SE504929C2 - Metod och anordning för att mäta benmineralhalten i skelettet - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 929 2 benmineralhalten i hälbenet. Denna mâtanordning har ett hölje i vars ena sida en källa för gamma- eller röntgen- strålning är anordnad samt detekteringsorgan för detekte- ring av strålningen anordnade på motsatt sida av röntgen- källan. Detekteringsorganen står i sin tur i förbindelse med någon typ av kontrollsystem, exempelvis en dator, som analyserar det erhållna resultatet. För att anordningen ska fungera på ett någorlunda tillfredsställande sätt, är det nödvändigt att låta det foten omgivande utrymmet i höljet vara fyllt med vatten. Trots detta ger dock anordningen inte något tillfredsställande resultat.

Genom US-A-5,348,009 är en liknande anordning för mätning av benmineralhalt förut känd där en strálningskälla är anordnad i en sida av ett hölje anpassat till t ex en fot.

På motstàende sida är en detektor anordnad vilken står i förbindelse med. en signalbehandlingsenhet. Dessutom är organ för avståndsmätning anordnade i höljet på var sin sida om mätobjektet för bestämning av benets tjocklek.

Dessa organ står också i förbindelse med signalbehandlings- enheten och genom kombination av de erhållna signalerna från strålningsdetektorn och tjockleksmätningen kan mine- ralhalten per volymsenhet bestämmas.

Genom EP, 0432 730 är en annan mâtanordning för mätning av benmineralinnehållet i ett ben förut känd. Denna anordning innefattar ett hölje, i höljets ena sida anordnade organ för att generera röntgenstrålar samt medel för att detek- tera röntgenstrålningen. Anordningen innefattar även fram- för röntgenorganet anordnade filter, vilka kan växlas så att röntgensignalens spektrum begränsas, varigenom röntgen- signalen uppdelas i två olika energinivàer. En nackdel med denna metod är att benmineralhalten fastställs endast med utgångspunkt från de mätningar som erhålls för röntgensig- nalens två olika nivåer, detta medför att hälens alla beståndsdelar inte kan separeras och metoden är av den 10 15 20 25 30 35 S04 929 anledningen ganska osäker.

Slutligen är genom EP, 0549858 förut känd en anordning för att utföra mätningar av benmineralhalt, vid vilken en rönt- genkälla med två energinivåer eller energiband utnyttjas för att fastställa. mängden. av en 'viss substans i ett fysiskt objekt. Den eftersökta benmineralhalten påstås kunna fastställas genom att uppfinningen utnyttjar en speciell beràkningsmetod genom vilken vissa för resultatet oönskade beståndsdelar elimineras. Även denna metod ger dock mycket osäkra resultat och sjuka patienter' kan i värsta fall bedömas som friska.

Pâ området är också GB-l,546,926 tidigare känd. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att eliminera de problem som är förbundna med benmineralmätare av röntgentyp enligt förut känd teknik och att åstadkomma en metod för att mäta benmineralhalt i skelettet på ett okomplicerat och tillförlitligt sätt. Detta ändamål åstadkommes därigenom att i kombination: belysningen med röntgenstràlning sker med två energinivåer, detekterad strålning analyseras, kroppsdelens tjocklek fastställs, vid analysen av den detekterade strålningen tas hänsyn till kroppsdelens tjocklek för att bestämma tjocklekarna hos de i kroppsdelen ingående huvudsakliga komponenterna vatten, fett och benmi- neral för att därigenom utföra en representation av benmi- neralhalten i skelettet i nämnda kroppsdel och intensi- teten hos röntgenstrålningen bestäms genom att mäta ett referensföremål med känd sammansättning.

Enligt ett särskilt kännetecken för uppfinningen fastställs kroppsdelens tjocklek genom mäta ett avstånd mellan en röntgenstrålkälla och kroppsdelen respektive mellan denna och detektormatrisen, varefter kroppsdelens tjocklek fast- ställs genom en jämförelse av dessa med avståndet mellan 10 15 20 25 30 35 504 929 strálkällan och matrisen.

