Technologie
Varian: Frühe Pioniere
In den frühen neunziger Jahren begannen Forscher von Varian am Ginzton Technology Center mit der Entwicklung eines Systems, das verschiedene Technologien vereinen sollte, um Aspekte wie Schnelligkeit, Bildqualität, kompakte Form und Benutzerfreundlichkeit in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Im Jahr 1998 war Varian weltweit das erste und einzige Unternehmen, das Amorphsilizium-basierte Flachbild-Systeme herstellte, die sowohl für fluoroskopische als auch radioskopische digitale Bildgebungsverfahren eingesetzt werden konnten. Varian bemüht sich stets, seine Produkte und Fähigkeiten im Bereich der Echtzeit-Flachbildempfänger-Technologie zu verbessern und noch präziser zu gestalten. Varian verfügt über ein Installationsvolumen von mehr als 20.000 Rezeptoren für die verschiedensten Anwendungen – von der medizinischen Diagnostik bis hin zu Industrieanwendungen.
Echtzeit-Röntgenbildgebungssysteme
Varians PaxScan™-Produkte vereinen das Beste an Amorphsilizium-basierten Sensorpaneelen, strahlungskonvertierenden Materialien, rauscharmer digitaler Hochleistungselektronik, maßgeschneiderter ASIC-Schaltungs- und Prozesselektronik und kompakter Konfektionierung. Mit der Entwicklung neuer Materialien, Prozesse, Stromkreise und Verfahren werden auch Leistungsverbesserungen oder Erweiterungen neuer Anwendungen möglich, welche wir in unsere Bildgebungstechnologie integrieren. Heute umfasst unsere Technologie:
Amorphsilizium-basierte Sensorpaneele
Das Sensorpaneel dient zur Anhäufung der durch die Absorption der Röntgenstrahlen generierten Ladung und der zeilenweisen Weitergabe an die Ladungsverstärker während des Scan-Vorgangs. Bei der Ladungsspeichervorrichtung handelt es sich um einen Kondensator bei Photoleiter-Bildgebern oder eine Photodiode bei Paneelen, die mit Szintillatoren eingesetzt werden. Die Freigabe der Ladung kann über einen aus einer einzelnen Diode, einem Diodenpaar oder einem Dünnfilm-Transistor bestehenden Schalter erfolgen. Sämtliche möglichen Kombinationen dieser Ladungsspeichervorrichtungen können eingesetzt werden, jedoch geht jede Kombination mit gewissen Vor- und Nachteilen einher. In Varian-Produkten kommt aufgrund der Benutzerfreundlichkeit, der kommerziellen Verfügbarkeit und der Flexibilität im Design die Photodioden-TFT-Kombination zum Einsatz.
Photomikrographik eines Amorphsilizium-basierten Sensorpaneels
Bei der hier abgebildeten Anordnung ist der Schalter ein Dünnfilm (TFT)-Transistor – ähnlich der Schalter, die in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen mit aktiver Matrix eingesetzt werden. Ein wichtiges Ziel bei der Auslegung des Paneels ist es, die von der Photodiode im Bildgeber eingenommene Fläche so groß wie möglich zu gestalten („hoher Füllfaktor"), so dass so wenig eintreffendes Licht wie nur irgend möglich verschwendet wird. Die Signalübertragung erfolgt über dünne metallene Bahnen. Der Mittenabstand des Pixels in diesem Sensorpaneel beträgt 127 Mikronen, und der Füllfaktor beläuft sich auf 35 %. In den aktuellen Varian-Produkten werden Paneele mit einem größeren Füllfaktor eingesetzt.
