DE69633782T2

DE69633782T2 - Vorrichtung undverfahren zum bestimmen der raumkoordinaten von radiomarkiertem gewebe

Info

Publication number: DE69633782T2
Application number: DE69633782T
Authority: DE
Inventors: Norman Madden; H. Richard PEHL; G. Robert CARROLL; A. Louis McKELLAR
Original assignee: CARE WISE MEDICAL PRODUCTS COR; CARE WISE MEDICAL PRODUCTS CORP MORGAN ROAD
Current assignee: CARE WISE MEDICAL PRODUCTS COR; CARE WISE MEDICAL PRODUCTS CORP MORGAN ROAD
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: EP0830079A1; EP0830079B1; JPH11511239A; US6135955A; JP3720055B2; CA2219353C; EP0830079A4; US5694933A; ATE281115T1; WO1996033652A1; CA2219353A1; DE69633782D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Strahlung, um die Raumkoordinaten von Strukturen in einem Körper, z. B. im Körpers eines Lebewesens oder in einer diagnostischen Gewebeprobe aus demselben, zu bestimmen, und zum Schätzen der Dichte von dazwischen liegendem Gewebe, das zwischen der Strahlungserfassungsvorrichtung und den Strukturen liegt („Zwischengewebe"). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung eines breiten Spektrums von Photonenstrahlung, welches Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Röntgenstrahlen in Verbindung mit Gammastrahlen umfasst, für Diagnoseverfahren.
Beispiele für einige spezifische Vorrichtungen und Verfahren, welche diese Erfindung betrifft, sind handgeführte Nuklearaufnahmesonden zur Verwendung bei offenen Operationsverfahren, bei Endoskopieverfahren, transkutan bei offenen oder geschlossenen Biopsieverfahren und bei Ex-vivo-Gewebeproben, sowie Nuklearmedizinbildkameras („Gammakameras"), einschließlich jener, die zur Verwendung bei Operationen ausgelegt sind.
Die Verwendung von radioaktiven Arzneistoffen, welche als radioaktive Spurmittel bekannt sind, zum Markieren von Gewebe in einem Patienten, um die Lokalisierung und Abgrenzung dieses Gewebes durch Strahlungserfassungsgeräte, welche Nuklearaufnahmeoperationssonden umfassen, wird in der medizinischen Literatur bereits seit mindestens vierzig Jahren offenbart. Bei der Diagnose und/oder Behandlung von bestimmten Krankheiten, z. B. Krebs, werden Substanzen in den Körper eingeführt, welche erkranktes Gewebe, wie beispielsweise Tumore, oder andere Gewebe von klinischem Interesse (wie beispielsweise bestimmte Lymphknoten) erkennen oder identifizieren. Beispiele für derartige Substanzen umfassen Iod 125, Iod 131 und Phosphor 32 in entsprechenden Lösungen, welche selbst von Natur aus radioaktiv sind. Andere Beispiele sind Materialien wie beispielsweise monoklonale Antikörper, Peptide und bestimmte Kolloide, welche mit radioaktiven Isotopen markiert wurden. Die Kombination der Gewebeerkennungs- oder -identifizierungssubstanz mit dem radioaktiven Isotop (oder „Radioisotop") wird insgesamt als radioaktives Spurmittel bezeichnet; ähnlich wird das Radioisotop, das selbst ein Gewebe von Interesse erkennen kann (z. B. Iod 125), ebenfalls als radioaktives Spurmittel bezeichnet.
Wenn das radioaktive Spurmittel intravenös injiziert wird, zirkuliert es durch den ganzen Körper. Sobald das radioaktive Spurmittel auf die Zielgewebezellen stößt, bindet sich das radioaktive Spurmittel daran oder wird durch diese Zellen in konzentrierten Mengen absorbiert (d. h. „aufgenommen"). Orte, wo radioaktive Spurmittel durch die Zielgewebezellen von klinischem Interesse in konzentrierten Mengen aufgenommen werden, sind als Bereiche von „spezifischer Aufnahme" bekannt. Oft wird nur ein kleiner Prozentsatz von z. B. von weniger als ein bis fünf Prozent des gesamten injizierten radioaktiven Spurmittels tatsächlich an der Stelle spezifischer Aufnahme aufgenommen. Der Rest des injizierten radioaktiven Spurmittels zirkuliert zu anderen Regionen und Geweben des Körpers, die nicht von klinischem Interesse sind, z. B. nicht karzinöses Gewebe, einschließlich des zirkulierenden Blutes und des gesunden Knochenmarks, der gesunden Leber und der gesunden Nieren. Das Radioisotop des radioaktiven Spurmittels erleidet radioaktiven Zerfall; das heißt, mit der Zeit erfährt das Radioisotop spontane Nuklearübergänge, welche zur Emission von Strahlung führen, die normalerweise Gammastrahlungsphotonen und Röntgenstrahlungsphotonen umfasst.
Das radioaktive Spurmittel zirkuliert und interagiert mit den Geweben und Organen, welche im ganzen Körper angeordnet sind, so dass diese Photonen von Orten, die nicht von klinischem Interesse sind, sowie von Orten spezifischer Aufnahme in willkürliche Richtungen emittiert werden. Gemäß nuklearmedizinischen Verfahren nach dem Stand der Technik sind Fachleute am Erfassen und Beurteilen von Gammastrahlungsphotonen interessiert, welche von den Orten spezifischer Aufnahme emittiert werden, während sie danach streben, alle Photonen, die von Quellen emittiert werden, die nicht von klinischem Interesse sind, z. B. nicht kanzeröses Gewebe, zirkulierendes Blut und krankheitsfreies Knochenmark, krankheitsfreie Leber und Nieren, aus der Beurteilung zu eliminieren.
Die Energien der Gammastrahlungsphotonen, welche durch die Radioisotope emittiert werden, sind einzigartig für jedes Isotop. Zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung werden diese Gammastrahlen „Vollenergie"- oder „Primär"-Gammastrahlen genannt. Damit das emittierte Photon genug Energie hat, um den Stammkörper in ausreichenden Mengen zu verlassen, um imstande zu sein, ein Bild in einer Gammakamera zu erzeugen, muss seine Energie über etwa 60 keV betragen. Für radioaktive Spurmittel in allgemeiner Verwendung können die Gammastrahlenenergien so hoch wie etwa 511 keV sein. Wenn als ein Beispiel Technetium 99m, ein Isotop, das in der Nuklearmedizin häufig verwendet wird, zerfällt, wird 89% der Zeit ein 140-keV-Vollenergiegammastrahl emittiert. Die natürliche Häufigkeit („Häufigkeit") oder Ausbeute bezieht sich auf den Prozentsatz von Zeit, damit ein Zerfall oder eine Zersetzung des Radioisotopkerns zur Erzeugung des Photons von Interesse, in diesem Fall das Photon des 140-keV-Vollenergiegammastrahls, führt. Indium 111, ein anderes allgemein verwendetes Isotop, emittiert 172-keV-Vollenergiegammastrahlen bei einer Häufigkeit von 89,6% und 247-keV-Vollenergiegammastrahlen bei einer Häufigkeit von 93,9%.
Diese Gammastrahlen emittierenden Radioisotope emittieren auch charakteristische Röntgenstrahlen. Die charakteristischen Röntgenstrahlen entstehen auf folgende Weise. Wenn der Kern radioaktiven Zerfall erleidet, wird manchmal ein Elektron von einer der Orbitalschalen, meistens der inneren Orbitalschale, entfernt. Ein Elektron von einer der äußeren Orbitalschalen fällt unverzüglich in die innere Schale zurück, um den Platz des ausgestoßenen Elektrons einzunehmen, so dass das Atom in seinen Grundzustand zurückkehrt. Dieser Vorgang führt zur Emission eines charakteristischen Röntgenstrahls. Der emittierte Röntgenstrahl wird als „charakteristisch" beschrieben, da seine Energie für das beteiligte spezifische Element charakteristisch ist. Charakteristische Röntgenstrahlenemissionen von Radioisotopen, welche in der Nuklearmedizin verwendet werden, weisen normalerweise eine niedrige Energie, d. h. von 15 bis 30 keV, auf. Zum Beispiel führt der radioaktive Zerfall von Technetium 99m zusätzlich zu den zuvor erörterten 140-keV-Gammastrahlen zu Technetium-charakteristischen Röntgenstrahlen von etwa 19 keV bei einer Häufigkeit von 7,5%. Der radioaktive Zerfall von Indium 111 führt zu Cadmium-charakteristischen Röntgenstrahlen von ungefähr 24 keV bei einer Häufigkeit von 83,5%.
Das Verhältnis der Anzahl von Vollenergiegammastrahlen zur Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlen, welche durch jedes Radioisotop emittiert werden, ist fest und bekannt und wird in den verbundenen Häufigkeitsfiguren reflektiert.
Gemäß nuklearmedizinischen Verfahren nach dem Stand der Technik verwendeten die Fachleute normalerweise stets die Vollenergiegammastrahlen allein beim Bestimmen des Ortes von kanzerösen oder anderen Geweben von Interesse. In einem Fall wird das kombinierte Signal sowohl aus der Erfassung von Röntgenstrahlen als auch von Gammastrahlen zusammen ohne getrenntes Messen und Vergleichen der beiden Signale verwendet. Dies geschieht bei dem NEOPROBE-Gerät, das von der Neoprobe Corporation in Columbus, OH, hergestellt wird. Das NEOPROBE-Gerät erfasst sowohl die 27-keV-Röntgenstrahlen als auch die 35-keV-Gammastrahlen von Iod 125.
Es gibt mehrere Faktoren, welche die Beurteilung von Vollenergiegammastrahlungsphotonen schwierig machen. Diese Faktoren neigten dazu, die Erfassung und Beurteilung der charakteristischen Röntgenstrahlen noch schwieriger zu machen. Außer bei dem zuvor erwähnten NEOPROBE-Gerät verwendeten die Fachleute die charakteristischen Röntgenstrahlen selten und erkannten die Nützlichkeit der charakteristischen Röntgenstrahlen in der Nuklearmedizin weitgehend nicht. Kein Fachmann verwendete die getrennten Signale von charakteristischen Röntgenstrahlen und die getrennten Signale von Gammastrahlen und verglich sie miteinander, um die Raumkoordinaten von Gewebe mit Nuklearaufnahme oder der Dichte von Zwischengewebe zu bestimmen. Einige der Probleme in Verbindung mit der gemeinsamen oder getrennten Verwendung sowohl von Vollenergiegammastrahlen als auch charakteristischen Röntgenstrahlen, um Gewebe von Interesse zu lokalisieren, werden im Folgenden erörtert.
Weiches Gewebe im menschlichen Körper ist zum Großteil Wasser mit geringen Beimengungen von leichten Elementen. Daher weisen weiches Gewebe, Blut und die meisten Tumore ähnliche Dichten auf, nämlich ungefähr die von Wasser. Ein Knochen weist eine viel höhere Dichte auf, während die Lungen auf Grund ihres hohen Luftgehalts viel niedrigere effektive Dichten als Wasser aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen absorbiert werden, wenn sie durch die Materie bewegen, ist exponential. Gammastrahlen mit Energien von 60 bis 600 keV legen vor der Absorption im weichen Gewebe für gewöhnlich verhältnismäßig große Entfernungen zurück (mehrere hundert Millimeter), wohingegen charakteristische Röntgenstrahlen von etwa 20 bis 30 keV für gewöhnlich wesentlich kürzere Entfernungen zurücklegen (30 Millimeter oder weniger). Folglich können diese Röntgenstrahlen keine Bilder in Gammakameras erzeugen, da sie praktisch alle durch das Fett, die Muskeln und die Haut absorbiert werden.
Außerdem können bildgebende radioaktive Spurmittel, wie bereits erwähnt, nicht nur in Gewebe von klinischer Bedeutung, sondern auch in Geweben und Körperflüssigkeiten, wie beispielsweise Blut, die nicht von klinischem Interesse sind, aufgenommen werden. Im Falle von Indium-111-markierten krebssuchenden Antikörpern zum Beispiel weist ein Zwanzig-Gramm-Tumor möglicherweise nur ein Prozent der gesamten radiopharmazeutischen Dosis auf, wohingegen die Leber auf einer nicht spezifischen Basis (d. h. ohne dass Krebs in der Leber vorliegt) fünfunddreißig Prozent der injizierten Dosis aufweisen kann. Die Anzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlen von dieser Leber, wie durch eine handgeführte Nuklearaufnahmesonde gemessen, ist möglicherweise zehn bis einhundert Mal größer als jene vom Tumor. Eine bedeutende Strahlungsaktivität kann auch im zirkulierenden Blut und im krankheitsfreien Knochenmark im ganzen Körper fortbestehen. Als ein anderes Beispiel zeigen Technetium-99m-markierte Antikörper oft eine starke nicht spezifische Aufnahme in den Nieren. Diese nicht spezifische Aufnahme in Geweben, welche nicht von klinischem Interesse sind, ist eine bedeutende Quelle von Hintergrundstrahlung.
Die Photonen, welche infolge des Prozesses, der als Compton-Streuung bekannt ist, Energie verlieren und die Richtung ändern, stellen eine zusätzliche Hintergrundstrahlung dar. Compton-Streuung findet statt, wenn ein Photon mit einem Elektron interagiert und dadurch Energie verliert und die Richtung ändert. Die Compton-Streuung, welche sich aus der Interaktion zwischen einfallenden Gammaphotonen und Elektronen von Körpergeweben ergibt, erzeugt ein virtuelles Meer von gestreuten Photonen mit Energien, die von etwas unter den Vollenergiegammastrahlungsphotonen bis hinab zu und unter typische Röntgenstrahlungsenergien („das Compton-Kontinuum") reichen. Die Richtungen und infolgedessen die scheinbaren Ausgangspunkte dieser Compton-gestreuten Photonen haben nur eine beschränkte Beziehung zu der Stelle, von welcher die ursprünglichen, ungestreuten Vollenergiegammastrahlen herrührten, weshalb sie eine geringe Beziehung zum Ort des Gewebes von Interesse haben.
Die zuvor beschriebene weit verbreitete Verteilung von radioaktiven Spurmitteln, welche oft in den Geweben vorkommen, die nicht von klinischem Interesse sind, einschließlich der verhältnismäßig hohen Vorzugsaufnahme in bestimmten Organen, zuzüglich der zusätzlichen Strahlung von Compton-gestreuten Photonen, trägt zu ungleichmäßigen und manchmal sehr intensiven Niveaus von nicht spezifischer Hintergrundstrahlung bei.
Gemäß Verfahren nach dem Stand der Technik beeinträchtigten diese merklichen Schwankungen in der Hintergrundstrahlung, welche irreführende Signale von Organen ohne Krankheit, aber mit hoher Aufnahme, umfassen, sowie die häufigen, beinahe willkürlich gerichteten Compton-gestreuten Photonen die Suche nach einem speziell markierten Gewebe mit Handsonden und mit Gammakameras ernstlich. Außerdem fügen die Compton-gestreuten Photonen Hintergrundstrahlung hinzu und konkurrieren um Verarbeitungszeit mit dem Signal, das ungestreuten Gammastrahlen und Röntgenstrahlen entspricht.
Es bestehen zusätzliche Nachteile in Verbindung mit Verfahren nach dem Stand der Technik zum Erfassen von Vollenergiegammastrahlungsphotonen. Die Abschwächung durch Körpergewebe von Vollenergiegammastrahlen von sehr kleinen Tumoren, die sich tief innerhalb des Körpers eines Patienten befinden, führte zur Unfähigkeit von Gammakameras, viele solcher Stellen zu lokalisieren. Dieses Problem wird noch verschärft, da einige Tumore einfach nicht genug radioaktive Spurmittel aufnehmen, um aus einer Entfernung erfasst zu werden. Seit 1949 werden von den Chirurgen in einem Versuch, diese Nachteile zu überwinden, Nuklearaufnahmeoperationssonden verwendet.
Handgeführte Nuklearaufnahmesonden nach dem Stand der Technik können in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich Kontaktsonden und Sonden mit vergrößerter Reichweite. Kontaktsonden wurden verwendet, um Strahlung mit kurzer Reichweite, wie beispielsweise Elektronen und Positronen vom Beta-Zerfall, und verhältnismäßig energiearme Photonen (d. h. unter 60 keV) zu erfassen. Beispiele sind die 24-keV-Röntgenstrahlen und die 35-keV-Vollenergiegammastrahlen von Iod 125. Diese Kontaktanwendungen sind infolge der Absorption und/oder der Streuung der Strahlung, welche in aufliegenden oder ineinander gehenden Geweben von nur wenigen Millimetern Tiefe auftreten, durch eine bedeutende Reduktion in der Anzahl von erfassten Vollenergiephotonen gekennzeichnet. Folglich sind Kontaktsonden auf Anwendungen beschränkt, bei welchen die Sonde im Wesentlichen in Kontakt mit dem strahlungsmarkierten Gewebe von Interesse ist. Diese Beschränkung ist in Situationen von geringer spezifischer Gewebeaufnahme in Verbindung mit einer hohen nicht spezifischen Hintergrundstrahlung aus einem darunter liegenden Gewebe, wie dies beispielsweise bei einigen strahlungsmarkierten monoklonalen Antikörpern der Fall ist, ein Vorteil. Solche Kontaktsonden haben Merkmale ausgezeichneter Lokalisierung gemeinsam, wenn Strahlungsmarkierungen verwendet werden, welche nur energieärmere Photonen mit kurzen Reichweiten in Gewebe emittieren, wie dies bei Iod 125 der Fall ist. Es können jedoch keine Gammabilder von Geweben erhalten werden, die mit radioaktiven Spurmitteln markiert sind, die nur Strahlung mit kurzer Reichweite emittieren, wie bereits erwähnt. Außerdem ist es schwierig, solche Nuklearaufnahmekontaktsonden zu verwenden, um Gewebe nach strahlungsmarkierten Stellen unbekannter Tiefe abzutasten.
Wie in einem Artikel mit dem Titel „The Clinical Use Of Radioactive Phosphorous" in den Annals of Surgery, Bd. 130, S. 643–651 (1949) von Selverstone, Sweet und Robinson berichtet, verwendeten diese Autoren eine handgeführte Nuklearaufnahmekontaktsonde, um Resektionsgrenzen in einem Glioblastoma multiforme zu bestimmen. Sie verwendeten Phosphor-32, das ein Beta-Partikel emittiert. Diese wurden mit einem Geiger-Mueller-Stumpfnadeldetektor erfasst. In diesem Fall war das Signal-Rausch-Verhältnis ausgezeichnet, da das normale Gehirn eine intakte Blut-Hirn-Schranke aufweist, welche Phosphor ausschließt. Die kurze Reichweite von etwa einem Millimeter des Beta-Partikels in Gewebe verhinderte Hintergrund vom Knochenmark, sowie von weiter entfernten Quellen. Es erfolgte weder eine Verwendung von charakteristischen Röntgenstrahlen noch von Gammastrahlen durch Selverstone et al.
