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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines PET-Systems.
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Hintergrund
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Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist als ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin bekannt und stellt eine Variante der Emissionscomputertomographie dar. Mittels PET können Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt werden, indem die Verteilung einer radioaktiven Substanz, sogenannter Tracer, sichtbar gemacht wird. Hierdurch lassen sich biochemische und physiologische Funktionen abbilden.
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PET beruht auf der gleichzeitigen Detektion zweier Gammastrahlungsphotonen, die nach dem Zerfall eines Positronen-emittierenden Radionuklids entstehen (β+-Zerfall). Bei der Wechselwirkung eines Positrons mit einem Elektron (Annihilation) im Körper werden zwei hochenergetische Photonen (z.B. einige hundert keV, insbesondere 511 keV) in entgegengesetzte Richtungen ausgesandt. Diese Strahlung wird auch als Vernichtungsstrahlung bezeichnet.
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Das PET-Gerät enthält typischerweise viele ringförmig um den Patienten angeordnete Detektoren für die Photonen. Das Prinzip der PET-Untersuchung besteht darin, Koinzidenzen zwischen je zwei gegenüberliegenden Detektoren aufzuzeichnen. Aus der zeitlichen und räumlichen Verteilung dieser registrierten Zerfallsereignisse wird auf die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz im Körperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet.
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Da die Absorption der Photonen nur von der Dicke des durchstrahlten Gewebes, nicht jedoch vom Entstehungsort der Photonen abhängt, ermöglicht dies zudem eine genaue Quantifizierung der Verteilung der radioaktiven Substanz im Untersuchungsvolumen.
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Ein Großteil der bisherigen PET Scanner basiert darauf, dass die zwei hochenergetischen Photonen (gamma photonen) in Kristallen gestoppt werden, in denen ein Szintillationsprozess optische Photonen erzeugt. Die Kristalle werden deshalb häufig auch als Szintillationskristalle bezeichnet. Die Photonen werden anschließend durch optische Sensoren aufgenommen und in elektrische Impulse gewandelt.
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Typischerweise werden diese Kristalle als auch die Photosensoren in einer ringartigen Struktur angeordnet, die auch als Detektorring bezeichnet wird.
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Dabei gilt, dass mit der räumlichen Auflösung auch eine bessere bzw. präzisere Abgrenzung von Geweben möglich wird.
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Es zeigt sich jedoch, dass bei Parallaxenfehlern an Messpunkten außerhalb des Zentrums auftreten, die auch als radialer Astigmatismus bezeichnet werden.
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Um sowohl die Parallaxenfehler besser beherrschen zu können als auch die räumliche Auflösung verbessern zu können, wurden Verfahren entwickelt, die die Tiefe der Interaktion im Szintillationskristall bestimmen (engl. depth of interaction, abgek. DOI).
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Für bestimmte Untersuchungen von Körperteilen, z.B. organ-spezifische PET-Scanner für Mammografie, Neuroimaging) als auch zur Untersuchung von kleineren Lebewesen werden häufig kleine Detektorringe verwendet. Bei diesen kleinen Detektorringen als auch bei PET-Scannern mit einem großen axialen Blickfeld (engl. axial-field of view) ist die vorbezeichnete Verbesserung am ausgeprägtesten.
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Dafür ist es jedoch notwendig die Scanner und insbesondere die Szintillationskristalle und zugeordneten Photosensoren in den Raumrichtungen fein zu strukturieren sodass eine Gammainteraktion mit einer Auflösung von 1-2 mm oder weniger in der Ebene der Photosensoren als auch die Erkennung von mehreren DOI-Ebenen im Szintillationskristall ermöglicht wird.
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Um dies zu ermöglichen werden z.B. Szintillationskristalle segmentiert. Diese Segmentierung ist äußerst kostspielig und reduziert zugleich wegen der zwischengefügten Schichten auch die Sensitivität, da nunmehr weniger Material für Szintialltionsprozesse zur Verfügung steht.
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Daher wurden in der Vergangenheit bereits Systeme mit monolithischen Szintillationskristallen entwickelt. Solche Systeme verfügen über die Möglichkeit eine kontinuierliche DOI Information bereitzustellen.
