人體組織多元素活體原位無創分析儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種人體組織多元素活體原位無創分析儀，涉及人體組織內多種化學元素含量的分析技術。本分析儀的結構是：受探測體（11）置于受探測體支座（12）上；將可移動式探頭槍金屬體（14）內的小型X光激發器（1）的X光按45度方向照射受探測體（11）；硅漂移探測器（2）置于X光的入射線的90度方向接收所測元素的特征X熒光信號。本實用新型能對多組織、多元素同期分析；射線照射部位選擇在被測元素濃度最高的部位，實施的是原位、活體分析，因此對疾病診斷的可信度更高；可直接、快速得出結果；為診斷和治療營養缺失、心腦血管異常、糖代謝異常或重金屬中毒疾病提供支持的技術手段。
【專利說明】人體組織多元素活體原位無創分析儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種人體組織內多種化學元素含量的分析技術，尤其涉及一種人體組織多元素活體原位無創分析儀。具體地說，涉及一種對人體皮脂層、骨骼和甲狀腺組織中的營養元素Fe (鐵)、Cu (銅)、Zn (鋅)和對疾病具有特殊功能的Cr (鉻)、Sr (鍶)和I(碘)的定量測量。
【背景技術】
[0002]醫學臨床研究指出:人體組織中的Fe元素是合成血紅蛋白的主要成份，檢測人體皮脂中Fe含量是直接診斷地中海貧血癥的手段；Cu元素是組成多種酶的主要原料，Cu的缺乏會導致貧血和腦功能障礙；Zn元素參與免疫功能，是促使人體智能、身體發育的重要元素；另外人體器官中的Cr元素是影響人體糖耐量的因子，對診斷糖尿病有重要意義；Sr元素在體內可減少Na的吸收，可以降低人患心腦血管病的風險；1元素的含量是診斷甲狀腺疾病的重要依據。
[0003]根據來源于:
[0004]1、“微量元素與相關疾病”，苗健主編，河南醫科大學出版(1997)鄭州；
[0005]2、“元素生物學”呂選忠、于宙等編著，中國科技大學出版社(2011)合肥。
[0006]臨床醫學上常用化學和儀器分析方法(如分子光譜、原子發射、吸收光譜和電化學分析方法等)測定人體體液外周血、尿液、頭發和指甲中上述元素含量來間接確定上述化學元素的缺乏或過量而判斷相關疾病。
[0007]上述一類方法是屬于離體、破壞性分析，大多需要先期從事復雜的樣品處理，容易造成環境因素干擾產生誤差。其次所測的樣品并非都取自這些元素在體內主要的儲存器官，因之含量濃度較低，不能完全表征所測元素在體內的實際的作用效應。
[0008]國內醫療市場上還有一種稱為“微量元素檢測儀”，利用強光照射人指甲，用高分辯率攝像頭將影象采集、放大，從圖象上出現黑道、紅點、亮點、黑點等分別示出人體缺Ca、Fe、Zn、Se等元素。這類裝置只是一種定性分析的儀器，在正規醫院檢驗中沒有實用價值。
[0009]針對我國臨床醫學的要求，需要創立一種直接，無創傷測定人體組織中與醫學診斷相關的多種元素活體、原位、定量分析儀。國外曾有人報道用同位素238Pu Y射線源對人體福照，測定皮脂層中鐵、銅和鋅的含量。(Bradl1.S，“Measurement of Elements of Fe,Cu and Zn in skin by XRF”，J of Red1anal.Nuc1.Chem (2000) 244: 213-7.)