Schaltplan eines Amorphsilizium-basierten Sensorpaneels
Während des Betriebs werden die Photodioden durch Anwendung einer externen Spannung umgekehrt polarisiert. Solange die TFT-Schalter nicht getätigt werden, wird durch die Anhäufung des vom Szintillator ausgehenden Lichts auf den Dioden eine Ladung erzeugt. Ist eine Auslesung erforderlich, wird die Zeilenlinie unter Spannung gesetzt, um die Schalter der jeweiligen Reihe zu aktivieren. Die Ladung aller Photodioden in der gewählten Reihe strömt nun gleichzeitig durch sämtliche Datenleitungen. Bei großen Anordnungen werden so mehrere tausend Signale erzeugt, die allesamt zur gleichen Zeit ausgelesen werden müssen. Varian hat für diesen Zweck eine spezielle rauscharme Einheit mit 128 Kanälen und hoher Ladekapazität entwickelt, um dem großen dynamischen Bereich der Amorphsilizium-basierten Sensorpaneele gerecht zu werden.
Röntgenkonversionsverfahren
Mit amorphem Silizium sind drei Methoden möglich, um die eintreffende Röntgenstrahlung zum Zweck der elektronischen Auslesung zu konvertieren. Dabei handelt es sich um die intrinsische, die Photoleiter- und die Szintillator-Methode. Jede Methode hat Vor- und Nachteile sowie bestimmte Grenzen bei der praktischen Anwendung als Röntgenbildempfänger. Bei allen drei Methoden wird die Ladung über einen bestimmten Zeitraum hinweg angehäuft, bevor sie ausgelesen wird. Gamma-Kameras hingegen lesen jedes einzelne Röntgen-Photon in dem Moment, in dem es eintrifft. Dieses Verfahren wird in der Regel nicht in der Röntgenbildgebung eingesetzt, da zuviele Röntgenphotonen eintreffen, um alle einzeln lesen zu können.
Die intrinsische Methode
Die ankommenden Röntgenstrahlen werden von der Amophsilizium-basierten Diode erfasst, und es kommt zur Bildung von Elektronen-Loch-Paaren. Durch eine Vorladung wird die Ladung geteilt, um einer Rekombination vorzubeugen. Da ein Ladungspaar etwa 5 Elektronenvolt an Röntgenstrahlung generiert, sind die Signale größer. Leider ist die Röntgenabsorption von Silizium sehr niedrig, so dass die Photodiode eine Stärke von 10 bis 20 mm haben muss. Die Herstellung eines solchen Geräts aus amorphem Silizium ist jedoch nicht möglich. Es können intrinsische Geräte aus kristallinem Silizium hergestellt werden, aber praktisch machen nur Anordnungen von einer oder zwei Reihen Sinn – und selbst diese wären viel zu teuer.
Die Photoleiter-Methode
Eine Anordnung von leitenden Ladungsspeicherplatten kann mit einem photoleitenden Material, das zu einer größeren Absorption von Röntgenstrahlung fähig ist als Silizium, beschichtet werden. Jede der Ladungsspeicherplatten wird mit einem Speicherkondensator ausgestattet. Des Weiteren erzeugen diese Elektronen-Loch-Paare, wenn Röntgenstrahlen absorbiert werden. Die so generierte Ladung muss jedoch außerhalb der Schicht gespeichert werden, um Übersprechen vorzubeugen. Das angelegte Feld teilt nicht nur die Ladung, sondern richtet sie auch auf die direkt darunter gelegene Ladungsspeicherplatte, um die Bildschärfe zu erhalten. Der einzige derzeit erhältliche Photoleiter, Selen, verfügt zudem über eine relativ geringe Absorption der Röntgentrahlung und benötigt etwa 50 Elektronenvolt, um ein Elektronen-Loch-Paar zu erzeugen. Dieser grenzt die erforderliche Minimaldosis und die generierte Signalstärke ein. Andere Materialien mit niedrigerem Energiebedarf und größerer Röntgenabsorption werden derzeit entwickelt.
