DE10112297A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters in einem Material - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters in einem Material, insbesndere in einem biologischen Gewebe, mit mindestens einem Detektor (2, 2a) zur Erzeugung von Detektorsignalen durch die vom Positronenemitter emittierte Positronen-Strahlung und/oder durch die bei der Wechselwirkung der Positronen mit Elektronen des Materials entstehende Gamma-Strahlung und mit mindestens einem Szintillator (3), der derart angeordnet ist, dass Lumineszenz-Photonen, die bei der Wechselwirkung der Gamma-Strahlung mit dem Szintillator (3) entstehen, zu mindestens einem Detektor (2, 2a) geleitet werden, wobei der Detektor (2, 2a) in einem Gehäuse (1) angeordnet ist und das Gehäuse (1) eine Eintrittsöfnung (13) für die Positronen-Strahlung und die Gamma-Strahlung aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Detektor (2, 2a) und der Szintillator (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die Gamma-Strahlung und die Positronen-Strahlung, die durch die Eintrittsöffnung (13) in das Gehäuse (1) einstrahlen, zunächst auf den Detektor (2, 2a) und anschließend auf den Szintillator (3) treffen. DOLLAR A Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, in einer ersten Messung durch Detektion der Gamma-Strahlung die Position des Positronenemitters in einem ersten Bereich zu bestimmen und anschließend in einer zweiten Messung durch Detektion der Positronen-Strahlung die millimetergenaue Position des Positronenemitters in einem ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters in einem Material, insbesondere in einem biologischen Gewebe, nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 17.

Unter einem Positronenemitter wird hierbei ein Radionuklid verstanden, dessen radioaktiver Zerfall vereinfacht als kerninterne Umwandlung eines Protons in ein Neutron unter Emission einer positiven Ladung (β⁺-Positron) abläuft. Beim Aufeinandertreffen des Positrons mit einer negativen Ladung (β^--Elektron) wandeln sich beide in elektromagnetische Strahlung um, die auch Vernichtungsstrahlung (zwei Photonen mit einer Energie von jeweils 511 keV) genannt wird.

Der Einsatz der Positronenemissionstomographie (PET) in der medizinischen Diagnostik nimmt derzeit stark zu. Eine wichtige PET-Anwendung stellt die Tumordiagnostik im Gewebe des Menschen dar. Im Vordergrund stehen hier das Auffinden, die Lokalisation und die Ausdehnungsbestimmung des Tumors.

Die Positronenemissionstomographie arbeitet nach folgendem Prinzip. Einem Patienten wird eine mit einem Positronenemitter markierte Trägersubstanz (Tracer) verabreicht, beispielsweise durch Injektion einer mit ¹⁸F markierten Glukoselösung. Die Trägersubstanz lagert sich vorzugsweise in Gewebebereichen ein, die einen erhöhten Stoffwechsel aufweisen, also besonders in Tumoren oder deren Absiedlungen (Metastasen). Aufgrund der Wechselwirkung der Positronen mit den Elektronen des Gewebes zerstrahlt jedes Positron innerhalb der Reichweite der Positronen mit einem Elektron des Gewebes. Die Reichweite der Positronen ist abhängig von ihrer kinetischen Energie und liegt in biologischen Geweben typischerweise im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters bis zu wenigen Millimetern. Bei der Zerstrahlung des Positrons mit einem Elektron des Gewebes werden zwei Gamma-Quanten mit einer Energie von 511 keV erzeugt und im Winkel von 180° vom Zerstrahlungsort des Positrons mit dem Elektron abgestrahlt. Die Gamma-Quanten werden mit gegenüberliegenden Detektoren in Koinzidenz detektiert. Die Koinzidenzabfrage wirkt praktisch wie eine "elektronische Kollimierung" des Messstrahls. Die ringförmige Anordnung einer großen Zahl von Detektoren erzeugt ein axiales und transaxiales Sichtfeld des Tomographen, das letztlich in eine dreidimensionale Abbildung der Aktivitätsverteilung des gescannten Bereiches umgerechnet wird.

Messungenauigkeiten ergeben sich hauptsächlich aus Streukoinzidenzen, zufälligen Koinzdenzen und der Statistik der echten Koinzidenzen. Insgesamt sind quantitative PET-Messungen mit ausreichender Genauigkeit nur bei exakter Beachtung aller Einflussgrößen möglich und erfordern eine aufwendige Qualitätskontrolle.

Durch die Größe und den apparativen Aufwand der Positronenemittertomographen eignet sich PET nicht zur Anwendung bei einer Operation. Für einen solchen intraoperativen Einsatz wird eine kompakte Handsonde benötigt, die sowohl ergänzend zur PET-Diagnistik als auch eigenständig eingesetzt werden kann.