I den uppfinningsenliga anordningen realiseras metoden genom, att anordningen innefattar i kombination: medel för att generera röntgenstrålning med tvá energinivåer, vilket är anordnat i en sida av ett till kroppsdelarna form an- passat hölje och riktat mot denna, varvid en stràlnings- detektormatris bestående av ett antal i matrisform anord- nade element är anordnad i höljets motsatta sida för att detektera röntgenstrálningen från nämnda medel, en bild- och signalbehandlande enhet med vilken matrisen står i för- bindelse för analys av de i detektor-matrisen registrerade signalerna, organ (5) för avstànds-mätning som är kopplad till den bild- och signalbehandlade enheten är anordnade pà höljets insida pà motsatta sidor av nämnda kroppsdel, var- vid den bild- och signalbehandlande enheten är inrättad att genom kombination av de i detektormatrisen registrerade signalerna och de från nämnda organ för avstàndsmätning erhållna signalerna avseende dels mätning på kroppsdelen dels mätning pá ett referensföremàl med känd sammansättning genom att i nämnda kroppsdel bestämma tjockleken hos kompo- nenterna benmineral, vatten och fett, fastställa benmi- neralhalten i skelettet i kroppsdelen.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till ritningarna, på vilka: Figur 1 visar en principskiss för benmineralmätarens huvudsakliga beståndsdelar.

Figur 2 visar en perspektivvy av mätenheten, varvid höljets ovansida har avlägsnats.

Figur 3 visar en perspektivvy av mätenheten enligt figur 2, varvid även avskärmningen för kroppsdelen har avlägsnats. 10 15 20 25 30 35 504 929 5 Figur 4 visar en användningssituation för den uppfin- ningsenliga anordningen för mätning av benmine- ralhalt.

Den uppfinningsenliga anordningen består huvudsakligen av en mâtningsenhet 1 och en bild- och signalbehandlande enhet 7. Mätningsenheten 1 utgörs av ett till en kroppsdels form anpassat hölje 2, i vars ena sida 2a en strålkälla 3 för strålning med två energinivâer är anordnad och i vars andra sida 2b en strålningsdetektormatris 4 är anordnad för att detektera den från stràlkällan 3 utsända strålningen.

Strålkällan 3 utgörs företrädesvis av ett röntgenrör, som kan emittera fotoner med två separata energinivâer, exempelvis 30kV och 75kV. Dessa energinivâer utnyttjas för att fastställa mätobjektets 6 innehåll av benmineral och det är därför viktigt, att energinivâerna är väl separerade och väl definierade. De olika energinivâerna kan exempelvis åstadkommas genom att låta röntgenröret 3 drivas av en generator, som kan växla mellan energinivâer. Ett annat sätt att åstadkomma röntgenstrålning med två energinivâer är, att filtrera den strålning som erhålls från en rönt- genkälla 3 med en energinivå.

Den. för' detektering' av' strålningen. avsedda strålnings- detektormatrisen 4 är anordnad i motsatt position i förhål- lande till stràlkällan 3. Detektormatrisen 4 består av ett antal, i matrisform, ordnade element, vilka kan detektera och kvantifiera den strålning, som träffar varje punkt vid ett visst tillfälle eller under en viss tid.

Röntgenrör 3 och detektormatris 4 kan antingen vara statio- närt anordnade eller beskriva en linjär rörelse över mät- objektet 6. I båda dessa fall anordnas en kollimator i anslutning till röntgenröret 3, varigenom spridning av röntgenstrålarna kan begränsas till att täcka detektor- 10 15 20 25 30 35 504 929 plattans 4 synfält.

Vid den stationära uppställningen av röntgenröret 3, anbringas en speciellt inrättad kollimator framför detektormatrisen 4. Kollimatorn är utförd så, att den är genomborrad med ett lika stort antal hål som den bakom- liggande stràlningsdetektormatrisen har enskilda element.

Riktningen pä hälen är utförd sà, att hälen divergerar frän strålkällans fokus och vart och ett av hålen är riktade mot var sin punkt på detektormatrisen. Kollimatorns uppgifter är, att filtrera bort spridd sekundärstràlning som kan störa, att verka för att de strålar som passerar genom hålen blir parallella och att rikta de genomsläppta strålarna mot respektive punkt på detektormatrisen. Kolli- matorn kan utföras i material, som har så hög attenuering att endast de strålar som passerar genom hälen detekteras av den bakomliggande detektormatrisen 4.

Vid det alternativa utförandet, då röntgenröret 3 får utföra en linjär* rörelse över' mätobjektet 6, monteras röntgenröret 3 på en mekanisk arm. Denna förflyttas i förhållande till den för mätning avsedda kroppsdelen 6 så, att en avsökning av kroppsdelens för mätning väsentliga parti sker. Om detektorn 4 inrättas att röra sig med röntgenröret, kan detektormatrisen 4 kæstå av ett enda detektorelement.

