DE19805894A1 - Incorporated radioactive matter spatial detection for mass exchange process differentiation in nuclear-medical diagnostics and for organ size determination in e.g. thyroid gland radiotherapy - Google Patents
Incorporated radioactive matter spatial detection for mass exchange process differentiation in nuclear-medical diagnostics and for organ size determination in e.g. thyroid gland radiotherapyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur räumlichen Erfassung inkorporierter radioaktiver Präparate. Die hohe Auflösung ermöglicht die Differenzierung von Stoffwechselvorgängen für diagnostische Zwecke und die Bestimmung von Organ größen zum Zwecke der physikalisch-technischen Bestrahlungsplanung vorzugsweise bei der Radiojodtherapie der Schilddrüse.The invention relates to a method and a measuring arrangement for spatial detection incorporated radioactive preparations. The high resolution enables differentiation of metabolic processes for diagnostic purposes and the determination of organ sizes preferably for the purpose of physico-technical radiation planning radioiodine therapy of the thyroid gland.
Die bekannten Meßtechniken (Gammakamera nach dem Anger-Prinzip) zur räumlichen Erfassung inkorporierter radioaktiver Präparate setzen durch die begrenzte Auflösung Grenzen. Befriedigende Ergebnisse mit einer ausreichenden Auflösung für die Diagnose und Therapieunterstützung sind nur bei bestimmten Körperregionen und unter Einhaltung von definierten Randbedingungen zu erlangen. Bei tomographischen Gammakamera systemen ermöglicht die Größe der Detektoren und die notwendige Rotation um das Meßobjekt unter Einbeziehung einer entsprechenden Patientenliege nur am Hirn eine organnahe Aufnahme von Emissionsdaten. Dabei muß der Hals des Patienten so gestreckt werden können, daß die seitliche Abschirmung des Detektorkopfes die Emissionsdaten nicht abdeckt. Noch ungünstigere Abhängigkeiten ergeben sich bei anderen Körperregionen. Emissionstomographische Aufnahmen der Halsregion bzw. von Extremitäten werden hinsichtlich der Auflösung entscheidend von aufnahmetechnischen Parametern wie Breite der Patientenliege bzw. Schulterbreite der Patienten beeinflußt. Zylinderförmige Szintillationsdetektoren, wie sie für Hirnuntersuchungen bereits angeboten werden (Digital Scintigraphics, Inc., 222 Calvary Street, Waltham, MA 02154 USA) und hier die räumliche Auflösung verbessern, sind für weitergehende Anwendungen, beispielsweise zur Datenerfassung in der Halsregion, nicht geeignet. Zylinderförmige Szintillationsdetektoren für Ganzkörperuntersuchungen können derzeit technologisch nicht gefertigt werden.The known measuring techniques (gamma camera according to the Anger principle) for spatial Incorporation of incorporated radioactive preparations is due to the limited resolution Limits. Satisfactory results with sufficient resolution for diagnosis and therapy support are only in certain areas of the body and in compliance to obtain defined boundary conditions. With tomographic gamma camera systems enables the size of the detectors and the necessary rotation around them Test object including a corresponding patient bed only on the brain organic recording of emission data. The patient's neck must be stretched in this way can be that the side shielding of the detector head the emission data not covering. There are even more unfavorable dependencies for others Body regions. Emission tomographic images of the neck region or of Extremities are crucial in terms of resolution from imaging Parameters such as the width of the patient bed or shoulder width of the patient are affected. Cylindrical scintillation detectors, such as those already offered for brain examinations (Digital Scintigraphics, Inc., 222 Calvary Street, Waltham, MA 02154 USA) and here improve the spatial resolution are for more extensive applications, for example for data acquisition in the neck region, not suitable. Cylindrical Technically, scintillation detectors for whole-body examinations are currently unable are manufactured.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Meßanordnung zur räumlichen Erfassung inkorporierter radioaktiver Präparate zu schaffen, die durch höhere Auflösung sowohl die Differenzierung von Stoffwechselvorgängen als auch die Bestimmung von Organgrößen zum Zwecke der physikalisch-technischen Bestrahlungs planung ermöglicht.The object of the invention is to provide a method and a measuring arrangement for to create spatial coverage of incorporated radioactive preparations by higher resolution both the differentiation of metabolic processes as well Determination of organ sizes for the purpose of physical-technical radiation planning enables.
Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 bezeichnete und in den Ansprüchen 2 bis 5 weiter ausgeführte Verfahren und durch die im Anspruch 6 bezeichnete und in den Ansprüchen 7 bis 15 weiter ausgeführte Meßanordnung gelöst.The object is achieved by what is stated in claim 1 and in claims 2 to 5 further executed method and by the designated in claim 6 and in the Claims 7 to 15 further executed measuring arrangement solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß man einen muldenförmigen Kollimator mit an Kollimatorkanälen angeordneten Detektoren zur Erfassung der Dosis oder der Impulsdichte der Radiopharmaka-Strahlung eines Meßobjektes hautnah am Patienten anordnet. Die vom Meßobjekt emittierte Strahlung erfaßt man durch die Detektoren, die so ausgerichtet sind, daß jedes Volumenelement des Meßobjektes mit mindestens drei Meßstrahlen überdeckt wird. Die von den Detektoren gemessenen Daten werden rückprojiziert. Es schließt sich eine iterative Rekonstruktion an, wobei der Datensatz abstand- und schwächungskorrigiert wird. Der so ermittelte Volumen datensatz wird zur weiteren Bildverarbeitung des Meßobjektes eingesetzt.The inventive method is characterized in that one trough-shaped collimator with detectors arranged on collimator channels Detection of the dose or the pulse density of the radiopharmaceutical radiation Arrange the test object close to the patient. The radiation emitted by the measurement object is detected by the detectors, which are aligned so that each volume element of the The object to be measured is covered with at least three measuring beams. The one from the detectors measured data are back-projected. An iterative reconstruction follows whereby the data set is corrected for distance and attenuation. The volume determined in this way data set is used for further image processing of the measurement object.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens fährt man entweder den Kollimator schrittweise um das Meßobjekt oder dreht das Meßobjekt schrittweise vor dem Kollimator. Zwischen jedem Schritt wird mittels der Detektoren die vom Meßobjekt emittierte Strahlung erfaßt.In a further embodiment of the method, the collimator is either driven step by step around the measurement object or rotates the measurement object step by step in front of the collimator. Between Each step is used to detect the radiation emitted by the test object by means of the detectors.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn man die emittierte Strahlung des Meßobjektes mittels der Detektoren in mehreren Ebenen durch Verschieben des Kollimators im Bezug auf das Meßobjekt oder mit einem aus mehreren Ebenen bestehenden Kollimator erfaßt.Furthermore, it is advantageous if the emitted radiation of the test object by means of the Detectors in several levels by moving the collimator in relation to the Object to be measured or with a collimator consisting of several levels.
Schließlich ist es günstig, wenn man die Kollimatorkanäle des muldenförmigen Kollimators so zueinander ausrichtet, daß die durch die Kollimatorkanäle einer abgewinkelten Seiten fläche des Kollimators verlaufenden Zentralstrahlen parallel zueinander verlaufen und die Zentralstrahlen der Kollimatorkanäle einer Fläche sich mit denen der übrigen Flächen in einer Vielzahl von gemeinsamen Schnittpunkten treffen.Finally, it is beneficial to have the collimator channels of the trough-shaped collimator so aligned to each other that the angled sides through the collimator channels Central rays running parallel to each other and the surface of the collimator Central rays of the collimator channels of one surface coincide with those of the other surfaces meet a variety of common intersections.