Die Verwendung von Nuklearaufnahmesonden mit vergrößerter Reichweite wurde von Craig, Harris et al. in einem Artikel mit dem Titel „A CSI – Crystal Surgical Scintillation Probe" in Nucleonics, Bd. 14, S. 102–108 (November 1958) berichtet. In einem Fall eines postoperativen Residualgewebe wurden Gewebe, welche mit Iod 131 markiert waren, das 364-keV-Vollenergiegammastrahlen emittiert, unter Verwendung einer handgeführten Nuklearaufnahmesonde auf Cäsiumiodid-Szintillationskristallbasis lokalisiert. Diese Sonde verwendete ein Lichtrohr, um das Szintillationssignal an einen Photoelektronenvervielfacher zu übertragen. Die sehr hohe physiologische Konzentration von Iod 131 durch die Schilddrüse lieferte hohe Anzahlen von erfassten Photonen, während die Abwesenheit anderer Iodkonzentrationen im Nacken die Hintergrundstrahlung mini mierte. Eine Abschirmung und eine Kollimation wurden verwendet, um die Erfassung von Hintergrundstrahlung von Iod 131 in der Magenschleimhaut zu minimieren. 1971 berichteten A. C. Morris, T. R. Barclay, A. Tanida et al. über die Verwendung einer transistorisierten Version dieser CSI-Sonde in einem Artikel mit dem Titel „A Miniaturized Probe For Detecting Radioactivity At Thyroid Surgery" in Physics in Medicine And Biology, Bd. 15, S. 387–404 (1971).
Unter Bedingungen von hoher Aufnahme im Gewebe von Interesse, schneller Blutpool-Clearance und geringer nicht spezifischer Aufnahme kann die Sondenlokalisierung von strahlungsmarkierten Geweben verhältnismäßig einfach sein. Aktuelle Lymphknotenabbildungstechniken mit Technetium-99m-Schwefelkolloid zum Auffinden des Virchow'schen Knotens in einem Melanom und Brustkrebs nähern sich diesem Ideal. Die Bildgebung liefert eine Abbildung der tatsächlichen anatomischen Verteilung von Lymphknotendrainagemustern, während die Sonde kleine Knoten tief im Fett und anderem Gewebe findet.
Viele radioaktive Spurmittel sind auf Grund von begrenztem Tumor-Hintergrund-Kontrast, reichlicher nicht spezifischer Fernfeldaufnahme und langsamer Blutpool-Clearance in Bezug auf die physikalische Halbwertszeit des Radioisotops weit davon entfernt, ideal für die Sondenverwendung zu sein. Indium-111-markierte monoklonale Antikörper, wie beispielsweise das von der Cytogen Corporation vertriebene Oncoscint^®, weisen etwa 0,05% injizierte Dosis je Gramm Tumor auf. Das Signal von dieser niedrigen Dosis konkurriert mit dem von etwa 35% der Dosis in der 1.800 Gramm schweren Leber. Wie bereits erwähnt, kann dies zu Vollenergiegammastrahlen von der Leber führen, wie durch eine handgeführte Nuklearaufnahmesonde gemessen, die zehn bis einhundert Mal stärker sind als jene vom Tumor.
Es liegt auch eine bedeutende Aufnahme im Knochenmark und im zirkulierenden Blut vor. Bei nuklearmedizinischen Abtastungen weist ein Tumor etwa dieselbe Dichte auf wie abgebildete große Blutgefäße, welche sich im Allgemeinen in unmittelbarer Nachbarschaft zu Lymphknoten befinden, die mit dem Tumor verbunden sind.
Die Neoprobe Corporation stellt ein Gerät für ein Verfahren bereit, bei welchem ein tumorsuchender monoklonaler Antikörper mit dem radioaktiven Isotop Iod-125 markiert und in den Körper injiziert wird, um den Ort von kanzerösem Gewebe zu bestimmen. Siehe US-Patent Nr. 4,782,840, 4,801,803 und 4,893,013. Iod-125, dessen Halbwertszeit 60 Tage beträgt, emittiert einen 35-keV-Vollenergiegammastrahl mit der niedrigen Energie von 35 keV und einen charakteristischen 27-keV-Röntgenstrahl. Diese Photonen werden durch den Fachmann während der chirurgischen Untersuchung bei Verwenden einer handgeführten Nuklearaufnahmekontaktsonde in einem einzigen breiten Energiefenster erfasst. Die verhältnismäßig lange Halbwertszeit von 60 Tagen (d. h. lange im Vergleich mit der von vielen anderen bildgebenden nuklearmedizinischen Radioisotopen) erlaubt es dem Fachmann, zu warten, bis viel von dem radioaktiven Spurmittel biologisch aus dem Blutpool ausgeschieden ist und die Hintergrundstrahlung stark nachgelassen hat. Dieser Prozess dauert jedoch angeblich etwa drei Wochen und verursacht daher eine entsprechende Verzögerung dem chirurgischen Eingriff. Diese Verzögerung wird von einigen Fachleuten als Nachteil angesehen. Außerdem können die energiearmen Photonen nicht für präoperative Bildgebung durch Gammakameras verwendet werden. Wenn eine Technetium-99m-Knochenabtastung oder eine Indium-111-Weißzellabtastung kurz vor dem vorgesehenen Termin des chirurgischen Eingriffs erfolgen, kann die Hintergrundstrahlung, welche sich aus der Compton-Streuung von Vollenergiegammastrahlen ergibt, die durch das Technetium oder das Indium emittiert werden, die Iod-125-Lokalisierung äußerst schwierig machen.
Das NEOPROBE-Gerät verwendet ein einziges Energie-„Fenster" oder -band, das breit genug ist, um sowohl den charakteristischen 27-keV-Röntgenstrahl als auch den 35-keV-Vollenergiegammastrahl aufzunehmen, und kann deshalb nicht zwischen diesen beiden Photonen unterscheiden.
Andere Techniken, welche mit handgeführten Nuklearaufnahmeoperationssonden eingesetzt wurden, um sich mit Hintergrundstrahlung zu befassen, umfassten: Kontrollmessungen der Aufnahme von benachbarten Geweben unter Verwendung einer identischen Sondenwinkelausrichtung; beständiges Wegrichten der Sonde von allen Organen mit hoher nicht spezifischer Aufnahme bei Sonden mit erweitertem Feld; Verwendung einer handgeführten oder handaufgelegten, strahlungsblockierenden Platte bei Sonden mit erweitertem Feld; Verwendung eines „Fensters", welches die durch das Strahlungserfassungssystem gemessenen Photonen auf jene von Energien nahe jener der Vollenergiegammastrahlungsspitze beschränkt; und die Verwendung von Kollimation entsprechend der Größe und auch der Tiefe der Affektion.
Durch strahlungsblockierende Platten und wählbare Kollimation verstärkte Nuklearaufnahmeoperationssonden sind Gegenstand der US-Patente Nr. 5,148,040, 4,959,547 und 5,036,210.
Obwohl jede dieser Techniken die Probleme, welche durch nicht spezifische Hintergrundstrahlung verursacht werden, merklich verringerte, gibt es Umstände, unter welchen eine oder mehrere dieser Techniken nicht problemlos eingesetzt werden können, die Verfahren sind manchmal zeitraubend, oder es wird ein hoher Grad von Einarbeitung und spezifischer Erfahrung vom Fachmann verlangt.
Zum Beispiel werden Sonden mit erweitertem Feld durch Anwendungen, welche Indium-111-markierte Antikörper einbeziehen, in Frage gestellt. Etwa 35 Prozent der Aktivität können von nicht spezifischer Leberaufnahme sein. Die Tumoraktivität ist oft im ganzen Knochenmark diffus vorhanden, und die Tumoraktivität je Gramm ähnelt oft jener, die im zirkulierenden Blut vorkommt. Trotz der Techniken, wie beispielsweise Ausrichten der Sonde, um Stellen mit bekannter hoher nicht spezifischer Aufnahme zu vermeiden, Verwendung wählbarer Kollimation und Verwendung einer strahlungsblockierenden Platte, wo anatomisch möglich, kann der Erwerb von guten intraoperativen Fähigkeiten durch den Fachmann sehr zeitraubend sein.
Andererseits sind Kontaktsonden durch die Abschwächung durch aufliegendes Gewebe von nur ein paar Zentimetern Dicke stark eingeschränkt. Das Gewebe von Interesse, wie beispielsweise ein Tumor, muss beinahe komplett freigelegt und im Wesentlichen in Kontakt mit der Sonde sein, damit die Sonde die Aufnahme erfasst. Folglich ist es schwierig, Nuklearaufnahmekontaktsonden zu verwenden, um Gewebe nach strahlungsmarkierten Stellen unbekannter Tiefe abzutasten oder zum Beispiel retroperitoneale Knoten während kolorektalen Verfahren ohne chirurgisches Durchdringen des Bauchfells zu untersuchen. Gammakamerabilder können bei Verwenden vieler der Radioisotope, welche mit Kontaktsonden verwendet werden, wie beispielsweise Iod-125, nicht erhalten werden.
Die Compton-Streuungskorrektur für die Gammakamerabildgebung wurde in verschiedenen Artikeln erörtert. Siehe zum Beispiel K. W. Logan und W. D. McFarland, „Single Photon Scatter Compensation By Photopeak Energy Distribution Analysis", IEEE Transactions on Medical Imaging, Bd. 11, S. 161–164, Juni 1992. US-Patent Nr. 4,873,632 (Logan et al.) offenbart ein System, welches Filtrierung verwendet, um die Hintergrundstrahlung zu verringern, die durch Compton-Streuung bei der Bildgebung mittels einer Gammakamera eingeführt wird.
US-Patent Nr. 3,843,881 (Barton) offenbart ein Verfahren zum Erfassen der Gegenwart von Metallen in unterirdischen Formationen. Gemäß Barton wird eine Formation mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise einem radioaktiven Material, bestrahlt. Charakteristische Röntgenstrahlen werden von den Metallen als Ergebnis ihrer Bestrahlung emittiert. Diese Röntgenstrahlen werden erfasst und gemessen, um Information bezüglich der Gegenwart und der Art von Metallerz in der Formation zu liefern. Barton offenbart jedoch nicht das Messen und Vergleichen des Gammastrahls mit einem charakteristischen Röntgenstrahl, um die laterale Position und die Tiefe von strahlungsmarkierten Objekten oder die Tiefe von dazwischen liegendem Material zu bestimmen. Außerdem macht Barton keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsphotonen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 4,949,365 (Kolke) beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der Dichte von Objekten, wie beispielsweise Knochen, durch Übertragen von Gammastrahlen mit verschiedenen Energieniveaus. Kolke macht jedoch keinen Gebrauch von charakteristischen Röntgenstrahlen und/oder Vollenergiegammastrahlen zum Messen von Raumkoordinaten. Außerdem macht Kolke keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlen- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 3,936,646 (Jonker) beschreibt einen Fokussierkollimatorbausatz mit mehrfachen stapelbaren Komponenten zur Isotopabbildung. Dieses Patent offenbart die Verwendung von kombinierten charakteristischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Gewebes oder der Dichte von Zwischengewebe nicht. Außerdem macht Jonker keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 4,150,289 (Rosauer) beschreibt ein Gammastrahlenprüfungssystem zum Messen der Wanddicke eines rohrförmigen Produkts und insbesondere einen dazugehörigen Kalibrierblock. Dieses Patent offenbart die kombinierte Verwendung von charakteristischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Materials oder der Dichte von dazwischen liegendem Material nicht. Außerdem macht Rosauer keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 4,340,818 (Barnes) beschreibt eine Abtastgittervorrichtung, welche in der Röntgenstrahlen-Radiologie verwendet wird und einen verbesserten Transmissionsgrad von Vollenergieröntgenstrahlen, welche durch das Versuchsobjekt hindurchgehen, bei gleichzeitiger Bereitstellung einer geringen Streustrahlungsdurchdringung liefert. Dieses Patent offenbart die kombinierte Verwendung sowohl von charakteristischen Röntgenstrahlen als auch Vollenergiegammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Gewebes oder der Dichte von dazwischen liegendem Material nicht. Außerdem macht Barnes keinen Gebrauch von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen.
US-Patent Nr. 4,419,685 (Strauss) beschreibt einen Strahlungskollimator mit verstellbarem Winkel in einem Gammakamerasystem zur radiologischen Untersuchung von Testpersonen. Der Kollimator prüft die Kollimation von Gammastrahlen, um Strahlung in einer vorbestimmten Ausrichtung zu übertragen. Dieses Patent offenbart die kombi nierte Verwendung sowohl von charakteristischen Röntgenstrahlen als auch Vollenergiegammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Gewebes oder der Dichte von Zwischengewebe nicht. Außerdem macht Strauss keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 4,489,426 (Grass) beschreibt einen Kollimator zum Regulieren der Form und Größe des Strahlungsmusters, das von einer Strahlungsquelle auf einen Strahlungsdetektor projiziert wird, und insbesondere zum Regulieren des Strahlenbündels in einem medizinischen Röntgenstrahlendiagnosegerät. Dieses Patent offenbart die kombinierte Verwendung sowohl von charakteristischen Röntgenstrahlen als auch Vollenergiegammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Gewebes oder der Dichte von Zwischengewebe nicht. Außerdem macht Grass keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US-Patent Nr. 5,058,883 (DeHaan) beschreibt ein Schmuggelerfassungssystem, welches zwei verschiedene Quellen von energiearmen Gammastrahlen und ein Mittel zum Erfassen von Rückstreuung von untersuchten Objekten einsetzt. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Zielvolumens wird ein Teil der Gammastrahlen zurückgestreut und zum Handgerät zurückgesendet. Durch quantitatives Abfühlen dieser rückgestreuten Gammastrahlen kann eine grobe qualitative Bestimmung hinsichtlich der Dichtezusammensetzung des Zielvolumens gemacht werden. Aus solchen Dichteinformationen können begründete Rückschlüsse hinsichtlich dessen, ob das Zielvolumen bestimmte Arten von Schmuggelmaterial enthält, gezogen werden. Dieses Patent offenbart die kombinierte Verwendung sowohl von charakteristischen Röntgenstrahlen als auch Gammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Materials nicht. Außerdem macht DeHaan keinen Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, die von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
US 4582604 offenbart eine Vorrichtung zum Erfassen und Messen von Gammaphotonen und Röntgenphotonen, welche von einem Körper emittiert werden, dem Radioisotope z. B. in die Schilddrüse verabreicht wurden.
Aus den vorhergehenden Gründen leiden die Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, welche in der Nuklearmedizin verwendet werden, daher unter einem oder mehreren Nachteilen. Außerdem offenbaren viele der Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf die Verwendung von radioaktiven Isotopen weder die getrennte und/oder gleichzeitige Verwendung von charakteristischen Röntgenstrahlen noch von Gammastrahlen bei der Bestimmung von Raumkoordinaten des erfassten Gewebes oder der Dichte von Zwischengewebe noch machen sie Gebrauch von der Anzeige von Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzen, welche von der Anzeige von Strahlung von Compton-gestreuten Photonen gestrippt wurden.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Demgemäß ist eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und Verfahren von Nutzen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von nützlicher Information zum Bestimmen des Ortes von strahlungsmarkiertem Material, wie beispielsweise kanzerösem Gewebe, bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Lokalisieren von strahlungsmarkiertem Material, wie beispielsweise krebsverdächtigem Geweben oder bestimmten Lymphknoten, im Körper eines Lebewesens bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen durch einen Detektor und zum gemeinsamen Verwenden derselben zur Lieferung von Information zum Bestimmen des Ortes von strahlungsmarkierten Materialien in Bezug auf einen Referenzpunkt bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen und zum gemeinsamen Verwenden derselben zur Lokalisierung von strahlungsmarkierten Materialien im Körper eines Lebewesens bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen durch einen Detektor und zum gemeinsamen Verwenden derselben zur Lieferung von Information bezüglich der Dichte von zwischen den strahlungsmarkierten Materialien und dem Detektor liegendem Gewebe bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen und zum gemeinsamen Verwenden derselben zur Lieferung von sichtbaren und/oder hörbaren Signale zur Hilfe beim Lokalisieren von strahlungsmarkierten Materialien im Körper eines Lebewesens bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen von strahlungsmarkierten Materialien im Körper eines Lebewesens bei gleichzeitigem Minimieren der Wirkungen von Compton-gestreuten Photonen oder anderer Hintergrundstrahlung bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese und andere Aufgabe dieser Erfindung werden durch Bereitstellen eines Systems und von Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Masse von strahlungsmarkiertem Gewebe im Körper eines Lebewesens oder in einer diagnostischen Gewebeprobe aus demselben in Bezug auf einen Referenzpunkt erreicht, wobei das Gewebe zuvor mit wenigstens einem radioaktiven Spurmittel markiert wurde, welches Gammastrahlungsphotonen, charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen und ein zugeordnetes Kontinuum von Compton-gestreuten Photonen erzeugt, das sich aus der Interaktion der Photonen mit dem Gewebe ergibt. Das System umfasst ein Strahlungserfassungsmittel, ein Signalverarbeitungsmittel und ein Signalanalysemittel.
Das Strahlungserfassungsmittel, z. B. eine Nuklearaufnahmeoperationssonde, die in der Hand gehalten werden kann, eine Perkutanbiopsiesonde, eine Endoskopiesonde oder eine Gammakamera usw., kann an einem Ort benachbart zum strahlungsmarkierten Gewebe zum Erfassen der Photonen, die davon emittiert werden, und zum Liefern eines elektrischen Signals, das die empfangenen Photonen repräsentiert, angeordnet werden. Das Strahlungserfassungsmittel stellt den Referenzpunkt fest.
In jenen Fällen, in welchen das Strahlungserfassungsmittel eine der Arten von Sonden ist, die zuvor erwähnt wurden, ist der Referenzpunkt der Punkt auf dem äußeren oder freiliegenden Gewebestück direkt unter der Spitze der Sonde entlang der Achse der Sonde. In jenen Fällen, in welchen das Strahlungserfassungsmittel eine Gammakamera ist, kann der Referenzpunkt der Punkt auf der äußeren oder freiliegenden Gewebeebene, gesehen durch die Gammakamera, sein, an dem die zentrale Achse der Detektoranordnung der Kamera (senkrecht zur Ebene der Anordnung) die Gewebeebene schneidet. Im Allgemeinen kann die Position des Strahlungserfassungsmittels in Bezug auf die Gewebeebene und den beobachteten Gewebekörper verwendet werden, um den Referenzpunkt festzulegen.
Das Signalverarbeitungsmittel verwendet das elektrische Signal vom Strahlungserfassungsmittel, um ein verarbeitetes elektrisches Signal zu erzeugen, welches für die Anzahl von Photonen repräsentativ ist, die als eine Funktion ihrer Energien erfasst werden, wie dies im Allgemeinen in der Spektroskopie mit energiereichen Photonen geschieht. Das verarbeitete elektrische Signal (normalerweise als ein Histogramm oder Spektrum angezeigt) umfasst einen ersten Abschnitt, der die empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen darstellt, und einen zweiten Abschnitt, der die empfangenen Gammastrahlungsphotonen darstellt. Dieser erste und dieser zweite Abschnitt des Signals werden, wenn das Signal als ein Histogramm angezeigt wird, normalerweise als Spitzen angezeigt, welche Abschnitte sind, die höhere Konzentrationen von Photonen einer bestimmten Energie oder bestimmter Energien darstellen, als in dem Histogramm für Energien dargestellt ist, die etwas höher und etwas niedriger sind als jene, die in den Abschnitten oder Spitzen dargestellt sind. Es ist zu erwähnen, dass die Begriffe „erster Abschnitt" und „zweiter Abschnitt" beschreibende Bezeichnungen von Abschnitten des Signals sind und sich nicht auf die relativen Energien von Photonen beziehen, welche den Abschnitten entsprechen. Die Energien von Photonen, welche durch den ersten Abschnitt dargestellt werden, können entweder niedriger oder höher sein als die Energien von Photonen, welche durch den zweiten Abschnitt dargestellt werden; die Energie eines charakteristischen Röntgenstrahls ist jedoch für gewöhnlich niedriger als die des Vollenergiegammastrahls von Interesse. Es ist auch zu erwähnen, dass es für manche Radioisotope, wie beispielsweise Indium 111, das zwei Vollenergiegammastrahlen aufweist, und für Fälle, in welchen mehr als ein Radioisotop eingesetzt werden können, eine Mehrzahl von ersten Abschnitten oder zweiten Abschnitten geben kann.