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Uanbhängig von der Art der verwendeten Szintillationskristalle, d.h. segmentiert oder unsegmentiert, ist die Positionskalbration ein Problem.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit der schnellen und einfachen Positionskalibration für PET-Scanner zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung von Elementen eines PET-Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine Ansicht in die Öffnung des PET-Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 eine Ansicht auf eine Seite eines PET-Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 4 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung,
- 5 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung,
- 6 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung,
- 7 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung,
- 8 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung.
- 9 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung, und
- 10 eine schematische Aufsicht auf Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.
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In Ausführungsformen der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind, wird eine Vorrichtung 1 zur Kalibrierung eines PET-Systems S bereitgestellt.
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Ein PET-System weist wie zuvor beschrieben eine Vielzahl von Detektoren D auf. Dabei sind paarweise Detektoren gegenüberliegend zu einem Messzentrum in der Öffnung Ö des PET-Systems angeordnet. Die genaue Anzahl als auch die Ausformung der Detektoren D als monolithische oder segmentierte Detektoren spielt nachfolgend für die Erfindung keine Rolle.
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Das PET-System S weist eine Öffnung Ö auf. In diese Öffnung Ö kann ein zu untersuchendes Objekt / ein zu messendes Element eingebracht werden. Nachfolgend soll zum Zwecke der Kalibration die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eingebracht werden.
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Die Vorrichtung 1 weist zumindest eine Strahlungsquelle Q auf. Die Strahlungsquelle Q kann dabei unterschiedlicher Natur sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle Q ein Gamma-Strahler oder ein Beta-Strahler, insbesondere ein Beta+-Strahler, wie z.B. 22Na sein. Für das Verständnis ist dies jedoch nachfolgend unerheblich und es kann im Prinzip jede geeignete Strahlungsquelle verwendet werden, die Strahlung emittiert, die von den Detektoren D gemessen werden kann. Beispielsweise kann Strahlung mit einer Energie von in etwa 511 keV verwendet werden.
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Die Vorrichtung 1 weist zumindest einen ersten Kollimator K1 auf, sodass Strahlung der Strahlungsquelle Q am Kollimator K1 aus mindestens einer dort vorgesehenen Öffnung A1 austreten kann.
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Die Vorrichtung 1 definiert - wie aus 1-3 ersichtlich - eine axiale Richtung R. Diese axiale Richtung fällt zusammen mit der axialen Richtung des PET-Systems S. Um diese axiale Richtung R weist die Vorrichtung 1 eine radiale Erstreckung auf.
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Es sei dabei angemerkt, dass die Terminologie „axial“ und „radial“ nicht erfordert, dass zylinderartige Vorrichtungen 1 notwendigerweise bereitgestellt werden müssen. Vielmehr können auch segmentartige Anordnungen verwendet werden, wie später in Bezug auf die 9 und 10 erläutert werden wird. Insofern definiert axial und radial im Wesentlichen eine Beziehung auf die Öffnung des PET-Systems S.
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Wenn die Vorrichtung 1 in die Öffnung Ö eingebracht ist, kann sie gesteuert in einer vorbestimmten Weise dort bewegt werden. Hierzu können geeignete Antriebe vorgesehen sein, die die Vorrichtung koordiniert im PET-System S bewegen.
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Dabei kann - wie in 1 und 2 gezeigt ist - die Vorrichtung 1 um die Achse R der Vorrichtung um definierte Winkel gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 1 auch - wie in 1 und 3 gezeigt ist - entlang der Achse R verschoben werden.
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Verschubwege und Drehwinkel ergeben sich dabei aus der zu vermessenden Detektoranordnung.
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Durch Verschieben und oder Drehen der Vorrichtung 1 in einer vorbestimmten Weise können nun die Detektoren an Hand der bekannten Position der Stahlungsaustritte aus der Öffnung bzw. den Öffnungen kalibriert werde.
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D.h. der Kollimator K1 begrenzt die Strahlung einer Strahlungsquelle Q auf einen bestimmten Bereich. Dieser Bereich kann wie ein einzelner (eindimensionaler) Strahl oder wie ein breiter gefächerter Vorhang aus einer Öffnung A1 des Kollimators austreten.