Die erfindungsgemäße Meßanordnung besteht aus einem muldenförmiger Kollimator, der zweifach so abgewinkelt ist, daß er ein Meßobjekt vollständig oder teilweise und hautnah umschließt. Die sich durch das Abwinkeln ausbildenden drei Flächen weisen eine von der Ausdehnung des Meßobjektes und der angestrebten Auflösung abhängige Anzahl von Kollimatorkanälen auf. An den Enden der Kollimatorkanäle sind Detektoren zur Erfassung der Radiopharmaka-Strahlung angeordnet. Die Kollimatorkanäle selbst sind so zueinander ausgerichtet, daß die Kollimatorkanäle einer Fläche parallel zueinander verlaufen und daß die Zentralstrahlen der Kollimatorkanäle der drei Flächen ein Netz gemeinsamer Schnittpunkte bilden. Die Detektoren sind mit einer Einrichtung zur Meßwertaufnahme, Meßwertbearbeitung und Meßwertauswertung verbunden. Im folgenden wird die Meßanordnung weiter vorteilhaft ausgestaltet. Insbesondere zur Verkürzung der notwendigen Meßzeit sind die Detektoren in mehreren Ebenen überein ander angeordnet.The measuring arrangement according to the invention consists of a trough-shaped collimator, which is angled twice so that it completely or partially and encloses up close. The three surfaces formed by the angling have one number dependent on the extent of the measurement object and the desired resolution of collimator channels. Detectors are located at the ends of the collimator channels Detection of the radiopharmaceutical radiation arranged. The collimator channels themselves are like this aligned to each other, that the collimator channels of a surface parallel to each other and that the central rays of the collimator channels of the three surfaces form a network form common intersection points. The detectors are equipped with a device for Measured value recording, measured value processing and measured value evaluation connected. In the following, the measuring arrangement is further advantageously configured. Especially for Shortening the necessary measurement time, the detectors are on several levels arranged differently.
Die Seitenflächen des muldenförmigen Kollimators sind in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Meßobjekt in einem Winkel von 30° bis 90°, vorzugsweise in einem Winkel von 60°, angestellt.The side surfaces of the trough-shaped collimator are dependent on that investigating test object at an angle of 30 ° to 90 °, preferably at an angle of 60 °.
Die Septen zwischen den Kollimatorkanälen absorbieren schräg einfallende Strahlung mindestens zu 80%. Dazu treffen sich die durch die Kollimatorkanäle der Seitenflächen gehenden Zentralstrahlen mit den Zentralstrahlen der Koilimatorkanäle der gegenüber liegenden Seite in einem Winkel zwischen 130° und 180°, vorteilhaft in einem Winkel 150° bis 155°.The septa between the collimator channels absorb obliquely incident radiation at least 80%. To do this, they meet through the collimator channels on the side surfaces going central rays with the central rays of the Koilimator channels of the opposite lying side at an angle between 130 ° and 180 °, advantageously at an angle of 150 ° up to 155 °.
Als Detektor sind entweder ein aus mehreren Ebenen bestehendes Szintillationskristall system mit wenigstens jeweils drei Reihen angeordneter Sekundärelektronenvervielfacher oder ein Mikroszintillationssystem mit Glasfaserkopplung zur Auswerteelektronik oder Halbleiterdetektoren eingesetzt.Either a scintillation crystal consisting of several levels is used as the detector system with at least three rows of arranged secondary electron multipliers or a microscintillation system with fiber optic coupling to the evaluation electronics or Semiconductor detectors used.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Meßanordnung ermöglichen die räumliche Erfassung inkorporierter radioaktiver Präparate mit hoher Auflösung. Das wird erreicht durch eine Vielzahl von Meßpunkten, die in mehreren Ebenen hautnah um das Meßobjekt gelegt sind. In Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Organ läßt sich die Meßanordnung durch Veränderungen in der Gestaltung des Kollimators anpassen. Die Auflösung hängt direkt vom Öffnungswinkel der Kollimatorkanäle und von der Dicke der Septen ab. Der Öffnungswinkel der Kollimatorkanäle, an dessen Enden die Detektoren angeordnet sind, ist abhängig vom Durchmesser und der Länge der Kanäle. Nach Erfassung von Dosiswerten bzw. Impulsdichten aus einer Projektion beginnt die Rekonstruktion. Weitere Projektionen innerhalb der 360° Geometrie werden zur Rekonstruktion verwendet. Bleibt der entstehende Volumendatensatz bei Hinzufügen von weiteren Projektionsdaten nahezu unverändert, kann die weitere Meßwertaufnahme abgebrochen werden. Zur Bildauswertung steht nun ein dreidimensionaler Datensatz zur Verfügung.The method according to the invention and the measuring arrangement enable spatial Detection of incorporated radioactive preparations with high resolution. That is achieved through a multitude of measuring points, which are close up around the measuring object in several planes are laid. Depending on the organ to be examined, the Adjust the measuring arrangement by changing the design of the collimator. The Resolution depends directly on the opening angle of the collimator channels and on the thickness of the Septa from. The opening angle of the collimator channels, at the ends of which the detectors are arranged depends on the diameter and the length of the channels. After Acquisition of dose values or pulse densities from a projection begins Reconstruction. Further projections within the 360 ° geometry become Reconstruction used. The resulting volume data record remains when adding further projection data almost unchanged, the further measured value recording can be canceled. A three-dimensional data set is now available for image evaluation Available.