Die Szintillator-Methode
Ein Szintillator ist eine Komponente, die Röntgenstrahlen absorbiert und die Energie in sichtbares Licht verwandelt. Ein guter Szintillator erzeugt für jedes ankommende Röntgen-Photon viele Lichtphotonen – normal sind 20 bis 50 erkennbare Photonen pro 1 kV ankommender Röntgenenergie. Szintillatoren bestehen in der Regel aus einem Material mit einer großen Anzahl an Atomen, das eine hohe Röntgenabsorption aufweist, und einem Aktivator mit geringer Konzentration und direkter Bandübertragung, um die Emission erkennbarer Photonen zu erleichtern. Szintillatoren können granulär sein, wie Phosphor, oder kristallin wie Cäsiumjodid.
Aufbau einer Phosphor-Szintillators
Phosphor ist ein Material, das zu leuchten beginnt, wenn es Röntgenstrahlen ausgesetzt wird. Um die Leuchtkraft zu maximieren, wird das zur Röntgen-Bildgebung eingesetzte Phosphor aus mit weiteren Seltenerdelementen dotierten Seltenerd-Oxysulfiden hergestellt. Die am häufigsten verwendeten Elemente sind mit Terbium dotierte Gadolinium- und Lanthan-Oxysulfide. Diese Verbindungen strahlen ein blaues bis grünes Licht aus, das vom Röntgenfilm sehr gut erfasst wird. Es werden verschiedene Teilchengrößen und chemische Mischungen verwendet, um eine Vielzahl an Auflösungs- und Helligkeitsstufen zu erzielen. Für die Nutzung werden diese mit einem Klebebinder vermischt und auf Plastikfolie aufgebracht. Sie sind darauf ausgelegt, die Empfindlichkeit durch Pressen gegen Röntgenfilm zu erhöhen, sie können jedoch auch gegen Amophsiliziumdioden gepresst werden, um für elektronische Röntgendetektoren eine Empfindlichkeit zu erzeugen, die mindestens der von Röntgenfilm entspricht. Es sind Zehner an Elektronenvolts erforderlich, um jedes erkennbare Photon auf einem Phosphor-Bildschirm abzubilden und eine gute Röntgenabsorption zu erzielen. Die Lichtstreuung kann zu einem Problem werden, wenn die Schichten dick genug sein müssen, um höherenergetische Röntgenstrahlen zu stoppen.
Aufbau eines Cäsiumjodid-Szintillators
Um eine bessere Kombination aus Auflösung und Helligkeit zu erzielen, wird Cäsiumjodid eingesetzt. CsI hat die Eigenschaft, bei geeigneten Verdampfungsbedingungen als dichte Anordnung dünner Nadeln (mit einem Durchmesse von 10 bis 20 Mikrometern) zu wachsen. So entstehen Kristalle, die als Lichtröhren für die in Eingangsnähe der Schicht generierten erkennbaren Photonen fungieren, so dass hier sehr dicke (bis zu 1 mm) Schichten bei dennoch hervorragender Auflösung verwendet werden können. Da Cäsium eine große Anzahl an Atomen aufweist, ist es ein hervorragendes Material zur Absorption von Röntgenstrahlen und nutzt die auftreffende Strahlung entsprechend auf sehr effiziente Weise. Zur Erzeugung eines Lichtphotons sind etwa 20-25 Elektronenvolt erforderlich. Wird CsI mit Thallium dotiert, strahlt es mit etwa 550 nm ab – und liegt damit genau an der Spitze der spektralen Empfindlichkeit von amorphem Silizium. Die Kombination aus CsI und amorphem Silizium verfügt von allen heute hergestellten Materialien die höchste Quanteneffizienz (Detective Quantum Efficiency, DQE).
