Röntgendetektoren und Röntgensensoren

Was ist ein Röntgendetektor?

Der Röntgendetektor (auch Flachdetektor, Flachbilddetektor oder Festkörperdetektor genannt) ist ein digitaler Bildempfänger eines Röntgensystems und dient der Umwandlung von Röntgenstrahlung in messtechnisch nutzbare Größen. Er ermöglicht digitales Röntgen, wobei in der Direktradiographie zwischen direkter oder indirekter Konvertierungsmethode unterschieden wird. Während bei den direkten Detektoren die Röntgenquanten in einem Halbleiter direkt in elektrische Ladungen transformiert werden, ist bei den indirekten Detektoren ein zusätzlicher Zwischenschritt, in dem die Röntgenstrahlung zunächst von einem Szintillator in Licht und dann erst in elektrische Ladung umgewandelt wird, erforderlich.

Info: Digitale Röntgenbilder bzw. “semi-digitale” können auch mit einem Speicherfoliensystem erstellt werden.

Wie funktioniert ein digitaler Röntgendetektor?

Die Funktionsweise eines Röntgendetektors ist davon abhängig, ob es sich um einen direkten oder indirekten Detektor handelt. Zwei Gemeinsamkeit haben jedoch beide Detektor-Typen:

• Die aktive Matrix aus Kondensatoren und Dünnfilmtransistoren (TFTs), bestehend aus amorphem Silizium (a-Si), welche als Schalter für die Ortskodierung fungiert
• Digitale Flachbilddetektoren sind per Kabel oder drahtlos (WLAN, Bluetooth etc.) mit dem Rechner verbunden.
  • Zeitvorteil ggü. der Speicherfolie (Computer Radiographie), da das Röntgenbild innerhalb weniger Sekunden am Bildschirm befundet oder nachbearbeitet werden kann.

Direkte Detektoren können die analogen Signale ohne Lichtumwandlung in digitale Signale konvertieren. Der empfindlich auf Röntgenstrahlen reagierende Fotoleiter besteht meist aus amorphem Selen mit einer Dicke von rund 500 μm. Die einzelnen Pixel werden in einer Matrix von Sammelelektroden, welche sich unter der Selenschicht befindet, definiert. Ein Kondensator zur Ladungsspeicherung und ein Schalttransistor zum Auslesen befindet sich unter jeder Elektrode.

Bei der Energiekonversion durch indirekte Detektoren ist ein zusätzlicher Zwischenschritt erforderlich. Hier entsteht aus den eintreffenden Röntgenquanten in einem Szintillator, bestehend aus Cäsiumjodid oder Gadoliniumoxisulfid, zunächst Fluoreszenzlicht. Dieses wird sodann in einer Matrix aus Photodioden (amorphes Silizium) in elektrische Signale umgewandelt.

Vergleich: Vor- und Nachteile von direkten und indirekten Röntgendetektoren

Indirekte Detektoren haben den Nachteil einer schlechteren Ortsauflösung. Dies kommt durch die Signalaufspreizung zustande, welche durch die Lichtstreuung im Szintillator entsteht. Werden die Cäsium-jodid (CsJ)-Kristalle jedoch nadelförmig konzipiert, so dass sie wie Lichtleiter mit gerichteten Lichttransport wirken, lässt sich diese Problem eindämmen. Vorteilhaft hingegen ist die Quanteneffizienz bei indirekter Konversion, welche in der Skelettradiologie (55–70 KV) den höchsten Wert aller digitalen Detektoren besitzt:

Quelle: Kramme, Rüdiger, 2017. Medizintechnik Verfahren – Systeme –Informationsverarbeitung, S. 18

Im Bereich von 20 - 30 KV ist die DQE bei direkten Detektoren jedoch höher. Ebenso haben sie bei kleinen Hochkontraststrukturen ein höheres Signal und sind daher vor allem für die digitale Mammographie geeignet.

Silizium ist als Halbleitermaterial nur bedingt geeignet. Es muss viel ionisierende Strahlung erzeugt werden, da Silizium relativ ineffizient bei der Absorption von Röntgenstrahlung ist. Perowskit (ein Calciumtitanoxid-Mineral ) hingegen, ein Material, welches üblicherweise in Solarzellen eingesetzt wird, erhöht die Empfindlichkeit im Gegensatz zu konventionellen Detektoren um das 100-fache. Die höhere Empfindlichkeit führt zu einer geringeren Strahlenexposition und einer besseren Bildqualität.

Was für Konsequenzen ergeben sich aus der Wahl des Röntgendetektors? Ein direkter oder indirekter Detektor kann aus einem einzelnen a-Si-Stück bestehen. Häufig werden aus Kostengründen aber mehrere Kacheln benutzt (von außen nicht zu erkennen). Diese Kacheln sind jeweils unabhängige Detektoren, zwischen denen ein kleiner Spalt besteht und deren Daten später vom Computer zu einem vollständigen Bild zusammengefügt werden müssen. Hier besteht die Gefahr von Artefakten auf dem Bild.

Auch benötigen alle Detektoren geregelte Umweltbedingungen. Dies betrifft insbesondere Temperatur, Temperaturänderungen und Luftfeuchtigkeit. Während die Gefahr einer zu niedrigen Temperatur bei fest installierten Systemen nach der Inbetriebnahme praktisch ausgeschlossen ist, können auch zu hohe Temperaturen die Sensoren irreparabel schädigen oder die Lebensdauer erheblich verkürzen.

Wird das System sehr gut ausgelastet (>80% Auslastung), ist ein Röntgensystem mit zwei Röntgendetektoren sinnvoll. Dabei wird ein Detektor auf einem Tisch und ein weiterer für stehende Aufnahmen verwendet. So lassen sich die Arbeitsprozesse vereinfachen und Umbauarbeiten vermeiden.

Röntgensensoren: CCD, LSSR, CMOS und CdTe

Auf jedem Röntgendetektor befinden sich Sensoren. Sensoren können als Bildempfänger bezeichnet werden, die aus quadratischen lichtempfindlichen Fotodioden (Pixel) bestehen. Es gibt mehrere Bildsensor-Techniken, um ein Bild digital aufzunehmen. Die einzelnen Techniken unterscheiden sich hinsichtlich des Aufbaus und Funktionsweise.

Pioniere unter den Direktdetektoren waren die CCD-Sensoren („charged coupled device“). Jedes Pixel besitzt neben der Fotodiode noch Transistoren, die die gesammelten Ladungen in messbare Spannungen umwandeln. Im Durchschnitt nehmen die Transistoren einen Anteil von 50 % der gesamten Pixelfläche ein. Dementsprechend ist nur ein kleiner Teil der Pixelfläche für Licht empfänglich („Füllfaktor“). CCD-Systeme haben daher eine große Lichtausbeute und einen vergrößerten Dynamikbereich, was in Bereichen, wo Bildqualität wichtiger ist als geringer Platzbedarf (Bsp. Medizin), dankend angenommen wird. Dem Entgegenzuhalten ist, dass das Format des CCD-Chips nur etwa 2 - 4 cm² groß ist. Dies führt dazu, dass das Aufnahmeformat mit einer Linsen- oder Fiberglasoptik entsprechend verkleinert werden muss, was wiederum zu gravierenden Bildqualität- und Dosiseffizienz-Einbußen führt. Ebenso von Nachteil ist das “Blooming” der CCD-Sensoren, denn bei zu großen Ladungsmengen (Überbelichtung) laufen die kleinen Potenzialtöpfe über und äußern sich als tintenfleckähnliche Aufhellung auf den Bildern. Das Blooming-Phänomen hat dazu geführt, dass CCD-Sensoren nach und nach von CMOS-Sensoren abgelöst wurden. Auch die Auslesezeit der Daten dauert im Vergleich etwas länger.

CCD-Chips können auch linear angeordnet werden, wobei das Bild sequenziell aus Vollformatzeilen zusammengesetzt wird (Linear Slot Scanning Radiographie, LSSR, Slot-Scan-Verfahren). Diese Schlitztechnik nutzt ein schmales CCD Array und ein schmales Röntgenband, das die Körperregion scannt (üblicherweise mit einem mechanischen Schlitten). Da diese Systeme sehr gut gegen Streustrahlung abgeschirmt sind (Raster nicht notwendig), kann die Patientendosis durch diese Technologie für große Scans reduziert werden. Die eingesparte Dosis kann die niedrigere DQE der CCD-Technologie größtenteils kompensieren. Der größte Unterschied zwischen den Detektoren ist die Tiefe. Dabei sind die direkten und indirekten Sensoren so schmal, dass sie häufig in die Kassettenhalterung alter Systeme passen. So ist es möglich, ältere Systeme auf digitale Technik umzustellen.

CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sind den CCD-Sensoren technisch überlegen. Hier kann sich sich der Auslesevorgang auf jedes einzelne Pixel vollziehen. Ebenso besitzt jedes Pixel einen eigenen analogen Signalverstärker und einen eigenen Analog-Digital-Konverter. Man nennt sie daher auch “Active Pixel Sensor” (APS). Zusammengefasst geht das Auslesen bei CMOS-Detektoren schneller von statten und das Rauschen ist geringer.

Die Digitalisierung der Röntgenquanten bei einem CdTe-Sensor funktioniert nicht über eine Leuchtschicht, sondern über eine dünne Schicht aus Kadmium-Tellurid. Dadurch wird Rauschen unterdrückt und Klarheit und Aufnahme-Kontrast können um bis zu 300 % erhöht werden.

Größen und Formate

Flachdetektoren sind in verschiedenen Größen erhältlich. Im Bereich Intraoralröntgen sind die Intraoral-Sensoren so klein, dass sie in den Mund passen. Bekannte Hersteller wie z.B. Dentsply Sirona oder Planmeca bieten Intraoral-Röntgendetektoren in 3 verschiedenen Größen (Größe 0, 1 und 2). Die genauen Millimeter-Angaben variieren, stehen aber in der Regel in der jeweiligen Produktbeschreibung.