Eine derartige Handsonde ist aus der EP 0 535 160 B1 bekannt. Diese Handsonde weist zwei konventionelle Plastikszintillatoren auf, die jeweils über einen Lichtleiter mit je einem Photomultiplier verbunden sind. Der erste Szintillator dient zur Detektion sowohl von Gamma-Strahlung als auch von Positronen. Gleichzeitig wird mit dem zweiten Detektor nur Gamma-Strahlung gemessen. Aus den in den beiden Szintillatoren detektierten Strahlungsmengen wird eine gewichtete Differenz gebildet, um zu unterscheiden, ob die gemessene Gamma-Strahlung in einem Gewebe nahe der Position der beiden Szintillatoren oder in einem Gewebe fern der Position der beiden Szintillatoren erzeugt wurde.

Bei der bekannten Handsonde ist allerdings von Nachteil, dass die Detektoren durch den Einsatz von Plastsikzintillatoren mit Abmessungen im Bereich weniger Millimeter nur sehr geringe Ansprechempfindlichkeiten für Gamma-Strahlung aufweisen. Daher ist das Auffinden von Bereichen des Gewebes mit niedrigeren Aktivitäten nicht zuverlässig gewährleistet. Der Einsatz von Lichtleitern bewirkt überdies zusätzliche Koppel- und Dämpfungsverluste. Darüber hinaus müssen die Lichtleiter derart abgeschirmt sein, dass außer der in den Szintillatoren angeregten Lumineszenz kein weiteres Licht in die Photomultiplier einfallen kann, da es ansonsten zu Rauscheffekten kommt, die eine Detektion der Gamma-Strahlung und der Positronen unmöglich machen würden. Weiterhin wird durch der Einsatz zweier nebeneinander liegender Detektoren die Ortsauflösung begrenzt, was bei unvermeidbaren Änderungen des Winkels der Sonde zum Aktivitätsherd auch zu gravierenden Fehlmessungen führen kann.

Photomultiplier weisen darüber hinaus einige prinzipielle Nachteile auf. Dazu zählen die Hochspannung für das Dynodensystem, die Magnetfeldabhängigkeit der Verstärkung und die mechanische Empfindlichkeit. Die genannten Nachteile bewirken, daß mit dieser Sonde nur eine ungefähre Bestimmung von Bereichen mit ausschließlich hohen Aktivitätsniveaus durchgeführt werden können und die Tumorzellen deshalb nur unvollständig erkannt und beseitigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die intraoperative Anwendung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Position eines Positronenemitters in einem Material, insbesondere in einem biologischen Gewebe, mit einem sehr kompakten Gerät zuverlässig und genau ermittelbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.

Die Vorrichtung nach Anspruch 1 weist mindestens einen Detektor zur Erzeugung von Detektorsignalen durch die vom Positronenemitter emittierte Positronen- Strahlung und/oder durch die bei der Wechselwirkung der Positronen mit Elektronen des Materials entstehende Gamma-Strahlung und mindestens einen Szintillator auf, der derart angeordnet ist, dass Lumineszenz-Photonen, die bei der Wechselwirkung der Gamma-Strahlung mit dem Szintillator entstehen, zu mindestens einem Detektor geleitet werden, wobei der Detektor in einem Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse eine Eintrittsöffnung für die Positronen- und Gamma-Strahlung aufweist. Erfindungsgemäß sind der Detektor und der Szintillator derart zueinander angeordnet, dass die Gamma-Strahlung und die Positronen-Strahlung, die durch die Eintrittsöffnung in das Gehäuse einstrahlen, zunächst auf den Detektor und anschließend auf den Szintillator treffen.

Auf diese Weise ist es zum einen möglich, den Detektor an der Eintrittsöffnung des Gehäuses klein auszubilden, wodurch eine hohe Ortsauflösung bei der Bestimmung der Position des Positronenemitters erzielt wird. Zum anderen ist der Szintillator in seinen Abmessungen nicht beschränkt, da auf der von der Eintrittsöffnung abgewandten Seite des Detektors genügend Bauraum zur Verfügung steht und die Größe des Szintillators keine negativen Auswirkung auf die Ortsauflösung der Vorrichtung besitzt. Dadurch ist die Vorrichtung insbesondere an der Eintrittsöffnung des Gehäuses klein und kompakt ausgeführt und durch einen hinreichend großen Szintillator weist die Vorrichtung auch noch für die Gamma-Strahlung schwacher Positronen-Emitter eine ausreichende Empfindlichkeit auf.

