DE1616007C3 - Vorrichtung zur Aufzeichnung der Anreicherung von radioaktiven Substanzen in Organen für die nuklearmedizinische Lokalisationsdiagnostik - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufzeichnung der Anreicherung von radioaktiven Substanzen in Organen für die nuklearmedizinische Lokalisationsdiagnostik unter Verwendung eines aus mehreren Kristallen in Matrizenanordnung bestehenden Detektors, der mit einem Auswertesystem in Verbindung steht

Die Methoden einer derartigen Diagnostik bestehen im wesentlichen darin, daß das zu untersuchende Organ mit einer radioaktiv markierten Substanz angereichert wird, wonach mit Hilfe von Detektoren anhand der Anreicherung im Organ dasselbe untersucht bzw. diagnostiziert werden kann.

Aus der zusammenfassenden Darstellung über die nuklearmedizinische Lokalisationsdiagnostik in »Nuklearmedizin-Szintigraphische Diagnostik« von Feine und zum Winkel, Thieme Verlag, Stuttgart 1969, insbesondere R. Wolf, Technik S. 21 ff., werden die Vorrichtungen zur Szintigraphie eingeteilt in Geräte mit beweglichen Detektoren (Scanner) und Geräte mit stehenden Detektoren (Gammakamera).

Die Empfindlichkeit derartiger Geräte, d.h. die statistische Bildgüte bei vorgegebener Aufnahmezeit bzw. die notwendige Aufnahmezeit für eine vorgegebene statistische Bildgüte, hängt im wesentlichen vom Raumwinkel, unter dem sich Volumenelement und Detektor gegenüberstehen, sowie von der Nachweisempfindlichkeit des Detektors selbst ab.

Bei der einfachsten Ausführung weist das Gerät mit einem einzelnen Detektor beispielsweise einen NaJ-Kristall als Szintillationszähler und einen davor angeordneten fokussierenden Viellochkollimator auf. Zur Aufzeichnung der Radionuklidverteilung im Meßobjekt muß dieser Detektor in einem Mäander- oder Kammuster über den interessierenden Bereich des Objekts geführt werden. Dabei wird Volumenelement für Volumenelement abgetastet Ein derartiges Gerät wurde beispielsweise in der Zeitschrift »Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica« 1967, Heft 10, S. 407 bis 411,bekannt

Bei dieser bekannten Scanner-Technik kann die Nachweisempfindlichkeit durch Vergrößerung des Szintillationskristall nicht beliebig gesteigert werden, da der erforderliche Viellochkollimator dann einen Fokus mit immer geringerer Tiefenausdehnung aufweist

Ferner kann auch die Zeit, die der Detektor benötigt, um mit seinem Bewegungsmuster das gesamte Bildfeld einmal abzutasten, nicht beliebig verkürzt werden. Die Abtastgeschwindigkeit die angesichts der zu bewegenden Massen mit vertretbarem Aufwand derzeit maximal realisiert wird, beträgt etwa 500 cm pro Minute. Dabei muß das Bildfeld bei großen Organen oder gemeinsam aufzuzeichnenden räumlich getrennt liegenden Organen (z.B. Nieren mit ableitenden Harnwegen) in x- und y-Richtung bis auf 30 cm ausgedehnt werden. Angesichts der üblicherweise gewünschten geometrischen Auflösung darf der Zeilenabstand wenige Millimeter nicht überschreiten. Der daraus resultierende Abtastweg wird also mit Abtastzeiten bewältigt die in der Größenordnung von mehreren Minuten liegen.

