人体组织多元素活体原位无创分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种人体组织多元素活体原位无创分析仪，涉及人体组织内多种化学元素含量的分析技术。本分析仪的结构是：受探测体（11）置于受探测体支座（12）上；将可移动式探头枪金属体（14）内的小型X光激发器（1）的X光按45度方向照射受探测体（11）；硅漂移探测器（2）置于X光的入射线的90度方向接收所测元素的特征X荧光信号。本实用新型能对多组织、多元素同期分析；射线照射部位选择在被测元素浓度最高的部位，实施的是原位、活体分析，因此对疾病诊断的可信度更高；可直接、快速得出结果；为诊断和治疗营养缺失、心脑血管异常、糖代谢异常或重金属中毒疾病提供支持的技术手段。
【专利说明】人体组织多元素活体原位无创分析仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种人体组织内多种化学元素含量的分析技术，尤其涉及一种人体组织多元素活体原位无创分析仪。具体地说，涉及一种对人体皮脂层、骨骼和甲状腺组织中的营养元素Fe (铁)、Cu (铜)、Zn (锌)和对疾病具有特殊功能的Cr (铬)、Sr (锶)和I(碘)的定量测量。
【背景技术】
[0002]医学临床研究指出:人体组织中的Fe元素是合成血红蛋白的主要成份，检测人体皮脂中Fe含量是直接诊断地中海贫血症的手段；Cu元素是组成多种酶的主要原料，Cu的缺乏会导致贫血和脑功能障碍；Zn元素参与免疫功能，是促使人体智能、身体发育的重要元素；另外人体器官中的Cr元素是影响人体糖耐量的因子，对诊断糖尿病有重要意义；Sr元素在体内可减少Na的吸收，可以降低人患心脑血管病的风险；1元素的含量是诊断甲状腺疾病的重要依据。
[0003]根据来源于:
[0004]1、“微量元素与相关疾病”，苗健主编，河南医科大学出版(1997)郑州；
[0005]2、“元素生物学”吕选忠、于宙等编著，中国科技大学出版社(2011)合肥。
[0006]临床医学上常用化学和仪器分析方法(如分子光谱、原子发射、吸收光谱和电化学分析方法等)测定人体体液外周血、尿液、头发和指甲中上述元素含量来间接确定上述化学元素的缺乏或过量而判断相关疾病。
[0007]上述一类方法是属于离体、破坏性分析，大多需要先期从事复杂的样品处理，容易造成环境因素干扰产生误差。其次所测的样品并非都取自这些元素在体内主要的储存器官，因之含量浓度较低，不能完全表征所测元素在体内的实际的作用效应。
[0008]国内医疗市场上还有一种称为“微量元素检测仪”，利用强光照射人指甲，用高分辩率摄像头将影象采集、放大，从图象上出现黑道、红点、亮点、黑点等分别示出人体缺Ca、Fe、Zn、Se等元素。这类装置只是一种定性分析的仪器，在正规医院检验中没有实用价值。
[0009]针对我国临床医学的要求，需要创立一种直接，无创伤测定人体组织中与医学诊断相关的多种元素活体、原位、定量分析仪。国外曾有人报道用同位素238Pu Y射线源对人体福照，测定皮脂层中铁、铜和锌的含量。(Bradl1.S，“Measurement of Elements of Fe,Cu and Zn in skin by XRF”，J of Red1anal.Nuc1.Chem (2000) 244: 213-7.)
