ES2206924T3 - Dispositivo con gamma-camara miniaturizada con resolucion espacial muy elevada. - Google Patents
Dispositivo con gamma-camara miniaturizada con resolucion espacial muy elevada.Info
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Abstract
LA CAMARA GAMMA MINIATURIZADA TIENE TODAS LAS FUNCIONES ESPECIFICAS DE LAS CAMARAS GAMMA, CON UNA RESOLUCION ESPACIAL SUMAMENTE ELEVADA (APROXIMADAMENTE 1-2 MM) Y DIMENSIONES DE UNOS 22 X 22 MM DE SUPERFICIE ACTIVA Y UN TAMAÑO TOTAL DE UNOS 35 X 35 MM, DE MANERA QUE PUEDEN CABER EN LAS MANOS DEL CIRUJANO Y PODERSE MANEJAR CON ABSOLUTA FACILIDAD.
Description
Dispositivo con \gamma-cámara
miniaturizada con resolución espacial muy elevada.
La presente invención se refiere a un dispositivo
con gamma-cámara miniaturizada con una resolución
espacial muy elevada para la localización de tumores, para el uso
en diagnóstico externo o para utilizar durante operaciones
quirúrgicas.
Es muy sabido que para extirpar quirúrgicamente
un tumor, el cirujano necesita localizarlo y a tal efecto
normalmente usa los resultados obtenidos con los sistemas de
diagnóstico empleados para identificar el mismo tumor (radiografía,
TAC, NMR, escintigrafía).
Sin embargo, al momento de la cirugía, después de
"abrir" la parte, el cirujano todavía puede tener necesidad
de localizar mejor el punto a cortar y extirpar y, por
consiguiente, puede ser ayudado por la denominada "sonda
quirúrgica", después de haber inyectado dentro del paciente un
producto radiofármaco que tiene la particularidad de fijarse
preferentemente en células tumorosas, detecta las radiaciones gamma
emitidas por el radioisótopo, presente en las moléculas del
producto farmacéutico, por medio de una sonda del tipo de un
contador GEIGER-MULLER.
La sonda es sensible a la radiación gamma de
manera de brindar señales analógicas proporcionales a la
concentración de radioisótopos detectada. Las señales detectadas
son convertidas en señales digitales proporcionando una escala
luminosa o acústica proporcional a la intensidad de la señal. El
límite está constituido por la imposibilidad de proporcionar una
imagen en tiempo real, mas de proporcionar sólo la visualización de
los cómputos en áreas de interés.
Las gamma-cámaras que existen en
la actualidad muchas veces tienen áreas muy grandes y no son muy
fáciles de manejar durante las operaciones quirúrgicas, en vía
intraoperatoria. A tal efecto, por lo tanto, como alternativa se
usan sondas quirúrgicas que pueden localizar los tumores pero que
no están en condiciones de visualizar las áreas de captación y, por
ende, efectuar una formación de imagen para describir la situación
bajo examen.
Por ejemplo, si un linfonodo peritumoral se ha
agrandado y antes de la operación se han inyectado anticuerpos
anti-CEA, la sonda se pone cerca del linfonodo: si
la radioactividad es intensa, entonces el linfonodo es claramente
invadido por células neoplásticas que expresan CEA. Las sondas de
última generación (patente de invención de CNR N° RM95A000451 del
13 de Julio de 1.995 y correspondiente solicitud de patente de
invención EPO n° 96924120.7 - Solicitud de patente de invención
estadounidense N° 08/983.148) en parte ya están en condiciones de
expresar bien la localización de pequeños tumores en base a la tasa
de los cómputos que provienen de las áreas de interés. La falta de
una formación de imagen asociada a la situación descrita arriba,
sin embargo, no le facilita al cirujano actuar con total certeza en
la identificación de las partes a extirpar. Por otro lado, las
gamma-cámaras usadas en cirugía
radio-inmuno guiada no son fáciles de manejar para
permitir alcanzar zonas muy pequeñas ubicadas entre órganos, para
visualizar en tiempo real la formación de posibles neoplásticos y
la confirmación de su total eliminación después de la operación
quirúrgica para su extirpación. Asimismo, la publicación "Nuclear
instruments & Méthods in Physics Research", A
378(1.996) del 16 de Febrero (páginas
612-619), publica tres creadores portátiles de
imágenes de rayos gama de elevada energía para aplicaciones en la
industrial nuclear para la formación de imágenes. El estenoscopio
RMD usa un colimador de plomo con agujero puntual y un detector BGO
segmentado visualizado por un tubo fotomultiplicador sensible a la
posición (PSPMT) cuadrado de 3 pulgadas que convierte los eventos
de centelleo en pulsos eléctricos. Las señales de salida son
enviadas a una tarjeta de interfaz del PSPMT y se usa un software
para la interfaz de PSPMT para generar un mapa de dos dimensiones
de las posiciones de interacción. La cámara fija colimada de
orificios múltiples (FMCC) usaba un colimador de orificios
múltiples y una lámina continua de detector NaI(TI)
visualizada por el mismo PSPMT. La cámara rotativa colimada de
orificios múltiples (RMCC) usaba un colimador antisimétrico de
modulación por rotación y un detector CsI(TI) acoplado a los
fotodiodos de silicio PIN.
También se conoce una
gamma-cámara pequeña y económica a partir de "The
Conference Record of the Nuclear Science Symposium" (Anaheim,
EE.UU., 2-9, 1.996, páginas
1.196-1.200) que presenta un documento de Majewski
S. et al. intitulado "Development of a Gamma Radiation Imaging
Detector based on a GSO Crystal Scintillator and a Position
Sensitive PMT" (Desarrollo de un Detector de Formación de
Imágenes por Radiación Gama basado sobre un Escintilador de Cristal
GSO y un PMT sensible a la posición). Tal documento publica un
detector de formación de imágenes mediante rayos gamma para usar en
el campo de pequeños animales y específicas aplicaciones médicas de
formación de imágenes. El detector de formación de imágenes por
rayos gamma comprende alternativamente un único PMT sensible a la
posición Hamamatsu® R3292 de 5'' de diámetro o un único PMT
sensible a la posición Hamamatsu® R3941 cuadrado de 3''; ambos
tienen estructura de malla dínodo paralela de proximidad focalizada
y ánodos de hilos cruzados en las coordenadas "x" e "y".
Los dos tipos de fotomultiplicadores estaban acoplados a una placa
escintiladora de cristal GSO puesta a disposición por Hitachi®.
El objetivo de la presente invención es el de
obtener un verdadero sistema para formación de imágenes
miniaturizado sensible a la radiación gamma, de tamaño reducido,
que se pueda usar también para diagnósticos externos de tumores de
pequeñas dimensiones (por ejemplo tumores melánicos de la piel,
exámenes de la tiroides, etc.), de manera tal que las dimensiones
reducidas puedan permitir la total facilidad de manejo del
dispositivo que puede ser tenido en la palma de una mano, tenga un
peso extremadamente reducido con la capacidad de visualizar áreas
de interés difíciles de alcanzar (entre órganos). El uso de
detectores pequeños (áreas de aproximadamente 3 x 3 cm^{2}) en
condiciones de detectar acumulaciones de radioactividad con la
resolución de aproximadamente 2 mm, por lo tanto, son aplicables en
este caso.
En la caracterización radioisotópica de
melanomas, y en general de tumores de la piel, el uso de tales
detectores de alta resolución espacial es sumamente útil: la lesión
sospecha se puede identificar fácilmente con un examen físico, por
lo tanto el detector puede ser colocado en la ubicación de la
lesión sospecha y proporcionar un mapa de captación, con una
respuesta que groseramente se puede prever como SÍ/NO.
La misma línea de razonamiento se aplica para los
linfonodos axilares o inguinales.
