Gamma-Sensorik

In der Onkologie werden oftmals radioaktive Markierungsstoffe eingesetzt, die sich an Tumorzellen anlagern. Damit lassen sich diese z.B. in einem PET-CT oder SPECT leicht lokalisieren. Intraoperativ ist es jedoch schwierig, diese Herde wiederzufinden, da sie sich optisch und taktil kaum vom umliegenden Gewebe unterscheiden. Mit Hilfe von Gammakameras können die Tumoren zwar erkannt werden - jedoch ohne anatomishe Bildinformation.

Am IMT forschen wir daran, eine Lokalisierung von radioaktiv markierten Zellen in Ultraschallbildern zu erreichen. Unser Ansatz ist dabei, mit möglichst einfachen und kostengünstigen Photodioden zu arbeiten.

Das Ziel dieser Forschung ist es, im Rahmen eines Low Cost Ansatzes, ein Gerät zu entwickeln, welches während eines Eingriffs endoskopisch eingesetzt werden kann, um radioaktiv markierte Tumorzellen zu finden. Dafür wurde eine passende grundlegende Sensorart in Form einer Photodiode ermittelt, ein spezifischer Sensor ausgewählt und die vollständige Signalverarbeitungskette näher untersucht. Das, aus den gewonnen Erkenntnissen, aufgebaute Gerät wurde daraufhin unter anderem mit einer ¹³⁷Cs Strahlungsquelle, welche mit ihrer Aktivität im Bereich von markierten entarteten Lymphknoten liegt, charakterisiert.

Dabei wurde herausgefunden, dass es möglich ist, einen geeigneten Detektor mit einer Effizienz von rund 1,2 % für einen Preis im unteren zweistelligen Euro Bereich zu bauen. Der Sensorkopf passt dabei in einen Zylinder mit 12 mm Außendurchmesser und einer Länge von 25 mm. Weitere Erkenntnisse betreffen einerseits die relevanten Parameter bei der spezifischen Wahl einer PIN-Fotodiode, welche hier als Sensor verwendet wird und andererseits zahlreiche Möglichkeiten für die Verbesserung des Geräts.

Die Arbeiten werden im von der AiF finanzierten internationalen Forschungsprojekt ULTRACLEAR weitergeführt.

Basierend auf einfachen Photodioden wurde am IMT die Entwicklung eines Detektionskonzepts voran getrieben, das mit einer geringen Anzahl von Gamma-Detektoren die dreidimensionale Lokalisierung einer Gamma-Strahlenquelle erreicht und die Ergebnisse mit Ultraschalldaten kombiniert. Es wurd ein Lokalisierungsalgorithmus entwickelt, der unter Einfluss von Messrauschen robust Positionsschätzungen aus den Messwerten der Sensoren ermittelt. Dazu wurde eine optimierte Anordnung von sechs Sensoren ermittelt, für die der Lokalisierungsalgorithmus eine möglichst hohe Genauigkeit erreicht. Dies wurde simulativ prognostiziert und anschließend mithilfe eines Testaufbaus validiert. Der Testaufbau nutzt Nahes Infrarot (NIR) als Ersatzstrahlung für die Gamma-Strahlung, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Mit diesem Testaufbau konnte eine NIR-Strahlenquelle mit unbekannter Strahlungsleistung in bis zu 6 cm Entfernung vor dem Sensorsystem mit einer räumlichen Abweichung von durchschnittlich 3,64±1,66 mm lokalisiert werden. Außerdem wurde ein Visualisierungskonzept erarbeitet, mit dem die Sensordaten des entwickelten Sensorsystems und eines Ultraschallsystems kombiniert und mit 3 Bildern pro Sekunde dargestellt werden konnten.

• Mayer Th, Pohlner G, Starflinger J, Pott PP, Combined Gamma radiation source detector and Ultrasound Imaging System: proof of concept and first results, Computers in Biology and Medicine, 19:193:110378, 2025 10.1016/j.compbiomed.2025.110378
• Sorysz J, Heryan K, Krombach G, Friebe M, Pott PP, Novel and Inexpensive Gamma Radiation Sensor – Initial Concept and Design, International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 18, 1987–1990, 2023 https://doi.org/10.1007/s11548-023-03003-z
• Behling M, Wezel F, Pott PP, Miniature low-cost γ-radiation sensor for localization of radioactively marked lymph nodes, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 2021 https://doi.org/10.1177/09544119211058918