Es ist sowohl vorgesehen, dass die Vorrichtung einen einzigen Detektor aufweist, der sowohl Positronen- als auch Gamma-Strahlung detektiert, als auch, dass die Vorrichtung mindestens zwei Detektoren aufweist, wobei ein Detektor Gamma- Strahlung detektiert und ein anderer Detektor Positronen-Strahlung detektiert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Detektor mit einem Szintillator verbunden oder durch einen Spalt getrennt an einem Szintillator angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die durch Wechselwirkung der Gamma- Strahlung mit dem Szintillator entstandenen Lumineszenz-Photonen ohne nennenswerte Koppelverluste zur Detektion in den Detektor geleitet werden. Dazu ist der Szintillator auf den vom Detektor abgewanden Flächen mit geeigneten Dünnschichten verspiegelt. Weiterhin ist es möglich, den Spalt zwischen Szintillator und Detektor mit einem geeigneten Klebstoff oder Gel zu füllen, das die Sprünge des Brechungsindexes zwischen Szintillator und Detektor und somit die Reflexionsverluste minimiert.

Weiterhin ist es möglich, dass mindestens ein Detektor über einen Lichtleiter mit einem Szintillator gekoppelt ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Detektor und der zugeordnete Szintillator räumlich getrennt angeordnet sein müssen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn mindestens ein Detektor und mindestens ein Szintillator hinter der Eintrittsöffnung des Gehäuses axial zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich ein kleiner, kompakter Aufbau realisieren.

Die Vorrichtung weist bevorzugt eine elektronische Messvorrichtung auf, die es ermöglicht, Detektorsignale, die durch Gamma-Strahlung erzeugt wurden, zu diskriminieren. Auf diese Weise lassen sich Detektorsignale, die durch Gamma- Strahlung erzeugt wurden von Detektorsignalen trennen, die durch Positronen- Strahlung erzeugt wurden. Bevorzugt erzeugt der Detektor in Wechselwirkung mit den durch die Gamma-Strahlung im Szintillator generierten Lumineszenz-Photonen und/oder in Wechselwirkung mit Positronen-Strahlung Ladungsimpulse als Detektorsignale, wobei mit der elektronischen Messvorrichtung Ladungsimpulse diskriminierbar sind, die unterhalb oder oberhalb eines einstellbaren Schwellwertes und/oder außerhalb eines einstellbaren Fensterbereiches liegen. Da sich die Ladungsimpulse, die durch Positronen-Strahlung erzeugt wurden, von den Ladungsimpulsen, die durch die Lumineszenz-Photonen und somit durch die Gamma-Strahlung erzeugt wurden, in ihrer Impulshöhe unterscheiden lässt sich auf diese Weise einstellen, ob die elektronische Messvorrichtung Gamma-Strahlung zusammen mit Positronen-Strahlung oder nur Gamma- bzw. nur Positronen- Strahlung auswertet.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die mit dem Detektor verbundene elektronische Messvorrichtung eine Verstärkereinrichtung, eine Diskriminatoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die Verstärkereinrichtung verstärkt zunächst sämtliche Detektorsignale. Mittels der Diskriminatoreinrichtung lässt sich beinflussen welche der verstärkten Detektorsignale an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden. An der Diskriminatoreinrichtung sind dazu Parameter einstellbar, die die verstärkten Detektorsignale erfüllen müssen, um an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet zu werden.

Bevorzugt umfasst die Verstärkereinrichtung einen dem Detektor nachgeschalteten Ladungsverstärker zur Verstärkung des vom Detektor abgegebenen Detektorsignals und einen Filterverstärker zur Verstärkung und Formung des Signals des Ladungsverstärkers Das vom Filterverstärker verstärkte und umgeformte elektrische Detektorsignal, vorzugsweise ein unipolarer und gaußförmiger Impuls, wird dem Schwellwert- und/oder Fensterdiskriminator zugeführt. Dieser steuert beispielsweise einen Impulszähler in der Auswerteeinrichtung an und gibt so eine diskriminierte Impulsdichte als Maß für radioaktive Anreicherung im gemessenen Gewebebereich aus.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkereinrichtung zusammen mit der Diskriminatoreinrichtung, dem Detektor und dem Szintillator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Ebenso ist es möglich, dass lediglich der Ladungsverstärker zusammen mit dem Detektor und dem Szintillator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei für den Filterverstärker und die Diskriminatoreinheit ein weiteres Gehäuse vorgesehen ist. Je weniger Bauteile das erste Gehäuse aufweist, desto kleiner ist es und erleichtert die Handhabbarkeit bei der Bestimmung der Position des Positronenemitters.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass am Gehäuse ein Kollimator angeordnet ist, der die Eintrittsöffnung derart umschließt, dass die einfallende Positronen- und Gamma-Strahlung nur aus einem eingeschränkten Raumwinkel ungestört vom Kollimator durch die Eintrittsöffnung in das Gehäuse einfallen kann. Durch die Verwendung stark strahlungsabsorbierender Materialien für den Kollimators ist sichergestellt, dass Positronen-Strahlung, die außerhalb des erfassten Raumwinkels entsteht, vom Detektor abgeschirmt und entsprechende Gamma-Strahlung nur entsprechend geschwächt in den Detektor gelangt. Auf diese Weise lässt sich die räumliche Selektivität der Ortsauflösung der Vorrichtung weiter erhöhen. Bevorzugt bildet ein derartiger Kollimator zusammen mit dem Gehäuse im Bereich der Eintrittsöffnung eine Kegelform aus.