[0010]近年來，本發明人在此相近領域曾作了不少發明:由國家授權的發明專利“人體指骨鉛密度無創傷測量方法及其裝置”(ZL2005100190098);由國家授權的實用新型專利“利用偏振X射線束無創創傷測人體脛骨鉛含量的裝置”(ZL20082006 7022X);和“基于放射性核素源的無創傷人體骨鉛含量測量裝置”(ZL20092008 51925)。
[0011]為了探求元素測量在醫學臨床中更廣泛的應用，針對人體幾個組織中多種與疾病十分相關的化學元素的含量的數字化測量，特創造出一種更新穎、便捷的Fe、Cu、Zn、Cr、Sr、I諸元素快速、無創人體組織活體、原位分析儀。
【發明內容】

[0012]本實用新型的目的就在于克服現有技術存在的缺點和問題，提供一種人體組織多元素活體原位無創分析儀。
[0013]本實用新型的目的是這樣實現的:
[0014]本實用新型是利用小型一體化X光激發器發射出單色X射線(或由同位素238PU源釋放出單能Y射線)分別輻射到人體受檢測組織(如人臂、小腿、皮脂和骨骼、甲狀腺)對應造成組織內被測元素(Fe、Cu、Zn、Cr、Sr、I等)中電子能級的改變，而釋放出與相應元素對應的特征X射線熒光，然后用當代最靈敏的半導體探測器(SDD)獲取該X射線熒光譜，再經前置放大，數模轉換，通過微電腦程序設計指令的操控，在數字脈沖處理器和顯示器中直接得到各元素的濃度值(ppm)。
[0015]具體地說，本分析儀的工作對象是受探測體:人體手臂、人腿脛骨或人體甲狀腺組織；
[0016]設置有小型X光激發器、硅漂移探測器、前置放大器、數字脈沖處理器、電源、交流電轉換器、USB接口、RS232接口、筆記本電腦、打印輸出器；受探測體支座、受探測體支座固緊螺桿、可移動式探頭槍金屬體、第1、2探頭槍固緊夾探頭槍固緊槽、金屬屏蔽箱體、電纜連接線出口、電纜連接線入口 ；
[0017]其位置和連接關系是:
[0018]數字脈沖處理器、電源、交流電轉換器、USB接口和RS232接口均置于金屬屏蔽箱體內；
[0019]在金屬屏蔽箱體的右上角依次連接有受探測體支座固緊螺桿、受探測體支座，受探測體置于受探測體支座上；
[0020]在金屬屏蔽箱體的右上方依次連接有第1、2探頭槍固緊夾和探頭槍固緊槽，可移動式探頭槍金屬體置于探頭槍固緊槽內或手持；
[0021]將可移動式探頭槍金屬體內的小型X光激發器的X光按45度方向照射受探測體；硅漂移探測器置于X光的入射線的90度方向接收所測元素的特征X熒光信號；
[0022]硅漂移探測器、前置放大器、數字脈沖處理器、USB接口、RS232接口、筆記本電腦和打印輸出器依次連接；
[0023]電源和交流電轉換器連接，得到各種電壓，并向上述各部件提供電源。
[0024]本實用新型具有以下優點和積極效果:
[0025]1、與國外已有研究工作相比，本實用新型利用可移動式探頭槍將小型X光激發器(或238Pu Y射線源激發器)與硅漂移SDD探測器一體化裝置，便于對人體不同組織(如手臂皮脂層骨骼，脛骨皮脂層骨骼和甲狀腺器官)，選擇不同定位點的輻照，同期激發多種元素特征X射線，又經探測器接受光電信號，轉入箱體內數字脈沖處理器，分析出各種元素的含量。多組織、多元素的同期分析是本技術的最佳特色。
[0026]2、與目前醫療機構已經應用的人體體液(血、尿)或指甲、頭發中元素的化學和儀器分析比較，前者是離體、破壞性分析方法(In Vitro)，而本實用新型是一種無創傷的，直接在人體組織中活體、原位的定量分析(In vivo);因為本實用新型技術，對人體接受的放射性劑量當量小于I μ sv,與自然環境背景的劑量接近，是常規X光胸部拍片劑量(約100-200 μ SV)的百分之一以下，因此對人體損傷可以忽略不計，故稱為無創傷性分析技術。其次，本實用新型射線照射部位選擇在被測元素濃度最高的部位，實施的是原位、活體分析，因此對疾病診斷的可信度更高。
