Computertomografen sind im klinischen Alltag mittlerweile unentbehrlich: Sie helfen �?rzten dabei, Diagnosen schnell und eindeutig zu erstellen und machen damit einen zügigen Beginn der erforderliche Behandlung möglich. Und wie bei allen nützlichen technischen Helfern tüfteln Ingenieure daran, sie stetig zu verbessern. Dabei gibt es bei der Weiterentwicklung von Computertomografen zwei Hauptziele: die Bildqualität zu erhöhen und die benötigte Strahlendosis zu verringern. Mitentscheidend ist hierbei der Detektor, der zusammen mit der Röntgenröhre die Scan-Einheit bildet, die als Bestandteil der ringförmigen Gantry um den Patienten rotiert. Im Körper werden die Röntgenstrahlen abhängig von den gescannten Gewebetypen unterschiedlich stark abgeschwächt. Der Detektor misst diese Abschwächung und bildet daraus ein digitales Signal. Mit der üblichen Detektortechnik lassen sich hinsichtlich Dosisreduktion und Bildoptimierung allerdings kaum noch Fortschritte erzielen. Denn hier müssen die Signale über ein aufwändiges Leitungssystem von einigen Zentimetern Länge an die Auswerte-Elektronik weitergeleitet werden. Das hat negative Auswirkungen auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis - und damit auf die Bildqualität: Je länger die Leitungen, desto höher wird das elektronische Rauschen. Und je höher das elektronische Rauschen, desto schlechter ist die Bildqualität. Um nun das Bildrauschen zu verringern, ist es nötig, die Signalleitungen zu reduzieren.
Rauschen ist stark reduziert
Bei bisherigen Detektoren wurden die Signale der Fotodiode durch 512 Leitungen an die A/D-Wandler übertragen, die auf einer separaten Leiterplatte angeordnet sind. Im Zuge der Neuentwicklung des Stellar-CT-Fotodetektormoduls haben es Ingenieure aus dem Siemens-Detektozentrum in Forchheim gemeinsam mit Entwicklern des Halbleiterherstellers AMS nun geschafft, die gesamte Auswerte-Elektronik in einem ASIC unterzubringen. Bei dem ASIC gelang es, das Rauschen in der empfindlichen analogen Signalkette zwischen Fotodiode und A/D-Wandler stark zu reduzieren. Dafür, dass der ASIC dem neuen Siemens-Detektor zu besserer Leistung verhilft, sind vor allem mehrere Faktoren verantwortlich: So eliminiert ein neuartiger zweistufiger A/D-Wandler die Totzeit, die beim Betrieb vieler A/D-Wandler erforderlich ist. Der neue Wandler ist in der Lage, das gesamte Eingangssignal abzutasten, und erreicht so maximale Linearität am Ausgang. Eine fortschrittliche Verstärkungs- und Offset-Korrektur liefert ein sehr präzises Ausgangssignal über einen großen Dynamikbereich der optischen Eingänge, eine Feinabstimmung des Transistorverhaltens minimiert das Rauschen. Auch der Einsatz neuer Herstellungsverfahren für die 3D-Integration eines Mixed-Signal-Bauteils spielt eine große Rolle: Die von AMS implementierte Stacked-Dice-Technik integriert den Fotosensor und den A/D-Wandler in einem kompakten Baustein. Eine lange Verbindung vom Sensor zum A/D-Wandler auf Boardebene in der vorherigen Generation des Detektormoduls konnte so durch eine 200-µm-Durchführung im Silizium ersetzt werden. Siemens war hierdurch in der Lage, die Auswirkungen von Rauschen und Übersprechen bei empfindlichen analogen Signalen zu verringern und die Laufzeit der Signale zwischen Sensor und A/D-Wandler erheblich zu verkürzen.
Detailreichere Bilder
Dies alles erlaubt es dem Stellar-Fotodetektormodul, hochauflösendere Bilder bei deutlich verringerten Röntgendosen zu liefern. Nach Aussagen von Siemens kann das Modul nicht zuletzt durch den neuen ASIC mit folgenden Vorzügen aufwarten:
20 Prozent niedrigeres Rauschen bei CT-Scans mit niedriger Dosis im Vergleich zu konventionellen Detektoren,
Bildauflösung bis hinunter zu 0,5 mm, was gegenüber herkömmlichen Detektoren eine Verbesserung von 0,3 mm darstellt,
erweiterter Dynamikbereich, der die Einsatzmöglichkeiten von CT-Scans mit niedriger Dosis vergrößert und
Reduzierung der typischen Leistungsaufnahme von 1.000 auf 300 W. Dies ermöglicht zugleich eine starke Reduktion der Verlustwärme, was zu einer weiteren Verbesserung der Signalqualität und der Bildauflösung führt.
Der Stellar-Detektor kann also - zum Beispiel in Verbindung mit den High-End-Computertomographen Somatom Definition Flash und Somatom Definition Edge -äußerst detailreiche Bilder liefern, auf denen der Arzt aufgrund der hohen räumlichen Auflösung selbst feinste Gefäßstrukturen erkennen kann. Die höhere Sensitivität des Detektors hilft �?rzten auch, wenn sie adipöse Patienten untersuchen: Zwar werden die Röntgenstrahlen durch eine große Leibesfülle deutlich abgeschwächt, doch der neue Detektor bietet trotzdem diagnosefähige Aufnahmen.