Das Analysemittel ist zum Analysieren wenigstens eines ausgewählten der ersten und zweiten Abschnitte des verarbeiteten Signals eingerichtet, um den Ort der Masse von strahlungsmarkiertem Gewebe in Bezug auf den Referenzpunkt festzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Analysator so eingerichtet, dass es selektiv nur das Signal verwendet, das der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze entspricht; oder sowohl das Signal, das der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze entspricht, als auch das Signal, das der Vollenergiegammastrahlungsspitze entspricht, verwendet; oder nur das Signal verwendet, das der Vollenergiegammastrahlungsspitze des verarbeiteten Signals entspricht, um Information vom Nahfeld oder sehr nahen Feld, Zwischenfeld und/oder Fernfeld beziehungsweise erweiterten Feld über das strahlungsmarkierte Gewebe zu liefern. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Nahfeld" auf Strahlung, welche von Gewebe herrührt, das in oberflächlichen Tiefen liegt, von welchen charakteristische Röntgenstrahlen erfasst werden können; „Fernfeld" bezieht sich auf Gammastrahlung, welche von Geweben herrührt, die in Tiefen liegen, die größer sind als die, von welchen emittierte charakteristische Röntgen strahlen erfasst werden können; und „erweitertes Feld" bezieht sich auf erfasste Gammastrahlung von Energien, welche ausreichen, um jede Tiefe von Gewebe im Körper von Interesse durchdrungen zu haben. Das Nahfeld kann entweder durch Handhaben der relativen Daten über die Anzahl von erfassten Photonen wenigstens einer charakteristischen Röntgenstrahlungsenergie und wenigstens einer Gammastrahlungsenergie oder durch Vergleichen der Daten von zwei oder mehr Spektrallinienformmessungen von zwei oder mehr verschiedenen Photonenspitzen und dementsprechendem Unterteilen der Gewebetiefe, von welcher die Nahfeldstrahlung emittiert wird, in ein oder mehr „sehr nahe Felder" und ein oder mehr „Zwischenfelder" unterteilt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das System Mittel zum Gewährleisten, dass das verarbeitete Signal lediglich eine stark reduzierte Abgabe von Compton-gestreuten Photonen repräsentiert.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das System ein Verhältnisberechungsmittel, dem das verarbeitete elektrische Signal zugeführt wird, und ein Subtraktionsberechnungsmittel. Das Verhältnisberechnungsmittel ist dazu eingerichtet, mehrere vorbestimmte Referenzverhältnisse zu verwenden, welche jeweils das Verhältnis der Vollenergiegammastrahlungsphotonen und der charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen sind, welche von wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel nach Durchlaufen einer vorbestimmten Entfernung durch eine vorbestimmte Art von Material, z. B. Körpergewebe, Knochen usw., emittiert werden, und die gewählten vorbestimmten Referenzverhältnisse mit einem Verhältnis zu vergleichen, das es berechnet. Insbesondere verwendet das Verhältnisberechnungsmittel das verarbeitete Signal, um ein berechnetes Verhältnis zu liefern, welches das Verhältnis der Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen, welche die erste Spitze bilden, zur Anzahl von Vollenergiegamma strahlungsphotonen, welche die zweite Spitze bilden, repräsentiert. Das berechnete Verhältnis wird mit wenigstens einem der vorbestimmten Referenzverhältnisse verglichen. Das Subtraktionsberechnungsmittel ist zum Subtrahieren der Vollenergiegammastrahlungsphotonen, welche den charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen der ersten Spitze entsprechen, von den gesamten Vollenergiegammastrahlungsphotonen der zweiten Spitze vorgesehen.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das System Spektrallinienformanalysemittel zum Analysieren der Form wenigstens einer der Spitzen, um eine Indikation der Menge von Gewebe oder seiner Dichte, welche zwischen dem strahlungsmarkierten Gewebe und dem Strahlungserfassungsmittel liegt, zu liefern. Um das Spektrallinienformanalysemittel zu verwenden, um die Gewebemenge zu bestimmen, muss die Gewebedichte separat bekannt sein, und um die Gewebedichte zu bestimmen, muss die Menge oder Dicke des Zwischengewebes separat bekannt sein.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben und viele begleitende Merkmale dieser Erfindung sind leicht zu erkennen, wenn dieselbe durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich wird, wobei:
1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm ist, welches die Komponenten darstellt, die das System von 1 bilden;
3 eine Veranschaulichung eines Abschnitts des in 1 und 2 dargestellten Systems bei der Verwendung zur Be stimmung des Ortes eines strahlungsmarkierten Tumors im Nahfeld gemäß einem Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung ist;
4 eine Veranschaulichung wie jene von 3 ist, aber einen Abschnitt des in 1 und 2 dargestellten Systems in einem ersten Schritt bei der Verwendung zur Bestimmung des Ortes eines strahlungsmarkierten Tumors, der sich im Wesentlichen vor einer Niere befindet, gemäß einem Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung zeigt;
5 eine Veranschaulichung wie jene von 4 ist, aber das System bei der Verwendung in einem späteren Schritt beim Bestimmen des Ortes des strahlungsmarkierten Tumors von 4 darstellt;
6 eine Veranschaulichung wie jene von 5 ist, aber das System bei der Verwendung in einem noch späteren Schritt des Bestimmens des Ortes des strahlungsmarkierten Tumors von 4 darstellt;
7 eine Veranschaulichung wie jene von 3 ist, aber einen Abschnitt des in 1 und 2 dargestellten Systems bei der Verwendung zur Bestimmung des Ortes eines strahlungsmarkierten Tumors, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft einer Niere befindet, gemäß einem Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung zeigt;
8 eine Veranschaulichung wie jene von 7 ist, aber das System bei der Verwendung in einem späteren Schritt beim Bestimmen des Ortes des strahlungsmarkierten Tumors von 7 darstellt;
9 eine Veranschaulichung wie jene von 8 ist, aber das System bei der Verwendung in einem noch späteren Schritt des Bestimmens des Ortes des strahlungsmarkierten Tumors von 7 darstellt;
10 eine Veranschaulichung wie jene von 3 ist, aber einen Abschnitt des in 1 und 2 dargestellten Systems bei der Verwendung zur Bestimmung des Ortes eines strahlungsmarkierten Tumors, der sich tief im Abdomen befindet, gemäß einem Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung zeigt;
11 eine Veranschaulichung wie jene von 7 ist, aber das System bei der Verwendung in einem späteren Schritt beim Bestimmen des Ortes des strahlungsmarkierten Tumors von 10 darstellt;
12 eine beispielhafte grafische Darstellung oder ebensolches Histogramm des Spektrums der Strahlungszählungen ist, welche durch das System von 1 und 2 von einem radioaktiven Technetium-99m-Spurmittel durch Luft erhalten wurden;
13 ein Histogramm wie jenes von 12, aber von den Strahlungszählungen ist, welche durch eine Referenzentfernung eines dem Wasser gleichwertigen Gewebes empfangen wurden;
14 ein Histogramm wie jenes von 12 ist, aber das Spektrum von Strahlungszählungen darstellt, welche durch das System von 1 während der Lokalisierung des Tumors gemäß einem Aspekt dieser Erfindung erhalten wurden; und
15 ein Histogramm wie jenes von 14 ist, aber das Spektrum von Strahlungszählungen darstellt, welche durch das System von 1 während der Lokalisierung des Tumors gemäß einem anderen und optionalen Aspekt dieser Erfindung erhalten wurden, um die Wirkungen der Compton-Streuung in den Messablesungen von erfasster Strahlung zu beseitigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr unter Bezugnahme auf verschiedene Figuren der Zeichnung, bei welchen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen, ist in 1 im Allgemeinen bei 20 ein System zum Lokalisieren von radioaktiv markiertem Material dargestellt, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt dieser Erfindung ist das System dazu eingerichtet, die Nuklearaufnahme eines strahlungsmarkierten Gewebes, z. B, einer Tumoraffektion oder eines Lymphknotens, im Körper eines Lebewesens oder in einer diagnostischen Gewebeprobe aus demselben zu bestimmen und dem Fachmann oder Benutzer, z. B. einem Chirurgen, Information bezüglich des Ortes des Tumors in Bezug auf irgendeinen vorbestimmten Referenzpunkt zu liefern. Insbesondere ist das System dazu eingerichtet, den Fachmann mit Information zu versorgen, um das Zentrum der nächsten Fläche des Tumors, z. B. ihre „X"- und „Y"-Koordinaten, sowie die Entfernung oder Tiefe dieser Fläche, z. B. die „Z"-Koordinate, in Bezug auf einen vorbestimmten Referenzpunkt zu bestimmen. Das System versorgt den Fachmann auch mit Information hinsichtlich der Dichte und/oder Menge von Zwischengewebe, das zwischen dem strahlungsmarkierten Gewebe und dem vorbestimmten Referenzpunkt liegt.
Dies wird erreicht, indem vom folgenden Verhalten von Photonen Gebrauch gemacht wird, wenn sie durch eine Substanz, wie beispielsweise ein menschliches Gewebe, wandern: je höher die Energie eines Photons, umso weiter wandern dieses Photon wahrscheinlich durch ein Gewebe einer bestimmten Dichte und Atomzahl, bevor es gestreut oder absorbiert wird; je größer die Dichte und je höher die Atomzahl der Substanz, umso kürzer ist die Entfernung, die ein Photon einer bestimmten Energie wahrscheinlich wandert, bevor es gestreut oder absorbiert wird; und im Falle von Röntgenstrahlen und Gammastrahlen ist, je größer die Dichte und je höher die Atomzahl der Substanz oder je größer die Entfernung ist, welche die entsprechenden Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen wandern, die Wahrscheinlichkeit umso größer, dass die entsprechende Spitzenlinienform asymmetrisch ist. Diese Verhaltensweisen hängen von der Energie des beteiligten Photons ab und nicht davon, ob das Photon ein Röntgenstrahlungsphoton oder ein Gammastrahlungsphoton ist.
Entscheidungen, die vom Fachmann, welcher das Strahlungserfassungsmittel verwendet, hinsichtlich der Gegenwart oder Abwesenheit klinisch bedeutsamer Nuklearaufnahme in Gewebe getroffen werden, müssen auf statistisch signifikanten Daten beruhen. Die Anzahl von Photonen, die von Stellen klinisch bedeutsamer Aufnahme erfasst werden, muss in Bezug auf Stellen ohne bedeutsame Aufnahme häufig genug sein, so dass der Vergleich dieser Anzahlen eine einwandfreie statistische Bearbeitung ermöglicht, welche den Fachmann mit dem angemessenen Maß an Vertrauen versieht. Demgemäß müssen die Zeiträume, welche für Messungen von erfassten Photonen verwendet werden, und die Mengen von radioaktiven Spurmitteln, welche dem Patienten injiziert werden, derart sein, dass sie es ermöglichen, dass genügend zahlreiche Photonen von den Stellen bedeutsamer Aufnahme für den oder die Krankheitszustände von Interesse emittiert und erfasst werden.
Wie für die Fachleute aus der folgenden Erörterung zu erkennen sein wird, wurden inzwischen technologische Fortschritte entwickelt, welche die vorliegende Erfindung befähigen, die zuvor erwähnten Nachteile in Verbindung mit den Strahlungsbildgebungstechniken nach dem Stand der Technik zu überwinden. Zum Beispiel kann eine verbesserte Tumorerfassung erreicht werden durch Anordnen während des chirurgischen Eingriffs einer handgeführten Nuklearaufnahmesonde oder eines ebensolchen Detektors im Körper in unmittelbarer Nähe von Geweben von Interesse, wodurch die Dicke von Zwischengewebe verringert wird, um radioaktive Emissionen, welche Gammastrahlungsphotonen und charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen umfassen, zu erfassen und zu beurteilen. Außerdem sind Nuklearaufnahmesondensysteme verfügbar, welche es dem Fachmann erlauben, nur Photonen innerhalb eines bestimmten Bereichs von Energien elektronisch auszuwählen und zu prüfen. Überdies sind seit langem Mehrkanalanalysatoren erhältlich, um bedeutsame Spitzen anzuzeigen, welche Gammastrahlungs- und charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonenzählungen entsprechen, welche sich aus dem Kontinuum ergeben, das durch Compton-gestreute Photonen erzeugt wird. All das Vorhergesagte trug zur Durchführung der vorliegenden Erfindung bei, deren Basis die Verwendung der charakteristischen Röntgenstrahlen zusammen mit den „Vollenergie"- oder „Primär"-Gammastrahlen des strahlungsmarkierten Spurmittels ist, so dass die Anzahl von erfassten Röntgenstrahlen und die Anzahl von erfassten Gammastrahlen getrennt verwendet und verglichen werden können, um dem Fachmann Information hinsichtlich des Ortes von Gewebe mit Nuklearaufnahme zu liefern, welche Information über die Tiefe des Gewebes unter der freiliegenden oder äußeren Gewebeebene, sowie Information über die Dichte von Zwischengewebe umfasst. Die charakteristischen Röntgenstrahlen wurden bis jetzt für gewöhnlich nicht erfasst oder, wenn sie erfasst wurden, wurden sie infolge der Tatsache, dass sie niedrige Energien und manchmal eine geringe Häufigkeit aufweisen, so dass ihre Signale sehr schwer zu entnehmen sind, wenn sie mit den verhältnismäßig intensiven Compton-gestreuten Photonen gemischt werden, für gewöhnlich ignoriert.
Durch Verwenden eines optionalen Aspekts der Erfindung können die Zählungen oder Ereignisse, die mit erfassten Compton-gestreuten Photonen verbunden sind, durch numerische Anpassungstechniken gestrippt und eliminiert werden, wodurch nur die charakteristische(n) Röntgenstrahlungs- und Gammastrahlungsspitze(n) für die Beur teilung übrig bleiben. Wie später erörtert wird, ist Software zur Ermöglichung dieses Prozesses im Handel erhältlich. Alternativerweise oder zusätzlich kann Kollimation zur Einschränkung des Sichtfelds verwendet werden, um Signale von unerwünschten Compton-gestreuten Photonen und anderer Hintergrundstrahlung erweiterten Feldes zu verringern.
Vor der Beschreibung des Systems 20 erfolgt nun eine kurze Beschreibung der Art und Weise, auf welche der Tumor mit einem strahlungsmarkierten Spurmittel markiert wird. Konkret wird dem Patienten ein ausgewähltes radioaktives Spurmittel 8 injiziert, bei welchem es sich um monoklonale Antikörper oder andere krankheitsspezifische oder anatomisch oder physiologisch spezifische Wirkstoffe handeln kann und die mit einem oder mehr Radioisotopen markiert sind. Dem radioaktiven Spurmittel wird genügend Zeit gelassen, um durch den ganzen Körper zu zirkulieren und sich an die konkrete Stelle von Interesse, z. B. kanzeröse Gewebezellen oder Tumore, zu binden oder davon absorbiert zu werden. Wie bereits erwähnt, wird oft nur ein kleiner Prozentsatz, z. B. ein halbes bis fünf Prozent, des radioaktiven Spurmittels tatsächlich durch das Organ oder Gewebe, das von klinischem Interesse und zur Untersuchung vorgesehen ist, d. h. die Stelle „spezifischer Aufnahme", absorbiert oder bindet sich daran. Ein wesentlich größerer Teil des injizierten radioaktiven Spurmittels zirkuliert zu anderen Bereichen des Körpers und interagiert mit Körpergewebe und Organen, die möglicherweise nicht von klinischem Interesse sind, wie beispielsweise nicht kanzeröses Gewebe, zirkulierendes Blut, Knochenmark, Extrazellulärflüssigkeit, die Leber und die Nieren. Daher konzentriert sich das radioaktive Spurmittel nach einer Zeitspanne des Zirkulierens durch den Körper des Patienten an Stellen spezifischer Aufnahme und verbleibt in verdünnten bis hohen Konzentrationen in einigen nicht kanzerösen Geweben, Organen, Extrazellulärflüssigkeiten und im Blut. Hohe bis sehr hohe Konzentrationen einer derartigen „nicht spezifischen" Aufnahme können zum Beispiel in der Leber bei vielen Indium-111-markierten Antikörpern und in den Nieren bei vielen Technetium-99m-markierten Antikörpern vorkommen, wie bereits erwähnt.
Ein Radioisotop, das als eine radioaktive Markierung, die Teil eines in den Körper zu injizierenden radioaktiven Spurmittels gemäß der vorliegenden Erfindung ist, bestens eignet, ist Technetium 99m, das Vollenergiegammastrahlen von 140 keV und charakteristische Röntgenstrahlen von 19 keV emittiert. Beispiele für zusätzliche Radioisotope, welche gemäß dieser Erfindung verwendet werden können, umfassen Indium 111, das Vollenergiegammastrahlen von ungefähr 247 keV und 172 keV und charakteristische Röntgenstrahlen von ungefähr 24 keV emittiert, sowie Iod 123, das Vollenergiegammastrahlen von ungefähr 159 keV und Tellurium-charakteristische Röntgenstrahlen von ungefähr 27 keV emittiert. Iod 125, das Vollenergiegammastrahlen von ungefähr 35 keV und Tellurium-charakteristische Röntgenstrahlen von ungefähr 27 keV emittiert, kann im Allgemeinen für Gewebe in Tiefen, die drei Zentimeter nicht überschreiten, ebenfalls verwendet werden.
Das System umfasst im Wesentlichen eine handgeführte Nuklearaufnahmesonde 22 (oder einen anderen Strahlungsdetektor) und ein elektronisches Instrument 24 zum Verarbeiten von Signalen von der Sonde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Sonde ein kleines Handgerät wie jenes, das von der Care Wise Medical Products Corporation von Morgan Hill, CA, dem Erwerber dieser Erfindung, unter der Handelsmarke C-Trak^®, geliefert wird. Die Sonde 22 ist in 2 am besten zu sehen und umfasst im Wesentlichen ein Körperelement 22B, das aus einem strahlungsblockierenden Material gebildet ist und einen hohlen Innenraum aufweist, in dem ein Strahlungsdetektor, z. B. ein Szintillationskristall 22C, und ein dazugehöriger Photoelektronenvervielfacher 22D angeordnet sind. Das vordere Ende oder die Nase 22A der Sonde definiert ein Fenster oder eine Öffnung, durch welche Photonen empfangen werden, um auf dem Szintillationskristall 22C aufzutreffen. Normalerweise umfasst der Szintillationskristall 22C entweder Natriumiodid, das mit Thallium dotiert ist, oder Cäsiumiodid, das mit Natrium oder Thallium dotiert ist.