In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Gehäuse der Vorrichtung als Handgerät ausgebildet, das es beispielsweise einem Chirurgen während einer Operation ermöglicht, die Vorrichtung auf einfache und bequeme Weise zur Ermittlung der Position von Positronenemittern in organischem Gewebe zu benutzen.

Mindestens ein Detektor ist bevorzugt als Silizium-pin-Diode mit einer voll verarmbaren Vertikalstruktur ausgeführt. Derartige Dioden stellen hohe Sensitivitäten hinsichtlich der Lumineszenz-Photonen des zugeordneten Szintillators und/oder der Positronen-Strahlung bei sehr kleinen räumlichen Ausdehnungen bereit. Dies kommt der Ortsauflösung bei der Ermittlung der Position der Positronenemitter zu Gute. Es existieren Silizium-pin-Dioden, die sowohl in Bezug auf die Lumineszenz-Photonen des zugeordneten Szintillators und auf die Positronen-Strahlung geeignete Empfindlichkeiten aufweisen, so dass die Vorrichtung mit einem einzigen Detektor ausgeführt ist. Es ist jedoch ebenso denkbar, und liegt im Rahmen dieser Erfindung, dass für die Detektion der Positronen-Strahlung und die Detektion der Lumineszenz- Photonen mindestens zwei unterschiedliche jeweils hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit optimierte Silizium-pin-Dioden oder andere geeignete Halbleiterdioden zum Einsatz kommen.

Als Szintillator ist vorzugsweise ein anorganischer Kristall vorgesehen. Hierbei hat sich ein Thallium dotierter Cäsiumjodid-Kristal, in folgendem nur noch in der üblichen Schreibweise CsI(TI)-Kristall genannt, als besonders geeignet herausgestellt. Alternativ hierzu können auch andere Szintillatormaterialien wie beispielsweise NaJ, BGO und CdW eingesetzt werden.

Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise als Messsonde zur intraoperativen Bestimmung der Position des Positronenemitters in menschlichem Gewebe ausgebildet. Somit ist es möglich, während einer laufenden Operation an einem Patienten die Position des Positronenemitters und somit eines mit dem Positronenemitter markierten Gewebes immer wieder genau zu bestimmen. Insbesondere ist es möglich, nach der Entfernung eines Tumors oder einer Metastase sofort zu kontrollieren, ob wirklich sämtliches krankes Gewebe entfernt wurde. Gegebenenfalls kann weiteres Tumor- bzw. Metastasen-Gewebe lokalisiert und sofort danach entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 17 charakterisiert. Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters, insbesondere in einem biologischen Gewebe, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird die Position des Positronenemitters zunächst in einem ersten Bereich durch eine Detektion von Gamma-Strahlung bestimmt. Anschließend wird die gefundene erste Position des Positronenemitters in einem zweiten Bereich innerhalb des ersten Bereiches durch eine Detektion von Positronen-Strahlung genauer ermittelt. Bei der Ermittlung der genaueren Position im zweiten Bereich wird die Gamma-Strahlung nicht berücksichtigt. Da die Reichweite der Positronen-Strahlung im Gewebe abhängig von der Energie der Positronen im Bereich von einigen Zehntelmillimetern bis zu wenigen Millimetern liegt, ist die Bestimmung der Position des Positronenemitters im zweiten Bereich mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich möglich. Dieser Bereich liegt weit unterhalb der Reichweite der Gamma-Strahlung im Gewebe, so dass es möglich ist, markierte Gewebereiche hinreichend genau zu lokalisieren, um diese während eines chirurgischen Eingriffs gezielt entfernen zu können. Denn je mehr Positronen bei der Positronen-Messung detektiert werden, um so näher befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung an der Position des Positronenemitters. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die genaue Position durch das Maximum der Zählrate der detektierten Positronen ermittelt. Da sich der Positronenemitter mittels geeigneter Trägersubstanz insbesondere in Tumoren und Metastasen des menschlichen Gewebes ablagert, ist somit auch die Position der Tumore und Metastasen genau bestimmbar.

Eine Vorzugsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei beiden Messungen sowohl Gamma-Strahlung als auch Positronen detektiert werden. Durch Pulshöhendiskrimination im zweiten Messschritt wird gewährleistet, dass hier ausschließlich Positronen bewertet werden. Die Ermittlung der maximalen Positronenrate gestattet nun die genaue Lokalisation des Positronenemitters. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung ein als intraoperative Messsonde ausgebildetes Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Gehäuse;

Fig. 2 eine schematische Darstellung ein als intraoperative Messsonde ausgebildetes Ausführungsbeispiel die zwei Gehäuse aufweist;

Fig. 3 eine schematische Teilansicht eines als intraoperative Messsonde ausgebildeten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Bereich der Eintrittsöffnung einen Kollimator aufweist;

Fig. 4 eine schematische Teilansicht einer als intraoperative Messsonde ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Detektoreinheit, die aus zwei hintereinander liegenden Silizium-pin-Dioden besteht, wobei nur eine Silizium-pin-Diode mit einem Szintillator gekoppelt ist.

Fig. 1 zeigt den Aufbau ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines hier nicht dargestellten Positronenemitters in einem Material, insbesondere einem biologischen Gewebe, das mit dem Positronenemitter markiert wurde. Wie nachfolgend erläutert, ist es mittels dieser Positionsbestimmung möglich, Tumore oder Metastasen im Körper eines Patienten zu lokalisieren. Zur Markierung des Tumor- bzw. Metastasen-Gewebes des Patienten wird dem Patienten eine mit dem Positronenemitter versetzte Trägersubstanz verabreicht. Beispielsweise wird ihm eine mit dem Positronenemitter versetzte Zuckerlösung gespritzt. Die Trägersubstanz verteilt sich im gesamten Körper und lagert sich insbesondere in Gewebeteilen ab, die einen erhöhten Stoffwechsel aufweisen. Somit weisen diese Gewebeteile eine erhöhte Konzentration der Trägersubstanz bzw. des Positronenemitters auf. Durch Lokalisation dieser erhöhten Konzentration des Positronenemitters in den Gewebeteilen ist es möglich, die Position der Gewebeteile sehr genau festzustellen. Ein erhöhter Stoffwechsel findet besonders in Tumoren und Metastasen statt. Demnach lassen sich Tumore und Metastasen auf diese Weise gut lokalisieren.

Die Position des Positronenemitters im Gewebe und somit die Position des Tumors bzw. der Metastasen an sich werden durch Detektion der vom Positronenemitter emittierten Positronen und der beiden 511 keV Gamma-Quanten bestimmt, die bei der Vernichtung der Positronen mit Elektronen des Gewebes entstehen. Im folgenden werden die beiden 511 keV Gamma-Quanten als "Vernichtungsstrahlung" bezeichnet.

Nachfolgend wird zunächst auf die erfindungsgemäße Vorrichtung eingegangen. Daran schließt sich die Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens an.

Eine Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, in dem sämtliche Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis auf die Auswerteeinheit 11 angeordnet sind. An einem Ende des Gehäuses 1 ist eine Eintrittsöffnung 13 angeordnet, durch die die Vernichtungs- und Gamma-Strahlung in das Gehäuse 1 eintritt. Es ist vorteilhaft, wenn die Eintrittsöffnung 13 durch eine geeignete Folie abgedeckt ist, die die Positronen- und Gamma-Strahlung nur unwesentlich schwächt. Auf der zum Gehäuseinneren gewandten Seite der Eintrittsöffnung ist eine Photodiode 2 angeordnet, an die ein Szintillator 3 optisch gekoppelt ist. Der Szintillator 3 ist dazu auf der Seite der Photodiode 2 angeordnet, die der Eintrittsöffnung 13 abgewandt ist. Die optische Kopplung zwischen Szintillator 3 und Photodiode 2 ist derart ausgebildet, dass die im Szintillator 3 durch die Vernichtungsstrahlung erzeugte Lumineszenz-Photonen in die Photodiode 2 geleitet werden, wodurch die Photodiode 2 ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der Intensität der in die Photodiode 2 geleiteten Luminiszenz erzeugt. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Szintillator 3 direkt mit der Photodiode 2 gekoppelt. Ein Spalt zwischen Szintillator 3 und Photodiode 2 ist zur Anpassung der Brechungsindizes vorzugsweise mit einem geeigneten Klebstoff oder Gel ausgefüllt, um zusätzliche Reflexionsverluste der Lumineszenz-Photonen zu vermeiden.

Alternativ kann auch ein freier Spalt oder eine Berührung vorliegen.

Die Photodiode 2 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Silizium-pin- Photodiode ausgebildet. Die Erfindung ist aber nicht auf eine derartige Photodiode eingeschränkt.

Als Szintillator 3 ist ein CsI(TI)-Kristall vorgesehen, der sich als besonders zweckmäßig herausgestellt hat. Allerdings sind für die Erfindung auch andere anorganische Kristalle verwendbar, beispielsweise ein NaI, BGO oder CdW. Bei einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein organisches Material als Szintillator vorgesehen.

Die Photodiode 2 ist über eine Leitung 4 an einen Ladungsverstärker 5 angeschlossen, der die relativ geringe Amplitude des elektrischen Signals der Photodiode 2 verstärkt und über eine Leitung 6 an einen Filterverstärker 7 weiterleitet. Dieser verstärkt das elektrische Signal des Ladungsverstärkers 5 und formt es derart um, dass ein über eine Leitung 8 nachgeschalteter Diskriminator 9 das elektrische Signal verarbeiten kann und im Zusammenwirken mit der Auswerteeinheit 11 einen Schwellwertzähler darstellt. Ebenso ist denkbar einen Fensterdiskriminator einzusetzen.

Alternativ zu der Anordnung in einem einzelnen Gehäuse 1 ist bei einem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, die Photodiode 2, den Szintillator 3 und den Ladungsverstärker 5 einerseits in einem Gehäuse 1, und den Filterverstärker 7 sowie den Diskriminator 9 in einem weiteren Gehäuse 12 anzuordnen. Dies ermöglicht es, dass Gehäuse 1 besonders kompakt auszubilden.

Das Gehäuse 1 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen sind als intraoperative Messsonde ausgebildet. Sie wird zur Bestimmung der Position des Positronenemitters während einer Operation eines Patienten verwendet. Daher weist die Sonde die äußere Form einer Handgerätes auf, das für den Gebrauch durch einen Chirurgen besonders geeignet ist. Es ist jedoch ebenfalls denkbar die Messsonde für den automatisierten Einsatz mit einer dafür vorgesehenen Steuerungsvorrichtung vorzusehen.

Fig. 3 zeigt einen Abschnitt eines besonderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 1 im Bereich der Eintrittsöffnung 13 einen Strahlkollimator 1a, der vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen Dichte und hoher Ordnungszahl wie z. B. Wolfram hergestellt ist, auf. Durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des Kollimators ist der Raumwinkel α, aus dem die Vernichtungsstrahlung und die Positronen auf die Photodiode 2 treffen, begrenzt. Dies ist in Fig. 3 durch eine konische Verjüngung des Kollimators hin zur Eintrittsöffnung realisiert. Dadurch wird Positronen-Strahlung aus anderen Raumwinkeln im Kollimator 1a vernichtet. Gamma-Strahlung aus anderen Raumwinkeln erfährt beim Durchtritt durch den Kollimator 1a eine stark Abschwächung. Auf diese Weise wird die Ortsauflösung bei der Bestimmung der Position des Positronenemitters weiter gesteigert.

Es ist selbstverständlich, dass der weitere Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, sowohl mit einem einzigen Gehäuse 1 als auch mit zwei Gehäusen 1 und 12 ausführbar ist.

Fig. 4 zeigt ein zu Fig. 3 ähnliches Ausführungsbeispiel. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Photodioden 2, 2a vorgesehen. Die durch die Eintrittsöffnung 13 in das Gehäuse fallende Positronen- und Gamma- Strahlung trifft zunächst auf eine erste Photodiode 2a. Diese Photodiode ist für die Detektion von Positronen-Strahlung optimiert. Hinter der Photodiode 2a ist eine weitere Photodiode 2 angeordnet, die mit einem Szintillator 3 optisch gekoppelt ist. Die optische Kopplung wird durch einen zwischen Photodiode 2 und Szintillator 3 angeordneten Lichtleiter 14 realisiert. Den beiden Photodioden 2, 2a ist jeweils ein Ladungsverstärker 5, 5a zugeordnet, die über Leitungen 4, 4a mit den Photodiode verbunden sind. Die beiden Photodioden sind als Silizium-pin-Dioden ausgebildet und sind jeweils für die Detektion von Positronen- bzw. Gamma-Strahlung optimiert. Die Verwendung anderer geeigneter Halbleiterdioden ist jedoch ebenfalls möglich. Die sich an die Ladungsverstärker 5, 5a anschließende elektronische Signalverarbeitung ist entsprechend der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Detektorsignalverarbeitung vorgesehen, wobei die Detektorsignale beider Photodioden in einer gemeinsamen Diskriminatoreinrichtung 9 verarbeitet werden. Auf diese Weise ist eine einfachere Signaltrennung und Bewertung der durch die Positronen- und Gamma-Strahlung erzeugten Detektor-Signale möglich.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich im Gewebe eines Patienten ein Tumor bzw. Metastasen gebildet hat.