Mit dem Verfahren und der Meßanordnung können sowohl Datensätze als Voraussetzung für eine physikalisch-technische Bestrahlungsplanung, z. B. für die Radiojodtherapie der Schilddrüse, gewonnen werden als auch Schnittbilder für diagnostische Zwecke, z. B. der Extremitäten, erzeugt werden.With the method and the measuring arrangement, both data sets can be used as a requirement for a physical-technical radiation planning, e.g. B. for radio iodine therapy Thyroid gland can be obtained as well as sectional images for diagnostic purposes, e.g. B. the Extremities.
Der hohe Grad der räumlichen Auflösung ermöglicht die Differenzierung von Stoffwechsel vorgängen und die Bestimmung von Organgrößen zum Zwecke der physikalisch technischen Bestrahlungsplanung vorzugsweise bei der Radiojodtherapie der Schilddrüse. Bei extrem körpernaher Datenerfassung gestattet die Meßanordnung Ortsauflösungen von besser als 5 mm nach der tomographischen Rekonstruktion. Damit ist die Meßanordnung auch zur nuklearmedizinischen Diagnostik der Extremitäten und Gelenke zu nutzen. Es wird eine mindestens um den Faktor 2 bessere tomographische Auflösung erreicht als mit den bisher im Einsatz befindlichen bildgebenden Systemen der nuklearmedizinischen SPECT-Kameras.The high degree of spatial resolution enables the differentiation of metabolism processes and the determination of organ sizes for the purpose of physically technical radiation planning, preferably for radioiodine therapy of the thyroid gland. In the case of data acquisition that is extremely close to the body, the measuring arrangement permits spatial resolutions of better than 5 mm after the tomographic reconstruction. So that is the measuring arrangement can also be used for nuclear medicine diagnostics of the extremities and joints. It the tomographic resolution is at least better by a factor of 2 than with the imaging systems of nuclear medicine used up to now SPECT cameras.
