Sensortechnik - Keramik-Detektoren

Der schnelle Blick in den Körper mittels Computertomographen (CT) ist längst eine Selbstverständlichkeit. Wenige Augenblicke genügen, um ein dreidimensionales Abbild der Organe zu gewinnen – ganz ohne Operation. Vor einigen Jahren brachte Siemens den ersten CT-Scanner auf den Markt, mit dem sich sogar Aufnahmen vom schlagenden Herzen machen lassen (Pictures of the Future, Frühjahr 2003, Flüge durch den Körper). Mit der Einführung des neuen Somatom Sensation 64 in diesem Jahr gelingt das noch besser, denn er arbeitet schneller als seine Vorgänger. Zudem ist seine Auflösung besser. Winzige Ablagerungen in den Herzgefäßen lassen sich damit leichter erfassen. Wesentlich für die hohe Bildqualität ist neben einer ausgeklügelten Elektronik vor allem eine unscheinbare Keramik. Diese ist Bestandteil des Detektors, der der Röntgenquelle im etwa eineinhalb Meter breiten Ring des CT, der Gantry, gegenüberliegt. Schnell rotierend umkreist die Gantry den Patienten und macht Einzelaufnahmen, die zum 3D-Bild zusammengesetzt werden. Im Detektor wandelt die Keramik die Röntgenstrahlung in Lichtsignale um. Das Licht wiederum setzen Photodioden in elektrische Impulse um.

Je effektiver der Detektor die Strahlung umsetzt, desto geringer ist die erforderliche Röntgendosis. Detektormaterialien müssen Röntgenquanten daher sehr gut absorbieren können. Die vom Siemens-Bereich Medical Solutions (Med) in Forchheim in Kooperation mit Siemens Corporate Technology in München entwickelte Keramik erfüllt diese Forderung. Mehr noch: Das Material ist extrem schnell. Es reagiert in Sekundenbruchteilen auf Veränderungen der Röntgendosis. Das ist vor allem wichtig, wenn der Röntgenstrahl zunächst weiches Gewebe und dann einen Knochen überstreicht. Weiches Gewebe lässt mehr Strahlung durch als Knochen. Im CT-Bild ist dieser Übergang als Hell-Dunkel-Kontrast sichtbar. Die Schärfe des Bildes hängt unmittelbar vom Detektormaterial ab, denn jede Substanz leuchtet ein wenig nach, gibt also länger Fluoreszenzlicht ab als gewünscht. Soll der Kontrast zwischen Gewebe und Knochen scharf abgebildet werden, muss das Nachleuchten möglichst kurz sein. So wie die auf den Detektor treffende Röntgendosis beim Übergang von weniger dichtem Gewebe zum Knochen abrupt abnimmt, sollte auch das Detektormaterial augenblicklich aufhören zu leuchten. Andernfalls verschmiert im CT-Bild der scharfe Übergang zwischen verschieden dichten Gewebetypen. Je kürzer das Nachleuchten, desto schärfer das Bild. Die neue Keramik wird seit 1996 in Siemens-Tomographen genutzt. Ihre Leistungsfähigkeit aber kommt erst bei den extrem kurzen Rotationszeiten des Somatom Sensation 64 richtig zur Geltung, dessen Gantry in 0,33 Sekunden einmal um den Patienten rotiert.

Geheimrezept wie bei Coca-Cola. "Bei unserer Spezialkeramik klingt das Nachleuchten etwa 400-mal schneller ab als bei Yttrium-Gadolinium-Oxid, das andere Hersteller seit längerem verwenden", sagt Frank Berger, Leiter der Keramikfertigung bei Med. "Deshalb wurde sie UFC – UltraFastCeramic – getauft." Neben Gadolinium, einem Seltene-Erden-Element, enthält sie Schwefel und Sauerstoff sowie verschiedene Beimischungen. Berger: "Am Ende des Herstellungsprozesses haben wir eine Substanz, die hochreine, exakte Kristallstrukturen aufweist – eine Voraussetzung für die hohe Lichtausbeute." Die gelbliche, feste Keramik ist ungefähr so schwer wie Gold und in etwa so teuer. Wie die Keramik produziert wird, bleibt ein Geheimnis. "Es ist wie bei Coca-Cola", sagt Dr. Thomas von der Haar, Leiter der Detektor-Entwicklung. "Die Zutaten sind bekannt, aber nur der Hersteller kennt die genaue Rezeptur." Da die Keramik die CT-Systemeigenschaften stark beeinflusst, bringt das neue Material Siemens einen großen Wettbewerbsvorteil. Dies war ein Grund, die UFC-Entwicklung selbst in die Hand zu nehmen.

Ein Herz in neun Sekunden. UFC hat noch weitere Vorzüge. Die Keramik lässt sich mit Werkzeugen aus der Siliziumindustrie leicht zu etwa briefmarkengroßen, einen Millimeter dicken Plättchen verarbeiten – der Größe eines Detektorelements. 42 solcher Detektorelemente sind im Somatom Sensation 64 nebeneinander angebracht und bilden den etwa einen Meter langen Detektor. Das genügt, um die ganze Schulterbreite eines Patienten zu erfassen. In jedes Detektorelement wird ein präzises millimeterfeines Raster aus Zeilen und Spalten – die Bildpixel – gesägt.

Bis vor wenigen Jahren verfügten CT nur über eine einzige Detektorzeile. Pro Umdrehung entstand daher nur ein Schnittbild. Dann folgte die Einführung von Mehrschichtgeräten mit mehreren Detektorzeilen nebeneinander. Pro Umdrehung entstehen nun gleichzeitig mehrere Schnitte, sodass in derselben Zeit ein breiterer Körperbereich abgebildet wird. Jedes Detektorelement des Somatom Sensation 64 hat 40 Pixel-Zeilen und senkrecht dazu 16 Pixel-Spalten. Da sich zudem der Fokus der Röntgenröhre in Sekundenbruchteilen verschiebt, werden pro Rotation 64 Schichten gemessen. So verfügt das Gerät letztlich über etwa 43 000 effektive Pixel. Es erreicht damit eine bislang beispiellose Auflösung von 0,4 mm. Winzige Strukturen wie Stents, Metallgeflechte zur Weitung von Herzgefäßen, lassen sich damit erstmals im Detail erkennen.

Während die Gantry rotiert, verarbeitet die Elektronik jede Sekunde 2,5 Milliarden Signale. Dank der schnellen Rotation läuft die Untersuchung zügiger ab. Nur neun Sekunden dauert die Abbildung des Herzens mit dem neuen Computertomographen. Berger: "Die ultraschnelle Keramik macht das spielend mit und hat ihre Leistungsgrenze damit noch lange nicht erreicht."

Tim Schröder