Echtzeit-Röntgenbildgebungssysteme
Bislang wurde zur Röntgenbildgebung in Echtzeit (Fluoroskopie oder Radioskopie) eine TV-Kamera in Kombination mit einem Gerät zur Konvertierung eintreffender Röntgenstrahlung in Licht, das von der Kamera aufgefangen werden kann, eingesetzt. Bis vor kurzem war der Gebrauch von Kameras mit Bildröhren üblich, bei neueren Systemen kommen jedoch beinahe ausschließlich CCD-Modelle zum Einsatz. CCDs (und ähnlichen Festkörper-Bildaufnahmegeräte) sind Bildverstäkerröhren in Hinsicht auf Stabilität, geometrische Präzision, Signalgleichheit und Größe weit überlegen; diese Vorteile werden bei Hinzufügen einer Röntgenstrahlen-Konversionseinrichtung jedoch weitgehend zunichte gemacht. Durch Sensorfeld-Bildgebungssysteme lassen sich diese Vorteile wiederherstellen und mit einigen zusätzlichen Vorteilen ergänzen. Dies wird in den Abbildungen veranschaulicht.
 | CCD mit Röntgenbildverstärker Diese Kombination ermöglicht Bildgebung in Echtzeit mit niedrigem Röntgenstrahlendurchsatz auf einer relativ großen Fläche. Die geometrische Distorsion und die Anfälligkeit für einen Einbrenneffekt sind hoch. Da der Bildverstärker mit Elektronenbeschleunigung arbeitet, ist er anfällig für externe Magnetfelder und erfordert Hochspannung. |
 | Objektivgekoppelte CCD Da die Effizenz der optischen Bündelung des Objektivs sehr niedrig ist, erfordert diese Kombination für den Einsatz in Echtzeit-Bildgebungsverfahren einen hohen Röntgenstrahlendurchsatz oder eine bildverstärkende Kamera. Über den Spiegel wird die Kamera aus dem primären Röntgenstrahl bewegt. Ein Wechsel des Sichtfelds oder des Energiebandes kann durch einfachen Wechsel des Konversionsbildschirms erzielt werden. |
 | CCD mit Faseroptik-Reduzierung Diese Kombination liefert eine einfache Lösung für kleine zu untersuchende Flächen. Die geometrische Distorsion ist niedrig und die und Einheitlichkeit hoch. Mehrere Folien sorgen für eine Anpassbarkeit verschiedener Energiebänder. Bei höheren Energiebereichen ist möglicherweise ein Rechtwinkel-Absorber erforderlich, um die Kamera vom primären Strahl zu bewegen. |
 | Sensorfeld-Bildgeber Durch die Einfachheit dieses Bildgebers werden die meisten, bei anderen Bildgebern vorhandenen Möglichkeiten einer Degradation vermieden. Dynamischer Bereich, Kontrast und Geometrie werden verbessert. Die Auswahl des Konverters ist gegeben. Bei höheren Energiebereichen muss lediglich die Scan- und Lese-Elektronik außerhalb des primären Strahls positioniert werden. |
Digitale Bildgebung: Technologie: Bildgebung in Echtzeit
| Flachbildgeber | CCD optisch gekoppelt | CCD Faseroptik | CCD Röntgen-Bildverstärker | |
|---|---|---|---|---|
| Abgedeckte Fläche | Groß | Groß | Klein | Moderat |
| Empfindlichkeit | Hoch | Niedrig | Moderat | Hoch |
| Dynamischer Bereich | Hoch | Moderat | Moderat | Moderat |
| Kontrast | Hoch | Moderat | Moderat | Niedrig |
| Geometrische Präzision | Sehr hoch | Moderat | Moderat | Niedrig |
| Stabilität | Hoch | Hoch | Hoch | Moderat |
| Strahlungsabschwächung | Sehr hoch | Hoch (mit Spiegel) | Moderat | Moderat |
| Pixel pro Bild | Hoch- Sehr hoch | Niedrig-Hoch | Niedrig-Hoch | Niedrig-Hoch |
| Magnetischer Feldwiderstand | Sehr hoch | Sehr hoch | Sehr hoch | Sehr niedrig |
| Kompaktheit | Hoch | Niedrig | Moderat | Niedrig |
| Niedervoltbetrieb | Ja | Ja | Ja | Nein |
| Elektronischer Zoom | Ja | Selten | Selten | Ja |
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