Die Sonde 22 ist dazu eingerichtet, durch den Chirurgen gehalten und in unmittelbarer Nachbarschaft zur tumorverdächtigen Stelle angeordnet zu werden. Auf Wunsch kann die Sonde durch eine natürliche Körperöffnung, durch eine Operationswunde oder einen perkutanen Einschnitt oder Punktion eingeführt werden, um ihre Anordnung zu ermöglichen. Bei Anordnung in der Nähe des verdächtigen Tumors erfasst die Sonde Photonen, welche von Gewebe, das innerhalb des „Sichtfeldes" 12 der Sonde liegt, emittiert oder gestreut werden. Dieses Sichtfeld, wie durch die Phantomlinien in 3 bis 11 dargestellt, wird manchmal „räumlicher Öffnungswinkel" genannt und wird durch die Größe, Tiefe, Form und den Ort des Sondenfensters oder der Sondenöffnung in Bezug auf ihren Kristall 22C und die Größe und Form und des Kristalls festgelegt. Das Sichtfeld kann als ein Volumen, normalerweise konisch oder zylindrisch in allgemeiner Form, beschrieben werden, das sich unbegrenzt in den Raum erstreckt, der durch den Detektor durch sein Fenster „betrachtet" wird.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt dieser Erfindung umfasst die Sonde 22 einen Kollimator 22E, der am Sondenfenster angeordnet ist, um das Sichtfeld der Sonde festzulegen. Der Kollimator 22E kann je nach Wunsch fest oder veränderlich sein. In jedem Fall kann der gewünschte Öffnungswinkel des Sichtfeldes festgelegt werden. Dieses Merkmal kann den Tumorlokalisierungsvorgang beschleunigen, wie später beschrieben wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass ein Kollimator, obwohl er für einige Anwendungen wünschenswert sein kann, für andere unnötig sein kann. Daher ist die Verwendung eines festen oder veränderlichen Kollimators optional.
Die Sonde 22 umfasst eine Ausgangskabel 26, das an den Ausgang des Photoelektronenvervielfachers angeschlossen ist. Das Kabel umfasst einen Stecker an seinem Ende, der dazu eingerichtet ist, an einen Eingangsstecker 30A des Instruments 24 angeschlossen zu werden, um elektrische Impulse in Form von Ladungsimpulsen als Reaktion auf den Empfang von Photonen durch die Sonde zu liefern. Konkret treffen die Photonen, wenn sie durch die Sonde empfangen werden, auf dem Szintillationskristall 22C auf, was bewirkt, dass der Kristall Lichtblitze oder „Szintillationen" abgibt, deren Intensität proportional zur Energie der empfangenen Photonen ist. Die Lichtblitze werden durch die Photokathode abgefangen, welche die Vorderseite des Photoelektronenvervielfachers bildet, wobei Elektronen freigegeben werden, um elektrische Impulse bereitzustellen, welche proportional zur Energie der erfassten Photonen sind, wobei die Anzahl von Impulsen proportional zur Anzahl von empfangenen Photonen ist. Das resultierende elektrische Signal wird durch das Kabel 26 an den Vorverstärker und die zugehörige Verstärkerschaltung 30B (2), welche später beschrieben wird, geliefert. Die Schaltung 30B bildet einen Teil des Instruments 24, kann aber eine getrennte Komponente sein, welche zwischen den Ausgang der Sonde und den Eingang des Instruments 24 geschaltet wird. Es ist in diesem Instrument 24, wo das Signal, das für die durch die Sonde erfasste Strahlung repräsentativ ist, verarbeitet und gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
In einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung ist der Detektor, der in der Sonde 22 verwendet wird, von einer Halbleiterkonstruktion mit hoher Auflösung, welche imstande ist, die erfasste Strahlung direkt in elektrische Signale umzuwandeln. In Beispielen von solchen alternativen Ausführungsformen kann der Detektor Cadmiumzinktellurid, Germanium oder Silicium umfassen.
Eine andere alternative Ausführungsform einer Sonde zur Verwendung im System dieser Erfindung kann mehr als einen Detektor aufweisen, wie beispielsweise eine Sonde mit zwei unabhängigen Detektoren oder unabhängigen Segmenten eines Detektors, welche jeweils dazu bestimmt sind, Strahlung einer bestimmten Art oder Kategorie von Stellen oder einer bestimmten Energie oder einem bestimmten Energiebereich zu überwachen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass andere Strahlungserfassungsmittel mit dem System dieser Erfindung anstelle der zuvor beschriebenen Handsonde 22 verwendet werden können. In dieser Hinsicht können eine herkömmliche Gammakamera, Biopsiesonde, Endoskopiesonde oder irgendein anderer Detektor oder eine andere Operationskamera verwendet werden, um die Strahlung, die von dem zu lokalisierenden Material ausgeht, zu erfassen.
Wenn die Sonde 22 in irgendeiner Operationsposition in Bezug auf den Körper des Patienten angeordnet wird, erfasst die Sonde eine enorme Menge von Photonenemissionen innerhalb ihres Sichtfeldes. Dies umfasst Vollenergiegammastrahlungs- und charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen, sowie Compton-gestreute Photonen. Diese Photonen können von Bereichen ohne klinisches Interesse und von Stellen spezifischer Aufnahme, welche von klinischem Interesse sind, herrühren.
Das Instrument 24 stellt ein Mittel bereit zum Trennen und Anzeigen von Information, die aus der Erfassung von Photonen einer bestimmten Energie oder eines bestimmten Bereichs von Energien gewonnen wird, von der, die aus der Erfassung der anderen Photonen innerhalb des Sichtfeldes gewonnen wird, und auch zur weiteren Beurteilung dieser Information basierend auf Beziehungen zwischen den Anzahlen von Photonen von verschiedenen Energien, wie beispielsweise jenen der charakteristischen Röntgenstrahlen und der Vollenergiegammastrahlen eines bestimmten Radioisotops (oder von bestimmten Radioisotopen), und auch zur weiteren Beurteilung basierend auf den Wirkungen des Durchgangs solcher Photonen durch Gewebe. Konkret versorgt das System dieser Erfindung, wie später ausführlich beschrieben wird, den Chirurgen mit einem Mittel zum selektiven Überwachen nur jener Photonen von Interesse in der klinischen Beurteilung und zum Schätzen der Tiefe von Gewebe, von welchem diese Photonen herrühren, um die laterale Position, z. B. X- und Y-Koordinaten, und die Entfernungs- oder Tiefenposition, z. B. Z-Koordinate, der Stelle spezifischer Aufnahme, d. h. des verdächtigen Tumors, zu bestimmen.
Das Instrument 24 umfasst später zu beschreibende Mittel, welche dazu eingerichtet sind, die verstärkten elektrischen Signale, welche für die durch die Sonde empfangenen Photonen repräsentativ sind, nach der Energie auszusondern. Wie in 1 und 2 klar zu erkennen ist, umfasst das Instrument 24 im Wesentlichen einen Laptop-Mikrocomputer 30, welcher modifiziert wurde, um einen Mehrkanalanalysator und zugehörige Komponenten (alle im Folgenden zu beschreiben) zu umfassen. Konkret umfasst das Instrument 24 den zuvor aufgezeigten Eingangsstecker 30A, die zuvor aufgezeigte Vorverstärker/Verstärkerschaltung 30B, eine herkömmliche Tastatur 30C, ein Diskettenlaufwerk 30D, ein Festplattenlaufwerk und/oder Nur-Lese-Speicherlaufwerk („ROM") (nicht dargestellt), eine Rollkugel 30E oder sonstige Zeigevorrichtung, ein Farb- oder monochromes Anzeigefeld 30F, einen Lautsprecher oder eine andere Meldeeinrichtung 30G, einen EIN/AUS-Schalter 30H und verschiedene Software oder Programme, Dateien usw., welche der Laptop-Computer verwendet, um die verschiedenen Funktionen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Software, Programme usw. durch Hardware oder Firmware ersetzt werden können, um denselben Zweck zu erreichen.
Die früher beschriebene Sonde 22 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sie über genügend Energieauflösung verfügt, um die charakteristischen Röntgenstrahlungssignale und die Vollenergiegammastrahlungssignale trotz des Kontinuums, das sich aus Compton-gestreuten Photonen bei einigen klinischen Einstellungen ergibt, zu unterscheiden. Außerdem sollte die Verwendung eines Kollimators bei der Unterscheidung der erfassten gewünschten Gammastrahlen und charakteristischen Röntgenstrahlen vom Compton-Kontinuum bei solchen klinischen Einstellungen helfen, indem nur die Erfassung jener Compton-gestreute Photonen erlaubt wird, welche vom Sichtfeld, das vom Kollimator eingestellt wurde, kommen und welche eine Richtung aufweisen, die dazu führt, dass sie den Detektor erreichen. In manchen Anwendungen wird jedoch eine weitere Verringerung der Wirkungen des Compton-Kontinuums gewünscht. Für solche Einstellungen verwendet eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung Mittel, um die Daten, welche das Kontinuum repräsentieren, das sich aus Compton-gestreuten Photonen ergibt, in der Nachbarschaft der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze(n) und in der Nachbarschaft der Vollenergiegammastrahlungsspitze(n) zu entfernen oder zu strippen. Das Mittel zur Bewerkstelligung dieses Vorgangs wird durch eine Kurvenanpassungssoftware bereitgestellt, welche von den Benutzern, die mit dem Fachgebiet der Nuklearinstrumentierung für medizinische und nicht medizinische Anwendungen vertraut sind, wohlverstanden wird.
Der Mehrkanalanalysator, der einen Teil des Instruments 24 bildet, wird durch das Bezugszeichen 30I bezeichnet und weist eine herkömmliche Konstruktion auf. Zum Beispiel kann die Realisierung des Mehrkanalanalysators im Instrument 24 durch die Verwendung einer steckbaren gedruckten Schaltungskarteneinheit für einen Personalcomputer („PC-Karte") oder eine PCMCIA-Karte durchgeführt werden. Eine derartige PC-Karte ist die Mehrkanalzählerkarte, die unter der Handelsbezeichnung MCS-Plus von EG&G Ortec in Oak Ridge, TN, vertrieben wird. Alternativerweise kann der Analysator wie jener aufgebaut sein, der unter der Handelsbezeichnung ODYSSEY 4 von der Aptec Nuclear, Inc. in North Tonawandam, NY 14120-2060, vertrieben wird. In jedem Fall weist der Analysator 30I vorzugsweise wenigstens 256 Kanäle zum Aussondern der Eingangssignale von der Sonde 22 gemäß der Energie der erfassten Photonen auf. Zu diesem Zweck weist jeder Kanal des Analysators eine Energiebreite (z. B. etwa ein keV) auf, um eine geeignete Energieauflösung von Photonen von verschiedenen Energien, welche durch die Sonde 22 erfasst werden, zu liefern. Der Computer, der das Instrument 24 bildet, ist an den Ausgang des Mehrkanalanalysators (nicht dargestellt) angeschlossen, um Signale zu empfangen, welche die Energie der durch die Sonde aufgenommenen Photonen anzeigen, und ist mit einer später zu beschreibenden, im Handel erhältlichen Software ausgestattet, die sich auf der Festplatte oder im ROM befindet. Diese Software legt zusammen mit der Hardware des Computers die folgenden Funktionselemente des Instruments 24 fest: Spitzenidentifikationsmittel 30J, Fenstereinstellungsmittel 30K, Mittel 30L zur Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlen, Mittel 30M zur Isolation von Vollenergiegammastrahlen, Verhältnisberechnungsmittel 30N, Subtraktionsberechnungsmittel 30P, Spektrallinienformerkennungsmittel 30Q, Mittel 30R zur Normalisierung von charakteristische Röntgenstrahlen und Vollenergiegammastrahlen, Antriebsmittel 30S für die Balkendiagrammanzeige und Ziffernanzeige, sowie Meldeeinrichtungsantriebsmittel 30T.
Vor der Beschreibung der Einzelheiten der verschiedenen Mittel, welche das Instrument 24 bilden, ist eine kurze Erörterung der Verwendungsweise des Systems 20 angebracht. Zu diesem Zweck ordnet der Chirurg die Sonde 22 an und richtet sie zur gewünschten Position benachbart zur tumorverdächtigen Stelle aus. Der Chirurg verwendet die Sonde, um emittierte Photonen zu erfassen, indem er die Sonde 22, die mit der freiliegenden Gewebeebene in Kontakt ist, anfangs sehr langsam über Bereiche von Interesse bewegt, während er auf das hörbare Signal, das von der Meldeeinrichtung 30E erzeugt wird, horcht und/oder während er die Balkendiagramme und Photonzählungen beobachtet, die auf dem visuellen Anzeigefeld 30F bereitgestellt werden. Diese Balkendiagramme zeigen die Anzahl von Photonen an, welche erfasst werden. Der Chirurg nimmt dann über einen vorbestimmten Zeitraum, z. B. fünf, zehn, zwanzig oder dreißig Sekunden oder irgendeinen anderen Zeitraum, zeitgesteuerte Messungen von erfassten Photonen an Stellen von Interesse vor.
Wie bereits erwähnt, müssen der Zeitraum für die zeitgesteuerten Messungen und die Menge von radioaktiven Spurmitteln, die dem Patienten injiziert werden, derart sein, dass die Anzahlen von emittierten Photonen, die erfasst und angezeigt werden, und die Unterschiede und/oder Verhältnisse der Anzahlen von Photonen, welche verwendet werden, um die Gegenwart oder Abwesenheit spezifischer Aufnahme bestimmen, statistisch signifikante Unterschiede darstellen, welche den Chirurgen mit einem ausreichenden Maß an Vertrauen versehen.
Während dieser „Abtastungs"-Periode empfängt der Mehrkanalanalysator 30I Signale von der Vorverstärker-Verstärkerschaltung 30B. Die Spitzenspannung jedes Signals, das während der Abtastungsperiode empfangen wird, entspricht der Energie jedes Photons, das durch die Sonde 22 erfasst wird. Konkret speichert der Mehrkanalanalysator 30I jedes Signal, das er während der Abtastungsperiode von der Sonde 22 empfängt, im Speicher und ordnet jedes dieser einzelnen Signale basierend auf der gehörigen Spannung des Signals einem bestimmten Kanal in ihm zu. Wenn zusätzliche Photonen durch die Sonde 22 erfasst werden, werden diese auf die verschiedenen Energiekanäle im Mehrkanalanalysator verteilt. Der Mehrkanalanalysator erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das, wenn grafisch dargestellt, ein Spektrum oder Histogramm der Anzahl von Zählungen von erfassten Photonen als eine Funktion ihrer Energien bildet.
Ein typisches Spektraldiagramm für Technetium 99m ist in 14 dargestellt. Das Spektraldiagramm stellt die Anhäufung von Photonen, die vom Technetium-99m-strahlungsmarkierten Gewebe durch die Sonde 22 über einen fixierten Zeitraum erfasst werden, grafisch dar und umfasst drei Komponenten, d. h. wenigstens eine Vollenergiegammastrahlungsspitze, wenigstens eine charakteristische Röntgenstrahlungsspitze und das Kontinuum, das sich aus Compton-gestreuten Photonen ergibt. Die Y-Achse des Spektraldiagramms stellt die Anzahl von Ereignissen dar, d. h. die Anzahl von Photonen, welche innerhalb eines bestimmten Zeitraums bei einer bestimmten Energie erfasst werden, während die X-Achse die Energie von erfassten Photonen darstellt. Es versteht sich von selbst, dass das Spektraldiagramm, das in 14 veranschaulicht ist, Rohdaten umfasst. Das heißt, das Spektraldiagramm stellt alle Photonen dar, welche durch die Sonde 22 innerhalb ihres Sichtfeldes erfasst werden, d. h. alle erfassten charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen, Vollenergiegammastrahlungsphotonen und Compton-gestreuten Photonen. Diese umfassen Photonen, welche von Stellen spezifischer Aufnahme, welche von klinischem Interesse sind, herrühren, und können auch Photonen umfassen, welche vom Hintergrund, wie beispielsweise zirkulierendem Blut und Knochenmark, herrühren.
Die Ausgabe des Mehrkanalanalysators oder das Histogramm wird an das Spitzenidentifikationsmittel 30J geliefert. Dieses Mittel ist dazu eingerichtet, zu bestimmen, ob die Anzahl von erfassten Photonen über einer Basislinie liegt, welche im Allgemeinen dem Compton-Kontinuum entspricht, um die charakteristischen Röntgenstrahlungs- und Vollenergiegammastrahlungsspitzen zu identifizieren. Das Spitzenidentifikationsmittel kann durch jede geeignete Software realisiert werden, die sich im Computer 30 befindet.
Die Ausgabe des Spitzenidentifikationsmittels 30J wird an das Fenstereinstellungsmittel 30K geliefert. Dieses Mittel, welches ebenfalls durch eine geeignete, im Computer 30 befindliche Software realisiert wird, stellt die oberen und unteren Energiegrenzen fest, um die Breite des Energiebandes oder -fensters, welches die charakteristische Röntgenstrahlungsspitze umschließt, und des Energiebandes oder -fensters, das die Vollenergiegammastrahlungsspitze umschließt, festzulegen.
Die Ausgabe des Fenstereinstellungsmittels wird an das Mittel 30L zur Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlen und das Mittel 30M zur Isolation von Vollenergiegammastrahlen geliefert. Diese Mittel, welche später beschrieben werden, strippen oder entfernen im Wesentlichen alle der Wirkungen der Compton-Streuung von den Anzahlen der Photonen, deren Erfassung angezeigt wird. Während diese Funktion in vielen Anwendungen von erheblicher Bedeutung ist, ist sie es in anderen nicht. Hinsichtlich der Letzteren ist es, um die Stelle(n) spezifischer Aufnahme gemäß dieser Erfindung zu bestimmen, in manchen Fällen von klinischer Bedeutung nicht notwendig, zuerst das Kontinuum, das sich aus Compton-gestreuten Photonen ergibt, von den angezeigten Daten in der Region der charakteristischen Röntgenstrahlungs- und Vollenergiegammastrahlungsspitzen zu entfernen. Ein Beispiel wären Oberflächentumore an Orten begrenzter Tiefe, wie beispielsweise Eierstockkrebsimplantate auf der vorderen oder seitlichen inneren Bauchfelloberfläche der Bauchhöhle. In solch einem Fall könnte die Sonde gegen den verdächtigen Tumor von innerhalb der Bauchhöhle positioniert werden, und die erfasste Fernfeldstrahlung würde von der Haut der äußeren Bauchwand herrühren und folglich eine geringe Compton-gestreute Strahlung umfassen. Melanome der Hände und Füße brauchen möglicherweise auch keine Entfernung der Anzeige des Compton-Kontinuums, um charakteristische Röntgenstrahlen zu identifizieren.