[0010]近年来，本发明人在此相近领域曾作了不少发明:由国家授权的发明专利“人体指骨铅密度无创伤测量方法及其装置”(ZL2005100190098);由国家授权的实用新型专利“利用偏振X射线束无创创伤测人体胫骨铅含量的装置”(ZL20082006 7022X);和“基于放射性核素源的无创伤人体骨铅含量测量装置”(ZL20092008 51925)。
[0011]为了探求元素测量在医学临床中更广泛的应用，针对人体几个组织中多种与疾病十分相关的化学元素的含量的数字化测量，特创造出一种更新颖、便捷的Fe、Cu、Zn、Cr、Sr、I诸元素快速、无创人体组织活体、原位分析仪。
【发明内容】
[0012]本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和问题，提供一种人体组织多元素活体原位无创分析仪。
[0013]本实用新型的目的是这样实现的:
[0014]本实用新型是利用小型一体化X光激发器发射出单色X射线(或由同位素238PU源释放出单能Y射线)分别辐射到人体受检测组织(如人臂、小腿、皮脂和骨骼、甲状腺)对应造成组织内被测元素(Fe、Cu、Zn、Cr、Sr、I等)中电子能级的改变，而释放出与相应元素对应的特征X射线荧光，然后用当代最灵敏的半导体探测器(SDD)获取该X射线荧光谱，再经前置放大，数模转换，通过微电脑程序设计指令的操控，在数字脉冲处理器和显示器中直接得到各元素的浓度值(ppm)。
[0015]具体地说，本分析仪的工作对象是受探测体:人体手臂、人腿胫骨或人体甲状腺组织；
[0016]设置有小型X光激发器、硅漂移探测器、前置放大器、数字脉冲处理器、电源、交流电转换器、USB接口、RS232接口、笔记本电脑、打印输出器；受探测体支座、受探测体支座固紧螺桿、可移动式探头枪金属体、第1、2探头枪固紧夹探头枪固紧槽、金属屏蔽箱体、电缆连接线出口、电缆连接线入口 ；
[0017]其位置和连接关系是:
[0018]数字脉冲处理器、电源、交流电转换器、USB接口和RS232接口均置于金属屏蔽箱体内；
[0019]在金属屏蔽箱体的右上角依次连接有受探测体支座固紧螺桿、受探测体支座，受探测体置于受探测体支座上；
[0020]在金属屏蔽箱体的右上方依次连接有第1、2探头枪固紧夹和探头枪固紧槽，可移动式探头枪金属体置于探头枪固紧槽内或手持；
[0021]将可移动式探头枪金属体内的小型X光激发器的X光按45度方向照射受探测体；硅漂移探测器置于X光的入射线的90度方向接收所测元素的特征X荧光信号；
[0022]硅漂移探测器、前置放大器、数字脉冲处理器、USB接口、RS232接口、笔记本电脑和打印输出器依次连接；
[0023]电源和交流电转换器连接，得到各种电压，并向上述各部件提供电源。
[0024]本实用新型具有以下优点和积极效果:
[0025]1、与国外已有研究工作相比，本实用新型利用可移动式探头枪将小型X光激发器(或238Pu Y射线源激发器)与硅漂移SDD探测器一体化装置，便于对人体不同组织(如手臂皮脂层骨骼，胫骨皮脂层骨骼和甲状腺器官)，选择不同定位点的辐照，同期激发多种元素特征X射线，又经探测器接受光电信号，转入箱体内数字脉冲处理器，分析出各种元素的含量。多组织、多元素的同期分析是本技术的最佳特色。
[0026]2、与目前医疗机构已经应用的人体体液(血、尿)或指甲、头发中元素的化学和仪器分析比较，前者是离体、破坏性分析方法(In Vitro)，而本实用新型是一种无创伤的，直接在人体组织中活体、原位的定量分析(In vivo);因为本实用新型技术，对人体接受的放射性剂量当量小于I μ sv,与自然环境背景的剂量接近，是常规X光胸部拍片剂量(约100-200 μ SV)的百分之一以下，因此对人体损伤可以忽略不计，故称为无创伤性分析技术。其次，本实用新型射线照射部位选择在被测元素浓度最高的部位，实施的是原位、活体分析，因此对疾病诊断的可信度更高。