Diese bekannten Geräte eignen sich somit nicht bei einem wesentlichen Anwendungsbereich, nämlich bei der Aufzeichnung von Szintigrammen bei rascher Änderung der Indikatorkonzentration im Meßobjekt Im üblichen Anwendungsfall soll nämlich aus der aufgezeichneten Verteilung der Radioaktivität auf die räumliche Ausdehnung und/oder die Funktion des Gewebes geschlossen werden, in dem sich der Indikator gegenüber der Umgebung in höherer Konzentration befindet Dazu darf sich aber während der Abtastzeit die Indikatorkonzentration nur in vernachlässigbarem Ausmaß ändern, da die Messung der Indikatorkonzentration innerhalb des Bildfeldes zu unterschiedlichen Zeiten erfolgt

Werden jedoch höhere Abtastgeschwindigkeiten realisiert, so zeigt sich in der Praxis der zunehmende Nachteil, daß der Patient sich durch die Bewegung des Detektors bedroht fühlt zumal eine gute Auflösung im allgemeinen eine möglichst große Annäherung der Abtastebene an die Körperoberfläche verlangt Bei einer Dislokation des Patienten und Versagen der gelegentlich eingebauten Sicherungseinrichtungen, die bei Berührung des Patienten durch den Detektorkopf ansprechen, und/oder Unaufmerksamkeit des Bedienungspersonals kann der Patient sogar tatsächlich gefährdet werden.

Eine Weiterentwicklung der Scanner-Geräte stellen die sogenannten Multidetektor-Scanner dar, die beispielsweise in der oben genannten Literaturstelle »Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica« 1967, Heft 10, S. 407 bis 411, sowie auf S. 53 von »Nuklearmedizin-Szintigraphische Diagnostik« beschrieben sind. Bei diesen Geräten sind in einem Meßkopf zehn NaJ-Kristalle mit den dazugehörigen Photo-Multipliem angeordnet Jeder Kristall hat dabei seinen eigenen Kollimator, und bei der Untersuchung werden gleichzeitig zehn Reihen abgetastet Hierbei kann die Abtastzeit um den Faktor zehn reduziert werden. Allerdings werden für jeden Kristall ein eigener Photo-Multiplier und ein Verstärker benötigt

Dieser Multidetektor-Scanner weist jedoch mehrere Nachteile auf.

Um in einer Reihe ein möglichst großes Kristallvolumen zu erreichen, müssen quaderförmige Kristalle eingesetzt werden, wodurch sich das Gerät wesentlich verteuert Um bei Szintigrammen mit geringem Auflösungsanspruch (z. B. orientierendes Ganzkörperszintigramm) mit einer einzigen Abtastbewegung arbeiten zu können, wurden die Kristalle in einer Reihe angeordnet und in dieser Reihe sehr schmal ausgeführt (etwa 22 mm), was zu einer Reduktion der Ausbeute im Photopeak des Spektrums führt Als nachteilig ist auch die mit dieser Bauart verbundene fehlende Rotationssymmetrie der geometrischen Auflösung zu bezeichnen. Auch hier bewirkt eine Steigerung des Kristallvolumens (die sinnvoll nur noch durch Verlängerung der Kristalle senkrecht zur Detektorkopflängsachse möglich wäre) denselben Nachteil wie oben für den normalen Scanner geschildert

Der Verlust an Meßausbeute durch diese besondere Form der Kristalle bringt es auch mit sich, daß die Abtast- oder Scanningzeit gegenüber dem normalen Scanner nicht umgekehrt proportional zur Vermehrung des gesamten Kristallvolumens verkürzt wird. Bezüglich der höheren Abtastgeschwindigkeit treten die gleichen Probleme, wie beim normalen Scanner beschrieben, auf.

Geräte mit stehenden Detektoren, sogenannte Gammakameras, sind auf S. 55 ff. von »Nuklearmedizin-Szintigraphische Diagnostik«, Review of Scientific Instruments 29 (1958) S. 27 bis 33 sowie Elektromedizin, Band 9,1964, S. 161 bis 165, bekanntgeworden.