In vielen Fällen jedoch ist es wünschenswert, die Daten, welche die Erfassung der Compton-gestreuten Photonen darstellen, wenigstens von den Daten in der Region der charakteristischen Röntgenstrahlungs- und Vollenergiegammastrahlungsphotonenemissionen im Wesentlichen zu strippen. Folglich umfasst die hierin dargestellte, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Compton-Stripp- oder -Neutralisierungsmerkmal. Dieser Vorgang wird durch das Mittel 30L zur Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlen und das Mittel 30M zur Isolation von Vollenergiegammastrahlen bewerkstelligt. Diese Mittel umfassen Computersoftware zum Durchführen mathematischer Kurvenanpassungs- und -strippfunktionen. Konkret dienen das Mittel 30L zur Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlen und das Mittel 30M zur Isolation von Vollenergiegammastrahlen, wenn sie im Computer 30 laufen, zum Ausfiltern des Anteils von Ereignissen, welche Compton-gestreute Photonen darstellen, und Durchlassen zur Anzeige der Daten über charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung kann die Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlungs- und Vollenergiegammastrahlungsphotonen durch die Mittel 30L und 30M durch problemloses Anpassen bestehender handelsüblicher mathematischer Kurvenanpassungs- und Kurvenstrippsoftware bewerkstelligt werden. Solch eine modifizierte Software befindet sich im Computer 30 des Instruments 24, z. B. auf dem Festplattenlaufwerk, im Nur-Lese-Speicher oder auf einer Karte im Computer gespeichert. Beispiel für brauchbare oder leicht anpassbare handelsübliche Software sind die Software, welche unter der Handelsbezeichnung PCA-II Second Generation Software von der Oxford Instruments, Inc., Nuclear Measurements Group, in Oak Ridge, TN 37831-2560, vertrieben wird, die Software, welche unter der Handelsbezeichnung SIGMASTAT statistical software von der Jandel Scientfific Software in San Rafael, CA 94912-7005, vertrieben wird, und die Software, welche unter der Handelsbezeichnung MATLAB und MATLAB Toolboxes von The Mathworks, Inc. in Natick, MA 01760-9889, vertrieben wird.
Eine alternative und einfachere Weise, die Daten über erfasste Compton-gestreute Photonen im Wesentlichen zu entfernen, kann durch Modifizieren der Isolationsmittel 30L und 30M erreicht werden, um die Daten innerhalb eines schmalen Energiebereichs oder -„fensters" unmittelbar über der höchsten Energie, die in der charakteristischen Röntgenstrahlungsphotospitze angezeigt wird, zu überprüfen. Konkret kann die Software des Instruments 24 so eingerichtet werden, dass sie die Daten über erfasste Photonen innerhalb eines „Fensters" vorbestimmter Energiebandbreite, z. B. 4 keV, unmittelbar über den Energien der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze überprüft. Die Daten innerhalb dieses Fensters können dann von den Daten über Photonen subtrahiert werden, die innerhalb eines ähnlich bemessenen Fensters erfasst werden, das die charakteristische Röntgenstrahlungsspitze umschließt, um eine etwas grobe Entfernung von Compton-gestreuten Photonen zu liefern. Eine ähnliche Technik kann verwendet werden, um Compton-gestreute Photonen von der Nachbarschaft der abfallenden Flanke der Gammastrahlungsphotospitze zu strippen. Wenn ein genaueres Strippen in der Nachbarschaft der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze erforderlich oder wünschenswert ist, kann die Software so eingerichtet werden, dass die Daten von einem zweiten Fenster vorbe stimmter Breite, z. B. 4 keV, das direkt unter der Energie liegt, die in der charakteristischen Röntgenstrahlungsspitze angezeigt ist, überprüft werden. Dann wird der Mittelwert der Anzahlen von Photonen, die im Fenster unmittelbar über und im Fenster unmittelbar unter den Energien der Röntgenstrahlungsspitze erfasst werden, berechnet und von der Anzahl von Photonen, welche im Fenster erfasst werden, das die Röntgenstrahlungsspitze bildet, subtrahiert, um zu einem genaueren Strippen der Compton-Streuung zu führen.
Wen eine höhere Auflösung oder Genauigkeit wünschenswert ist, ist eine andere Lösung, die Isolationsmittel 30L und 30M zu verwenden, um eine Funktion unter Verwendung von herkömmlichen Kurvenanpassungstechniken an den Abschnitt des Histogramms, welcher Compton-gestreute Photonen darstellt, mathematisch anzupassen und diese Funktion vom Histogramm von erfassten Photonen zu subtrahieren, wodurch sich ein im Wesentlichen Compton-gestripptes Signal oder Histogramm ergibt, das hauptsächlich die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen darstellt.
Wenn das Compton-Kontinuum im Wesentlichen gestrippt ist, liefert der Analysator die Linienform jeder Spitze, sowie eine Messung der Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen, die innerhalb der Abtastungsperiode erfasst wurden. Das Instrument 24 präsentiert dem Fachmann diese Information in sichtbarer und hörbarer Form. Konkret wird die Information in Form von zwei Balkendiagrammen, welche die Anzahlen von charakteristischen Röntgenstrahlen und Vollenergiegammastrahlen veranschaulichen, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums erfasst wurden, und dazugehörigen numerischen Anzeigen derselben auf dem Bildschirm 30F visuell angezeigt. Dies ist in 1 und 9 bis 11 klar dargestellt. Wie darauf zu erkennen ist, sind ein Leuchtbalken oder -graph 32A, dessen Länge die Anzahl von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen darstellt, und ein Leuchtbalken oder -graph 32B, dessen Länge die Anzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlenzählungen darstellt, auf dem Bildschirm oder Anzeigefeld 30F angezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind die Balkendiagramme 32A und 32B gemäß der natürlicherweise auftretenden Häufigkeit von charakteristischen Röntgenstrahlen bis Vollenergiegammastrahlen für die jeweiligen verwendeten Radioisotope normalisiert, so dass, wenn Photonen im korrekten Verhältnis für die natürliche Häufigkeit von charakteristischen Röntgenstrahlen und Vollenergiegammastrahlen für das jeweilige Radioisotop erfasst werden, die beiden Balkendiagramme dieselbe Länge aufweisen (wie in 1 dargestellt). Mit dem Balkendiagramm 32A auf dem Bildschirm 30F ist eine Ziffernanzeige 34A verbunden, welche die erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen darstellt, während eine ähnliche Ziffernanzeige 34B, welche die Anzahl der erfassten Vollenergiegammastrahlen darstellt, mit dem Balkendiagramm 32B verbunden ist. Die Balkendiagramme 32A und 32B und die dazugehörigen Digitalanzeigen 34A beziehungsweise 34B werden unter der Kontrolle des Balkendiagramm- und Digitalanzeigetreibers 30S erzeugt. Dieser Treiber wird durch irgendeine geeignete Software im Computer 30 realisiert.
Die Information bezüglich der erfassten Photonen wird durch die Meldeeinrichtung 30G, z. B. einen Lautsprecher oder einen Ton- oder Sprachsynthesizer, unter der Kontrolle des Meldeeinrichtungstreibers 30T hörbar bereitgestellt. Die Funktionsweise dieses Mittels wird später beschrieben.
Der Fachmann kann die Information auf dem Bildschirm 30F und die durch die Meldeeinrichtung 30G bereitgestellte Information auf die im Folgenden zu beschreibenden Arten und Weisen verwenden, um die Orte zu bestimmen und die Tiefe von Stellen spezifischer Aufnahme zu beurteilen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung wird, wie später erörtert wird, eine Bibliothek von Spektren von Technetium 99m, Indium 111, Iod 123, Iod 125, Iod 131, Thallium 210, Gallium 67, Fluor 18 und anderer derartiger Radionuklide von Interesse zusammengestellt und aufbewahrt, z. B. im Computer des Instruments 24 gespeichert. Verfügbare Daten, wie beispielsweise jene, welche durch das Durchführen von Punktquellenmessungen von Strahlung, die durch ein dem Wasser gleichwertiges Gewebematerial oder Wasser selbst hindurchgeht, von Zwei-Millimeter-Inkrementen von Tiefe oder „Dicke" bis Wassertiefen von 30 Millimetern und bei Fünf-Millimeter-Inkrementen für Tiefen von 30 bis 200 Millimetern geliefert werden, werden vorzugsweise aus empirischen Messungen oder verfügbaren Daten gewonnen. In jedem Fall wird eine Bibliothek von Daten über die verschiedenen Radioisotope im Instrument 24 oder auf einer Diskette zur Eingabe in das Instrument gespeichert. Dies stellt dem System 20 eine Referenzbibliothek von Informationen über die Wirkung der Dicke oder Tiefe von Gewebe, durch welches emittierte Strahlung hindurchgeht, zur Verfügung über solche Faktoren wie: Abschwächung von charakteristischen Röntgenstrahlen und Vollenergiegammastrahlen; die Linienform der Spektren von Vollenergiegammastrahlungsspitzen und charakteristischen Röntgenstrahlungsspitzen; und das Verhältnis von Vollenergiegammastrahlen zu verbundenen charakteristischen Röntgenstrahlen. All diese Daten sind zum Lokalisieren einer Stelle spezifischer Aufnahme, d. h. eines Tumors, nützlich, wie später beschrieben wird.
Das Fenstereinstellungsmittel 30K hilft beim Lokalisieren von Stellen spezifischer Aufnahme und Erhalten anderer Informationen bezüglich Strukturen im Körper durch elektronisches Auswählen eines bestimmten Energiebereichs der enormen Menge von Photoninformation innerhalb des Sichtfelds der Sonde für die Beurteilung. Bevor jedoch das Fenstereinstellungsmittel 30K beschrieben wird, ist die folgende Erörterung der Probleme bei der Unterscheidung von Stellen spezifischer Aufnahme angebracht. Zu diesem Zweck nimmt, wie für die Fachleute zu erkennen ist, bei Zunahme der Entfernung, welche entlang der zentralen Längsachse der Sonde 22 von ihrem Fenster gemessen wird, die Anzahl von potenziellen Stellen, von welchen emittierte Photonen erfasst werden können, zu. Das heißt, bei zunehmender Entfernung enthält das Sichtfeld einer Sonde normalerweise eine zunehmende Menge von empfangenen Emissionen. Durch Beurteilen des gesamten Sichtfeldes kann es äußerst schwierig sein, den genauen Ort der Stelle spezifischer Aufnahme zu bestimmen. Zum Beispiel sind Gammastrahlungsphotonen imstande, verhältnismäßig große, z. B. Zehner von Zentimetern, Entfernungen durch weiches Gewebe zurückzulegen, ohne absorbiert zu werden. Da es für Vollenergiegammastrahlungsphotonen möglich ist, von entfernten Stellen spezifischer Aufnahme, sowie von entfernten Stellen nicht spezifischer Aufnahme, die tief innerhalb des Sichtfeldes liegen, herzurühren, ist es schwierig, die genaue Stelle, von welcher solche Gammastrahlungsphotonen herrühren, mit einem hohen Grad an Gewissheit zu bestimmen.
Umgekehrt sind charakteristische Röntgenstrahlen normalerweise vergleichsweise energiearme Emissionen, welche nur zehn (10) bis dreißig (30) Millimeter durch weiches Gewebe wandern können, bevor sie absorbiert werden. Zum Beispiel beträgt die Halbwertsschicht in Wasser (d. h. die Dicke, welche die Hälfte der einfallenden Röntgenstrahlen absorbiert) für 20-keV-Röntgenstrahlen etwa 10 Millimeter; für 30-keV-Röntgenstrahlen 21 Millimeter; und für 40-keV-Rönttgenstrahlen 28 Millimeter. Für Punktquellen funktioniert auch das photometrische Entfernungsgesetz, welches die Erfassbarkeitstiefe weiter begrenzt. Neben ihrer Absorption können Photonen, welche durch Gewebe (oder Wasser) hindurchgehen, auch Compton-gestreut, aber nicht absorbiert werden. Die Photonen, welche sich aus diesem Streuungsprozess ergeben, weisen infolge ihrer Streuung niedrigere Energien auf. Sowohl die Absorption als auch die Compton-Streuung führen zu einer Verringerung der Anzahl von Photonen, welche in einer bestimmten Röntgenstrahlungsspitze aufgezeichnet werden.
Die Energien der charakteristischen Röntgenstrahlen von Indium 111 betragen etwa 24 keV, und von Technetium 99m betragen sie etwa 19 keV; daher sind sehr wenige jenseits einer Gewebetiefe von 20 Millimetern erfassbar. Erfasste charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen von diesen Radioisotopen rühren daher von Gewebe her, das in oberflächlichen Tiefen innerhalb des Sichtfeldes liegt, so dass der Ort der Stelle ihres Ursprungs innerhalb eines wesentlich kleineren und besser definierten Gewebevolumens liegt, als dies für Gewebe der Fall wäre, das durch die Erfassung von Gammastrahlen höherer Energie allein lokalisiert wird.
Die vorliegende Erfindung befähigt den Chirurgen, die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen, die von der Sonde empfangen werden, zu überprüfen, um zu bestimmen, dass sich die Stelle spezifischer Aufnahme, z. B. eine strahlungsmarkierte tumorverdächtige Stelle, in einer oberflächlichen Tiefe unter einem aufliegendem Gewebe befindet, indem er von der Tatsache Gebrauch macht, dass die charakteristischen Röntgenstrahlen des radioaktiven Spurmittels nur eine kurze Entfernung durch Gewebe wandern. Zum Beispiel weisen die charakteristischen Röntgenstrahlen von Technetium 99m eine Halbwertsschicht von 8 Millimetern auf, d. h. die Anzahl von 19-keV-Röntgenstrahlen von Technetium fällt durch 8 Millimeter Wasser um die Hälfte.
Das „sehr nahe Feld" der offenbarten Ausführungsform dieser Erfindung kann als zwei Halbwertsschichten von dem Wasser gleichwertigen Gewebe definiert werden, wobei die empfangene Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen 100% bis 25% der emittierten Anzahl beträgt. Das „Zwischenfeld" kann als ein Gewebe definiert werden, das in Tiefen, die größer als zwei, aber geringer als vier Halbwertsschichten sind, unter der freiliegenden oder äußeren Gewebeebene liegt, wobei die empfangene Anzahl von Photonen von 25% bis 6% der emittierten Anzahl beträgt. Wie bereits zuvor erörtert, bilden das sehr nahe Feld und das Zwischenfeld zusammen das Nahfeld. Das „Fernfeld" kann so definiert werden, dass es sich bei vier oder mehr Halbwertsschichten von der Nuklearaufnahmestelle für die charakteristischen Röntgenstrahl(en) von Interesse oder jenseits davon befindet. Im Fernfeld ist die erfasste Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlen sehr gering, und zwar weniger als 8% der Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlen, die von Aufnahmestellen in Gewebetiefen von mehr als vier Halbwertsschichten emittiert werden. Infolgedessen beträgt für Technetium 99m die Entfernung des sehr nahen Feldes (oder der zwei Halbwertsschichten) ungefähr 0 bis 17 mm, beim Zwischenfeld beträgt sie 18 bis 33 mm, beim Nahfeld (welches das sehr nahe und das Zwischenfeld umfasst) ungefähr 0 bis 33 mm und beim Fernfeld über 33 mm.
Es ist darauf hinzuweisen, dass andere Bereiche für das sehr nahe Feld, das Zwischenfeld und das Fernfeld mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können und dass der Bereich jedes dieser Felder, wie zuvor angegeben, lediglich beispielhaft ist. Außerdem sind die Bereiche für das sehr nahe Feld, das Zwischenfeld und das Fernfeld, welche eine Funktion des Energieniveaus des radioaktiven Spurmittels sind, von radioaktivem Spurmittel zu radioaktivem Spurmittel verschieden. Zum Beispiel strahlt Indium 111 charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen bei einer Energie von 24 keV und bei einer Häufigkeit von 83,5% aus. Infolgedessen wäre, wenn dieselben Definitionen wie im vorhergehenden Beispiel verwendet werden, das sehr nahe Feld für Indium 111 0 bis 27 mm, das Zwischenfeld 27 bis 54 mm und das Fernfeld über 54 mm.
Wie bereits erwähnt, dient das Fenstereinstellungsmittel 30K des Instruments 24 dazu, für die Beurteilung einen bestimmten Energiebereich oder -abschnitt der erfassten Photonen, welcher innerhalb des Sichtfelds 12 der Sonde fällt, elektronisch auszuwählen. Das heißt, durch Einstellen des Fenstereinstellungsmittels kann der Fachmann wählen, nur Photonen zu überprüfen, die in einen vorbestimmten Bereich von Energien fallen, d. h. nur charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen, welche von Gewebe herrühren, das in oberflächlichen Tiefen innerhalb des Gewebes (Nahfeldstrahlung) liegt, auszuwählen oder eine Kombination der charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und der Vollenergiegammastrahlungsphotonen, welche von einem Gewebe innerhalb des Nahfelds herrühren, auszuwählen. Durch Verwenden sowohl des Fenstereinstellungsmittels als auch des Verhältnisberechnungsmittels kann der Fachmann nur die Vollenergiegammastrahlungsphotonen, welche von Gewebe jenseits des Zwischenfeldes herrühren, d. h. mit dem Fernfeld, auswählen.
Das Fenstereinstellungsmittel wird durch Anpassen der zuvor erwähnten Software auf die auf dem Fachgebiet bekannt Arten und Weisen realisiert, um den Fachmann zu befähigen, einen oder mehr von vielen vorgewählten Bereichen von Energieniveaus auszuwählen, um nur charakteristische Röntgenstrahlen einer (oder mehr) Energien und/oder Vollenergiegammastrahlen einer (oder mehr) Energien von jenen, die durch die Sonde 22 erfasst werden, zu beurteilen und dadurch Daten für Photonen, welche von einem (oder mehr) bestimmten vorgewählten Bereichen von Gewebetiefen emittiert werden, auszuwählen und anzuzeigen. Zum Beispiel kann der Fachmann gemäß einer Betriebsart der vorliegenden Erfindung in dem Fall, in dem der Fachmann glaubt, dass ein Bereich spezifischer Aufnahme durch Einstellen des Fenster einstellungsmittels 30K des Instruments in der Nähe der Oberfläche des aufliegenden Gewebes lokalisiert werden kann, Informationen über Gammastrahlungsphotonen des erweiterten Feldes, welche Unklarheit verursachen, unterdrücken und auf diese Weise nur charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen beurteilen, welche von Punkten herrühren, die nur in unmittelbarer Nähe zur äußeren oder externen Gewebeoberfläche (vom Nahfeld), z. B. oft nicht mehr als zehn (10) bis dreißig (30) Millimeter tief, liegen. Durch Verwenden der Signale von diesen charakteristischen Röntgenstrahlenemissionen auf später zu erörternde Arten und Weisen ist der Fachmann imstande, die Orte von kanzerösem Gewebe, das in oberflächlichen Tiefen liegt, mit einem erheblichen Grad an Gewissheit zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Fachmann durch Verwenden von radioaktiven Spurmitteln, welche Gammastrahlen emittieren, die Energien von über 60 keV („bildgebende radioaktive Spurmittel") aufweisen, welche zum Erzeugen von Bildern in Gammakameras verwendet werden können und welche auch charakteristische Röntgenstrahlen niedrigerer Energien emittieren, die folgenden Vorteile erhalten. Der Fachmann kann über präoperative Gammakamerabilder zur Hilfe bei der chirurgischen Suche nach Stellen spezifischer Aufnahme verfügen und auch ein Strahlungserfassungsmittel während des chirurgischen Eingriffs verwenden, um Aufnahmestellen in oberflächlichen Gewebetiefen zu lokalisieren, ohne die intraoperative Suche nach den oberflächlichen Stellen durch ein Signal von Fernfeldstrahlung, wie beispielsweise Hintergrundstrahlung von tieferen Aufnahmestellen, zu beeinträchtigen.