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Wird eine einzelne Lochöffnung A1- wie in 4 gezeigt - verwendet, so ergibt sich eine relativ lange Messdauer, sodass eine Kalibration häufig nicht in angemessener Zeit durchgeführt werden kann. Bei einer solchen Kalibration müsste die Lochöffnung in radiale Richtung als auch in axiale Richtung verschoben werden, um (bevorzugt jeden) Detektor D vermessen zu können.
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Wird hingegen ein fächerartiger Strahl aus einer streifenförmigen Öffnung verwendet, so wird es nötig über die Breite des Fächers in mindestens zwei unterschiedlichen Ausrichtungen des Fächers in Bezug auf die Detektoren zu messen. D.h. wenn man sich eine ebene Detektorfläche in x-y- Richtung vorstellt wäre es vorteilhaft einmal den Fächer in X-Richtung über die Detektoren zu bewegen und einmal den Fächer in y-Richtung zu bewegen. Somit würde jeder einzelne Detektor zweimal adressiert werden. Durch eine solche Vorgehensweise kann die notwendige Zeit für eine Kalibration stark vermindert werden.
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Die Kalbration in Bezug auf die Position kann durch einen geeigneten (selbst-lernenden) Algorithmus durchgeführt werden.
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Typischerweise wird eine Kalibration bei der werkseitigen Montage vorgenommen.
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Wird es jedoch erforderlich Detektoren eines bestehenden PET-Systems S zu tauschen, z.B. weil ein Detektor D defekt ist oder aber, weil leistungsfähigere Detektoren in ein bestehendes System integriert werden sollen, so ist mit bisherigen Mitteln ein solches Rekalibrieren nicht möglich. Insbesondere monolithische Detektoren erforderten bisher eine Kalibration zur Positionsbestimmung vor der eigentlichen Verwendung. D.h. im Stand der Technik wäre bei einer notwendigen Re-Kalibrierung der Auseinanderbau der Anlage notwendig.
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Durch die Erfindung wird es nun aber möglich, da die Kalibration der Detektoren jederzeit ohne größeren Aufwand vollständig und kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Dabei ist der Ansatz der Erfindung, nicht einen einzelnen Detektor D außerhalb des PET-Systems S zu kalibrieren, sondern es können Detektoren im PET-System S kalibriert werden.
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Dazu wird die Vorrichtung 1 durch geeignete Antriebe im PET-System bewegt, wobei bestimmte Orte bestrahlt werden.
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Wie bereits zuvor angedeutet kann die Öffnung A1 am ersten Kollimator K1 unterschiedliche Formen aufweisen.
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Beispielsweise kann die die Öffnung A1 - wie in den 4 - 6 und 9 gezeigt - eine Lochöffnung sein. Es ist aber auch möglich, dass die Öffnung A1 eine Streifen / Schlitzöffnung aufweist - wie in den 7, 8 und 10 gezeigt. In 7 ist z.B. ein Kollimator K1 gezeigt, bei dem eine schlitzartige Öffnung A1 in axialer Erstreckung gezeigt ist, während in Kollimator K2 eine radiale schlitzartige Öffnung A3 gezeigt ist.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können auch mehrere Kollimatoren K1 und K2 vorgesehen sein. Dabei können - wie in den Figuren dargestellt - im Wesentlichen gleichartige Öffnungen, d.h. Lochartige oder streifen/schlitzartige Öffnungen, vorgesehen sein, oder aber (nicht dargestellt) die Öffnung(en) in einem ersten Kollimator K1 können unterschiedlich zu Öffnung(en) in einem zweiten Kollimator K2 ausgestaltet sein.
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Um eine schnellere Kalibration zu ermöglichen können anstatt einer einzigen Öffnung an einem Kollimator auch mehrere Öffnungen vorgesehen sein.
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Beispielsweise ist in 5 und 6 ein erster Kollimator K1 gezeigt, der eine erste Lochöffnung A1 und eine zweite Lochöffnung A2 für den Austritt von Strahlung aufweist. D.h. die zweite Öffnung A2 ist gleichartig zur ersten Öffnung A1 ausgestaltet. Dabei ist die zweite Öffnung A2 an gleicher axialer Stelle wie die erste Öffnung A1 und diese um einen Winkel α versetzt auf der radialen Erstreckung angeordnet. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist der Winkel 180°, d.h. die zweite Öffnung ist gegenüberliegend der ersten Öffnung angeordnet.
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Beispielsweise ist in 8 ein erster Kollimator K1 gezeigt, der eine erste streifen/schlitzartige Öffnung A1 und eine zweite streifen/schlitzartige Öffnung A2 für den Austritt von Strahlung aufweist. D.h. die zweite Öffnung A2 ist gleichartig zur ersten Öffnung A1 ausgestaltet. Dabei ist die zweite Öffnung A2 an gleicher axialer Stelle wie die erste Öffnung A1 und diese um einen Winkel α versetzt auf der radialen Erstreckung angeordnet. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist der Winkel 180°, d.h. die zweite Öffnung ist gegenüberliegend der ersten Öffnung angeordnet.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können natürlich auch mehrere Kollimatoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise ist in 5 - 8 die Verwendung von mehreren Kollimatoren gezeigt, wobei nachfolgend jeweils nur auf die Kollimatoren K1 und K2 Bezug genommen werden wird, ohne jedoch weitere Kollimatoren damit auszuschließen.
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Beispielsweise sind in 5 und 6 gleichartige Kollimatoren K1 und K2 gezeigt. Diese weisen Lochöffnungen auf. Die Lochöffnungen können dabei - wie in 5 gezeigt - auf einer Parallelen zur axialen Richtung R angeordnet sein, oder aber - wie in 6 gezeigt - versetzt zueinander angeordnet sein. D.h. in 6 ist die Öffnung A3 um einen Winkel gegenüber der Öffnung A1 als auch der Öffnung A2 versetzt.
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Mit einer Anordnung gemäß 6 kann bei geeigneter Anzahl von versetzt angeordneten Kollimatoren und damit versetzt angeordneten Öffnungen mit weniger axialen Drehungen bis hin zu einem einzigen axialen Durchlauf ein PET-System S bzw. die Detektoren D darin kalibriert werden.
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Ist dies Ziel, hängt die Anzahl der Kollimatoren auch mit der Anzahl der Öffnungen in einem einzelnen Kollimator zusammen. Mit steigender Anzahl von Öffnungen pro Kollimator sinkt die Anzahl von Kollimatoren.
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In ähnlicher Weise kann aber auch eine Vorrichtung 1 mit streifenartigen Öffnungen ausgestaltet sein. Dabei kann die Anordnung gemäß 8 entsprechend modifiziert werden.
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Ganz allgemein kann die Vorrichtung - wie in 7 und 8 gezeigt - zumindest eine erste Öffnung A1 und eine zweite Öffnung A3 aufweisen, wobei die erste Öffnung A1 die Bestrahlung eines ersten Raumwinkels ermöglicht und die zweite Öffnung A3 die Bestrahlung eines zweiten Raumwinkels ermöglicht, wobei der erste Raumwinkel und der zweite Raumwinkel unterschiedlich groß sind.
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Beispielsweise ermöglicht die Streifenöffnung A3 einen radialen Austritt von Strahlung.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Material eines Kollimators ein Material mit einer Ordnungszahl von 70 oder mehr, insbesondere jedoch Wolfram (Ordnungszahl 74) oder Blei (Ordnungszahl 82) z.B. in Reinform oder als Legierung aufweisen.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die auftretende Strahlung Gamma-Strahlung oder Beta-Strahlung sein und aus einer geeigneten Quelle Q stammen.
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D.h. die Erfindung schlägt beispielsweise vor mit einer Anordnung eine lochartige Öffnung A1 gemäß 4 - 6 eine Kalibration durchzuführen.
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Im Falle der 4 müsste die lochartige Öffnung jeden einzelnen Detektor D adressieren. Hierfür können unterschiedliche Schemata zur Verwendung kommen, beispielsweise könnte zunächst an einer axialen Position in verschieden Raumwinkeln (sukzessive) gemessen werden bevor die Vorrichtung 1 axial verschoben wird und erneut in verschieden Raumwinkeln (sukzessive) gemessen wird. Beispielsweise könnte zunächst für einen bestimmten Raumwinkel an verschiedenen axialen Positionen (sukzessive) gemessen werden bevor die Vorrichtung 1 um einen bestimmten Raumwinkel gedreht wird, um erneut an verschiedenen axialen Positionen (sukzessive) zu messen.