Bei diesen Geräten ist ein Detektor von so großer Fläche vorhanden, daß die Verteilung der Radioaktivität im Bildfeld aufgezeichnet werden kann, ohne daß der Detektor bewegt wird. Es wird hierbei von Sonderfällen, in denen für spezielle Aufgaben, z. B. Ganzkörperszintigraphie, die Gammakamera über die Längsachse des Patienten hinweggeführt wird, abgesehen. Diese Geräte müssen mit Kollimatoren versehen werden, die möglichst ideal erreichen, daß die Verteilung der Meßeffekte im Detektor örtlich mit der Aktivitätsverteilung im Objekt korrespondieren und ein System erhalten, das die Ortskoordinaten jedes Meßeffektes im Detektor ermittelt

Das verbreiteste Prinzip der Gammakamera nach N. O. Anger (Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica, Nr. 10,1967, S.411 und Review of Scientific Instruments 29,1958, S. 27 bis 33) hat einige inhärente Nachteile, die insbesondere in »Nuklearmedizin-Szintigraphische Diagnostik« S. 55 ff. ausführlich dargelegt wurden. Hervorzuheben sind die mangelhafte Empfindlichkeit des notwendigerweise dünnen Kristalls (13 mm); die bei mangelhaftem Abgleich der Photomultiplier zusätzlich zu nicht mehr homogener Empfindlichkeit im gesamten Sichtbereich auftretende Bildverzeichnung durch Verzerrung der Ortskoordinaten; die Begrenzung der registrierbaren Aktivität durch die Totzeit die sich bei großen Aktivitätskonzentrationen im gesamten Bildfeld bemerkbar macht da für die Analyse jedes Szintillationseffektes im Kristall die gesamte Photomultiplier-Matrix benötigt wird; der relativ hohe Preis des großen Kristalls.

Bei dem Autofluoroskop von Bender und Blau, Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica 1967, Heft 10, S. 411, besteht der Detektorkopf aus einer Matrix von 293 kleinen Kristallen, die durch Bleistege voneinander getrennt sind und einzeln durch Lichtleiter mit einem System von Photomultipliern verbunden sind. Die Vorteile der größeren Kristalldicke bei dem genannten Gerät im Vergleich zur oben genannten Gammakamera werden z. T. wieder aufgehoben durch die mangelhafte Photoeffektausbeute in dem kleinen Kristallquerschnitt und die mit höheren Energien zunehmenden Doppelabsorptionen in benachbarten Kristallen. Ein wesentlicher Nachteil des Gerätes besteht darin, daß das lineare Auflösungsvermögen von vornherein den doppelten Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Kristalle nicht unterschreiten kann. Dieses ist aber trotz des relativ hohen Aufwandes für die meisten medizinischen Anwendungen ungenügend.

Durch die große Zahl der Einzelkristalle ist auch die Ermittlung der Ortskoordinaten der Meßeffekte mit einem relativ hohen Aufwand verbunden, da für jede Zeile bzw. Spalte je ein Photomultiplier benötigt wird, wobei die Photomultiplier über Lichtleiter mit jedem Kristall verbunden sind. In dem beschriebenen Gerät sind 35 Photomultiplier vorhanden, und mit der Zahl der Photomultiplier wachsen aber nicht nur der Preis des Gerätes, sondern auch die Schwierigkeiten eines Empfindlichkeitsabgleiches und die Störanfälligkeit im Betrieb.

Die von Fuchs und Knipping (Elektromedizin, Band 9, 1964, S. 161 bis 165) entwickelte Gamma-Retina hat für die meisten Fragestellungen ein völlig ungenügendes Auflösungsvermögen. Sie ist auch weniger für lokalisationsdiagnostische, sondern mehr für funktionsdiagnostische Untersuchungen entwickelt worden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bei guter zeitlicher Auflösung ähnlich, der eines stehenden Detektors, eine bessere stationäre und geometrische Auflösung zu erreichen. Dabei sollen ähnlich wie bei Scannern mit bewegtem Detektor das Ansprechvermögen und die Photoausbeute besser sein als das der bisherigen Gamma-Kameras. Die erforderliche Abtastzeit soll möglichst kurz sein, so daß eine währenddessen eintretende Veränderung der Konzentration der Aktivität vernachlässigbar ist

Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs bezeichneten Vorrichtung zur Aufzeichnung der Anreicherung von radioaktiven Substanzen in Organen erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Detektor gegenüber den stationären Teilen der Apparatur hin- und rücklaufende Bewegungen ausführt die eine Amplitude aufweisen, die etwa dem Abstand der Kristallmitten voneinander abzüglich der Halbwertbreite des Kollimatorfokus entspricht wobei bei jeder hin- und rücklaufenden Bewegung der Detektor um einen Betrag senkrecht zur Richtung dieser hin- und rücklaufenden Bewegung verschoben wird, wobei die Gesamtverschiebung dem Abstand der Kristallmitten abzüglich der Halbwertbreite des Kollimatorfokus entspricht

Bei der hin- und rücklaufenden Bewegung ist die Bewegungsamplitude gegenüber der herkömmlichen Scanningbewegung in beiden Achsen wesentlich kleiner als das Bildfeld. Außerdem ist im allgemeinen die Bewegungsgeschwindigkeit rascher als bei der herkömmlichen Scanningsbewegung.

Die Größe der Einzelkristalle der Matrix kann beispielsweise 44 mm im Durchmesser und 25 mm in der Höhe (Dicke) betragen, was im Verhältnis zum Volumen eine besonders preiswerte Ausführung mit im Vergleich zu den Gammakameras üblicher Bauart guter Empfindlichkeit und guten spektralen Eigenschaften ergibt

Die hin- und rücklaufenden Bewegungen der

gesamten Kristall-Matrix weisen eine Amplitude auf, die dem Abstand der Kristallmitten abzüglich der Halbwertsbreite des Kollimatorfokus entspricht Jedem Einzelkristall wird ein fokussierender Viellochkollimator zugeordnet der bei dem geschilderten Kristalldurchmesser im Vergleich zu den üblichen Scannern eine überlegene Fokuslänge aufweist

Durch die hin- und rücklaufende Bewegung der gesamten Kristall-Matrix wird das in der Lokalisationsdiagnostik verlangte geometrische Auflösungsvermögen erzielt Im Gegensatz zu den üblichen Scannern ist die Amplitude dieser hin- und rücklaufenden Scanningbewegung aber in beiden Koordinaten und im Vergleich zu den bisherigen Multikristallscannern noch in einer Koordinate so klein, daß darauf verzichtet werden kann, den gesamten Meßkopf zu bewegen.

Bei oder nach jeder hin- und rücklaufenden Bewegung wird die gesamte Detektor-Matrix um eine Teilstrecke in einer dazu senkrechten Richtung verschoben, die in der Summe etwa dem Abstand der ^ Kristallmitten entspricht Dadurch kann in Zusammenwirken der beiden Bewegungen einer mäanderförmige, zickzackförmige, zellenförmige oder schlangenförmige Bewegung erzielt werden.

Selbstverständlich müssen bei der-Bewegung der ₂, Detektor-Matrix auch die Kollimatoren mitgeführt werden. Durch entsprechende Gestaltung der Grenzflächen zwischen den Kollimatoren und den Rändern des Meßkopfes läßt sich erreichen, daß bei der hin- und rücklaufenden Bewegung keine Abschirmlücken auftre- ^₀ ten. Der Aufwand, der erforderlich ist um die Detektor-Matrix mit den Kollimatoren zu bewegen, ist aber wesentlich geringer als der, der für eine Scanningbewegung des gesamten Detektorkopfes notwendig wäre. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Beschleunigung der Bewegung und damit Verkürzung der Abtastzeit können die Detektor-Matrix mit den Kollimatoren und auch ein Teil der erforderlichen Abschirmung unterteilt werden, wobei die einzelnen Teile gegeneinander bewegt werden. Dabei ^₀ kann die Aufteilung so geschehen, daß die jeweils gegenläufig bewegten Massen möglichst gleich groß sind. Während sich die so aufgeteilten Massen in der Koordinatenrichtung der raschen hin- und rücklaufenden Scanbewegung gegenläufig bewegen, werden sie bei der langsameren Bewegung senkrecht dazu Zeile für Zeile gemeinsam verschoben. Angesichts der relativ geringen Amplituden der Bewegungen kann auch hier der Meßkopf von einer Hülle derart umschlossen werden, daß er nach außen als ruhender, stehender Meßkopf in Erscheinung tritt