El dispositivo según la presente invención
comprende un Fotomultiplicador Sensible a la Posición (PSPMT) de
última generación acoplado con una matriz de cristales de
centelleo, cada elemento teniendo un área de 2x2 mm^{2} (o
menor), un colimador de la misma forma y área que los cristales,
acoplado con un circuito electrónico adecuado para procesar las
señales provenientes del fototubo y un software de procesamiento
para la visualización en tiempo real de las áreas de interés. Los
cristales de centelleo, todos en matriz, pueden ser de
NaI(TI), CsI(TI) u otro cristal de centelleo.
Para lograr su cometido, la presente invención
tiene por objeto una gamma-cámara miniaturizada con
alta resolución espacial, en condiciones de ser usada durante
operaciones quirúrgicas y como dispositivo de diagnóstico externo,
con la posibilidad de detectar zonas del tejido invadidas por
tumores de área pequeña. Otras características y ventajas de la
presente invención se pondrán aún más de manifiesto a partir de la
descripción que sigue con referencia a los dibujos anexos,
proporcionados a título ejemplificador y no limitativo, en los
cuales:
- la figura 1 es una vista amplificada del
dispositivo donde están indicadas las partes que lo componen;
- la figura la muestra el detalle del bloque de
detección;
- la figura 2 muestra el detalle del
colimador;
- la figura 3 muestra la matriz de los cristales
de centelleo;
- la figura 4 muestra la forma del
encamisado;
- la figura 5 muestra el diagrama del
fotomultiplicador y sus dimensiones;
- la figura 6 muestra el mecanismo de
multiplicación de los electrones en el fotomultiplicador (dínodos
de canales metálicos);
- la figura 7 muestra el diagrama de bloques
electrónico exigido para el funcionamiento de la
gamma-cámara;
- las figuras 8a y 8b muestran el diagrama de
funcionamiento de los amplificadores operacionales;
- la figura 8 muestra un detalle del diagrama de
bloques de funcionamiento de los amplificadores operacionales;
- la figura 9 muestra detalles del mecanismo de
procesamiento de las señales;
- la figura 10 muestra un diagrama de bloques de
los circuitos electrónicos y de las señales de salida hacia una
computadora personal.
Con referencia a las figuras, se muestra la nueva
gamma-cámara, que comprende:
- un colimador (1) hecho de Plomo o metal de alto
Z (tal como W, Au, etc.) en condiciones de dejar pasar sólo las
radiaciones gama según el ángulo sólido que pasa a través de sus
orificios. En una realización práctica dicho colimador presenta un
tamaño igual a un paralelepípedo con un lado de 30 mm y una altura
de 30 mm o superior;
- un cristal de centelleo (2) hecho de
NaI(TI) (Yoduro de sodio dopado de Talio) sensible a las
radiaciones gamma con un campo de energía comprendido entre unos
pocos keV y 1 MeV, con un tamaño general igual a un cuadrado con un
lado igual a 22 mm o superior;
- un encamisado (3) constituido por un
revestimiento de material inerte en condiciones de ser esterilizado
en la parte a introducir en el paciente, constituido por un
paralelepípedo con un lado de 35 mm y una longitud comprendida
entre 50 y 80 mm o más;
- un fotomultiplicador (4), en condiciones de
recolectar la señal óptica producida por el cristal de centelleo y
amplificada a una señal eléctrica. Dicho fotomultiplicador es de un
tipo compacto que comprende once delgados dínodos de canales
metálicos encapsulados en un contenedor que tiene una altura total
de aproximadamente 30 mm, tal como se puede ver en la figura 5, y
en condiciones de ser sensible a la posición con un sistema
multiánodo de recolección de carga. Posteriormente, las ocho
señales que salen de los fototubos multiplicadores son enviadas a
ocho preamplificadores (5). Para obtener la suma de los pulsos que
salen de los preamplificadores se usa una electrónica
simplificada.
