprises, associated with the mechanical transmission element and a rigid assembly connected to the transfer control unit connected with the computer.
Целесообразно выполнение электропривода в виде электродвигателя и датчика позиционирования жесткой сборкой, связанного с блоком управления перемещением.It is advisable to perform an electric drive in the form of an electric motor and a positioning sensor with a rigid assembly associated with a motion control unit.
Также целесообразно выполнение электропривода в виде шагового электродвигателя.It is also advisable to perform an electric drive in the form of a stepper motor.
Сущность предлагаемого способа измерения минерального содержания костной ткани заключается в том, что в подвижный детектор гамма-излучения попадает обратно-рассеянное излучение от небольшого по площади (порядка 2 см2) участка тонкого слоя (порядка 3 мм) обследуемой костной ткани. При этом детектор может перемещаться вдоль направления зондирования синхронно с упомянутым участком облучения, всегда находясь на одном и том же расстоянии от него. Это достигается благодаря тому, что детектор и источник излучения жестко связаны и помещены в коллиматор. Коллиматор из металла высокой плотности формирует цилиндрический или конически сходящийся (в направлении зондирования) кольцевой луч гамма-излучения. Кроме того, коллиматор пропускает в детектор обратно-рассеянное гамма-излучение лишь от упомянутого небольшого участка костной ткани. Таким образом, появляется возможность послойного измерения плотности, причем в небольшом объеме вещества, т.е. появляется возможность получить распределение плотности вещества вдоль оси зондирования. Существенным отличием от прототипа является применение жесткого гамма-излучения, вплоть до 1 МэВ, и перемещение сборки источник/коллиматор/детектор излучения в процессе измерения. Применение жесткого гамма-излучения позволяет зондировать костную ткань на значительную глубину. При указанных энергиях преобладающим процессом является Комптоновское рассеивание, которое направляет часть фотонов в обратном направлении, в детектор. Чем больше плотность вещества, тем больше происходит рассеивание и тем больше излучения регистрирует детектор.The essence of the proposed method for measuring the mineral content of bone tissue lies in the fact that backscattered radiation from a small area (about 2 cm 2 ) of a thin layer (about 3 mm) of the examined bone tissue enters the movable gamma radiation detector. In this case, the detector can move along the direction of sounding synchronously with the aforementioned irradiation section, always being at the same distance from it. This is achieved due to the fact that the detector and the radiation source are rigidly connected and placed in the collimator. The high-density metal collimator forms a cylindrical or conically converging (in the direction of sensing) ring beam of gamma radiation. In addition, the collimator transmits back-scattered gamma radiation into the detector only from the aforementioned small area of bone tissue. Thus, it becomes possible to measure density in a layer-by-layer manner, and in a small volume of a substance, i.e. it becomes possible to obtain a density distribution of the substance along the axis of sounding. A significant difference from the prototype is the use of hard gamma radiation, up to 1 MeV, and the displacement of the source / collimator / radiation detector assembly during the measurement process. The use of hard gamma radiation makes it possible to probe bone tissue to a considerable depth. At the indicated energies, the predominant process is Compton scattering, which directs part of the photons in the opposite direction to the detector. The higher the density of the substance, the more scattering occurs and the more radiation the detector registers.
На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства с электроприводом на основе шагового электродвигателя и на примере определения содержания и распределения плотности вещества в трабекулярной кости типа calcaneus (кость пятки).Figure 1 shows a diagram of the inventive device with an electric drive based on a stepper motor and the example of determining the content and distribution of the density of a substance in trabecular bone type calcaneus (heel bone).