Durch Erzeugung von Schnittbildern können die Aktivitätsanreicherungen räumlich zugeordnet werden, Volumenbestimmungen bis in Bereiche von 0.5 ml vorgenommen werden. Damit ist eine entscheidende Voraussetzung für eine Bestrahlungsplanung bei Applikation offener radioaktiver Präparate zur therapeutischen Anwendung gegeben. Die Herdgröße in hoher räumlicher Auflösung in Verbindung mit dem Stoffwechsel parameter "uptake" (prozentuale Anreicherung der applizierten Aktivität) und der effektiven Halbwertszeit gestatten nun, eine der jeweiligen Erkrankung entsprechende Strahlungsdosis im Herd zu realisieren, da es nun möglich ist, das stoffwechselaktive Organvolumen vom weniger aktiven abzugrenzenBy creating sectional images, the activity enrichments can be spatially volume determinations are made up to the range of 0.5 ml become. This is a crucial prerequisite for radiation planning Application of open radioactive preparations for therapeutic use. The stove size in high spatial resolution in connection with the metabolism parameter "uptake" (percentage enrichment of the applied activity) and the effective half-life now allow one corresponding to the respective disease Realize radiation dose in the hearth, since it is now possible to metabolically active Differentiate organ volume from less active
Das folgende Ausführungsbeispiel erläutert das Verfahren und die Meßanordnung weiter. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines Kollimators mit einge zeichneter Lage der Zentralstrahlen der Kollimatorkanäle. Der Patient wird in liegender oder sitzender Position an der Meßanordnung plaziert. Mittels Ultraschallvoruntersuchung wird die räumlichen Ausdehnung der Schilddrüse bestimmt und damit die Ausrichtung der Meßanordnung zum Hals für die Meßwert aufnahme festgelegt. Der Untersuchende wählt die Anzahl der Winkelschritte und die Meßzeit pro Winkelschritt für die räumliche Abtastung des Meßobjektes. Die Anzahl der Schnittpunkte der Zentralstrahlen innerhalb der Meßgeometrie bestimmt die räumliche Auflösung. Reichen die aufgenommenen Projektionsdaten für die Rekonstruktion aus, wird die Meßwertaufnahme unterbrochen.The following exemplary embodiment explains the method and the measuring arrangement further. The figure shows the schematic structure of a collimator the position of the central rays of the collimator channels. The patient is placed on the measuring arrangement in a lying or sitting position. The spatial expansion of the thyroid gland is determined by means of an ultrasound examination determined and thus the alignment of the measuring arrangement to the neck for the measured value recording determined. The examiner chooses the number of angular steps and the Measuring time per angular step for the spatial scanning of the measurement object. The number the intersection of the central rays within the measurement geometry determines the spatial resolution. Are the recorded projection data sufficient for the Reconstruction, the measurement recording is interrupted.
Zur Rekonstruktion wird eine modifizierte Variante der Simultanen Iterativen
Rekonstruktions-Technik (SIRT) angewendet. Dieses Verfahren untergliedert sich in
drei Schritte:
A modified variant of the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) is used for the reconstruction. This process is divided into three steps:
-
1. Unterteilung des Bildraumes in M Zellen (Zellengröße entspricht der gewünschten
Auflösung und ist noch von der Detektorkonfiguration abhängig) und Erzeugung eines
Startmodells (Backprojektion). Bei der Backprojektion wird von der Voraussetzung
ausgegangen, daß alle Zellen, die einen Beitrag zum Meßwert Wj des Detektors j
liefern können, die gleiche Intensität a besitzen. Der Parameter a ergibt sich dann aus
dem Meßwert Wj:
Sij ist die Sensitivität für die i-te Zelle und den j-ten Detektor. In ihr gehen Dämpfung, Detektorcharakteristik (Strahlbreite) und Divergenz ein. Sij ist für alle Zellen 0, die keinen Beitrag zum Meßwert Wj liefern, also nicht auf der Geraden bzw. im Strahlenbündel ausgehend vom Detektor liegen. Das Ergebnis dieser modifizierten Backprojektion ist eine erste unscharfe Intensitätsverteilung, die durch die folgenden iterationsschritte verbessert wird. 1. Subdivision of the image space into M cells (cell size corresponds to the desired resolution and still depends on the detector configuration) and generation of a start model (back projection). The back projection assumes that all cells that can contribute to the measured value W j of the detector j have the same intensity a. The parameter a then results from the measured value W j :
S ij is the sensitivity for the i-th cell and the j-th detector. Attenuation, detector characteristics (beam width) and divergence are included. S ij is 0 for all cells that do not make any contribution to the measured value W j , ie are not on the straight line or in the beam starting from the detector. The result of this modified back projection is a first unsharp intensity distribution, which is improved by the following iteration steps. -
2. Um die aktuelle Verteilung zu korrigieren, wird zunächst eine Vorwärtsmodellierung
durchgeführt, d. h. es wird ein theoretischer Meßwert für jeden Detektor aus dieser
aktuellen Verteilung berechnet:
2. In order to correct the current distribution, a forward modeling is first carried out, ie a theoretical measured value for each detector is calculated from this current distribution:
-
3. Aus den Differenzen zwischen den unter 2. erhaltenen theoretischen und den
tatsächlich gemessenen Werten werden Korrekturen bestimmt, die für jede Zelle aus
allen Detektorpositionen (ähnlich wie bei der Backprojektion) unter Berücksichtigung
der entsprechenden Sensitivitäten berechnet werden. Es wird ebenfalls vorausgesetzt,
daß der Korrekturwert für alle Zellen, die am Zustandekommen des Meßwertes beteiligt
sein können, konstant ist:
Die aktuelle Parameterverteilung wird dann mit diesen Korrekturwerten verbessert:3. Corrections are determined from the differences between the theoretical and actually measured values obtained under 2. These are calculated for each cell from all detector positions (similar to the back projection) taking into account the corresponding sensitivities. It is also assumed that the correction value is constant for all cells that can be involved in the creation of the measured value:
The current parameter distribution is then improved with these correction values:
Danach werden die Schritte 2. und 3. solange wiederholt, bis die mittlere quadratische Abweichung zwischen theoretischen und tatsächlichen Meßwerten eine vorgegebene Schranke unterschreitet.Then steps 2 and 3 are repeated until the middle square Deviation between theoretical and actual measured values a given one Barrier falls below.
Der zur Meßanordnung gehörende spezielle Kollimator (siehe Abbildung) ermöglicht eine richtungsorientierte Aufnahme und Überdeckung für eine verzerrungsfreie 3D- Darstellung. Der Kollimator ist sowohl an die Körperform des Patienten als auch an die technischen Erfordernisse der Meßwerterfassung angepaßt. Die Anzahl der Kollimator kanäle, der Durchmesser und die Länge der Kanäle sowie deren Richtungsorientierung haben einen entscheidenden Einfluß auf die erreichbare räumliche Auflösung als eine Voraussetzung für die physikalisch-technische Bestrahlungsplanung. Die Anzahl der Kollimatorkanäle und deren Schnittpunkte haben Einfluß auf die Anzahl der Winkelschritte der Abtastung.The special collimator belonging to the measuring arrangement (see figure) enables a direction-oriented image and coverage for a distortion-free 3D Presentation. The collimator is both on the patient's body shape as well as on the adapted to the technical requirements of data acquisition. The number of collimators channels, the diameter and length of the channels and their directional orientation have a decisive influence on the achievable spatial resolution as one Prerequisite for the physical-technical radiation planning. The number of Collimator channels and their intersections have an influence on the number of Angular steps of the scan.
Die Meßwerterfassung erfolgt mittels Mikroszintillatoren, Glasfaserkabel und Auswerte elektronik oder durch mehrere flächig zueinander angeordnete NaJ(TI)-Einkristalle mit Sekundärelektronenvervielfachern und Auswerteelektronik bzw. mit Halbleiter detektoren.The measured value is recorded using microscintillators, fiber optic cables and evaluations electronics or through several flat NaJ (TI) single crystals Secondary electron multipliers and evaluation electronics or with semiconductors detectors.
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| DE (1) | DE19805894C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4136283A (en) * | 1973-07-18 | 1979-01-23 | Blum Alvin S | Tomographic apparatus and method |
| US4774410A (en) * | 1987-09-02 | 1988-09-27 | Siemens Gammasonics, Inc. | Asymmetric S.P.E.C.T. collimator which surrounds the patient |
| EP0459253A1 (en) * | 1990-05-18 | 1991-12-04 | Politechnika Gdanska | A ship, in particular a ro-ro ship |
| DE19723649A1 (en) * | 1996-06-06 | 1997-12-11 | Smv Int | Collimator for medical gamma-ray examination system |
-
1998
- 1998-02-13 DE DE1998105894 patent/DE19805894C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19805894C2 (en) | 2003-06-05 |
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