Las figuras 8a y 8b muestran un sistema de ocho
preamplificadores (5) compuesto por cuatro ánodos de hilo para
determinar la posición en el eje X y cuatro ánodos de hilo para la
posición en el eje Y. El sistema electrónico para leer la carga
recolectada en los ánodos se realiza por medio de ocho
preamplificadores (5) independientes. Posteriormente, los pulsos
son enviados a un bloque de amplificadores operacionales (8) que
lleva a cabo las operaciones hardware sobre las señales de
entrada.
Con respecto al mecanismo de procesamiento de las
señales, con referencia a la figura 9, del bloque operacional (8)
salen tres señales que luego entran en tres convertidores
analógicos-digitales. Más exactamente, el
convertidor (9) representa el valor de la energía del fotón que
interactúa; el convertidor (10) representa el centroide para la
coordenada X de la posición del fotón y el convertidor (11)
representa el centroide de la coordenada Y del fotón.
Con referencia a la figura 10, la salida de las
señales de los tres convertidores son enviadas a una tarjeta de
control de adquisición de datos y luego a una computadora personal.
Las señales relacionadas a cada coordenada de los ejes X e Y
respectivamente están conectadas a un dispositivo operacional
analógico que permite simultáneamente efectuar operaciones de suma
de las cuatro señales para X y de las cuatro señales para Y. Para
la determinación de la coordenada X y para la coordenada Y, el
centroide es calculado respectivamente sólo a través de dos
convertidores. Esta solución de calculo hardware para el centroide
de distribución de cargas permite minimizar los datos a digitalizar
y transmitir a la computadora. El punto crucial para la gestión de
datos es la velocidad de transferencia a la computadora que por
motivos de reducción de costos se debe realizar usando
computadoras, sistemas operativos e interfaces estándares de bajo
costo. Asimismo, durante la adquisición la computadora deberá estar
en condiciones de presentar la imagen "casi" en tiempo real.
Además de tener la capacidad de determinar la posición del fotón
incidente, también deberá poder determinar su energía sumando la
señal que sale del convertidor (9) que contiene la información de
la carga liberada a la señal de centelleo. De esta manera será
posible eliminar todos esos eventos provocados por dispersión de la
radiación que se suman en la imagen final del examen realizado. Con
una apropiada ventana de energía, será posible corregir la imagen
completa del "fondo", reduciendo el ruido provocado por
interacciones simples o múltiples en el tejido corpóreo. De esta
manera, la ventana de energía discriminará sólo los fotones de una
dada energía característica del trazador utilizado. El software de
corrección permitirá en tiempo real la visualización de la
adquisición de información enviada por una tarjeta apropiada que
está conectada directamente a los convertidores de señal.
Toda la gamma-cámara está
revestida, por lo que se refiere al encamisado (3), con material
inerte y esterilizable, tal como se ha descrito y, por lo que se
refiere a la otra parte que queda fuera del paciente, con un
paralelepípedo con un lado de 35 mm y una longitud variable entre
40 y 80 mm o más.
Un adecuado software de presentación está en
condiciones de brindar la visualización de la información como
imágenes de captación de los trazadores inyectados en el paciente,
con la misma representación típica de gamma-cámaras
de área grande.
Moviendo la gamma-cámara en
proximidad de regiones de interés dentro del cuerpo del paciente,
que ha sido inyectado con un producto radiofármado capaz de fijarse
preferentemente en células tumorales y en condiciones de emitir
radiaciones gama de una energía en el intervalo de unos pocos keV a
1 MeV, el cirujano estará en condiciones de localizar el tumor
identificando el área de máxima señal (emisión de radiación gama)
con una resolución espacial de unos pocos milímetros.
Esto le permite al cirujano intervenir con suma
certeza y precisión, únicamente en el área específica afectada por
el tumor, reduciendo así daños quirúrgicos y riesgo para el
paciente.
La alta sensibilidad de la
gamma-cámara, además, permite usar radiofármacos a
diferentes energías y ofrece la posibilidad de marcar anticuerpos
específicos para determinados tumores con diferentes radioisótopos,
comúnmente usados en medicina nuclear.