Устройство содержит фиксатор 1 с ограничительными ремнями 2 для неподвижной фиксации конечности пациента 3, а также аксиально-симметричный коллиматор 4 из металла высокой плотности, источник гамма-излучения 5, детектор излучения 6, объединенные в жесткую сборку 7. Движение сборки 7 обеспечивает устройство перемещения, включающее электропривод на основе шагового электродвигателя 8 и системы механических передаточных звеньев 9, 10, 11, связывающих шаговый электродвигатель 8 с жесткой сборкой 7 и блок управления перемещением 12 жесткой сборки 7, подключенный к шаговому электродвигателю 8. Радиоактивный источник 5 выполнен в виде кольца, ось которого совпадает с осью 13 цилиндрически симметричного детектора 6 излучения, например NaI (TI) сцинтиллятора. Блок 14 регистрации сигнала от детектора подключен к детектору 6. В свою очередь, оба блока 14 и 12 через интерфейсный блок 15 подключены к компьютеру 16.The device comprises a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Конечность пациента 3 закрепляют ремнями 2 в фиксаторе 1. Сборку 7, состоящую из источника 5 гамма-излучения, коллиматора 4 излучения, детектора 6 обратно-рассеянного гамма-излучения, отводят в крайнее от конечности пациента положение. Когда сборка 7 находится в этом положении, зона, из которой детектор 6 фиксирует обратно-рассеянное излучение, располагается на поверхности конечности пациента 3. Производят первое измерение и полученное значение сохраняют в специальном файле компьютера 16. По этому значению будет вычислена плотность первого слоя вещества. Затем по команде блока управления перемещением 12, связанного с компьютером 16, производится перемещение сборки 7 по направлению к конечности пациента 3 на расстояние, равное ширине слоя зоны измерения (примерно на 3 мм). Переместившись, сборка 7 останавливается. Теперь зона, из которой детектор 6 фиксирует обратно-рассеянное излучение, располагается на глубине одного слоя измерения внутри конечности пациента 3. Производят второе измерение и полученное значение также сохраняют в том же специальном файле. По этому значению и по значению, полученному в первом измерении, будет вычислена плотность второго слоя вещества. Далее весь описанный процесс повторяется, и таким образом зона измерения, слой за слоем, продвигается вглубь конечности пациента. Значение плотности вещества в n-м слое измерения вычисляется с использованием значений полученных от всех предыдущих измерений для (n-1) слоев. Так, по мере продвижения зоны регистрации обратно-рассеянного излучения вглубь происходит определение распределения плотности вещества в исследуемой костной ткани.The limb of the
Движение сборки 7 осуществляется следующим образом. Когда сборка 7 покоится, ее положение известно, это либо начальное положение, либо положение, в котором производилось n-е измерение. Поэтому, если электропривод выполнен на основе шагового двигателя 8, то блок управления перемещением 12 подает на шаговый электродвигатель 8 необходимое количество импульсов, соответствующее перемещению на ширину слоя измерения, и происходит перемещение сборки 7 в положение следующего измерения. Если же электропривод выполнен на основе обычного электродвигателя, то блок управления перемещением 12, связанный с компьютером 16, запускает его и производит контроль положения сборки по информации, поступающей от датчика позиционирования (на фиг.1 не показан), выполненного, например, на основе свето- и фотодиодов. Как только сборка перемещается на ширину слоя измерения, блок управления перемещением 12 отключает электродвигатель 8.The movement of the
В качестве примера осуществления способа и реализации устройства рассмотрим следующий вариант. Была задана функция плотности вещества от расстояния вглубь объекта. На фиг.2 изображен график этой функции. Было проведено численное моделирование для четырех разных энергий фотонов: 50 кэВ, 250 кэВ, 500 кэВ, 1 МэВ.As an example of the method and implementation of the device, consider the following option. The function of the density of the substance from the distance deep into the object was set. Figure 2 shows a graph of this function. Numerical simulation was performed for four different photon energies: 50 keV, 250 keV, 500 keV, 1 MeV.
Следующие параметры устройства были взяты для всех четырех примеров.The following device parameters were taken for all four examples.
Полная активность источника 5 составляла 2,6×107 фотон/сек.The total activity of
После коллиматора 4 в падающем пучке количество частиц составляло 4,1×105.After the collimator 4, the number of particles in the incident beam was 4.1 × 10 5 .
Диаметр кольца источника 5 составлял 3,2 см.The diameter of the ring of
Диаметр детектора 6 составлял 3,0 см.The diameter of
Диаметр зоны, в которой измеряется плотность вещества, 2,0 см.The diameter of the zone in which the density of the substance is measured is 2.0 cm.
Ширина слоя, в котором измеряется плотность вещества, 0,3 см.The width of the layer in which the density of the substance is measured is 0.3 cm.
Расстояние от источника 5 до зоны измерения 8,0 см.The distance from
Расстояние от детектора 6 до зоны измерения 10,0 см.The distance from the
На каждый слой вещества приходилось 10 секунд времени измерения.Each layer of the substance accounted for 10 seconds of measurement time.