[0027]3、從測量程序上看，人體體液(血、尿)或指甲、頭發中的化學和儀器分析方法都需要制樣和樣品前處理，最后得出結果需時較多(至少需7-8小時)，而本實用新型在電腦程序設計的指令下工作，可直接、快速得出結果，從探測到給出數據約僅需10分鐘。
[0028]4、若對本實用新型裝置進一步發展，可應用到人體骨骼和腎臟中，測出毒害人體嚴重的重金屬Pb、Cd、Hg、Cr、As等元素在人體靶器官中的濃度，為診斷和治療營養缺失、心腦血管異常、糖代謝異常或重金屬中毒疾病提供支持的技術手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本分析儀的結構示意圖；
[0030]圖2是小型X光激發器的結構示意圖；
[0031]圖3是硅漂移探測器SDD的結構示意圖(分解圖)；
[0032]圖4是前置放大器的結構方框圖；
[0033]圖5是數字脈沖處理器的結構方框圖；
[0034]圖6是電源供給概要方框圖；
[0035]圖7是多元素EDXRF分析各元素的譜線圖；
[0036]圖中:
[0037]I一小型X光激發器
[0038]1.1一濾光片；1.2—X射線管；1.3—高壓電源；1.4一高壓控制器；
[0039]2—娃漂移探測器(SDD)
[0040]2.1—Be窗；2.2一探頭罩；2.3一娃探測體；2.4一FET場效應管；
[0041]2.5—電致冷器；2.6—安裝螺柱
[0042]3—前置放大器
[0043]3.1一前置放大電路；3.2—重置邏輯電路；3.3—低通過濾器；
[0044]4 一數字脈沖處理器(DP5)
[0045]4.1一模擬前濾器；4.2—模數轉換器；4.3—數字脈沖整形器；
[0046]4.4一脈沖選擇邏輯器；4.5—直方圖邏輯電路；4.6—微控制器接口 ；
[0047]5—電源(PCS)
[0048]5.1—PC5控制邏輯和數模變換器；5.2—3.3V供電；5.3 — DP5基架；
[0049]5.4—+LV 供電 5.5—LV 供電；5.6—HV 偏壓；
[0050]5.7—熱電致冷供電；
[0051]6—交流電轉換器；
[0052]7—USB 接口；
[0053]8—RS232 接口；
[0054]9—筆記本電腦；
[0055]10—打印輸出器；
[0056]11一受探測體(如人手臂)；[0057]12—受探測體支座；
[0058]13—受探測體支座固緊螺桿；
[0059]14一可移動式探頭槍金屬體；
[0060]15.1、15.2—第1、2探頭槍固緊夾；
[0061]16—探頭槍固緊槽；
[0062]17—金屬屏蔽箱體；
[0063]18—電纜連接線出口；
[0064]19 一電纜連接線入口。
【具體實施方式】
[0065]下面結合附圖和實施例對本實用新型詳細說明:
[0066]—、總體
[0067]如圖1，本分析儀的工作對象是受探測體11:人體手臂、人腿脛骨或人體甲狀腺組織；
[0068]設置有小型X光激發器1、硅漂移探測器2、前置放大器3、數字脈沖處理器4、電源
5、交流電轉換器6、USB接口 7、RS232接口 8、筆記本電腦9、打印輸出器10 ;受探測體支座12、受探測體支座固緊螺桿13、可移動式探頭槍金屬體14、第1、2探頭槍固緊夾15.1、15.2、探頭槍固緊槽16、金屬屏蔽箱體17、電纜連接線出口 18、電纜連接線入口 19;
[0069]其位直和連接關系是:
[0070]數字脈沖處理器4、電源5、交流電轉換器6、USB接口 7和RS232接口 8均置于金屬屏蔽箱體17內；
[0071]在金屬屏蔽箱體17的右上角依次連接有受探測體支座固緊螺桿13、受探測體支座12，受探測體11置于受探測體支座12上；