Ferner kann ein so aufgebauter Meßkopf die Scanbewegung auch ohne besondere technische Probleme ausführen, wenn er aus der Horizontalen herausgekippt wird, da sich mit den Massen auch die resultierenden Kräfte in Richtung der schiefen Ebene aufheben.

Wie bereits erwähnt wurde bei den Vieldetektorscannern bislang ausschließlich in der Horizontalen gescannt was außerordentlich hinderlich war, wenn &, wegen des Gesundheitszustandes des Patienten oder aus anderen Gründen eine horizontale Lagerung des Patienten unmöglich war.

Während durch die gewählte unterteilte Kristall-Matrix der Abtastweg und damit die Abtastzeit gegenüber den bisher bekannten Scannern reduziert ist so wird durch den Massenausgleich bei sich gegenläufig bewegenden Teilen der Matrix und der Abschirmung eine weitere Steigerung der Abtastgeschwindigkeit und damit eine weitere Verkürzung der Abtastzeit möglich. Wird eine bestimmte zu registrierende Zahl von Meßquanten zugrunde gelegt muß natürlich bei der Steigerung der Abtastgeschwindigkeit die Abtastung so oft wiederholt werden, daß das Produkt aus Abtastzeit und Abtasthäufigkeit konstant bleibt Das aber führt immer mehr zur Annäherung an das Aufnahmeprinzip der Gammakamera, d.h. daß Änderungen in der Aktivitätskonzentration während der Aufnahmezeit immer weniger störend wirken.

In der Praxis hat es sich beim Gebrauch der Gammakamera als sehr vorteilhaft erwiesen, daß eine bestimmte Impulszahl vorgegeben wurde, nach deren Aufzeichnung das Gerät die Aufnahme beendete. Damit war ein wesentlicher Faktor für die Bildqualität vorgegeben. Bei den üblichen Scannern ist dieses Verfahren nicht möglich. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestattet ebenfalls eine Vorwahl der insgesamt zu registrierenden Impulse wie bei der Gammakamera. Es werden dann jeweils die Abtastvorgänge so oft wiederholt bis die gewünschte Bildqualität erreicht ist

Ferner kann durch die dargestellte Anordnung eine schnelle Oszillationsbewegung erzielt werden, was bei sehr schnellen zeitlichen Änderungen der Aktivität pro Volumenelement beispielsweise für die Aufnahme rascher Aktivitätsdurchläufe durch Organe (z. B. beim Durchlauf von markiertem Bengalrosa durch die Leber oder von markierter Hippursäure durch die Niere usw.), sowie zur Ausschaltung der Atmungsunschärfe und für das Abtasten von Substanzen, die mit Isotopen kurzer Halbwertszeit zur Reduktion der Strahlenbelastung des Patienten markiert sind, von Bedeutung ist

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die aus Kristallen bestehende Matrix gegenüber den Abschirmteilen zur Ausführung von hin- und rücklaufenden Bewegungen längsverschiebbar angeordnet sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht ein Schema der hin- und rücklaufenden Bewegung des Detektors,

Fig.2 ebenfalls in Draufsicht eine hin- und rücklaufende Bewegung bei unterteiltem Detektor, *

Fig.3 eine hin- und rücklaufende Bewegung bei * einem mehrfach unterteilten Detektor.