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Bevorzugt wird dabei eine Messung an gegenüberliegenden Positionen durchgeführt, d.h. der Kollimator K1 ist dann als sogenanntes Koinzidenz-Setup ausgebildet.
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Die Ausgestaltung kann natürlich wie in 5 gezeigt erweitert werden. Dabei können gleichartige Kollimatoren hintereinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnet werden. Der minimale Abstand bestimmt sich durch die Unterscheidbarkeit von Gamma Interaktionen ohne vorherige Kalibration. Bevorzugt ist der vorbestimmte Abstand passend zu den Szintillationskristallen gewählt, ,da jedes Szintillationskristallelement auch ohne Kalibration identifiziert werden kann. In den meisten Detektordesigns kann der Schwerpunkt der Strahlungsverteilung stark mit der Strahlungsposition (des Gamma-Teilchens) korreliert werden, sodass der Abstand der Kollimatoren mit lochförmiger Öffnung geringer gehalten werden kann als ein einzelnes Szintialltionskristallelement.
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D.h. die Erfindung schlägt zudem beispielsweise vor mit einer Anordnung eine lochartige Öffnung A1 gemäß 7-8 eine Kalibration durchzuführen.
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In 7 ist z.B. ein Kollimator mit einer Öffnung A1 für einen fächerartigen Strahlungsaustritt in axialer Richtung und ein Kollimator mit einer Öffnung A3 für einen fächerartigen Strahlungsaustritt in radialer Richtung gezeigt. Wiederum kann - ähnlich wie in 5 und 6 - durch eine Vielfachanordnung die Geschwindigkeit erhöht werden bzw. die Notwendigkeit einer Drehung eliminiert werden.
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Insbesondere für PET-Systeme S mit einer großen Öffnung Ö, z.B. Ganzkörperscanner (Öffnung circa 70 cm), kann es jedoch vorteilhaft sein, anstatt eines großvolumigen und damit schweren und kostenträchtigen Kollimators, der den Raum der Öffnung nahezu ausfüllt, ein leichtgewichtigeres Design zu verwenden.
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Zwar wäre es möglich - wie in den 1 - 3 angedeutet - auch eine nicht raumgreifende Vorrichtung 1 in Bezug auf die Öffnung Ö bereitzustellen. Es zeigt sich dann aber eine hohe Anforderung an die Öffnungen und/oder an die präzise Führung durch die Öffnung in axialer Richtung. Dies ist darin begründet, dass der Strahl aus der Öffnung / den Öffnungen mit zunehmendem Abstand von der Öffnung hin zu einem Detektor sich aufweitet.
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Daher kann auch vorgesehen sein, dass nur ein Detektor mit einem präzisen Strahl versehen wird, während der gegenüberliegende Detektor (im Detektorpaar) ohne Kollimator bestrahlt wird. D.h. der gegenüberliegende Detektor wird lediglich als Koinzidenzmessung verwendet.
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Beispielsweise kann - wie in 9 gezeigt - nur ein Segment als Kollimator in einer Vorrichtung 1 angeordnet sein. Es versteht sich dabei, dass in einem solchen Segment mehrere Quellen (entsprechend der Öffnungen) angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein 30° Segment für einen Ganzkörperscanner ausreichend sein. Beispielsweise kann - wie in 10 gezeigt - auch ein Halbkreis-Segment mit einer einzigen Quelle Q vorgesehen sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu verwendet werden die präzise Position der Szintillationskristallelemente zu bestimmen. Die genaue Positionsbestimmung der Szintillationskristallelemente erlaubt eine bessere Rekonstruktion der PET Bilder.
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D.h. anders als im Stand der Technik erlaubt die Erfindung die Vermessung eines ganzen PET-Systems S, insbesondere eines PET-Systems S, welches monolithische Szintillationskristalle in den Detektoren D verwendet.