Zum genauen Lokalisieren von verdächtigen Nahfeldtumoren kann das Instrument 24 vom Verhältnisberechnungsmittel 30N Gebrauch machen. Für jedes Radioisotop ist das Verhältnis von Gammastrahlen zu Röntgenstrahlen bekannt und konstant. In Fällen einer Mehrzahl entweder von Gammastrahlen oder von Röntgenstrahlen von einem bestimmten Radioisotop ist jedes derartige Verhältnis zwischen Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen einer Energie und den Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen einer anderen Energie ebenfalls bekannt und konstant. Das Verhältnis, das von einem bestimmten Radioisotop erfasst wird, wenn die Strahlung durch verschiedene Dicken von Gewebe hindurchgeht, ändert sich gemäß der Absorption von Photonen unterschiedlicher Energien, wenn sie durch eine Substanz hindurchgehen, wie auf Seite 21 beschrieben. Diese bekannten Verhältnisse werden im Instrument in der zuvor erwähnten Referenzbibliothek gespeichert. Zum Beispiel liefert Technetium 99m eine natürliche Häufigkeit von 7,5% charakteristischen 19-keV-Röntgenstrahlen und 89% 140-keV-Vollenergiegammastrahlen. Indium 111 liefert eine natürliche Häufigkeit von 83,5% charakteristischen 24-keV-Röntgenstrahlen, 89,6% 172-keV-Vollenergiegammastrahlen und 93,9% 247-keV-Vollenergiegammastrahlen. Das Verhältnisberechnungsmittel 30N dient zum Berechnen des Verhältnisses von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen zu Gammastrahlen, die während einem bestimmten Zeitraum für ein bestimmtes Radioisotop erfasst werden, und zum Vergleichen dieses berechneten Verhältnisses mit den gespeicherten Referenzverhältnissen für bestimmte unterschiedliche Tiefen von Gewebe und für Nichttiefe von Gewebe. Für Fälle, in welchen entweder keine Hintergrundstrahlung oder ein niedriges Niveau von Hintergrundstrahlung innerhalb des Sichtfeldes, das mit einer in einer oberflächlichen Tiefe gelegenen Stelle spezifischer Aufnahme verbunden ist, erfasst wird, können durch den Fachmann Informationen basierend auf diesem Verhältnis verwendet werden, um die Tiefe dieser Stelle genauer festzustellen. Die Realisierung des Verhältnisberechnungsmittels 30N wird durch Modifizieren der zuvor erwähnten im Handel erhältlichen Computerprogramme problemlos bewerkstelligt.
Das Subtraktionsberechnungsmittel 30P arbeitet in Zusammenwirkung mit dem Verhältnisberechnungsmittel 30N, um zusätzliche Informationen über die Tiefe (Z-Achse) von Gewebe mit Nuklearaufnahme zu liefern. Konkret subtrahiert das Mittel 30P die Anzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlen, welche der Anzahl von erfassten Röntgenstrahlen entspricht, von der Gesamtzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlen, um zu einer Messung von Fernfeldstrahlung zu führen, die durch Gewebe emittiert wird, das in Tiefen jenseits von der, von welcher die charakteristischen Röntgenstrahlen emittiert wurden, liegt. Die Fernfeldstrahlung kann sowohl von nicht spezifischer Hintergrundstrahlung als auch von der spezifischen Aufnahme eines tiefer liegenden Gewebes sein. Der Fachmann kann diese Information über die Fernfeldstrahlung zum Beispiel verwenden, um die Aufnahme in tieferen Geweben zu beurteilen und Stellen hoher Hintergrundstrahlung zu identifizieren, um in der Lage zu sein, die Sonde auf eine derartige Weise auszurichten, dass die Wirkungen einer solchen Hintergrundstrahlung auf Nahfeldmessungen, wie beispielsweise Messungen, die unter Verwendung des zuvor erwähnten Verhältnisberechnungsmittels vorgenommen werden, vermieden oder minimiert werden, um die Tiefe einer Stelle spezifischer Aufnahme in oberflächlichen Tiefen genauer festzustellen.
Wenn der Fachmann gleichzeitig mehr als ein Radioisotop im radioaktiven Spurmittel oder mehr als ein radioaktives Spurmittel, jeweils mit einem verschiedenen Radioisotop, verwendet, wobei die relative Aufnahme der beiden radioaktiven Spurmittel bekannt und vorhersagbar ist, dann können das Verhältnisberechnungsmittel 30N und das Subtraktionsberechnungsmittel 30P ferner dazu verwendet werden, um zusätzliche Informationen über die Tiefe von Gewebe mit Nuklearaufnahme zu erhalten. Wenn zum Beispiel die zu verwendenden Radioisotope Technetium 99m, welches charakteristische Röntgenstrahlen bei ungefähr 19 keV emittiert, und Iod 123, welches charakteristische Röntgenstrahlen bei ungefähr 27 keV emittiert, sind, dann würden die 27-keV-Röntgenstrahlen von Gewebe erfasst werden, das in größerer Tiefe liegt als das Gewebe, von dem die 19-keV-Röntgenstrahlen erfasst werden. Durch Verwenden derselben Methodologie wie zuvor in Verbindung mit dem Subtraktionsmittel erörtert, kann die erfasste Strahlung in ein Technetium-99m-Nahfeld (emittiert von Gewebe, von welchem 19-keV-Röntgenstrahlen erfasst werden), ein Technetium-99m-Iod-123-Zwischenfeld (emittiert von Gewebe, von dem 29-keV-Röntgenstrahlen, aber keine 19-keV-Röntgenstrahlen erfasst werden) und ein Iod-123-Fernfeld (emittiert von Gewebe, von dem Gammastrahlen, aber keine 29-keV-Rontgenstrahlen erfasst werden) unterteilt werden. Der Fachmann kann diese Information dann zum Beispiel verwenden, um die Tiefe weiter zu bestimmen und dadurch die seitlichen X-, Y-Positions- und die Z-Tiefenkoordinaten der verschiedenen Gewebe, in welchen die Aufnahme vorkommt, festzustellen.
Dasselbe Verfahren kann verwendet werden, um die Tiefe des Strahlungsfeldes weiter zu segmentieren, indem Radioisotope verwendet werden, welche mehr als eine Gammastrahlungs- und/oder charakteristische Röntgenstrahlungsspitze aufweisen, wobei die im Allgemeinen beteiligten Photonenenergien unter etwa 100 keV liegen; ein Beispiel für ein solches Radioisotop ist Thallium 201, welches Röntgenstrahlen bei etwa 70 und 81 keV emittiert. Durch Anwenden des Verhältnisberechnungsmittels zusammen mit dem Subtraktionsberechnungsmittel auf eine Vielzahl von Röntgenstrahlen und/oder Gammastrahlen ermöglicht die Erfindung es dem Fachmann, die Tiefe der Schichten von Gewebe, in welchem Aufnahme erfasst wird, weiter zu segmentieren und dadurch die Gewebeaufnahmestelle(n) von Interesse genauer zu lokalisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfasst das Instrument 24 auch das hierin zuvor aufgezeigte Spektrallinienformerkennungsmittel 30Q. Bekanntlich hängen die Anzahlen von erfassten Photonen oder die Anzahlen von Zählungen bei den charakteristischen Röntgenstrahlungs- und Gammastrahlungsspitzen für ein bestimmtes Radioisotop von mehreren Faktoren ab, welche die Dichte und die Atomzahl des Materials, durch welches Photonen vor der Erfassung hindurchwandern müssen, z. B. Blut, weiches Gewebe, Lungengewebe oder Knochen, und die Entfernung, welche die Photonen durch das Material zurücklegen müssen, bevor sie durch die Sonde 22 erfasst werden, umfassen. Weiches Gewebe, Blut und die meisten Tumore weisen ähnliche Dichten, d. h. ungefähr die von Wasser, auf. Knochen weist eine höhere Dichte auf. Die Lungen weisen auf Grund ihres hohen Luftgehalts effektive Dichten auf, die wesentlich niedriger als die von Wasser sind. Wenn daher Gammastrahlungsphotonen und Röntgenstrahlungsphotonen vor der Erfassung durch verhältnismäßig dichte Materialien, z. B. Knochen, wandern, ist die Abschwächung für die energieärmeren Röntgenstrahlen unverhältnismäßig größer. In dieser Hinsicht beträgt die lineare Abschwächung von Knochen bei 20 keV ungefähr neunmal die von Muskeln, während Muskeln eine lineare Abschwächung aufweisen, die dem Wasser sehr nahe kommt. Folglich ist die Anzahl von erfassten Röntgenstrahlungsphotonen, wenn sie durch Knochen hindurchgehen, verhältnismäßig klein oder inexistent. Umgekehrt ist, wenn Röntgenstrahlungs- und Gammastrahlungsphotonen durch weniger dichte Materialien, z. B. weiches Gewebe, wandern, die Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlen, welche erfasst und im Spektrum angezeigt werden, verhältnismäßig groß. Die normalerweise energiereicheren Gammastrahlen erleiden ähnliche Abschwächungswirkungen, aber in geringerem Ausmaß.
Durch Speichern einer Bibliothek von Referenzdaten im Instrument 24, welche die Linienformen der Spektren verschiedener Radioisotope als eine Funktion der Dicke und Arten von Zwischengeweben darstellen, wie auf Seite 34 erörtert, ist das Instrument 24 imstande, den Fachmann mit Information zur Lokalisierung des verdächtigen Tumors zu versorgen.
In 12 ist das Spektrum von Photonen von einer Technetium-99m-markierten Quelle dargestellt, welche durch Luft zu einer in einer vorbestimmten Entfernung angeordneten Sonde hindurchgehen. 13 stellt dieses Spektrum mit einem bekannten Material, z. B. Wasser (zur Repräsentation eines dem Wasser gleichwertigen Gewebes), einer bekannten Dicke dazwischen dar. Wie zu sehen ist, wurde die abfallende oder energieärmere Flanke der Vollenergiegammastrahlungsspitze asymmetrisch und breiter, und das Maximum der Spitze wurde verringert. Die Daten, welche beide der Spektren von 12 und 13 darstellen, sowie andere Daten für andere Dicken von dazwischen liegenden Körpermaterialien, z. B. Muskeln, Gewebe, Knochen, Lungen usw., werden in der Referenzbibliothek im Instrument 24 gespeichert. Diese Daten werden durch das Linienformerkennungsmittel 30Q verwendet, um das Spektrum der Photonen, welche durch die Sonde 22 tatsächlich erfasst und durch den Mehrkanalanalysator und die zugehörigen Mittel, welche zuvor beschrieben wurden, verarbeitet werden, zu vergleichen. Konkret sucht das Linienformerkennungsmittel nach der genauesten Anpassung, und sobald dies erreicht ist, versorgt das Instrument 24 den Fachmann visuell auf dem Bildschirm 30F und/oder hörbar durch die Meldeeinrichtung 30G mit Information über die Tiefe des Gewebes, welches die erfasste spezifische Nuklearaufnahme aufweist. Auf diese Weise wird durch Überprüfen des Grades von Asymmetrie der tatsächlich gemessenen Gammastrahlungsspitze mit dem der Referenzbibliothek die Tiefe von Gewebe bekannter Dichte über der Stelle, von welcher die Photonen emittiert wurden, bestimmt.
Der Fachmann kann von der Zunahme der Asymmetrie der Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsspitzenlinienform Gebrauch machen, wenn die Gewebetiefe oder -dichte, durch welche die Gammastrahlen oder die Röntgenstrahlen hindurchgehen, zunimmt. In dieser Hinsicht kann das Instrument, wenn die Entfernung zur Stelle spezifischer Aufnahme bekannt ist oder bis zu einem angemessenen Grad an Gewissheit durch irgendein unabhängiges Mittel geschätzt werden kann, den Fachmann durch Verwenden der Daten in der gespeicherten Referenzbibliothek mit Information zur Schätzung der Dichte von Gewebe versorgen, das zwischen der Stelle spezifischer Aufnahme und der Sonde liegt. Ein Beispiel für die Verwendung von Dichteinformation wäre für eine Aufnahmestelle, von der bekannt ist, dass sie in oberflächlicher Tiefe liegt, wie beispielsweise ein Tumor, der von innerhalb der Knochenmarkhöhle durch die Oberfläche des Knochens dringt. In diesem Beispiel könnte der Fachmann demnach im Voraus wissen, wo weniger Kraft angewendet werden muss, um einen dünnen oder gebrochenen aufliegenden Rindenknochen bei gleichzeitiger Verwendung einer Nadel zum Erhalten einer diagnostischen Biopsie zu perforieren. Derartige Bestimmungen könnten bei der Verringerung versehentlichen Eindringens auf der entfernten Seite des Knochens während solcher Vorgänge von großem Nutzen sein.
Die Spektrallinienformmessungen, welche vorgenommen werden, um die Referenzdaten zur Verwendung durch das Spektrallinienformerkennungsmittel 30Q festzulegen, können mit Festkörper-Halbleiterdetektoren, wie beispielsweise Cadmiumzinktellurid, Silicium oder Germanium, bei Raumtemperatur oder gekühlt unter Raumtemperatur durchgeführt werden.
Wie bereits erwähnt, ist das Instrument 24 mit der Meldeeinrichtung 30G ausgestattet. Die Meldeeinrichtung wird durch den Meldeeinrichtungstreiber 30T angetrieben, um hörbare Signale zu liefern, um dem Fachmann zu helfen, wenn er die Sonde verwendet, um den verdächtigen Tumor zu lokalisieren. Konkret treibt der Treiber 30T die Meldeeinrichtung an, um sie zu veranlassen, hörbare Töne, welche auf verschiedene Arten und Weisen, z. B. hinsichtlich Tonhöhe, Intensität, Wiederholungsrate oder auf irgendeine andere Weise oder eine Kombination von Arten und Weisen modifiziert werden, als eine Funktion der Rate zu liefern, bei der die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und/oder Vollenergiegammastrahlungsphotonen erfasst werden. Die Tonerzeugung, welche durch die Meldeeinrichtung 30G bereitgestellt wird, ist dem Stand der Technik bekannt und in mehreren verschiedenen, im Handel erhältlichen chirurgischen Gammasondensystemen verfügbar. Der Treiber 30T für die Meldeeinrichtung kann durch jede geeignete Software realisiert werden. Wenn die Erfindung zum Beispiel verwendet wird, um ausschließlich charakteristische Röntgenstrahlen zu erfassen, kann der Meldeeinrichtungstreiber 30T so eingestellt werden, dass er eine bestimmte Form von Signal, z. B. „Bieptöne", nur bei Erfassung von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen durch die Sonde 22 emittiert. Speziell erfasst die Sonde 22, wenn sie zu einem Volumen gerichtet wird, das zur Gänze reines Gewebe umfasst, d. h. weg von einem Ort spezifischer Aufnahme, eine verhältnismäßig niedrige Rate von charakteristischer Röntgenstrahlenemissionen (da nur eine verhältnismäßig dünne Konzentration von radioaktiven Spurmitteln innerhalb des Sichtfeldes der Sonde vorhanden ist). Daher emittiert die Meldeinrichtung 30G Bieptöne bei einer langsamen Rate, die anzeigt, dass die Sonde nur reines Gewebe erfasst.
Umgekehrt erfasst die Sonde 22, wenn sie zu einer oberflächlichen Stelle spezifischer Aufnahme, d. h. einem Ort, welcher kanzeröses Gewebe enthält, gerichtet wird, charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen, welche als Folge einer höheren Konzentration von radioaktiven Spurmitteln, die an der Stelle spezifischer Aufnahme vorhanden sind, bei einer größeren Rate emittiert werden. Demnach ändern die Bieptöne, welche von der Meldeeinrichtung unter der Kontrolle des Treibers 30T emittiert werden, die Frequenz drastisch, wodurch sie anzeigen, dass eine Stelle verdächtiger spezifischer Aufnahme in das Sichtfeld der Sonde gekommen ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Meldeeinrichtung 30G unter der Kontrolle ihres Treibers 30T Töne und/oder Zirpen erzeugen, welches allein oder zusammen mit Bieptönen zu verwenden ist, um Bereiche verdächtiger spezifischer Aufnahme hörbar von Bereichen reinen Gewebes zu unterscheiden. Der Meldeeinrichtungstreiber kann so eingerichtet sein, dass er durch den Fachmann eingestellt werden kann, um die Meldeeinrichtung zu veranlassen, bei der Erfassung von energieärmeren (normalerweise Röntgenstrahlungs-) Photonen Bieptöne zu emittieren und gleichzeitig bei der Erfassung von energiereicheren (normalerweise Gammastrahlungs-) Photonen ein Zirpen zu oder andere hörbar unterschiedliche Töne zu emittieren. Auf Wunsch kann ein Sprachsynthesizer verwendet werden, um dem Fachmann verbale Information zu liefern.
Das Verfahren zur Verwendung des Systems 20 zum Lokalisieren einer tumorverdächtigen Stelle, welche mit Technetium 99m markiert ist, wird nun unter Bezugnahme auf 3 bis 11 beschrieben.
Um den Ort von Technetium-99m-markierten Affektionen zu bestimmen, welche in oberflächlichen Tiefen unter der freiliegenden oder äußeren Gewebeebene, d. h. innerhalb des „Nahfeldes", liegen, kann man die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen überprüfen, während man die Gammastrahlungsphotonen, die empfangen werden, ignoriert. Durch Überprüfen dieser Photonen befähigt das System den Benutzer, z. B. einen Chirurgen, die Sonde über einer Nahfeldaufnahmestelle, z. B. einem verdächtigen Tumor oder einer Affektion, zu zentrieren.
Um den Ort von Technetium-99m-markierten Affektionen zu bestimmen, welche in oberflächlichen Tiefen unter der freiliegenden oder äußeren Gewebeebene, d. h. innerhalb des „Nahfeldes", liegen, kann man die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen überprüfen, während man die Gammastrahlungsphotonen, die empfangen werden, ignoriert. Durch Überprüfen dieser Photonen befähigt das System den Benutzer, z. B. einen Chirurgen, die Sonde über einer Nahfeldaufnahmestelle, z. B. einem verdächtigen Tumor oder einer Affektion, einzustellen.
Um den Ort von verdächtigen Tumoren im Nahfeld, insbesondere im tieferen (oder Zwischen-) Abschnitt des Nahfeldes, zu bestimmen, kann der Chirurg ebenfalls das System dieser Erfindung verwenden, um sowohl die empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen als auch die empfangenen Vollenergiegammastrahlungsphotonen zu überprüfen und die jeweils erfassten Anzahlen zu vergleichen, um dadurch Information hinsichtlich der Tiefe des verdächtigen Tumors innerhalb des Nahfeldes zu erhalten.
Um den Ort von verdächtigen Tumoren zu bestimmen, die tiefer im Gewebe, d. h. innerhalb des „Fernfeldes", sind, kann das System dieser Erfindung außerdem die Anzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlen überprüfen und die Anzahl von erfassten Gammastrahlen, welche der Anzahl von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen für das Radioisotop in Verwendung entsprechen, subtrahieren, was zu einer Zählung von Gammastrahlen führt, welche nur vom Fernfeld, also von Gewebetiefen, von welchen keine emittierten charakteristischen Röntgenstrahlen erfasst werden können, herrühren.