[0027]3、从测量程序上看，人体体液(血、尿)或指甲、头发中的化学和仪器分析方法都需要制样和样品前处理，最后得出结果需时较多(至少需7-8小时)，而本实用新型在电脑程序设计的指令下工作，可直接、快速得出结果，从探测到给出数据约仅需10分钟。
[0028]4、若对本实用新型装置进一步发展，可应用到人体骨骼和肾脏中，测出毒害人体严重的重金属Pb、Cd、Hg、Cr、As等元素在人体靶器官中的浓度，为诊断和治疗营养缺失、心脑血管异常、糖代谢异常或重金属中毒疾病提供支持的技术手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本分析仪的结构示意图；
[0030]图2是小型X光激发器的结构示意图；
[0031]图3是硅漂移探测器SDD的结构示意图(分解图)；
[0032]图4是前置放大器的结构方框图；
[0033]图5是数字脉冲处理器的结构方框图；
[0034]图6是电源供给概要方框图；
[0035]图7是多元素EDXRF分析各元素的谱线图；
[0036]图中:
[0037]I一小型X光激发器
[0038]1.1一滤光片；1.2—X射线管；1.3—高压电源；1.4一高压控制器；
[0039]2—娃漂移探测器(SDD)
[0040]2.1—Be窗；2.2一探头罩；2.3一娃探测体；2.4一FET场效应管；
[0041]2.5—电致冷器；2.6—安装螺柱
[0042]3—前置放大器
[0043]3.1一前置放大电路；3.2—重置逻辑电路；3.3—低通过滤器；
[0044]4 一数字脉冲处理器(DP5)
[0045]4.1一模拟前滤器；4.2—模数转换器；4.3—数字脉冲整形器；
[0046]4.4一脉冲选择逻辑器；4.5—直方图逻辑电路；4.6—微控制器接口 ；
[0047]5—电源(PCS)
[0048]5.1—PC5控制逻辑和数模变换器；5.2—3.3V供电；5.3 — DP5基架；
[0049]5.4—+LV 供电 5.5—LV 供电；5.6—HV 偏压；
[0050]5.7—热电致冷供电；
[0051]6—交流电转换器；
[0052]7—USB 接口；
[0053]8—RS232 接口；
[0054]9—笔记本电脑；
[0055]10—打印输出器；
[0056]11一受探测体(如人手臂)；[0057]12—受探测体支座；
[0058]13—受探测体支座固紧螺桿；
[0059]14一可移动式探头枪金属体；
[0060]15.1、15.2—第1、2探头枪固紧夹；
[0061]16—探头枪固紧槽；
[0062]17—金属屏蔽箱体；
[0063]18—电缆连接线出口；
[0064]19 一电缆连接线入口。
【具体实施方式】
[0065]下面结合附图和实施例对本实用新型详细说明:
[0066]—、总体
[0067]如图1，本分析仪的工作对象是受探测体11:人体手臂、人腿胫骨或人体甲状腺组织；
[0068]设置有小型X光激发器1、硅漂移探测器2、前置放大器3、数字脉冲处理器4、电源
5、交流电转换器6、USB接口 7、RS232接口 8、笔记本电脑9、打印输出器10 ;受探测体支座12、受探测体支座固紧螺桿13、可移动式探头枪金属体14、第1、2探头枪固紧夹15.1、15.2、探头枪固紧槽16、金属屏蔽箱体17、电缆连接线出口 18、电缆连接线入口 19;
[0069]其位直和连接关系是:
[0070]数字脉冲处理器4、电源5、交流电转换器6、USB接口 7和RS232接口 8均置于金属屏蔽箱体17内；
[0071]在金属屏蔽箱体17的右上角依次连接有受探测体支座固紧螺桿13、受探测体支座12，受探测体11置于受探测体支座12上；