[0072]在金屬屏蔽箱體17的右上方依次連接有第1、2探頭槍固緊夾15.1、15.2、和探頭槍固緊槽16，可移動式探頭槍金屬體14置于探頭槍固緊槽16內或手持；
[0073]將可移動式探頭槍金屬體14內的小型X光激發器I的X光按45度方向照射受探測體11 ;硅漂移探測器2置于X光的入射線的90度方向接收所測元素的特征X熒光信號；
[0074]硅漂移探測器2、前置放大器3、數字脈沖處理器4、USB接口 7、RS232接口 8、筆記本電腦9和打印輸出器10依次連接；
[0075]電源5和交流電轉換器6連接，得到各種電壓，并向上述各部件提供電源。
[0076]二、零部件
[0077]1、小型一體化X光激發器I
[0078]如圖2，小型一體化X光激發器I包括依次連接高壓電源1.3、高壓控制器1.4、X射線管1.2和X光濾光片1.1。
[0079]高壓電源1.3提供10?50KV直流高壓，功率100W，用以激勵X射線管(陽極Ag靶)1.2 ;高壓控制由高壓控制器1.4完成；X光出射口有X光濾光片1.1，使獲得良好的單色性。
[0080]X光濾光片1.1由金屬鋁薄膜構成。
[0081]X射線管(陽極Ag靶)1.2是一種通用器件。[0082]高壓電源1.3是一種通用器件。
[0083]高壓控制器1.4是一種通用器件。
[0084]2、硅漂移探測器(SDD) 2
[0085]硅漂移探測器(SDD) 2是一種半導體探測器，選用AXRSDDdetector。
[0086]如圖3，硅漂移探測器2由鈹窗(Be)2.1、探頭罩2.2、硅探測體2.3、FET場效應管
2.4、電致冷器2.5和安裝螺柱2.6組成。
[0087]硅漂移探測器2的工作原理是:
[0088]硅漂移探測器2是一種硅漂移半導體探測器，實施光電轉換的功能，即將接收到的特征X熒光轉換成電脈沖；利用溫差電peltier制冷原理使硅漂移探測器2在常溫下應用。
[0089]3、前置放大器3
[0090]前置放大器3 選用 PA210、230 preamplifier。
[0091]如圖4，前置放大器3由依次連接前置放大電路3.1、重置邏輯電路3.2和低通過濾器3.3組成,對光電脈沖實施前置放大。
[0092]4、數字脈沖處理器4
[0093]數字脈沖處理器4 選用 DP5 Digital pulse processor。
[0094]如圖5，數字脈沖處理器4的結構是:模擬前濾器4.1、模數轉換器4.2、數字脈沖整形器4.3、直方圖邏輯電器4.5和微控制器接口 4.6依次連接，脈沖選擇邏輯器4.4從模數轉換器4.2輸出，跨接到直方圖邏輯電路4.5。
[0095]5、電源供給器
[0096]電源供給器是一種通用器件。
[0097]如圖6，包括 ±1.5KV HV 偏壓，±5V、±8.5VLV，±3.3V，O ?3.6V 熱電致冷供電電壓，統一由PC5控制邏輯和數模變換器在外界指令下完成供電。
[0098]6、筆記本電腦9
[0099]筆記本電腦9選用聯想G510AT-1F1實施程序設計和控制以及所測量的光譜屏幕
顯不O
[0100]7、打印輸出器10
[0101]打印輸出器10選用Epson ME2小型激光打印機直接輸出所測兀素含量(ppm)。
[0102]三、本分析儀的工作原理是:
[0103]由高壓控制器1.4所控制的高壓電源1.3輸出1?50KV高壓激發X射線管1.2產生X射線，經濾光片1.1輸出單色性更好的X射線光，輻射到受測體(如人臂皮層及骨表面)。被X射線作用的元素中的原子的電子能級發生改變，釋放出與各元素電子對應能級差的特征X射線熒光，(如皮脂層中的Zn元素釋放出Ka 8.60Kev,骨骼中Sr釋放出Ka 14.1Kev的特征X射線)。這些射線被硅漂移探測器2接收，熒光信號轉換為電脈沖。又經前置放大器3進行初步放大，送入數字脈沖處理器4進行模數轉換，信號再放大，脈沖整形，邏輯選擇，在小型電腦程序設計指令的控制下實施多道能譜分析。在電腦屏幕上顯示出所分析元素的XRF圖譜(見圖7)。