Von erheblicher Bedeutung dieser Erfindung ist die Tatsache, dass der qualifizierte Fachmann imstande ist, zu bestimmen, ob die empfangenen Gammastrahlungsphotonen von einer entfernten Aufnahmequelle, z. B. einer Niere innerhalb des Sichtfeldes der Sonde, oder von einer nahe gelegenen strahlungsmarkierten Quelle, z. B. einem möglicherweise kanzerösen Lymphknoten innerhalb des Sichtfeldes der Sonde, stammen. In dieser Hinsicht kann man sich, wenn die Proportion zwischen den empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen zu den empfangenen Vollenergiegammastrahlungsphotonen für eine nahe gelegene Quelle angemessen ist, auf die Statistik der nahen empfangenen Gammastrahlungsphotonen verlassen. Wie in dieser Hinsicht bereits erwähnt, weisen die charakteristischen 19-keV-Röntgenstrahlen von Technetium 99m eine Häufigkeit von 7,5% auf, und die 140-keV-Vollenergiegammastrahlungsphotonen weisen eine Häufigkeit von 89% auf. Demnach ist das Verhältnis der natürlichen Häufigkeit von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen zu Vollenergiegammastrahlungsphotonen 7,5/89 oder 0,084. Demgemäß weiß der Fachmann, wenn das Verhältnisberechnungsmittel des Systems eine genügende Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen erfasst, so dass ihr Verhältnis zu den erfassten Gammastrahlungsphotonen 0,084 ist, dass sowohl die Gammastrahlen als auch die Röntgenstrahlen, die empfangen werden, von einer strahlungsmarkierten Quelle, die in oberflächlicher Tiefe unter der freiliegenden Gewebeebene liegt, und nicht von einer tiefen Aufnahmequelle stammen.
Wie bereits erwähnt, stellt das Anzeigefeld 30F die Anzahl von empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen durch die Längen des Leuchtabschnitts der Leuchtbalken 32A beziehungsweise 32B und durch die dazugehörigen Ziffernanzeigen 34A beziehungsweise 34B dar. Die Leuchtbalken sind in diesem Fall für das geeignete Verhältnis von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen zu Vollenergiegammastrahlungsphotonen für das verwendete radioaktive Spurmittel, z. B. ein Verhältnis von 0,084 für Technetium 99m, normalisiert, so dass, wenn ein geeignetes Verhältnis von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen empfangen wird, die Leuchtabschnitte der Leuchtbalken dieselbe Länge aufweisen, während die dazugehörigen Ziffernanzeigen numerisch die absolute Anzahl von Photonen darstellen, die während der Mess- oder „Zählungs-„Periode erfasst werden. Die Meldeeinrichtung erzeugt auf den Treiber 30T ansprechend jeweilige Töne, welche die Raten darstellen, bei welchen die charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen und Vollenergiegammastrahlungsphotonen erfasst werden. Diese Töne können durch den Meldeeinrichtungstreiber auf Wunsch normalisiert werden.
Der Chirurg kann die erzeugten Anzeigen und/oder Töne verwenden, um den Ort des strahlungsmarkierten Gewebes zu bestimmen. Angenommen zum Beispiel, der Chirurg versucht einen verdächtigen Tumor oder eine Affektion im Abdomen eines Patienten zu lokalisieren, der ein radioaktives Spurmittel, z. B. einen mit Technetium 99m markierten monoklonalen Antikörper, empfangen hat. Um diesen Vorgang durchzuführen, führt der Chirurg die Handsonde 22 an einem bestimmten Ausgangspunkt, z. B. gegen irgendeine Gewebeebene, im Abdomen ein. Der Chirurg kann die Sonde dann in der X-, Y- und Z-Richtung in Bezug auf die tumorverdächtige Stelle bewegen, um die Sondenposition und -ausrichtung zu finden, welche die maximale Anzahl von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen ergibt, und vergleicht das Verhältnis der beiden Anzahlen mit der für das verwendete radioaktive Spurmittel erwarteten. Dieser Vorgang ist durch die Veranschaulichungen von 3 bis 9 grafisch dargestellt.
Nunmehr unter Zuwendung zu 3 ist zu sehen, dass die Situation veranschaulicht ist, in der die Nase oder Spitze 22A der Sonde 22 an einer Gewebeebene in unmittelbarer Nähe zur vorderen Oberfläche einer tumorverdächtigen strahlungsmarkierten Stelle angeordnet ist, wobei sich der Tumor innerhalb des „Sichtfeldes" der Sonde (durch die Phantomlinien gekennzeichnet) befindet.
Die grafische Darstellung der Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen, die durch die Sonde während der Zählungsperiode empfangen werden, wird auf dem normalisierten Leuchtbalken 32A des Systems angezeigt, während die absolute Anzahl von erfassten Photonen auf der zugehörigen Ziffernanzeige 34A angezeigt wird. Auf ähnliche Weise wird eine grafische Darstellung der Anzahl von Vollenergiegammastrahlen, die durch die Sonde während der Zählungsperiode erfasst werden, auf dem anderen normalisierten Leuchtbalken 32B des Systems angezeigt, während die absolute Anzahl von erfassten Photonen auf der dazugehörigen Ziffernanzeige 34B angezeigt wird. Die Meldeeinrichtung, wenn durch den Treiber aktiviert, erzeugt entsprechende hörbare Signale, so dass der Fachmann nicht auf das Anzeigfeld 30F zu blicken braucht. Auf Wunsch kann die Meldeeinrichtung deaktiviert werden, so dass keine Töne erzeugt werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der allgemeinen Verfahren, welche beim Verwenden des Strahlungserfassungsmittels, wie durch diese Erfindung beschrieben, zur Lokalisierung von Stellen konzentrierter Nuklearaufnahme einbezogen werden. Die tatsächliche Anzahl von erfassten Photonen muss ausreichen, um statistisch signifikante Daten zu liefern und dadurch den Fachmann mit dem angemessenen Maß an Vertrauen in die Daten zu versehen, wie auf Seite 26 beschrieben.
Im Beispiel von 3 beträgt die Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlen, die während der Zählungsperiode erfasst wurden, 600, und die Anzahl von erfassten Vollenergiegammastrahlen beträgt 7.143. Demnach beträgt das Verhältnis der charakteristischen Röntgenstrahlen zu den Vollenergiegammastrahlen 600/7.143 oder 0,084. Dieses Verhältnis, welches das normalerweise für charakteristische Röntgenstrahlen und Vollenergiegamma strahlen von Technetium 99m bestehende Verhältnis ist und welches in der Referenzbibliothek des Instruments 24 gespeichert ist, zeigt an, dass die empfangenen Daten auf eine strahlungsmarkierte Quelle mit wenig oder keinem Zwischengewebe zutreffen (d. h. das Verhältnisberechnungsmittel vergleicht die erfassten Photonen mit den Referenzphotonen, um zu bestimmen, ob das richtige Verhältnis existiert). Die Leuchtbalken 32A und 32B weisen in diesem Fall jeweils dieselbe Länge auf und zeigen demnach grafisch an, dass das entsprechende Verhältnis existiert. Somit wird der Chirurg durch die angezeigten Informationen (sowie hörbare Töne, falls aktiviert) in seiner Annahme bestätigt, dass sich eine Stelle signifikanter Aufnahme, z. B. die strahlungsmarkierte Stelle eines verdächtigen Tumors, wahrscheinlich im Sichtfeld der Sonde und in unmittelbarer Nähe zur äußeren Gewebeebene, gegen welche die Sondennase 22A anliegt, befindet.
Indem die Sonde 22 seitlich auf- oder ab- (d. h. in der „Y"-Richtung) und nach rechts oder links (in der „X"-Richtung) bewegt wird und die in einem bestimmten Zeitraum erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen oder Zählungsrate abgelesen werden, bis eine maximale Zählungsrate erreicht ist, kann der Chirurg die Sonde auf der tumorverdächtigen Stelle zentrieren. In dieser Hinsicht wird, wenn die Zählungsrate für charakteristische Röntgenstrahlen in jeder Entfernung von einer oberflächlichen Aufnahmestelle oder entlang einer bestimmten Gewebeebene maximiert ist, die Achse der Sonde mit dem Zentrum dieser Stelle ausgerichtet, wie durch die gemessenen Mengen der Nuklearaufnahme bestimmt. Somit kann man durch Maximieren der Zählungsrate für charakteristische Röntgenstrahlen an jeder Gewebeebene, an welcher die Nase der Sonde angeordnet wird, die „X"- und „Y"-Koordinaten des Zentrums eines nahe gelegenen verdächtigen Tumors für jede bestimmte Entfernung von dieser Gewebeebene festlegen.
Außerdem liefert die Zählungsrate für charakteristische Röntgenstrahlen im Vergleich mit der Zählungsrate für Vollenergiegammastrahlen eine gewisse Indikation der Entfernung, d. h. der „Z"-Koordinate, von der vorderen Oberfläche des verdächtigen Tumors zur äußeren Gewebeebene, wo die Nase der Sonde angeordnet ist.
Bei vielen radioaktiven Spurmitteln, wie beispielsweise jenen, die monoklonale Antikörper einbeziehen, gibt es häufig bekannte vorhersagbare Orte von signifikanter nicht spezifischer Aufnahme. Die folgenden Beispiele basieren auf Bedingungen, bei welchen der Chirurg wissen würde, dass die Nieren solche Stellen signifikanter nicht spezifischer Aufnahme sind.
Wie für die Fachleute zu erkennen sein sollte, würde, wenn das System der vorliegenden Erfindung beim Versuch, eine strahlungsmarkierte tumorverdächtige Stelle zu lokalisieren, eine Anzahl von charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen erfasst, welche in Bezug auf die Anzahl von Gammastrahlen für das Radioisotop, das verwendet wird, unverhältnismäßig niedrig ist, der Chirurg in seiner Annahme bestätigt werden, dass die überwältigende Mehrheit der erfassten Gammastrahlen eher von entfernten oder weit entfernten, intensiven Aufnahmequellen tief innerhalb des Gewebes als von nahen Aufnahmebereichen, d. h. dem verdächtigen Tumor, ausgeht. Ein Beispiel für diese Bedingung ist in 4 dargestellt, wobei die Sonde 22 so dargestellt ist, dass sie über einem Technetium-99m-markierten verdächtigen Tumor in einem Lymphknoten, der sich sehr dicht an der Nase der Sonde befindet, zentriert ist, wobei ein wesentlicher Teil der Niere des Patienten zwar im Sichtfeld der Sonde, aber in bedeutender Entfernung oder Tiefe innerhalb des Gewebes, z. B. fünf cm von der Nase der Sonde, liegt. Da die Niere normalerweise eine beträchtliche Menge des radioaktiven Spurmittels absorbiert und sich in diesem Beispiel fünf cm unter der freiliegenden Gewebeebene befindet, müssen die charakteristischen Röntgenstrahlen von der Niere durch sechs Halbwertsschichten von dazwischen liegenden, dem Wasser gleichwertigen Gewebe hindurchgehen, woraufhin nur 1% dieser Röntgenstrahlungsphotonen die Sonde erreichen. Die überwältigende Mehrheit der charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen, welche von der Sonde empfangen werden, z. B. 600 in diesem Beispiel, stammen von einer nahe gelegenen Aufnahmequelle, in diesem Fall vom verdächtigen Tumor. Da Vollenergiegammastrahlungsphotonen imstande sind, wesentlich größere Entfernungen durch Zwischengewebe ohne bedeutsame Abschwächung oder Absorption zurückzulegen als die Röntgenstrahlen, ist die Anzahl der empfangenen Gammastrahlungsphotonen in Bezug auf die Anzahl von empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlen ziemlich hoch. In diesem Beispiel werden 20.450 Gammastrahlen erfasst. Das resultierende Verhältnis von Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen zu Anzahlen von erfassten Gammastrahlen beträgt daher 0,029. Dieses unverhältnismäßig niedrige Verhältnis ist grafisch dargestellt durch die normalisierten Leuchtbalken, welche unterschiedliche Längen aufweisen, d. h., wie in 4 zu erkennen ist, der Leuchtbalken 32B, welcher die Gammastrahlen darstellt, ist wesentlich länger als der Leuchtbalken 32A, welcher die charakteristischen Röntgenstrahlen darstellt, um dem Chirurgen anzuzeigen, dass die überwältigende Mehrheit der Gammastrahlungsphotonen, welche empfangen werden, wahrscheinlich von einer entfernten, intensiven Aufnahmestelle (in diesem Fall von einem substanziellen Teil der Niere, deren allgemeine Position dem Chirurgen bekannt ist) stammt.
Infolgedessen muss der Chirurg seine Suche fortsetzen, um die Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen in dem gewünschten Verhältnis zur Anzahl von erfassten Gammastrahlen zu maximieren, um den verdächtigen Tumor zu lokalisieren. Um dies zu erreichen, kann der Chirurg die Sonde seitlich entlang der freiliegenden Gewebeebene nach rechts und/oder links (d. h. in einer „X"-Richtung) und auf- und/oder ab- (d. h. in der „Y"-Richtung) von ihrer vorherigen „axialen" Position bewegen, um außeraxiale Kontrollablesungen vorzunehmen und auf diese Weise zu bestimmen, wie sich die erfassten Anzahlen von Photonen ändern. Dies befähigt den Chirurgen, die Randkanten des verdächtigen Tumors zu lokalisieren und Anzahlen von erfassten Photonen vom verdächtigen Tumor mit jenen vom benachbarten Hintergrund zu vergleichen. Wenn zum Beispiel, wie in 5 dargestellt, die Sonde nach links bewegt wird, bis die Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen drastisch, z. B. von 600 auf 30, fallen, während die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen von 20.450 auf 10.050 fallen, zeigt dies an, dass der verdächtige Tumor nicht mehr innerhalb des Sichtfeldes der Sonde liegt, während ein kleinerer (aber noch immer erheblicher Abschnitt) des entfernten Aufnahmebereichs (z. B. ein kleinerer Teil der Niere) innerhalb des Sichtfeldes bleibt.
Der Chirurg hat dann die Suche fortzusetzen, um den verdächtigen Tumor zu lokalisieren. Zu diesem Zweck kann sich der Chirurg, wenn er die Sonde in der „X"-Richtung nach links vom Tumor und in der „Y"-Richtung nach unten bewegt, so dass der verdächtige Tumor außerhalb des Sichtfeldes der Sonde liegt (woraufhin die Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen in einem bestimmten Zeitraum drastisch fallen), und die Sonde dann in einem Winkel zu ihrer ursprünglichen Ausrichtung ausrichtet, bis die Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen drastisch steigen und die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen drastisch fallen, durch Eliminieren der Wirkungen der entfernten Aufnahmestelle, d. h. der Niere, „auf" den verdächtigen Tumor „richten". Dieser Vorgang ist in 6 veranschaulicht, wobei die Sonde so dargestellt ist, dass sie senkrecht zu ihrer ursprünglichen Ausrichtung ausgerichtet ist, so dass 600 charakteristische Röntgenstrahlen erfasst werden, während 7.143 Gammastrahlen erfasst werden. In diesem Fall weisen die Leuchtbalken 32A und 32B dieselbe Länge auf, da das Verhältnis von Röntgenstrahlen zu Gammastrahlen 0,084 ist, wodurch die Gegenwart einer nahen Aufnahmequelle, d. h. des tumorverdächtigen Lymphknoten, ohne andere Aufnahmequellen (d. h. ohne Nierenteil), im Sichtfeld angezeigt wird. Der Chirurg ist daher in der Lage, den verdächtigen Tumor zu lokalisieren.
Wie bereits erwähnt, umfasst die Sonde 22 vorzugsweise einen Kollimator 22E. Dieser Kollimator kann verstellbar oder fest sein, um das Sichtfeld des Strahlungsdetektors oder Kristalls 22C der Sonde zu verkleinern (oder zu vergrößern), um die Lokalisierung des verdächtigen Tumors zu ermöglichen, z. B. um das Sichtfeld der Sonde einzuschränken, wodurch es für den Chirurgen leichter gemacht wird, das Erfassen von bekannten Quellen nicht spezifischer Aufnahme zu vermeiden. Dieses Merkmal kann beim Lokalisieren von verdächtigen Tumoren, insbesondere jenen, welche dicht benachbart zu intensiven Quellen bekannter nicht spezifischer Aufnahme liegen, von großer Hilfe sein. Zum Beispiel ist in 7 die Lokalisierung eines verdächtigen Tumors veranschaulicht, der wesentlich dichter an der Niere liegt als in dem Beispiel, das unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde. In diesem letzteren Beispiel werden 600 charakteristische Röntgenstrahlen erfasst, während 42.580 Vollenergiegammastrahlen erfasst werden. Das Verhältnis von charakteristischen Röntgenstrahlen zu Gammastrahlen, welches in diesem Fall unverhältnismäßig niedrig ist, zeigt dem Chirurgen an, dass im Sichtfeld der Sonde eine intensive tiefe Aufnahmequelle, von welcher nur Gammastrahlen erfasst werden, sowie eine nähere Strahlungsquelle, von welcher Röntgenstrahlen erfasst werden, vorhanden sind. Somit sollte der Chirurg die Suche auf eine ähnliche wie die zuvor beschriebene Weise fortsetzen. Konkret zeigt Bewegen der Sonde nach links, wie in 8 veranschaulicht, bis die Anzahl von erfassten Röntgenstrahlen auf 30 fällt, während die Anzahl von er fassten Gammastrahlen auf 32.240 fällt, an, dass zwar der verdächtige Tumor nicht mehr, aber eine tiefe Aufnahmequelle noch immer innerhalb des Sichtfeldes der Sonde liegt. Durch Ausrichten der Sonde auf ähnliche wie der in 6 dargestellten Weise und durch Einengen des Sichtfeldes der Sonde, wie in 9 dargestellt, indem der Kollimator 22E auf der Sonde 22 verwendet wird, ist der Chirurg imstande, 300 charakteristische Röntgenstrahlen und 9.450 Vollenergiegammastrahlen zu erfassen, woraufhin der Chirurg in seiner Annahme bestätigt wird, dass wahrscheinlich keine andere Quelle nicht spezifischer Aufnahme im Sichtfeld der Sonde vorhanden ist. Er kann die Lokalisierung des verdächtigen Tumors durch Halten der Sonde in derselben Ausrichtung und Beobachten der Anzeigen, während die Sonde in verschiedenen Richtungen entlang der freiliegenden Gewebeebene bewegt wird, weiter konkretisieren. Somit ist der verdächtige Tumor lokalisiert.
Um eine spezifische Aufnahmequelle, z. B. einen verdächtigen Tumor, zu lokalisieren, die sich jenseits des Nahfeldes für das verwendete spezifische Radioisotop befindet, macht das System 20 von den erfassten Vollenergiegammastrahlen Gebrauch. Die charakteristischen Röntgenstrahlen werden jedoch ebenfalls verwendet, um zu bestimmen, ob das Verhältnis von charakteristischen Röntgenstrahlen zu den Vollenergiegammastrahlen angemessen ist, so dass die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen verwendet werden können, um eine entfernte Quelle spezifischer Aufnahme anzuzeigen. In 10 und 11 ist ein Prozess des Lokalisierens einer Technetium-99m-markierten tumorverdächtigen Stelle, welche tief innerhalb des Abdomen einer dicken Person liegt, in der Annahme, dass gewünscht wird, die Bauchfellgewebeebene nicht mit der Sonde 22 zu durchdringen, um den verdächtigen Tumor zu lokalisieren, veranschaulicht.