Zunächst wird dem Patienten eine mit einem Positronenemitter versehene Trägersubstanz, beispielsweise eine Glukoselösung, verabreicht, die sich in dem Tumor und in Metastasen in hoher Konzentration ablagert. Als Positronenemitter eignen sich insbesondere die Radionuklide ¹⁸F, ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, und ⁶⁸Ga. Diese Radionuklide sind besonders gut in Trägersubstanzen wie die obengenannte Zuckerlösung einbindbar und weisen zudem eine kurze Halbwertszeit auf, so dass die Strahlenbelastung des Patienten gering gehalten wird. Als besonders geeignet haben sich Positronenemitter mit einer Aktivität von einigen 10 bis 100 Megabecquerel erwiesen.

Mit einer der in den Fig. 1, 2 oder 3 dargestellten Messsonden wird zunächst eine Bestimmung der ungefähren Position des sich im Tumor bzw. in den Metastasen abgelagerten Positronenemitters vorgenommen. Hierzu wird zunächst die durch die Eintrittsöffnung 13 einfallende Vernichtungsstrahlung detektiert. Die Vernichtungsstrahlung tritt durch die Photodiode 2 in den Szintillator 3 ein, in dem die Vernichtungsstrahlung Lumineszenz erzeugt, die in die Photodiode 2 weitergeleitet wird. Diese erzeugt in Abhängigkeit der Intensität der einfallenden Lumineszens ein elektrisches Signal, das an den Ladungsverstärker 5 weitergeleitet wird. Aufgrund der relativ hohen Energie der Vernichtungsstrahlen von 511 keV wird in der Photodiode 2 nur wenig Vernichtungsstrahlung absorbiert und dadurch kein wesentlicher direkter Messeffekt durch die Vernichtungsstrahlung erzeugt.

Das Signal der Photodiode 2 wird über den Ladungsverstärker 5 und den Filterverstärker 7 an den Diskriminator 9 weitergegeben. Dessen Diskriminatorschwellen sind derart eingestellt, dass sowohl elektrische Signale, die durch die Detektion der durch die Vernichtungstrahlung im Szintillator 3 verursachten Lumineszenz erzeugt werden als auch elektrische Signale, die durch die Detektion der in die Photodiode 2 einfallenden Positronen erzeugt werden, von der Auswerteeinheit 11 erfassbar sind. Zur Bestimmung der Position des Positronenemitters in einem ersten Bereich wird die Vernichtungsstrahlung verwendet. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Photodiode 2 gleichzeitig Positronen detektiert, die hinsichtlich der Detektion der Vernichtungsstrahlung einen messbaren Untergrund erzeugen, die Bestimmung der ungefähren Position in einem ersten Bereich wird dadurch jedoch nicht weiter beeinflusst.

Mittels der Auswerteeinheit 11 lassen sich auf diese Weise hohe Konzentrationen des Positronenemitters ermitteln, so dass sich die Position des Tumors bzw. der Metastasen im Körper des Patienten lokalisieren lässt. Hierzu wird das Maximum der Zählrate der Vernichtungsstrahlung ermittelt. Dort, wo sich das Maximum befindet, ist die Konzentration des Positronenemitters am größten. Man erhält somit eine ungefähre Angabe über einen ersten Bereich im Körper des Patienten, in dem sich der Tumor bzw. Metastasen befinden.

Mittels einer zweiten Messung wird nun die genaue Position des Positronenemitters bzw. des Tumors bzw. der Metastasen in einem zweiten Bereich bestimmt, der innerhalb des ersten Bereiches liegt. Hierzu werden mittels der Photodiode 2 die vom Positronenemitter emittierten Positronen detektiert. Die Diskriminatorschwelle des Diskriminators 9 wird dabei derart eingestellt, dass die Auswerteeinheit 11 nur noch die in Photodiode 2 einfallenden Positronen zählt. Durch Bestimmung der maximalen Positronenzählrate wird so die genaue millimetergenaue Position des Tumors bzw. der Metastasen ermittelt.