[0072]在金属屏蔽箱体17的右上方依次连接有第1、2探头枪固紧夹15.1、15.2、和探头枪固紧槽16，可移动式探头枪金属体14置于探头枪固紧槽16内或手持；
[0073]将可移动式探头枪金属体14内的小型X光激发器I的X光按45度方向照射受探测体11 ;硅漂移探测器2置于X光的入射线的90度方向接收所测元素的特征X荧光信号；
[0074]硅漂移探测器2、前置放大器3、数字脉冲处理器4、USB接口 7、RS232接口 8、笔记本电脑9和打印输出器10依次连接；
[0075]电源5和交流电转换器6连接，得到各种电压，并向上述各部件提供电源。
[0076]二、零部件
[0077]1、小型一体化X光激发器I
[0078]如图2，小型一体化X光激发器I包括依次连接高压电源1.3、高压控制器1.4、X射线管1.2和X光滤光片1.1。
[0079]高压电源1.3提供10?50KV直流高压，功率100W，用以激励X射线管(阳极Ag靶)1.2 ;高压控制由高压控制器1.4完成；X光出射口有X光滤光片1.1，使获得良好的单色性。
[0080]X光滤光片1.1由金属铝薄膜构成。
[0081]X射线管(阳极Ag靶)1.2是一种通用器件。[0082]高压电源1.3是一种通用器件。
[0083]高压控制器1.4是一种通用器件。
[0084]2、硅漂移探测器(SDD) 2
[0085]硅漂移探测器(SDD) 2是一种半导体探测器，选用AXRSDDdetector。
[0086]如图3，硅漂移探测器2由铍窗(Be)2.1、探头罩2.2、硅探测体2.3、FET场效应管
2.4、电致冷器2.5和安装螺柱2.6组成。
[0087]硅漂移探测器2的工作原理是:
[0088]硅漂移探测器2是一种硅漂移半导体探测器，实施光电转换的功能，即将接收到的特征X荧光转换成电脉冲；利用温差电peltier制冷原理使硅漂移探测器2在常温下应用。
[0089]3、前置放大器3
[0090]前置放大器3 选用 PA210、230 preamplifier。
[0091]如图4，前置放大器3由依次连接前置放大电路3.1、重置逻辑电路3.2和低通过滤器3.3组成,对光电脉冲实施前置放大。
[0092]4、数字脉冲处理器4
[0093]数字脉冲处理器4 选用 DP5 Digital pulse processor。
[0094]如图5，数字脉冲处理器4的结构是:模拟前滤器4.1、模数转换器4.2、数字脉冲整形器4.3、直方图逻辑电器4.5和微控制器接口 4.6依次连接，脉冲选择逻辑器4.4从模数转换器4.2输出，跨接到直方图逻辑电路4.5。
[0095]5、电源供给器
[0096]电源供给器是一种通用器件。
[0097]如图6，包括 ±1.5KV HV 偏压，±5V、±8.5VLV，±3.3V，O ?3.6V 热电致冷供电电压，统一由PC5控制逻辑和数模变换器在外界指令下完成供电。
[0098]6、笔记本电脑9
[0099]笔记本电脑9选用联想G510AT-1F1实施程序设计和控制以及所测量的光谱屏幕
显不O
[0100]7、打印输出器10
[0101]打印输出器10选用Epson ME2小型激光打印机直接输出所测兀素含量(ppm)。
[0102]三、本分析仪的工作原理是:
[0103]由高压控制器1.4所控制的高压电源1.3输出1?50KV高压激发X射线管1.2产生X射线，经滤光片1.1输出单色性更好的X射线光，辐射到受测体(如人臂皮层及骨表面)。被X射线作用的元素中的原子的电子能级发生改变，释放出与各元素电子对应能级差的特征X射线荧光，(如皮脂层中的Zn元素释放出Ka 8.60Kev,骨骼中Sr释放出Ka 14.1Kev的特征X射线)。这些射线被硅漂移探测器2接收，荧光信号转换为电脉冲。又经前置放大器3进行初步放大，送入数字脉冲处理器4进行模数转换，信号再放大，脉冲整形，逻辑选择，在小型电脑程序设计指令的控制下实施多道能谱分析。在电脑屏幕上显示出所分析元素的XRF图谱(见图7)。