[0104]將受探測體(人體手臂、人腿脛骨或人體甲狀腺組織)中某種被測元素在能譜上的峰面積凈積分計數率，與對照樣品(已知該元素濃度)的體模(phantoms)峰面積凈積分計數率相比較，即可由電腦算出受探測體中此元素的含量(PPm)。
[0105]對照樣品(體模)(phantoms)分為三種類型:
[0106]I)骨骼中的Sr、Cr元素測量:體模應用石膏載體摻Sr、Cr化合物作標準物；外包不同厚度的動物皮脂層。
[0107]2)皮脂層中Fe、Cu、Zn元素的測量，體模和計算方法與I)相似，所不同點為石膏不作元素載體只為背景體，元素的載體用硅石臘摻Fe、Cu、Zn化合物構成皮脂層。
[0108]3)甲狀腺中的I元素的測量體模和方法與I)相似，所不同點為用硅石臘摻I化合物作元素載體，外包動物皮脂層。
【權利要求】
1.一種人體組織多元素活體原位無創分析儀，其工作對象是受探測體(11):人體手臂、人腿脛骨或人體甲狀腺組織； 其特征在于: 設置有小型X光激發器(I)、硅漂移探測器(2)、前置放大器(3)、數字脈沖處理器(4)、電源(5)、交流電轉換器(6)、USB接口(7)、RS232接口(8)、筆記本電腦(9)、打印輸出器(10);受探測體支座(12)、受探測體支座固緊螺桿(13)、可移動式探頭槍金屬體(14)、第1、2探頭槍固緊夾(15.1、15.2)、探頭槍固緊槽(16)、金屬屏蔽箱體(17)、電纜連接線出口(18)、電纜連接線入口(19)； 其位置和連接關系是: 數字脈沖處理器(4)、電源(5)、交流電轉換器(6)、USB接口(7)和RS232接口(8)均置于金屬屏蔽箱體(17)內； 在金屬屏蔽箱體(17)的右上角依次連接有受探測體支座固緊螺桿(13)、受探測體支座(12)，受探測體(11)置于受探測體支座(12)上； 在金屬屏蔽箱體(17)的右上方依次連接有第1、2探頭槍固緊夾(15.1、15.2)和探頭槍固緊槽(16)，可移動式探頭槍金屬體(14)置于探頭槍固緊槽(16)內或手持； 將可移動式探頭槍金屬體(14)內的小型X光激發器(I)的X光按45度方向照射受探測體(11);硅漂移探測器(2)置于X光的入射線的90度方向接收所測元素的特征X熒光信號; 硅漂移探測器(2)、前置放大器(3)、數字脈沖處理器(4)、USB接口(7)、RS232接口(8)、筆記本電腦(9)和打印輸出器(10)依次連接； 電源(5 )和交流電轉換器(6 )連接，得到各種電壓，并向上述各部件提供電源。
2.按權利要求1所述的人體組織多元素活體原位無創分析儀，其特征在于: 所述的小型一體化X光激發器(I)包括依次連接高壓電源(1.3)、高壓控制器(1.4)、X射線管(1.2)和X光濾光片(1.1)。
3.按權利要求1所述的人體組織多元素活體原位無創分析儀，其特征在于: 所述的前置放大器(3 )由依次連接前置放大電路(3.1)、重置邏輯電路(3.2 )和低通過濾器(3.3)組成。
4.按權利要求1所述的人體組織多元素活體原位無創分析儀，其特征在于: 所述的數字脈沖處理器(4)的結構是:模擬前濾器(4.1)、模數轉換器(4.2)、數字脈沖整形器(4.3)、直方圖邏輯電器(4.5)和微控制器接口(4.6)依次連接，脈沖選擇邏輯器(4.4)從模數轉換器(4.2)輸出，跨接到直方圖邏輯電路(4.5)。
【文檔編號】G01N21/64GK203824909SQ201420242975
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】王海嬰 申請人:王海嬰