Вычисление плотности слоев вещества дает одинаковый результат для любой из указанных 4-х энергий фотонов (что и должно быть), поэтому вычисленная плотность приводится в виде одного столбца таблицы. Однако точность, с которой получается результат для плотности вещества, различна для разных энергий и слоев. Наиболее равномерный результат по точности дает энергия 1 МэВ (~8% для внешних слоев и ~20% для глубины 10 см). Наибольшая точность (~5%) получается для энергии 50 кэВ и внешних слоев. Для увеличения точности измерения достаточно увеличить время измерения или интенсивность источника или оба этих параметра вместе. Результаты приведены в таблице.The calculation of the density of the layers of the substance gives the same result for any of the indicated 4 photon energies (which should be), therefore, the calculated density is given in the form of one column of the table. However, the accuracy with which the result for the density of matter is obtained is different for different energies and layers. The most uniform result in accuracy gives an energy of 1 MeV (~ 8% for the outer layers and ~ 20% for a depth of 10 cm). The greatest accuracy (~ 5%) is obtained for an energy of 50 keV and external layers. To increase the accuracy of the measurement, it is sufficient to increase the measurement time or the intensity of the source or both of these parameters together. The results are shown in the table.
Диапазон энергии фотонов от 50 кэВ до 1 МэВ выбран из условия согласования двух противоречивых требований, а именно допустимой лучевой нагрузки на пациента и получения необходимой точности измерения плотности вещества костной ткани. Внутри этого диапазона проникающая способность излучения и доля обратно-рассеянных фотонов достаточны для решения технической задачи, поставленной в данном изобретении. За границами этого диапазона, для энергии меньше 50 кэВ, проникающая способность излучения становится недостаточной для решения поставленной задачи, а для энергии выше 1 МэВ начинается фоторождение электрон-позитронных пар, что приводит к относительному снижению доли Комптоновского рассеяния и, как следствие, к уменьшению до неприемлемого уровня количества фотонов, попадающих в детектор.The photon energy range from 50 keV to 1 MeV is selected from the condition of matching two conflicting requirements, namely the allowable radiation load on the patient and obtain the necessary accuracy of measuring the density of bone tissue substance. Within this range, the radiation penetration and the fraction of backscattered photons are sufficient to solve the technical problem posed in this invention. Beyond the boundaries of this range, for an energy of less than 50 keV, the radiation penetration becomes insufficient to solve the problem, and for an energy above 1 MeV, photoproduction of electron-positron pairs begins, which leads to a relative decrease in the fraction of Compton scattering and, as a result, to a decrease unacceptable level of the number of photons entering the detector.
Использование предложенных способа и устройства позволяют зондировать костную ткань на значительную глубину (~10 см) и вычислять распределение плотности вещества вдоль оси зондирования с требуемой точностью.Using the proposed method and device, they can probe bone tissue to a considerable depth (~ 10 cm) and calculate the density distribution of the substance along the axis of sounding with the required accuracy.
Кроме того, послойное измерение позволяет определить плотность вещества, расположенного в глубине объекта исследования (т.е. в костной ткани), с необходимой точностью, так как имеется возможность, путем вычислений, исключать влияние внешних слоев (т.е. мягких тканей), искажающих результаты измерения. Этот факт дает возможность проводить исследования не только для костного вещества, находящегося под тонким слоем мягких тканей, но и находящегося в других участках организма пациента.In addition, layer-by-layer measurement allows you to determine the density of a substance located deep in the object of study (i.e., in bone tissue), with the necessary accuracy, since it is possible, by calculation, to exclude the influence of external layers (i.e., soft tissues), distorting the measurement results. This fact makes it possible to conduct research not only for bone substance located under a thin layer of soft tissues, but also located in other parts of the patient's body.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009100401/14A RU2428115C2 (en) | 2009-01-11 | 2009-01-11 | Method and device for determining density of substance in bone tissue |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009100401/14A RU2428115C2 (en) | 2009-01-11 | 2009-01-11 | Method and device for determining density of substance in bone tissue |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009100401A RU2009100401A (en) | 2010-07-20 |
| RU2428115C2 true RU2428115C2 (en) | 2011-09-10 |
Family
ID=42685460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009100401/14A RU2428115C2 (en) | 2009-01-11 | 2009-01-11 | Method and device for determining density of substance in bone tissue |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2428115C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5351689A (en) * | 1990-09-18 | 1994-10-04 | University Of Guelph | Method and apparatus for low dose estimates of bone minerals in vivo gamma ray backscatter |