In Fig. 1 sind mit 1 mehrere Kristalle bezeichnet die zu einer Detektor-Matrix zusammengefaßt sind. Diese Detektor-Matrix ist im stationären Meßkopf so angeordnet daß sie einerseits hin- und rücklaufende Bewegungen ausführt, deren Amplitude etwa dem Abstand der Mittelpunkte m der einzelnen Kristalle entspricht Andererseits ist die Matrix einer Vorschubbewegung senkrecht dazu unterworfen, so daß je nach dem Zusammenwirken der beiden Bewegungen verschiedene Abtastmuster erhalten werden, wie sie mit a, b und c bezeichnet sind. Es kann auch, wie ganz links dargestellt eine mäanderförmige Bewegung erzeugt werden. Bei a handelt es sich um ein Zickzackabtastmuster mit spitzen Kanten. Bei b handelt es sich um ein zellenförmiges Abtastmuster mit langsamem Hin- und schnellem Rücklauf oder um einen Hin-Rücklauf mit gleichbleibender Geschwindigkeit Bei c ist die Bewegung überschießend mit »runden Ecken«, um zu große Umlenkbeschleunigungen zu vermeiden. Befindet sich der Fokus außerhalb der gestrichelten Grenzen, so wird der Registriervorgang unterbrochen. Dieses Prinzip ist auch bei dem Bewegungsmuster nach a durchführbar.

Um eine schnelle hin- und rücklaufende Bewegung durchführen zu können, kann die Kristallmatrix, wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt ist, unterteilt werden. Bei den hin- und rücklaufenden Bewegungen müssen nämlich verhältnismäßig große Massen bewegt werden. Wie in Fi g.-2 dargestellt, ist der mittlere Teil 2 des Detektors mit den Kristallen 1 gegenüber den beiden Abschirmteilen 3 beweglich verschiebbar entsprechend dem Pfeil 4 und der entgegengesetzt gerichteten Pfeile 5. Auf diese Weise werden bei der Umkehr der hin- und rücklaufenden Bewegung nur die Gelenke der Führungsglieder

belastet, wobei sich nach außen die Einzelkräfte gegenseitig aufheben, so daß die Vibration dieser nicht unerheblichen Masse relativ leicht zu dämpfen ist.

In Fig.3 ist eine Mehrfachunterteilung vorgenommen. Die beiden Teile 6 und 7 führen dabei hin- und rücklaufende Bewegungen in Richtung der Pfeile 8 aus, während der mittlere Teil 10 und die beiden äußeren Teile 3 hin- und rücklaufende Bewegungen in Richtung der Pfeile 9 ausführen. Damit sind die Bewegungen symmetrisch, wodurch keine Drehmomente am Gesamtdetektor auftreten können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 619/31

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufzeichnung der Anreicherung von radioaktiven Substanzen in Organen für die nuklearmedizinische Lokalisationsdiagnostik unter Verwendung eines aus mehreren Kristallen in Matrizenanordnung bestehenden Detektors, der mit einem Auswertesystem in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor gegenüber den stationären Teilen der Apparatur hin- und rücklauferide Bewegungen ausführt, die eine Amplitude aufweisen, die etwa dem Abstand der Kristallmitten voneinander abzüglich der Halbwertsbreite des Kollimatorfokus entspricht, wobei bei jeder hin- und rücklaufenden Bewegung der Detektor um einen Betrag senkrecht zur Richtung hin- und rücklaufenden Bewegungen verschoben wird, wobei die Gesamtverschiebung dem Abstand der Kristallmitten abzüglich der Halbwertsbreite des Kollimatorfokus entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kristallen (1) bestehende Matrix (2) gegenüber den Abschirmteilen (3) zur Ausführung hin- und rücklaufender Bewegungen längsverschiebbar angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kristallen (1) bestehende Matrix (6, 7, 10) mehrfach unterteilt ist wobei abwechselnd Teile (6,7) der Matrix bei den hin- und rücklaufenden Bewegungen in eine Richtung, während andere Teile (10) mit der Abschirmung (3) in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden.