Prüfkörper für Magnetresonanz-, Positronen-Emissions- oder SPECT-Tomographen, Verfahren zu dessen Herstellung, sowie Verwendung des Prüfkörpers

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper, der für Magnetresonanz-, Positronen-Emissions- oder SPECT-Tomographen geeignet ist, ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie eine Ver wendung des Prüfkörpers.

In der nuklearmedizinischen Diagnostik mit PET wird der Stoffwechsel von Gewebe gemessen, indem einem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz injiziert wird, die vom Gewebe aufgenommen wird. Aus der gemessenen radioaktiven Strahlung kann mittels mathematischer Verfahren ein Bild des Stoffwechsels im Gewebe erzeugt werden.

Bei der Diagnostik mittels MRT wird die Anatomie des Patienten gemessen, indem die Relaxationszeiten von Wasserstoff-Protonen im Magnetfeld detektiert werden. Der Kontrast ergibt sich aus der chemischen Umgebung des Wasserstoffes, so dass sich z.B. im Gehirn graue und weiße Substanz unterscheiden lassen.

Die Kombination der beiden Informationen aus PET und MRT ist von großem Interesse, da die zusätzliche Information über die Anatomie erlaubt, genauere Informationen über den Ort des Stoffwechsels sowie weitere relevante Information zu erhalten.

Zur Qualitätskontrolle der Geräte sowie zur methodischen Weiterentwicklung z.B. von Bildrekonstruktionsverfahren und Korrekturverfahren ist es nötig, eindeutig bekannte Radioaktivitätsverteilungen für PET bzw. Protonenverteilungen für MRT abzubilden. Standardmäßig verwendete Prüfkörper sowohl für PET als auch für MRT bestehen aus z.B. Kunststoff oder Glas in einer Anordnung, die über Hohlräume, z.B. kugelförmig oder zylinderförmig, verfügt. Die unterschiedlichen Bereiche dieser Prüfkörper werden mit Flüssigkeiten oder Gelen befallt, die das entsprechende Signal, radioaktive Strahlung für PET bzw. Protonenrelaxation für MRT, liefern.

Prüfkörper für hybride PET/MRT-Geräte müssen dieser Kombination gerecht werden, indem sie für beiden Modalitäten simultan verwendet werden können und die benötigten Informationen liefern. Sie müssen darüber hinaus für jede Untersuchung neu befallt werden können, um die kurzlebigen radioaktiven PET-Isotope verwenden zu können. Aus der Veröffentlichung von Tofts, P.S., Standing Waves in Uniform Water Phantoms. Journal of Magnetic Resonance, Series B, 1994. 104(2): p. 143-147] ist bekannt, dass bei der MRT-Bildgebung große (z.B. > 1.5 cm Durchmesser bei Feldstärken von 4.7 T) homogene Wasserbereiche in Phantomen aufgrund der hohen Permittivität von Wasser zu Artefakten führen können. Öl hat eine geringe Permittivität und liefert artefaktfreie MRT-Bilder. In der Kombination mit PET kann sich allerdings nachteilig auswirken, dass die Radioaktivität in einer öligen Flüssigkeit nicht homogen verteilt ist oder sich sogar entmischt, was zu Artefakten in der PET-Messung führt. Aus der Veröffentlichung von Ziegler, S., et al., Systematic Evaluation of Phantom Fluids for Simultaneous PET/MR Hybrid Imaging. Journal of Nuclear Medicine, 2013. 54(8): p. 1464-1471.2 ist bekannt, dass durch Zugabe gewisser Chemikalien wie NiSÖ4 die Permittivität erniedrigt und die Leitfähigkeit erhöht werden kann, was zu einer homogeneren Bildgebung führt. Nachteilig wirkt sich bei diesem Vorgehen aus, dass die Phantome direkt vor einer Messung neu gefüllt oder mit der radioaktiven Flüssigkeit zumindest nachgefüllt werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Prüfkörper für MRT, PET- oder SPECT Tomographen, insbesondere für hybride PET/MRT-Geräte sowie ein Verfahren zu dessen Herstel lung zu schaffen, der einfach zu befüllen ist und sich sowohl im MRT als auch im PET und SPECT artefaktfrei darstellt. Dieser Prüfkörper soll in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise als ausgedehnte homogene Verteilung einer Flüssigkeit, beispielsweise als kugel- oder zylinderförmige Bereiche, mit Bereichen, die Körperorganen ähneln, herstellbar sein. Er soll innerhalb seines Volumens, welches er einnimmt, unterschiedliche Bereiche unterscheidbar machen können. Kurzlebige radioaktive PET-Isotope sollen besser verwend bar sein. Sich in Prüfkörpern nach dem Stand der Technik ausbildende stehende Wellen, sollen verhindert werden. Es soll ermöglicht werden, auf chemische Zusätze, wie beispielsweise Salze, zu verzichten um die Ausbildung von stehenden Wellen in der Flüssigkeit zu verhindern. Der Prüfkörper soll in eine gewünschte Form gebracht werden.

Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil dieser Ansprüche angegebenen Merkmalen.

Mit dem erfindungsgemäßen Prüfkörper für MRT, PET- oder SPECT Tomographen, insbesondere für hybride PET/MRT-Geräte, ist es nunmehr möglich eine einfache Befüllung mit Flüssigkeiten, die für die Bildgebung erforderlich sind, zu gewährleisten und mit dessen Befüllung sowohl bei Messungen mit MRT-Geräten als auch PET- und SPECT-Geräten artefaktfreie Bilder zu erzeugen. Der Prüfkörper kann in verschiedenen Formen ausgestaltet werden, die in ihrer Geometrie dem in der weiteren Messung abzubildenden Objekt nachgebildet ist. Dabei können kugelförmige oder zylinderförmige Bereiche oder Körperorganen ähnelnde Geometrien nachgebildet sein. Es wird eine ausgedehnte homogene Befüllung des Prüfkörpers mit zur Bildgebung geeigneten Flüssigkeiten, insbesondere Wasser mit Zusätzen, ermöglicht. Es können sowohl MRT-, SPECT-, als auch PET- Bilder mit homogenen Kontrasten erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Prüfkörper ist insbesondere für kurzlebige Isotope, insbesondere bei PET-Messungen praktikabel anwendbar. Es bilden sich keine stehenden Wellen aus. Auf die Verwendung von Zusätzen, wie beispielsweise Salzen zur Verhinderung von stehenden Wellen kann verzichtet werden. Es ist möglich, einen Prüfkörper in der jeweils gewünschten Form herzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.

Erfindungsgemäß wird ein Prüfkörper zur Aufnahme von Flüssigkeiten zur Verfügung gestellt, welcher räumlich Hohlräume aufweist, welche eine Ausdehnung besitzen, die unterhalb der Bildauflösung eines SPECT-, MRT- und/oder eines PET-Gerätes liegen, so dass sie in den Bildern nicht sichtbar sind. Die Hohlräume des Prüfkörpers haben zur Folge, dass sich keine stehenden Wellen einer sich darin befindenden Flüssigkeit ausbilden können. Die Hohlräume sind vorzugsweise über das gesamte Volumen des Prüfkörpers verteilt, jedoch können auch Bereiche ohne Hohlräume ausgebildet sein.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung des Prüfkörpers zur Verhinderung bzw. Unterdrückung von stehenden Wellen in der sich im Prüfkörper befindenden Flüssigkeit.

Die Abmessung dieser Hohlräume kann 1 mm oder weniger betragen, und liegt vorzugsweise im Mikrometerbereich.

Beispielsweise können die Hohlräume einen Durchmesser oder eine Abmessung von 1mm bis 1 pm, vorzugsweise 100 pm bis 1 pm, besonders bevorzugt 50 pm bis 1 pm haben.

Der Prüfkörper kann Flüssigkeiten, wie Wasser oder Wasser mit Zusätzen enthalten, welche bei MRT-, SPECT- oder PET- Messungen verwendet werden können.

Die Zusätze können beispielsweise Radiotracer, wie beispielsweise radioaktiv markierte Flourdesoxyglukose (18F-FDG), oder allgemein PET- oder SPECT- Radiotracer, wie beispielsweise ^99m TC-MIBI, sein. Weitere Zusätze können beispielsweise Salze, wie NaCI oder N1SO4 oder MRT- Kontrastmittel, wie Gadolinium-Chelate oder Eisenoxidnanopartikel sein.

Grundsätzlich können alle bekannten Zusätze, die bei SPECT, MRT- oder PET- Messungen Anwendung finden, eingesetzt werden.

Als Materialen für den Prüfkörper können saugfähige oder schwammartige Stoffe eingesetzt werden. Beispielhaft können mikroporöse Materialien eingesetzt werden.

Bei den Materialien für den Prüfkörper kann es sich um haushaltsübliche Schwämme oder Flüssigkeit, insbesondere Wasser mit oder ohne Zusätze aufnehmende Polymere handeln. Als Polymer kann beispielhaft Natriumpolyacylat genannt werden.

Geeignete Materialien können Filamente für den 3D-Druck sein. Insbesondere können Fila mente eingesetzt werden, die eine wasserlösliche und eine wasserunlösliche Komponente aufweisen, beispielsweise Layfomm 40, Layfomm 60, Layfeit oder Gellay.

In einer weiteren Ausführungsform können in einem Prüfkörper unterschiedliche Materialien, beispielsweise verschiedene Filamente, verwendet werden, so dass unterschiedliche Regionen, in denen der Prüfkörper unterschiedliche Mengen an Wasser aufnehmen kann, unterschiedlich abgebildet werden können.

Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Materialen in einem Phantom, die unterschiedliche Mengen an radioaktivem Wasser aufnehmen können, können Kontraste, z.B. kugel- oder zylinderförmige Bereiche oder Körperstrukturen, hergestellt werden, die sowohl im MRT, SPECT als auch im PET sichtbar sind.

Der erfindungsgemäße Prüfkörper kann sowohl für SPECT-Tomographen, hybride Magnetresonanz- und Positronen-Emissions-Tomographen als auch für die jeweiligen Magnetresonanz- und Positronen-Emissions-Tomographen alleine, also nicht als kombinierte Geräte, verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Prüfkörper kann mit einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden.

Als 3D-Drucker kann dabei ein handelsüblicher 3D-Drucker eingesetzt werden.

Für den Betreib des 3D- Druckers werden Filamente eingesetzt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren bestehen die Filamente aus mindestens 2 verschiedenen chemischen Komponenten, die beide unterschiedliches Verhalten in einem Lösungsmittel haben. Der Prüfkörper wird mit dem 3D-Drucker in einer Weise gedruckt, bei der bereits im Druckprozess Hohlräume hergestellt werden, die eine Aufnahme einer Flüssigkeit, wie Wasser oder ein anderes Lösungsmittel ermöglichen. Es können beispielsweise Wabenstrukturen gedruckt werden. In einem weiteren Schritt wird der gedruckte Prüfkörper mit einem Lösungsmittel beaufschlagt. Die Lösungsmittel können unterschiedliche Polarität, bzw. Polarisierbarkeit oder Lösungseigenschaften haben. So kann Wasser als polares Lösungsmittel eingesetzt werden, oder ein organisches Lösungsmittel, welches eine andere Polarität oder Polarisierbarkeit, bzw. eine kleinere Polarität hat. Polare Lösungsmittel, wie Wasser, können polare Kompo- nenten aus den Filamenten herauslösen, wodurch Hohlräume entstehen oder vergrößert werden. Unpolare Lösungsmittel können unpolare Komponenten aus den Filamenten herauslösen, wodurch sich Hohlräume bilden oder bestehende Hohlräume vergrößert werden. Bevorzugtes Lösungsmittel ist jedoch Waser, da es in biologischen Systemen natürlich vorkommt. Das Lösungsmittel kann durch Zentrifugation, Ausquetschen, Ausspülen mit einer Flüssigkeit oder Trocknen aus dem gebildeten Prüfkörper entfernt werden.

Durch diesen Prozess können die erfindungsgemäßen Prüfkörper hergestellt werden.

Der 3D-Druck kann insbesondere mit den Filamenten Layfomm 40, Layfomm 60, Layfeit oder Gellay durchgeführt werden. Die damit hergestellten Druckerzeugnisse werden in Was- ser gelegt. Die Dauer, mit der sich die so hergestellten Zwischenstufen der Prüfkörper im

Wasser befinden, kann ein paar Stunden bis ein paar Tage betragen. Durch das Einlegen in Wasser werden eine oder mehrere Komponenten aus dem gedruckten Material herausgelöst und es bilden sich mikroporöse Strukturen. Diese mikroporösen Strukturen ermöglichen die Aufnahme von einer Flüssigkeit, welche für die Bildgebung bei SPECT-, MRT- und/oder PET-Aufnahmen zu Bildern mit homogenen Kontrasten führen.

Die Figuren zeigen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik und Bilder, die mit dem erfindungsgemäßen Prüfkörper aufgenommen wurden: Es zeigt:

Fig.1 : Ein Prüfkörper nach dem Stand der Technik.

Fig.2: Filamente aus der Porolay-Serie für den 3D-Druck Fig.3: MRT-Aufnahmen von verschiedenen Prüfkörpern.

Fig.4: PET-Kontraste mit dem Tracer ¹⁸ F Fluorid von 3D-gedruckten Objekten aus Porolay- Material

Figur 1 zeigt im Abschnitt A einen Prüfkörper nach dem Stand der Technik. Die Teilfigur B zeigt ein störendes Interferenzmuster, wie es nach dem Stand der Technik entsteht. Teilfigur C zeigt, dass sich der wasserlösliche Tracer nicht in Öl gelöst hat.

Figur 2 zeigt handelsübliche Filamente für den 3D-Druck.

Figur 3 zeigt eine MRT-Aufnahme von erfindungsgemäßen, gedruckten, mikroporösen Prüfkörpern.

Figur 4 zeigt eine PET-Aufnahme von erfindungsgemäßen, gedruckten, mikroporösen Prüfkörpern

Beispiel:

Gegenstand der Erfindung ist es, einen Prüfkörper für hybride PET/MRT-Geräte sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der einfach zu befüllen ist und sich sowohl im MRT als auch im PET artefaktfrei darstellt. Dieser Prüfkörper soll in verschiedenen Ausführungen (z.B. als ausgedehnte homogene Verteilung, mit kugel- oder zylinderförmigen Bereichen, mit Bereichen, die Körperorganen ähneln) erstellbar sein.

Der erfindungsgemäße Prüfkörper soll ausgedehnte Bereiche in sehr kleine Bereiche unterteilen, so dass Wasser mit entsprechenden Zusätzen als Füllmaterial verwendet werden kann. Die Zusätze können z.B. gelöste Radiotracer, wie z.B. radioaktiv markierte Fluordes- oxyglukose (18F-FDG) oder jeder andere PET- oder SPECT-Radiotracer, Salze (z.B. NaCI oder NiS0 ₄ ) oder MRT-Kontrastmittel (z.B. Gadolinium-Chelate, Eisenoxidnanopartikel) sein.

Die Bereiche sollen so klein sein (< 0.5 mm), dass sie sowohl unter die Auflösungsgrenze von MRT als auch von PET fallen, damit sie in den Bildern nicht sichtbar sind. Das soll erreicht werden durch die Verwendung von saugfähigen oder schwammartigen Materialen. Beispielhaft können mikroporöse Materialien verwendet werden, die mittels 3D- Druck in der gewünschten Form gedruckt werden können (z.B. Filamente aus der handelsüblichen Porolay-Serie). Diese Materialen haben Porengrößen im Mikrometer-Bereich. Wei- tere Beispiele sind haushaltsübliche Schwämme oder absorbierende Polymere.

Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Materialen in einem Phantom, die unterschiedliche Mengen an radioaktivem Wasser aufnehmen können, können Kontraste (z.B. kugel- oder zylinderförmige Bereiche oder Körperstrukturen) hergestellt werden, die sowohl im MRT als auch im PET sichtbar sind. Es soll ein saugfähiges oder schwammartiges Material zur Verfügung stehen, das in die . gewünschte Form gebracht werden kann, z.B. mittels 3D-Druck. Ferner muss eine wässrige Lösung mit mindestens einem radioaktiven Tracer und ggf. Kontrastmitteln für MRT hergestellt werden, und der Prüfkörper muss damit gefüllt werden.

Die handelsüblichen Filamente Layfomm 40, Layfomm 60, Layfeit und Gellay (Abb. 2) kön- nen mit einem handelsüblichen 3D-Drucker in der gewünschten Form gedruckt werden.

Wenn diese Druckerzeugnisse einige Stunden bis Tage in Wasser gelegt werden, löst sich eine Komponente aus dem Material und es bleibt eine mikroporöse Struktur übrig, die eine wässrige Lösung aufsaugen kann. Dadurch lassen sich homogene Kontraste sowohl im MRT (Fig. 3) als auch im PET (Fig. 4) erreichen.