En posibles variantes de la invención, la
gamma-cámara miniaturizada puede presentar, como
cristal de centelleo, una matriz de cristales CsI(Na), donde
los cristales individuales tienen una sección de aproximadamente 1
mm x 1 mm y como quiera que sea comprendida entre 0,5 mm x 0,5 mm y
3 mm x 3 mm y donde los cristales individuales están ópticamente
separados entre sí, y la zona de separación entre dos cristales
tiene un espesor de aproximadamente 0,1 mm y como quiera que sea
comprendido en un intervalo que va de 3 micrones a 0,5 mm.
Asimismo, también se pueden usar como cristales de centelleo los
cristales de NaI(TI), CsI(TI), SGO, LSO, YAP:Ce,
etc..
En otra variante, el fotomultiplicador puede ser
reemplazado por uno análogo que tenga un mayor número de dínodos y
un número más alto de hilos anódicos para recolección de carga.
Como consecuencia de ello, la electrónica también se modifica por el
mismo principio descrito arriba, en proporción a la cantidad de
salidas del fotomultiplicador.
También se puede variar las dimensiones del
fotomultiplicador usado, logrando mayores dimensiones pero siempre
tales que puedan ser consideradas miniaturizadas con respecto a una
gamma-cámara tradicional y tales que permitan su
uso para las finalidades propuestas. El principio de la invención
es el de obtener un dispositivo que permita el uso de un único
fotomultiplicador para el cálculo de la posición de los fotones
emitidos, contrariamente a las gamma-cámaras de
grandes áreas que hacen uso de múltiples fotomultiplicadores para
lograr el mismo propósito.
Las dimensiones generales pueden cambiar, siempre
quedando extremadamente reducidas y tales de permitirle al
cirujano mover el instrumento manualmente de manera simple y
precisa.
Obviamente, por otro lado, los detalles
constructivos y las formas de actuación pueden variar ampliamente
con respecto a lo que se ha descrito y mostrado a título
ejemplificador, sin por ello apartarse del alcance de la presente
invención tal como está definido en las reivindicaciones.
Claims (13)
1. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada con una muy alta resolución espacial para la
localización de tumores y que se puede usar para diagnóstico
externo y se puede usar teniéndolo en la mano durante operaciones
quirúrgicas, que comprende:
- una cámara manual que presenta:
* un colimador (1) de rayos gama,
* un cristal de centelleo (2), que produce una
señal óptica cuando es chocado por un rayo gama, el cristal
estando dispuesto adyacente a un extremo del colimador (1),
* un tubo fotomultiplicador (4) adyacente al
cristal opuesto al colimador de rayos gamma, el tubo
fotomultiplicador transduciendo la señal óptica en una señal
eléctrica sobre al menos uno de una pluralidad de hilos de
recolección individuales, la pluralidad de hilos de recolección
individuales comprendiendo un sistema multiánodo de recolección de
carga no menor que cuatro hilos de recolección para la
determinación de una posición en Y en el eje X y no menor que
cuatro hilos de recolección para la determinación de una posición
en Y en el eje Y,
* una pluralidad de preamplificadores (5) de
señal, cada uno conectado para la amplificación de la señal a uno
de los respectivos hilos de recolección, y un encamisado (3)
alrededor del colimador, cristal, tubo fotomultiplicador y
preamplificador,
el dispositivo gamma-cámara
estando caracterizado por el hecho que el tubo
fotomultiplicador tiene una sección transversal de 30 mm x 30 mm y
una altura no menor que 20 mm, y por el hecho que además comprende
un circuito electrónico (6) que presenta:
- amplificadores operacionales (8) que aceptan
una respectiva señal proveniente de cada preamplificador de señal
y que entregan tres señales a tres convertidores respectivamente,
las tres señales comprendiendo:
* una primera señal que representa una
integración de tiempo de la energía de rayos gama depositada en la
energía del cristal de centelleo, la cual primera señal está
acoplada a un primer convertidor analógico-digital
(9), y una segunda señal que representa una coordenada X, la cual
segunda señal está acoplada a un segundo convertidor (10)
analógico-digital,
* una tercera señal que representa una coordenada
Y, la cual tercera señal está acoplada a un tercer convertidor
analógico-digital (11),
* una tarjeta (12) de control de adquisición de
datos para conectar una salida de los tres convertidores a una
computadora que tiene incorporado un apropiado software para la
visualización de imágenes de radiación gamma formadas por la
cámara,
* la cámara manual estando conectada de manera
remota al circuito electrónico (6), para permitirle al cirujano
mover la cámara cerca de una región específica de interés de un
paciente y para reducir el daño quirúgico y el riesgo para el mismo
paciente.
2. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según la reivindicación 1, caracterizado por
la presencia, como cristal de centelleo, de una matriz de cristales
de NaI(TI), donde los cristales individuales tienen una
sección transversal de aproximadamente 1 mm x 1 mm y como quiera
que sea comprendida entre 0,5 mm x 0,5 mm y 3 mm x 3 mm y donde los
cristales individuales están ópticamente separados entre sí, y la
zona de separación entre dos cristales tiene un espesor de
aproximadamente 0,1 mm y como quiera que sea comprendido en un
intervalo que va de 3 micrones a 0,5 mm.
3. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según la reivindicación 1, caracterizado por
el hecho que usa, como cristales de centelleo, cristales de
CsI(TI), BGO, LSO, YAP:Ce, y similares.
4. Dispositivo con gamma-cámara
según las reivindicaciones 1, 2, 3, caracterizado por el uso
de una fibra óptica de material inorgánico, tal como silicio,
cuarzo, etc. o guías luminosas hechas de material plástico con un
índice de refracción comprendido entre 1,41 y 1,62 tal como por
ejemplo PMMA, PS, PC, etc. que está acoplado ópticamente entre el
cristal de centelleo y el fotomultiplicador.
5. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4,
caracterizado por un fotomultiplicador sensible a la
posición, que tiene un sistema de Metal Channel Dynode, dínodos de
canales metálicos, equivalente a un multiánodo, en una cantidad
variable de dínodos y con hilos de recolección de cargas que
también pueden ser variables.
6. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones, donde
todas las señales convertidas por los convertidores
analógicos-digitales son enviadas a una computadora
personal para luego proporcionar, por medio de un software
apropiado, imágenes en tiempo real que visualizan las radiaciones
gamma con una resolución espacial de hasta 0,2 mm.
7. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones,
caracterizado por el hecho que el fotomultiplicador es
reemplazado por un detector de estado sólido, tal como un fotodiodo
de silicio o Arseniuro de Galio, en condiciones de leer fotones de
luz, determinar su posición y la energía absorbida por el cristal
de detección.
8. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones,
caracterizado por el hecho que todas las señales digitales
son integradas y transformadas por medio de un software en imágenes
en tiempo real, de manera tal de proporcionar imágenes con una
resolución espacial de aproximadamente 2 mm.
9. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones,
caracterizado por el hecho que el cristal de centelleo puede
ser planar en lugar de matricial y de diferentes tipos
(Na(TI), YAP:Ce, CsI(TI), CsI(Na), BGO,
etc.).
10. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones, donde
se puede combinar un sistema de enfoque por telecámara, de manera
de visualizar el campo operatorio y la imagen de captación.
11. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones,
caracterizado por el hecho que exteriormente está provisto
de una vaina inerte que se puede esterilizar, tal como teflón,
acero inoxidable o similar.
12. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones, donde
en lugar de una computadora personal portátil hay un dispositivo
electrónico integrado, capaz de alojar toda la electrónica y
tarjetas de adquisición de datos con salida conducida a un monitor
para la visualización de imágenes en tiempo real.
13. Dispositivo con gamma-cámara
miniaturizada según todas las precedentes reivindicaciones, donde
el fotomultiplicador está constituido por un sistema multiánodo
con una cantidad variable de hilos, o cualquier fotomultiplicador
sensible a la posición.
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