| US6064716A (en) * | 1997-09-05 | 2000-05-16 | Cyberlogic, Inc. | Plain x-ray bone densitometry apparatus and method |
| US6252928B1 (en) * | 1998-01-23 | 2001-06-26 | Guard Inc. | Method and device for estimating bone mineral content of the calcaneus |
| US6438201B1 (en) * | 1994-11-23 | 2002-08-20 | Lunar Corporation | Scanning densitometry system with adjustable X-ray tube current |
| US6570955B1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-05-27 | Cyberlogic, Inc. | Digital x-ray material testing and bone densitometry apparatus and method |
| RU2320267C2 (en) * | 2005-12-12 | 2008-03-27 | Татьяна Андреевна Гайдарова | Method for applying x-ray morphometry for estimating mineral bone tissue density of alveolar bone |
| US7394053B2 (en) * | 2004-09-09 | 2008-07-01 | Beth Israel Deaconess Medical Center, Inc. | Systems and methods for multi-modal imaging having a spatial relationship in three dimensions between first and second image data |
-
2009
- 2009-01-11 RU RU2009100401/14A patent/RU2428115C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5351689A (en) * | 1990-09-18 | 1994-10-04 | University Of Guelph | Method and apparatus for low dose estimates of bone minerals in vivo gamma ray backscatter |
| US6438201B1 (en) * | 1994-11-23 | 2002-08-20 | Lunar Corporation | Scanning densitometry system with adjustable X-ray tube current |
| US6064716A (en) * | 1997-09-05 | 2000-05-16 | Cyberlogic, Inc. | Plain x-ray bone densitometry apparatus and method |
| US6252928B1 (en) * | 1998-01-23 | 2001-06-26 | Guard Inc. | Method and device for estimating bone mineral content of the calcaneus |
| US6570955B1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-05-27 | Cyberlogic, Inc. | Digital x-ray material testing and bone densitometry apparatus and method |
| US7394053B2 (en) * | 2004-09-09 | 2008-07-01 | Beth Israel Deaconess Medical Center, Inc. | Systems and methods for multi-modal imaging having a spatial relationship in three dimensions between first and second image data |
| RU2320267C2 (en) * | 2005-12-12 | 2008-03-27 | Татьяна Андреевна Гайдарова | Method for applying x-ray morphometry for estimating mineral bone tissue density of alveolar bone |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009100401A (en) | 2010-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20240225575A1 (en) | Methods for x-ray imaging of a subject using multiple-energy decomposition | |
| JP3468770B2 (en) | Apparatus and method for quantifying calcium density | |
| US20080008292A1 (en) | X-ray scattering bone densitometer and method of use | |
| US7787589B2 (en) | In vivo measurement of trace elements in bone by x-ray fluorescence | |
| EP1078252A1 (en) | Automated x-ray bone densitometer | |
| US6252928B1 (en) | Method and device for estimating bone mineral content of the calcaneus | |
| US4864594A (en) | Bone mineral density measurement | |
| Health and Public Policy Committee | Radiologic methods to evaluate bone mineral content | |
| Huddleston | Quantitative methods in bone densitometry | |
| Crabtree et al. | Dual-energy X-ray absorptiometry | |
| Sharaf | Practical aspects of Compton scatter densitometry | |
| Tongkum et al. | Determination of radiation dose and low-dose protocol for digital chest tomosynthesis using radiophotoluminescent (RPL) glass dosimeters | |
| Asahara et al. | Exposure dose measurement during diagnostic pediatric X-ray examination using an optically stimulated luminescence (OSL) dosimeter based on precise dose calibration taking into consideration variation of X-ray spectra | |
| Leclair et al. | A semianalytic model to investigate the potential applications of x‐ray scatter imaging | |
| Ghani et al. | Characterization of continuous and pulsed emission modes of a hybrid micro focus x-ray source for medical imaging applications | |
| Nakamura et al. | Simultaneous measurement of patient dose and distribution of indoor scattered radiation during digital breast tomosynthesis | |
| JP2011525382A (en) | Medical X-ray inspection apparatus and method for k-edge imaging | |
| EP3541285B1 (en) | Apparatus for generating multi energy data from phase contrast imaging data | |
| Hossein et al. | Image quality and dose assessment of collimator slit width effect in SLOT-SCAN X-ray imaging system | |
| US20080226025A1 (en) | Device and Method for Mapping the Distribution of an X-ray Fluorescence Marker | |
| Al-Bahri et al. | Electron density of normal and pathological breast tissues using a Compton scattering technique | |
| Hazan et al. | The early detection of osteoporosis by Compton gamma ray spectroscopy | |
| Hawkinson et al. | Technical white paper: bone densitometry | |
| Yang et al. | Scatter radiation intensities around a clinical digital breast tomosynthesis unit and the impact on radiation shielding considerations | |
| RU2428115C2 (en) | Method and device for determining density of substance in bone tissue |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140112 |