Das für die Ausführungsbeispiele hinsichtlich der Fig. 1 und 2 erläuterte Verfahren ist sowohl mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3 als auch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 anwendbar. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 2 und 3 zwei separate Photodioden 2, 2a auf, wobei die Photodiode 2a Positronen-Strahlung und die Photodiode 2 Gamma-Strahlung detektiert.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters in einem Material, insbesondere in einem biologischen Gewebe, mit
mindestens einem Detektor (2, 2a) zur Erzeugung von Detektorsignalen durch die vom Positronenemitter emittierte Positronen-Strahlung und/oder durch die bei der Wechselwirkung der Positronen mit Elektronen des Materials entstehende Gamma-Strahlung und
mindestens einem Szintillator (3), der derart angeordnet ist, dass Lumineszenz-Photonen, die bei der Wechselwirkung der Gamma- Strahlung mit dem Szintillator (3) entstehen, zu mindestens einem Detektor (2, 2a) geleitet werden,
wobei der Detektor (2, 2a) in einem Gehäuse (1) angeordnet ist und das Gehäuse (1) eine Eintrittsöffnung (13) für die Positronen-Strahlung und für die Gamma-Strahlung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Detektor (2, 2a) und der Szintillator (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die Gamma-Strahlung und die Positronen-Strahlung, die durch die Eintrittsöffnung (13) in das Gehäuse (1) einstrahlen, zunächst auf den Detektor (2, 2a) und anschließend auf den Szintillator (3) treffen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (2, 2a) mit einem Szintillator (3) verbunden oder durch einen Spalt getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (2, 2a) über einen Lichtleiter (14) mit einem Szintillator (3) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (2, 2a) und mindestens ein Szintillator (3) hinter der Eintrittsöffnung (13) axial zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorsignale, die durch Gamma-Strahlung erzeugt wurden, mittels einer elektronischen Messvorrichtung diskriminierbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (2, 2a) in Wechselwirkung mit den durch die Gamma-Strahlung im Szintillator generierten Lumineszenz-Photonen und/oder in Wechselwirkung mit Positronen-Strahlung Ladungsimpulse als Detektorsignale erzeugt, wobei mit der elektronischen Messvorrichtung Ladungsimpulse diskriminierbar sind, die unterhalb oder oberhalb eines einstellbaren Schwellwertes und/oder außerhalb eines einstellbaren Fensterbereiches liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Detektor (2, 2a) verbundene elektronische Messvorrichtung
eine Verstärkereinrichtung,
eine Diskriminatoreinrichtung (9) und
eine Auswerteeinrichtung (11)
umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung einen dem Detektor (2, 2a) nachgeschalteten Ladungsverstärker (5) zur Verstärkung des vom Detektor (2) abgegebenen Detektorsignals und einen Filterverstärker (7) zur Verstärkung und Formung des Signals des Ladungsverstärkers (5) umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung zusammen mit der Diskriminatoreinrichtung (9), dem Detektor (2, 2a) und dem Szintillator (3) im Gehäuse (1) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsverstärker (5) zusammen mit dem Detektor (2, 2a) und dem Szintillator (3) im Gehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Filterverstärker (7), und die Diskriminatoreinrichtung (9) in einem weiteren Gehäusen (12) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (1) ein Kollimator (1a) angeordnet ist, der die Eintrittsöffnung (13) derart umschließt, dass die einfallende Positronen- und Gamma-Strahlung nur aus einem eingeschränkten Raumwinkel (α) durch die Eintrittsöffnung (13) in das Gehäuse (1) einfallen können.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit dem Kollimator (1a) im Bereich der Eintrittsöffnung (13) eine Kegelform aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) als Handgerät ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (2, 2a) als Silizium-pin-Diode ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator (3) aus einem anorganischen Kristall, insbesondere aus einem CsI(TI)-Kristall, gebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Messsonde zur intraoperativen Bestimmung der Position des Positronenemitters in menschlichem Gewebe ausgebildet ist.

17. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Positronenemitters, inbesondere in einem biologischen Gewebe, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position eines Positronenemitters in einem ersten Bereich durch eine Detektion von Gamma-Strahlung bestimmt wird und anschließend eine genauer bestimmte Position des Positronenemitters in einem zweiten Bereich innerhalb des ersten Bereichs anhand von Positronen-Strahlung ermittelt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung im ersten Bereich und im zweiten Bereich Gamma- und Positronen- Strahlung gemessen wird wobei jeweils eine Impulsrate ermittelt wird und bei der Messung im zweiten Bereich durch eine Diskrimination der Gamma- Strahlungsimpulse zur Positionsbestimmung des Positronenemitters nur Positronenstrahlung ausgewertet wird.