In 10 ist die Sonde so veranschaulicht, dass sie bezüglich des Tumors außeraxial ist, wobei das System 300 charakteristische Röntgenstrahlen und 4.320 Vollenergiegammastrahlen erfasst. Die Leuchtbalken 32A und 32B weisen in diesem Fall nicht dieselbe Länge auf, da das Verhältnis von charakteristischen Röntgenstrahlen zu Vollenergiegammastrahlen unverhältnismäßig niedrig ist. Wenn der Chirurg die Sonde zu Orten benachbart zu dem, der in 10 dargestellt ist, in jeder anderen außer der Richtung bewegt, welche sie über den verdächtigen Tumor bewegt, ändern sich die relativen Anzahlen von erfassten Gammastrahlen und charakteristischen Röntgenstrahlen außerdem nicht merklich. Somit wird der Chirurg in der Annahme bestätigt, dass die erfasste Strahlung wahrscheinlich die Hintergrundstrahlung einer Aufnahme niedriger Konzentration darstellt, welche im Allgemeinen im ganzen Gewebe vorhanden ist, und es hat weiteres Suchen zu erfolgen, um den Tumor zu lokalisieren. Um dies zu erreichen, wird die Sonde entweder in der X- oder in der Y-Richtung (rechts/links beziehungsweise auf/ab) bewegt. In der Veranschaulichung von 11 ist die Sonde so dargestellt, dass sie in der X-Richtung nach links bewegt wurde, bis die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen zunahmen. In diesem Beispiel bleiben die Anzahlen von erfassten charakteristischen Röntgenstrahlen bei 300, da die Röntgenstrahlenquelle das Gewebe dicht an der Sonde mit der niedrigen Konzentration von Aufnahme bleibt. Allerdings steigen die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen auf 9.450, wenn die Sonde axial (d. h. zentriert) mit dem verdächtigen Tumor ist, und sinken dann, wenn die Sonde in irgendeiner Richtung vom verdächtigen Tumor wegbeweget wird, so dass der Tumor wieder außerhalb des Sichtfelds der Sonde liegt. Da das radioaktive Spurmittel, das verwendet wird, mit Technetium 99m markiert wurde, wären für eine Ablesung von 300 charakteristischen Röntgenstrahlen zugehörige 3.571 Vollenergiegammastrahlen vorhanden, wenn kein Gewebe zwischen der Aufnahmestelle und der Strahlungserfassungssonde liegen würde. Daher wird der Chirurg durch die empfangenen Ablesungen in der Annahme bestätigt, dass 5.879 Gammastrahlen (9.460 – 3.571) wahrscheinlich von tieferen Fernfeldaufnahmequellen kommen, von welchen der Chirurg möglicherweise aus anatomischer Kenntnis weiß, dass sie einen möglichen Tumor umfassen, der sich jenseits des Nahfeldes befindet. Außerdem kann der Chirurg aus der Gammastrahlenablesung bei außeraxialer Sonde (10) feststellen, dass von den 4.320 erfassten Gammastrahlen 749 (4.320 – 3.571) wahrscheinlich andere tiefere Fernfeldaufnahmequellen darstellen, welche Hintergrund von nicht spezifischer Aufnahme, wie beispielsweise den im Blutpool, in Extrazellulärflüssigkeit usw., von innerhalb des Sichtfeldes der Sonde darstellen könnten.
Wenn man darauf aus ist, nur die Anzahl von erfassten Gammastrahlen von 10 und 11 zu überprüfen, wie es der Stand der Technik beschrieb, und die Anzahlen von erfassten Röntgenstrahlen und ihre Verhältnisse zu den Anzahlen von erfassten Gammastrahlen nicht getrennt berücksichtigt, beträgt das Verhältnis von entfernten tumorverdächtigen Gammastrahlen (die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen von 11, wenn die Sonde „axial" ist) zur erfassten Hintergrundstrahlung (die Anzahlen von erfassten Gammastrahlen in 10, wenn die Sonde „außeraxial" ist) 9.450/4.320. Demnach führt das Verwenden der alleinigen Überprüfung von Gammastrahlen nach dem Stand der Technik zu einem Verhältnis verdächtiger Tumor zu Hintergrund von 2,19. Bei Verwenden des Systems 20 jedoch beträgt das Verhältnis von erfassten entfernten Fernfeldgammastrahlen zu den erfassten Hintergrundgammastrahlen 2.897/749 oder 7,85. Dieses wesentlich höhere Tumor-Hintergrund- oder Kontrastverhältnis versieht den Chirurgen mit einem wesentlich höheren Maß an Vertrauen, dass der verdächtige Tumor tatsächlich lokalisiert wurde.
Wie bereits erwähnt, ist es in vielen Fällen wünschenswert, dass die angezeigten Anzahlen die charakteristischen Röntgenstrahlen und Vollenergiegammastrahlen darstellen, aber keinerlei empfangenen Compton-gestreute Photonen. Dies kann teilweise erreicht werden, indem der Kollimator 22E auf der Sonde 22 verwendet wird, um die Anzahl von empfangenen Compton-gestreuten Photonen zu minimieren. Das Ziel kann vollständiger erreicht werden durch das Mittel 30L zur Isolation von charakteristischen Röntgenstrahlen und das Mittel zur Isolation von Gammastrahlen, die zuvor beschrieben wurden, zum wesentlichen Strippen oder Entfernen des Signals, welches das Compton-Kontinuum darstellt, vom Signal, welches das Spektrum aller empfangenen Photonen darstellt, um ein verarbeitetes Signal zu liefern, welches hauptsächlich die empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlen und die empfangenen Vollenergiegammastrahlen repräsentiert, wie in 15 dargestellt.
An diesem Punkt muss wiederholt werden, dass die Entfernung des Signals, welches Compton-gestreute Photonen darstellt, von den empfangenen Zählungen, obwohl sie wünschenswert sein kann, nicht obligatorisch ist. Somit braucht das System 20 Daten über Compton-gestreute Photonen nicht zu entfernen, um die genaue Lokalisierung von Gewebe spezifischer Aufnahme ermöglichen.
Für Fachleute sollte zu erkennen sein, dass die Kartesischen X-, Y-Positions- und Z-Tiefenkoordinaten der relativen Fläche von tumorverdächtigem Gewebe, welche durch diese Erfindung festgestellt werden, mit planaren und dreidimensionalen Gammakamerabildern visuell verglichen werden können. Als weitere Verbesserung können absolute Kartesische X-, Y-Positions- und Z-Tiefenkoordinaten von tumorverdächtigem Gewebe, welche durch dieses System festgestellt werden, durch Computer mit den entsprechenden absoluten Kartesischen X-, Y-Positions- und Z-Tiefen koordinaten von zuvor erhaltenen dreidimensionalen Gammakamerabildern in Beziehung gesetzt werden. Demnach kann eine virtuelle Abbildung der dreidimensionalen Verteilung von tumorverdächtigem Gewebe in Bezug auf die Position und Winkelausrichtung der Sonde (unter Berücksichtigung der Entfernung der Sonde von der äußeren Gewebeebene) mit Rückführungssignalen von einem geeigneten, im Handel erhältlichen Gerät (nicht dargestellt) zum Abfühlen der X-, Y-, Z- und Winkelausrichtungsposition, das an der Operationssonde angebracht wird, verfolgt werden.
Zusammenfassend kann die vorliegende Erfindung nur die Erfassung von charakteristischen Röntgenstrahlen mit kurzer Reichweite, z. B. ungefähr 15 bis 30 keV, als ein Signal an sich verwenden, um den Fachmann beim Ausrichten der Sonde zu einer Stelle spezifischer Nahfeldaufnahme zu führen. Außerdem kann das erfasste charakteristische Röntgenstrahlungssignal, wenn mit dem verbundenen Vollenergiegammastrahlungssignal verglichen, auch als eine Indikation der Tiefe des Ursprungs der erfassten Gammastrahlen dienen. Wenn keine Winkelausrichtung der Sonde ein im Wesentlichen reines Nahfeldsignal von Vollenergiegammastrahlen liefern kann, kann das Nahfeldsignal durch alleiniges Verwenden des energiearmen charakteristischen Röntgenstrahlungssignals elektronisch allein ausgewählt werden. Wenn andererseits die Winkelausrichtung der Sonde ein hohes Verhältnis der Anzahl von erfassten charakteristischer Röntgenstrahlen zur Anzahl von erfassten Gammastrahlen anzeigt, was einen substanziellen Nahfeldursprung der Mehrheit der stärkeren Gammastrahlen beweist, dann wird die Anzahl von erfassten Gammastrahlen als Indikation von nahe gelegener Aufnahme, d. h. strahlungsmarkiertem Gewebe, akzeptiert. Wenn Radioisotope, wie beispielsweise Technetium 99m in Verwendung sind, wobei charakteristische Röntgenstrahlen wesentlich weniger häufig sind als Vollenergiegammastrahlen, kann es sein, dass vorzugsweise das wesentlich stärkere Signal mit mehr Richtungsinformation verwendet wird, das durch die Vollenergiegammastrahlen geliefert wird.
Für verdächtige Tumore tiefer im Gewebe oder innerhalb des „Fernfeldes" kann der Fachmann, der das System dieser Erfindung verwendet, nur diese erfassten Gammastrahlen, welche vom Fernfeld herrühren, elektronisch auswählen, um die Aufnahmestelle zu lokalisieren.
Wie bereits erwähnt, ermöglicht das System dieser Erfindung außerdem Messungen der Linienform von erfassten Vollenergiegammastrahlungsspitzen, um Information über die Tiefe von Aufnahmestellen zu liefern.
Demnach versieht die vorliegende Erfindung den Fachmann mit der Möglichkeit zur Wahl des Signals, welches die meiste Information gemäß dem konkreten chirurgischen oder diagnostischen Problem liefert.
Schließlich sollte darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung, obwohl sie in Bezug auf die Erfassung von radioaktiv markiertem Gewebe erörtert wurde, auch für andere Zwecke, z. B. zerstörungsfreies Prüfen von Materialien und Strukturen, verwendet werden kann.
Ohne weitere ausführliche Darstellung veranschaulicht das Vorhergesagte unsere Erfindung zur Genüge, so dass andere dieselbe durch Anwenden aktueller oder künftiger Kenntnisse zur Verwendung unter verschiedenen Betriebsbedingungen übernehmen können.

Claims

Vorrichtung (20) zum Bestimmen des Ortes einer Masse strahlungsmarkierten Gewebes bezüglich eines Referenzpunktes, die definiert ist durch: Ein Strahlungserfassungsmittel (22), wobei das Gewebe mit wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel (8) versehen ist, das Gammastrahlungsphotonen, charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen und ein zugeordnetes Kontinuum von Compton-gestreuten Photonen erzeugt, wobei das Strahlungserfassungsmittel (22) bezüglich eines Ortes des strahlungsmarkierten Gewebes zum Erfassen der Gammastrahlungsphotonen, Röntgenstrahlungsphotonen und Compton-Streuungsphotonen, die von demselben emittiert werden, und zum Schaffen eines elektrischen Signals, das die empfangenen Photonen repräsentiert, anordnenbar ist; ein Signalverarbeitungsmittel (30B), das aus dem elektrischen Signal ein verarbeitetes elektrisches Signal ableitet, das die Anzahl von in Funktion ihrer Energien erfassten Photonen repräsentiert, und ein Analysemittel (30I–30R), das dazu eingerichtet ist, das verarbeitete Signal unter Verwendung der bekannten natürlicherweise auftretenden Häufigkeit emittierter Gammastrahlungsphotonen und charakteristischer Röntgenstrahlungsphotonen für wenigstens ein strahlungsmarkiertes Spurmittel als einen Referenzfaktor bei der Analyse zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalanalysemittel (30I–30R) ein Verhältnisberechnungsmittel (30N) umfaßt, das dazu eingerichtet ist, das verarbeitete elektrische Signal zu empfangen und mehrere vorbestimmte Referenzverhältnisse zu verwenden, bei denen es sich um ein Verhältnis der emittierten Gammastrahlungsphotonen und der von wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel (8) emittierten charakteristischen Strahlungsphotonen – nachdem sie eine vorbestimmte Entfernung durch eine vorbestimmte Gewebeart zurückgelegt haben – handelt, wobei das Verhältnisberechnungsmittel (30N) dazu einrichtet ist, das verarbeitete Signal zu verwenden, um ein berechnetes Verhältnis zu schaffen, das das Verhältnis der Anzahl charakteristischer Röntgenstrahlungsphotonen in dem verarbeiteten Signal, das die empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen repräsentiert, zu der Anzahl von Gammastrahlungsphotonen in dem verarbeiteten Signal repräsentiert, das empfangene Gammastrahlungsphotonen repräsentiert, und um das berechnete Verhältnis mit wenigstens einem der vorbestimmten Referenzverhältnisse zu vergleichen, um dadurch den Ort der Masse des strahlungsmarkierten Gewebes bezüglich des Referenzpunktes festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend erste Mittel (30L–30M), um zu gewährleisten, daß lediglich minimale Abschnitte des verarbeiteten Signals Compton-gestreute Photonen repräsentieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Signalverarbeitungsmittel die ersten Mittel (30L–30M) beinhaltet, und wobei die ersten Mittel dazu eingerichtet sind, daß sie im wesentlichen Abschnitte aus dem elektrischen Signal entfernen, die die Compton-gestreuten Photonen repräsentieren, die von dem Erfassungsmittel empfangen werden.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Signalanalysemittel Fenstereinstellmittel (30K) umfaßt, die dazu eingerichtet sind, wenigstens einen Bereich von Photonenenergie festzustellen, der sich wenigstens über einen Abschnitt des verarbeiteten Signals erstreckt, während andere Abschnitte des verarbeiteten Signals ausgeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Analysemittel einen Mehrkanalanalysator (30I) umfaßt, der mehrere Bandbreiten aufweist.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Signalanalysemittel ein Spitzenidentifikationsmittel (30J) umfaßt, das dazu eingerichtet ist, einen Abschnitt des verarbeiteten elektrischen Signals, der empfangene charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen repräsentiert, mit einem vorbestimmten Referenzsignal charakteristischer Röntgenstrahlungsspitzen zu vergleichen, und um einen Abschnitt des verarbeiteten elektrischen Signals, der empfangene charakteristische Gammastrahlungsphotonen repräsentiert, mit einem vorbestimmten Referenzgammastrahlungsspitzensignal zu vergleichen.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Signalanalysemittel Subtraktionsberechnungsmittel (30P) umfaßt, die dazu eingerichtet sind, die Gammastrahlungsphotonen, die den charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen eines ersten Abschnitts des verarbeiteten Signals, der die empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen repräsentiert, von den gesamten Gammastrahlungsphotonen eines zweiten Abschnitts des verarbeiteten Signals, der empfangene Gammastrahlungsphotonen repräsentiert, zu subtrahieren.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Signalanalysemittel (30Q) Spektrallinienformanalysemittel umfaßt, die dazu eingerichtet sind, die Form wenigstens eines gewählten ersten oder zweiten Abschnitts des verarbeiteten Signals zu analysieren, der empfangene charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen bzw. empfangene Gammastrahlungsphotonen repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Spektrallinienformanalysemittel (30Q) dazu eingerichtet ist, den Grad der Asymmetrie wenigstens eines gewählten ersten oder zweiten Abschnitts des verarbeiteten Signals zu bestimmen, der empfangene charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen bzw. empfangene Gammastrahlungsphotonen repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Spektrallinienformanalysemittel (30Q) dazu eingerichtet ist, mehrere Referenzformen zu verwenden, wobei wenigstens eine der Referenzformen einen gewählten ersten oder zweiten Abschnitt des verarbeiteten Signals repräsentiert, der empfangene charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen bzw. empfangene Gammastrahlungsphotonen repräsentiert, die sich von wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel nach Durchlaufen einer vorbestimmten Entfernung durch eine vorbestimmte Gewebeart ergeben, wobei das Spektrallinienformanalysemittel die Form des wenigstens einen Abschnitts des verarbeiteten Signals mit wenigstens einer der mehreren Referenzformen vergleicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Spektrallinienformanalysemittel (30Q) dazu eingerichtet ist, mehrere Referenzformen zu verwenden, wobei wenigstens eine der Referenzformen den Gammastrahlungsabschnitt des verarbeiteten Signals repräsentiert, das sich aus wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel nach Durchlaufen einer vorbestimmten Entfernung durch eine vorbestimmte Gewebeart ergibt, und wenigstens eine andere der Referenzformen, die den charakteristischen Röntgenstrahlungsabschnitt des verarbeiteten Signals repräsentieren, der sich aus wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel nach Durchlaufen einer vorbestimmten Entfernung durch eine vorbestimmte Gewebeart ergibt, wobei das Spektrallinienformanalysemittel dazu eingerichtet ist, die Form des wenigstens einen Abschnitts des verarbeiteten Signals mit wenigstens einer der mehreren Referenzformen zu vergleichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Signalanalysemittel dazu eingerichtet ist, eine Indikation der Tiefe des strahlungsmarkierten Gewebes unterhalb einer freiliegenden oder äußeren Gewebeebene zu schaffen.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Signalanalysemittel Signalmittel (30S) umfaßt, die dazu eingerichtet sind, wenigstens ein Signal zu schaffen, das das Verhältnis der empfangenen charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen zu den empfangenen Gammastrahlungsphotonen repräsentiert, wobei das Signal anzeigt, wenn das Verhältnis dem natürlichen Auftreten der Photonen in den strahlungsmarkierten Spurmitteln angemessen ist.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei es sich bei der Vorrichtung um eine Operationsprobe, eine Gammakamera, eine perkutane Biopsieprobe oder eine endoskopische Probe handelt.
Verfahren zum Bestimmen des Orts einer Masse strahlungsmarkierten Gewebes bezüglich eines Referenzpunktes, umfassend: a) Versehen des Gewebes mit wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel, das Gammastrahlungsphotonen, charakteristische Röntgenstrahlungsphotonen und ein zugeordnetes Kontinuum von Compton-Streuungsphotonen herstellt; b) Bereitstellen von Strahlungserfassungsmitteln (22) in Nachbarschaft zu dem Gewebe, Erfassen der Photonen von demselben und Schaffen eines elektrischen Signals, das die empfangenen Photonen repräsentiert; c) Verarbeiten des elektrischen Signals, um ein verarbeitetes elektrisches Signal herzustellen, das die Anzahl von Photonen repräsentiert, die in Funktion ihrer Energien erfaßt sind; Bestimmen des Verhältnisses der charakteristischen Röntgenstrahlungsphotonen zu den Gammastrahlungsphotonen, um ein berechnetes Verhältnis zu erhalten; Vergleichen des berechneten Verhältnisses mit wenigstens einem der mehreren vorbestimmten Referenzverhältnisse, bei denen es sich um ein Verhältnis der emittierten Gammastrahlungsphotonen und der von wenigstens einem strahlungsmarkierten Spurmittel (8) emittierten charakteristischen Strahlungsphotonen – nachdem sie eine vorbestimmte Entfernung durch eine vorbestimmte Gewebeart zurückgelegt haben – handelt, um dadurch den Ort der Masse strahlungsmarkierten Gewebes bezüglich des Referenzpunktes festzustellen.