СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА В КОСТНОЙ ТКАНИ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING DENSITY OF SUBSTANCE IN BONE TISSUE

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.
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:
- рентгенографии определенных участков скелета одновременно с проведением рентгенографии клиновидного ступенчатого эталона [патент РФ 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];
- 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];
- автоматической рентгеновской денситометрии костной ткани, в котором предусмотрены несколько экспозиций исследуемой области рентгеновским излучением с различными уровнями энергии [патент США 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];
1
2
1
2
- 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 A обусловлена когерентным или томсон-рэлеевским рассеянием, а другая А - комбинацией рэлеевского и комптоновского излучений. Параметр W=A/А примерно линейно зависит от содержания минералов в кости, поскольку когерентное рассеяние в основном определяется содержанием кальция в костной ткани [патент США 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.
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.
109
1/2
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 Cd (Т=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.
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.
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.
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.
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.
Целесообразно выполнение электропривода в виде электродвигателя и датчика позиционирования жесткой сборкой, связанного с блоком управления перемещением.
Также целесообразно выполнение электропривода в виде шагового электродвигателя.
2
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 см) 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.
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).
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.
Устройство работает следующим образом.
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.
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.
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.
Следующие параметры устройства были взяты для всех четырех примеров.
7
Полная активность источника 5 составляла 2,6×10 фотон/сек.
5
После коллиматора 4 в падающем пучке количество частиц составляло 4,1×10.
Диаметр кольца источника 5 составлял 3,2 см.
Диаметр детектора 6 составлял 3,0 см.
Диаметр зоны, в которой измеряется плотность вещества, 2,0 см.
Ширина слоя, в котором измеряется плотность вещества, 0,3 см.
Расстояние от источника 5 до зоны измерения 8,0 см.
Расстояние от детектора 6 до зоны измерения 10,0 см.
На каждый слой вещества приходилось 10 секунд времени измерения.
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.
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.
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.
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.
Номер слоя
Глубина слоя от поверхности (см)
Число фотонов, попадающих в детектор за 10 с
Вычисленная плотность слоя (г/см<sup>3</sup>)
50 кэВ
250 кэВ
500 кэВ
1 МэВ
0
0,0
5451
3565
2927
1962
1,2
1
0,3
4825
3294
2744
1879
1,2
2
0,6
4271
3044
2572
1800
1,2
3
0,9
3780
2813
2412
1724
1,2
4
1,2
3346
2600
2261
1651
1,2
5
1,5
2962
2402
2119
1582
1,2
6
1,8
2622
2220
1987
1515
1,2
7
2,1
2321
2052
1863
1451
1,2
8
2,4
2054
1896
1746
1390
1,2
9
2,7
1818
1752
1637
1332
1,2
10
3,0
2629
2664
2530
2111
2,0
11
3,3
2146
2335
2272
1965
2,0
12
3,6
1751
2047
2040
1829
2,0
13
3,9
1429
1795
1832
1702
2,0
14
4,2
1110
1497
1565
1506
1,9
15
4,5
869
1254
1340
1334
1,8
16
4,8
685
1054
1151
1182
1,7
17
5,1
544
888
989
1048
1,6
18
5,4
434
751
852
928
1,5
19
5,7
349
636
735
822
1,4
20
6,0
282
539
633
726
1,3
21
6,3
228
458
546
640
1,2
22
6,6
186
388
470
563
1,1
23
6,9
151
329
403
492
1,0
24
7,2
123
277
344
428
0,9
25
7,5
100
233
292
368
0,8
26
7,8
81
193
245
313
0,7
27
8,1
65
159
202
262
0,6
28
8,4
51
127
163
214
0,5
29
8,7
58
147
191
252
0,6
30
9,0
63
165
215
287
0,7
31
9,3
67
180
236
320
0,8
32
9,6
69
192
254
350
0,9
33
9,9
70
201
269
376
1,0