Spektrales, photonenzählendes Röntgen · HR-GaAs:CrWissenschaft
Seit Jahrzehnten beruht digitales Röntgen auf dem Paar aus Szintillator und Photozelle. Dieses Verfahren hat die physikalischen Grenzen von Orts-, Kontrast- und Zeitauflösung erreicht. Über 25 bis 30 Jahre wurden mehr als 10 Mrd. EUR in die Suche nach einem Ausweg investiert. Die Antwort von Zeelta ist ein direktkonvertierender HR-GaAs:Cr-Sensor, der Photonen zählt und ihre Energie misst.
01 · Die Grenze
Warum Szintillatordetektoren nicht mehr sehen können
In einem Szintillator erzeugt ein absorbiertes Röntgenquant einen Lichtblitz, der sich in alle Richtungen ausbreitet. Nur ein Teil davon erreicht die Photozellen, und mehrere Zellen werden gleichzeitig beleuchtet. Benachbarte Ereignisse verschmelzen zu einem größeren. Der Detektor kann das Ereignis weder genau lokalisieren noch die Energie des Quants messen. Seine detektive Quanteneffizienz (DQE) liegt bei etwa 35 bis 40 %.
Drei Auswege wurden untersucht. Dual-Energy-Systeme mit zwei Aufnahmen brachten keinen nennenswerten diagnostischen Mehrwert. Die mathematische Bildverarbeitung verbesserte die Entscheidungsunterstützung, kommt ohne mehr Daten aber nicht weiter. Aussichtsreich ist eine neue Detektorbasis: monolithische, direktkonvertierende Halbleitersensoren wie a-Se, CdTe, CdZnTe und GaAs:Cr.
02 · Direktkonversion
Photonenzählung mit HR-GaAs:Cr
In einem monolithischen Halbleitersensor erzeugt ein Röntgenquant eine Ladungsmenge proportional zu seiner Energie. Unter der Vorspannung driften die Ladungen in entgegengesetzte Richtungen und werden an einer einzelnen Pixelelektrode gesammelt. Ein Auslese-ASIC verstärkt den Impuls, vergleicht ihn mit Energieschwellen und zählt ihn.
- Die Position jedes Ereignisses ist eindeutig bestimmt; die Ortsauflösung folgt dem Pixelabstand, ab 35 µm
- Die Ladung ergibt die Energie des Quants: Energiedispersion, das Gegenstück zum Farbsehen
- Zwei nahe, gleichzeitige Ereignisse werden getrennt erfasst
- DQE über 90 %: Der Quantenzählmodus wird möglich
03 · Vergleich
Szintillator + Si im Vergleich zu HR-GaAs:Cr
| Ortsauflösung | Spektral (Farbe) | Dichteauflösung | |
|---|---|---|---|
| Szintillator + Si | Pixelabstand bestenfalls 110 µm; tatsächliche Auflösung ab 330 µm | Nicht möglich. Dual-Energy-Verfahren brauchen wiederholte Aufnahmen oder zwei Quellen | 256 Graustufen in der Routine-Radiografie, 512 in der Expertenmammografie, 4.960 im 64-Zeilen-CT |
| HR-GaAs:Cr | Pixelabstand ab 35 µm; tatsächliche Auflösung entsprechend der Sensortopologie | Misst die Quantenenergie genau genug für eine qualitative und quantitative Elementanalyse | Rund 4.000 Graustufen, unabhängig für jeden Energiebereich |
| Ist eines durch das andere ersetzbar? | Teilweise | Nein: Spektrale Bildgebung liegt außerhalb der Möglichkeiten von Szintillatorsystemen | Nein: Eine eigene Graustufenskala pro Energiekanal liegt außerhalb der Möglichkeiten von Szintillatorsystemen |
04 · Materialien
Die technologische Landschaft
Monolithische Halbleitersensoren für kanalweise auslesende ASICs:
| Material | Stärken | Grenzen |
|---|---|---|
| Silizium (Si) | Sehr günstig | Nur bei sehr niedrigen, in der Medizin nicht genutzten Energien wirksam; schnelle Strahlenschädigung |
| Amorphes Selen (a-Se) | Erstes Material, das Quantenzählung ermöglichte | Braucht thermische Stabilisierung und ein waagerechtes Panel; in realen Systemen nicht im Einsatz |
| CdTe, CdZnTe (CZT) | Hohe Effizienz bei 10 bis 120 keV, robust | Etwa 293 USD pro Gramm; Panels bis 84,5 × 28,16 mm |
| HR-GaAs:Cr | DQE über 95 % bei 40 keV und etwa 75 % bei 120 keV; bis 70 °C; Strahlungsbeständigkeit bis 10 GGy | Etwa 7,2 USD pro Gramm; Flachpanels größer als 430 × 430 mm |
05 · Ergebnisse
Was spektrales Röntgen zeigt
06 · Medizin
Neue Diagnoseverfahren
Spektrales Röntgen ermöglicht funktionelle Diagnostik statt nur anatomischer Bilder. Forschungsrichtungen, für die wir klinische Partner suchen:
- Vitaldosimetrie in Echtzeit (VDRT)
- Ein neues Kegelstrahl-CT-System (DVT)
- Röntgenbildgebung und Bewertung des Glaskörpers im Auge
- Präklinische Tests und gemeinsame Forschung mit medizinischen Teams