Vid den i figur 2 visade utföringsformen sker mätning av benmineralhalten i ett hâlben. Röntgenröret 3 är anordnat att avsöka en yta av cirka 10,0 x 15,0 cm, dvs motsvarande hela hälbenets storlek. Dä den för mätning avsedda foten är placerad i höljet 2, är röntgenröret 3 riktat mot fotens ena sida, mot eller i närheten av fotens hälparti. Stor- leken på det område som röntgenröret 3 avsöker pâverkas naturligtvis av storleken på den för mätningen avsedda kroppsdelen 6. 10 15 20 25 30 35 504 929 7 Mätningsenheten innefattar vidare ett räkneverk/förstärkare 4a för att kvantifiera strålningen mot detektormatrisen 4.

Räkneverket 4a är så inrättat, att det kan dels identifiera i vilken punkt på detektormatrisen 4, som strålningen infaller och dels hur hög fotonenerginiván är i strål- ningen. Genom att utnyttja två “mätfönster" vid de för de två genererade spänningarna karaktäristiska energinivâerna erhålls ett säkrare resultat.

Den med hânvisningsbeteckningen 6 visade enheten symbol- iserar den för mätning avsedda kroppsdelen, vilken exem- pelvis utgörs av ett hälben eller en underarm. Vid den i figur 2 visade utföringsformen av benmineralmätaren är denna inrättad för mätning vid fotens hälparti.

För att entydigt kunna bestämma de i hälen ingående huvud- sakliga komponenterna vatten, fett och benmineral krävs en tredje mâtparameter. Denna erhålles genom att organ för avståndsmâtning 5 är anordnade på var sida om den för mätning avsedda kroppsdelen 6, genom vilka organ S av- ståndet till var sida av det röntgengenomstrålade objektet 6 kan fastställas. Objektets tjocklek kan därigenom beräknas. Nämnda organ 5 utgörs företrädesvis av lasermät- kretsar. För att inte fotens placering i höljet ska leda till osäkerhet i mätresultatet, är organen för avstånds- mâtning 5 anordnade på var sida av foten.

Den uppfinningsenliga metoden och anordningen bygger pä, att man genom ovan beskrivna röntgenbestràlning och mätning av objektets tjocklek kan åstadkomma tre från varandra skilda mätningar, genom vilka andelen benmineral i. en kroppsdel kan fastställas.

Mätobjektet - kroppsdelen - består huvudsakligen av tre komponenter: benmineral (i form av hydroxyapatit Cam(POQ6(OH)2 ) fett och vatten. De parametrar som avser 10 15 20 25 30 35 504 929 8 dessa beståndsdelar kommer i det följande att indexeras med b, f respektive s.

Vid bestrálning av mâtobjektet med röntgenstràlning i tvà energinivàer, kan följande ekvationer uppställas: Nl N: Ncuexlflïuxntbpb ' Ilsztsps " P-ntfpf) (1) Nozexlfifl/-bztbpb ' Psztsps " P-fztfpf) (2) Röntgenstrålningen fràn den lägre energin (t ex 35 kV) ger index 1 och röntgenstrålningen från den högre energin (t ex 70 kV) ger index 2. Ni är den uppmätta râknehastigheten efter passagen av objektet för energin i; NM är den uppmätta râknehastigheten utan objektet för energin i; un är massattenueringskoefficienten (cnf/g) för respektive komponent; tx är tjockleken (cm) för respektive komponent och px är densiteten för respektive komponent.

Den totala tjockleken för objektet beståmmes med hjälp av organen för avstándsmätning pá ömse sidor av objektet. tb + ts + tf (3) där T representerar objektets totala tjocklek och tb, ts respektive tf representerar tjockleken för respektive komponent.

För att kunna lösa ut tjockleken ur ekvationerna (1) och (2) mäste räknehastigheterna utan objektet, NM respektive NW, fastställas. Detta kan göras genom att ett föremål med känd sammansättning placeras i anordningen. Nm och NM kan då fastställas som N01 = N02 Nirexp('flbitbkpb " Fait-slås ) (4) NzrexPV/ibztbkpb “ flsztsxps ) (5) 10 15 20 25 30 35 504 929 9 där NH och N” är de uppmätta räknehastigheterna för den lägre respektive högre energin på strålningen efter passage av föremålet med känd sammansättning.

Såväl massattenueringskoefficienterna som densiteterna och tjocklekarna (tw ,t“) är kända storheter. Tjocklekerna för de olika beståndsdelarna kan därigenom lösas ut ur de olika ekvationerna för varje element i detektormatrisen. Genom resultatet från varje sådant element kan en representation av benmineralinnehàllet i den för mätningen utsatta kropps- delen utföras.

För utvärdering av de i detektormatrisen 4 och de i organen för avståndsmätning' 5 erhållna resultaten. utnyttjas en bild- och signalbehandlande enhet 7, företrädesvis en persondator.