[0104]将受探测体(人体手臂、人腿胫骨或人体甲状腺组织)中某种被测元素在能谱上的峰面积净积分计数率，与对照样品(已知该元素浓度)的体模(phantoms)峰面积净积分计数率相比较，即可由电脑算出受探测体中此元素的含量(PPm)。
[0105]对照样品(体模)(phantoms)分为三种类型:
[0106]I)骨骼中的Sr、Cr元素测量:体模应用石膏载体掺Sr、Cr化合物作标准物；外包不同厚度的动物皮脂层。
[0107]2)皮脂层中Fe、Cu、Zn元素的测量，体模和计算方法与I)相似，所不同点为石膏不作元素载体只为背景体，元素的载体用硅石腊掺Fe、Cu、Zn化合物构成皮脂层。
[0108]3)甲状腺中的I元素的测量体模和方法与I)相似，所不同点为用硅石腊掺I化合物作元素载体，外包动物皮脂层。
【权利要求】
1.一种人体组织多元素活体原位无创分析仪，其工作对象是受探测体(11):人体手臂、人腿胫骨或人体甲状腺组织； 其特征在于: 设置有小型X光激发器(I)、硅漂移探测器(2)、前置放大器(3)、数字脉冲处理器(4)、电源(5)、交流电转换器(6)、USB接口(7)、RS232接口(8)、笔记本电脑(9)、打印输出器(10);受探测体支座(12)、受探测体支座固紧螺桿(13)、可移动式探头枪金属体(14)、第1、2探头枪固紧夹(15.1、15.2)、探头枪固紧槽(16)、金属屏蔽箱体(17)、电缆连接线出口(18)、电缆连接线入口(19)； 其位置和连接关系是: 数字脉冲处理器(4)、电源(5)、交流电转换器(6)、USB接口(7)和RS232接口(8)均置于金属屏蔽箱体(17)内； 在金属屏蔽箱体(17)的右上角依次连接有受探测体支座固紧螺桿(13)、受探测体支座(12)，受探测体(11)置于受探测体支座(12)上； 在金属屏蔽箱体(17)的右上方依次连接有第1、2探头枪固紧夹(15.1、15.2)和探头枪固紧槽(16)，可移动式探头枪金属体(14)置于探头枪固紧槽(16)内或手持； 将可移动式探头枪金属体(14)内的小型X光激发器(I)的X光按45度方向照射受探测体(11);硅漂移探测器(2)置于X光的入射线的90度方向接收所测元素的特征X荧光信号; 硅漂移探测器(2)、前置放大器(3)、数字脉冲处理器(4)、USB接口(7)、RS232接口(8)、笔记本电脑(9)和打印输出器(10)依次连接； 电源(5 )和交流电转换器(6 )连接，得到各种电压，并向上述各部件提供电源。
2.按权利要求1所述的人体组织多元素活体原位无创分析仪，其特征在于: 所述的小型一体化X光激发器(I)包括依次连接高压电源(1.3)、高压控制器(1.4)、X射线管(1.2)和X光滤光片(1.1)。
3.按权利要求1所述的人体组织多元素活体原位无创分析仪，其特征在于: 所述的前置放大器(3 )由依次连接前置放大电路(3.1)、重置逻辑电路(3.2 )和低通过滤器(3.3)组成。
4.按权利要求1所述的人体组织多元素活体原位无创分析仪，其特征在于: 所述的数字脉冲处理器(4)的结构是:模拟前滤器(4.1)、模数转换器(4.2)、数字脉冲整形器(4.3)、直方图逻辑电器(4.5)和微控制器接口(4.6)依次连接，脉冲选择逻辑器(4.4)从模数转换器(4.2)输出，跨接到直方图逻辑电路(4.5)。
【文档编号】G01N21/64GK203824909SQ201420242975
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】王海婴 申请人:王海婴