De uppmätta kvantitativa värdena av strålning i de båda fotonenerginivåerna används för beräkning av de för bedöm- ning av resultatet väsentliga algoritmerna. Tillgång finns företrädesvis även till databaser med normaler som beräk- nats fràn uppmätta värden från ett större antal olika individer. Det vid mätningen uppmätta värdet jämförs med det i databasen lagrade värdet för att avgöra om skelett- urkalkning föreligger.

Datorn är utrustad med till ändamålet anpassad programvara, varigenom kombinationer av informationen från detektor- matrisen och informationen från organen för avståndsmätning utnyttjas så, att samtliga beståndsdelar i foten; fett, vatten och benmineral, med hög noggrannhet kan fastställas.

Ett tangentbord utnyttjas för att kommunicera med dator- enheten så, att operatören kan beordra de olika möjliga operationerna. 10 15 20 504 929 lO För presentation av resultatet finns företrädesvis en bildskärm, pâ vilken bilder av det uppmätta objektet kan presenteras. En skrivare kan vidare utnyttjas för att göra utskrifter av det erhållna resultatet.

I fig 2 - fig 3 visas den fördelaktigaste utföringsformen av den uppfinningsenliga anordningen; en till mätning i hälbenet anpassad utrustning. Mätutrustningen kan för denna tillämpning utformas relativt liten och lätt, varigenom förflyttning av utrustningen för mätning på olika patienter i olika miljöer lätt kan genomföras.

Uppfinningen får dock inte anses begränsad till den i fig 2 - fig 4 visade utföringsformen. De uppfinningsenliga principerna kan tillämpas på varje typ ben, som finns i någon för mätning storleksmässigt lämlig kroppsdel. Uppfin- ningen begränsas endast av vad som anges i nedanstående patentkrav och det inses, att en fackman pà området, inom ramen för uppfinningstanken, kan realisera den uppfin- ningsenliga metoden i en mångfald olika anordningar.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 504 929 ll Metod för att mäta benmineralhalten i skelettet i en kroppsdel, vilken från en sida belyses med röntgen- strålning som detekteras av en detektormatris (4) bestående av ett antal i matrisform anordnade element vid motsatt sida av kroppsdelen, k ä n n e - t e c: k n a d av, i kombination: belysningen med röntgenstrålning sker med två energinivåer, detekterad strålning analyseras, kroppsdelens tjocklek fast- lställs, vid analysen av den detekterade strålningen tas hänsyn till kroppsdelens tjocklek för att bestämma tjocklekarna hos de i. kroppsdelen ingående huvud- sakliga komponenterna vatten, fett och benmineral för att därigenom utföra en representation av benmineral- halten i skelettet i nämnda kroppsdel och intensiteten hos röntgenstrálningen. bestäms genonx att mäta ett referensföremål med känd sammansättning. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att kroppsdelens tjocklek fastställs genom att mäta ett avstånd mellan en röntgenstrálkälla (3) och kroppsdelen respektive mellan denna och. detektor- matrisen (4), varefter kroppsdelens tjocklek fast- ställs genom en jämförelse av dessa avstånd med avståndet mellan strålkällan (3) och matrisen (4). Anordning för att mäta benmineralhalten i skelettet i en kroppsdel, k ä n n e t e c k n a d därav, att anordningen innefattar i kombination: medel (3) för att generera röntgenstrålning med två energinivåer, vilka är anordnade i en sida (2a) av ett till kropps- delarnas form anpassat hölje (2) och riktade mot dessa, varvid en strålningsdetektormatris (4) bestående av ett antal i matrisform anordnade element 10 15 504 929 12 är anordnad j. höljets motsatta sida (2b) för att detektera röntgenstrålningen från nämnda medel (3), en bild- och signalbehandlande enhet (7) med vilken matrisen (4) står i förbindelse för analys av de i detektormatrisen (4) registrerade signalerna, organ (5) för avståndsmätning som är kopplade till den bild- och signalbehandlande enheten (7) är anordnade på höljets (2) insida på motsatta sidor av nämnda kroppsdel, varvid den bild- och signalbehandlande enheten (7) är inrättad att genom kombination av de i detektormatrisen (4) registrerade signalerna och de ifrån nämnda organ för avståndsmâtning (5) erhållna signalerna avseende dels mätning på kroppsdelen dels mätning på ett referensföremàl med känd sammansättning genom att i nämnda kroppsdel bestämma tjockleken hos komponenterna benmineral, vatten och fett, fastställa benmineralhalten i skelettet i kroppsdelen.