In der konventionellen Radiologie, aber auch in der nicht dentalen Veterinärmedizin sind die Röntgendetektoren wesentlich größer. Die Formate reichen hier von 20×20 cm bis ca. 43×43 cm.

Auflösung als Maßstab für die Bildqualität

Ein wichtiger Qualitätsfaktor, den Sie vor dem Kauf eines Röntgendetektors in Betracht ziehen sollten, ist die optische Auflösung. Die Ortsauflösung bezieht sich auf die Strukturen, die ein Bildgebungssystem gerade noch wiedergeben kann und wird in der Einheit Linienpaare pro mm (lp/mm) angegeben. Je mehr lp/mm der Festkörperdetektor darstellen kann, desto besser die Bildqualität. Seien Sie aber nicht pedantisch, denn letzten Endes kommt es auf Ihr subjektives Empfinden an. Ebenso gängig sind Angaben der Sample-Größe in ppi (pixel per inch) oder der physikalischen Pixel-Größe in mm oder µm.

Legt man eine gängigen Pixelgröße von 0,019 mm zugrund, so kann die physikalisch maximale Auflösung, gemäß der Gleichung Fmax = 1mm/2P, 26 Lp/mm betragen. Dieser Wert wird aber aufgrund vieler Störeinflüsse und Pixel-Binning nicht erreicht.

Findige Vertriebler unterscheiden zwischen tatsächliche und theoretische Linienpaare. Als Arzt ist für Sie primär die tatsächliche Auflösung interessant. Haken Sie im Zweifel nach, ob es sich bei den veröffentlichten Kennzahlen in der Produktbeschreibung wirklich um die tatsächliche Ortsauflösung handelt.

Weiter wird die Bildqualität auch durch die Kontrastauflösung und Matrixgröße beeinflusst. Eine Matrix besteht aus Bildquadraten, wobei ein Bildquadrat als Pixel (Picture Matrix Element) bezeichnet wird. Die Matrixgröße wird durch die Pixelanzahl in den Zeilen und Spalten bestimmt. Je größer die Matrixgröße, desto geringer die Pixelgröße und desto besser die Ortsauflösung. Mit zunehmender Matrixgröße vergrößert sich jedoch auch der Speicherplatz und die benötigte Strahlendosis. Dies führt dazu, dass die digitale Technik im Vergleich zum Film-Folien-System ein geringeres Auflösungsvermögen besitzt.

Neben der Bildmatrix-Größe bestimmt auch die Speichertiefe die Bildqualität. Es besteht eine Abhängigkeit zwischen Anzahl der den Pixeln zugeordneten Grauwertstufen (=Speichertiefe) und Grauwertdarstellung. Die Kenngröße wird dabei in bit (binary digit) angegeben. Ein digitales Röntgenbild kann zwar 4096 (2^12) Grauwerte enthalten, das menschliche Auge kann jedoch nur zwischen 256 (2^8) Grautöne differenzieren.

Um das Potenzial eines hochwertigen Röntgendetektors auszuschöpfen, benötigen Sie auch geeignete Bildwiedergabegeräte, sprich PC, Monitor und Software. Die Mindest-Anforderungen an einen Befundungsmonitor sind in DIN 6868-157 geregelt.

DQE - Maßstab für die Wirksamkeit von Detektoren

Die DQE (Detective Quantum Efficiency) ist ein Parameter, der den Wirkungsgrad eines Detektors abbildet. Auf diese Weise können verschiedene Flachbilddetektoren miteinander verglichen und die Kaufentscheidung vereinfacht werden. In die Operationalisierung dieses Wertes fließt die Modulationsübertragungsfunktion (MTF), die Rauscheigenschaften und die Eingangsdosis ein. Je höher die DQE, desto weniger Strahlendosis ist erforderlich.

Im Optimalfall hat ein Röntgendetektor ein DQE-Wert von 1. Das bedeutet: die gesamte Strahlungsenergie wird absorbiert und in Bildinformationen umgewandelt. Real verliert ein Detektor bei hohen Ortsfrequenzen an Effizienz und erreicht bei niedrigen Ortsfrequenzen Werte zwischen 40% und 50% (DQE 0,45).

In einem Test der Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig hat man einen Se-basierten direkten (Kodak DR 9000 mit Hologic Detektor ) und zwei indirekte CsI/a-Si-basierte Flächendetektoren (GE Revolution XQ und Siemens Multix FD mit Trixell Pixium Detektor) sowie einen CR-Detektor (Norm IEC 62220–1) miteinander verglichen. Hier die Ergebnisse:

• DQE-Werte des indirekten Detektors sind am höchsten
• DQE-Werte des CR-Systems am niedrigsten
• Se-Detektor schneidet bei weicher Strahlung besser ab
• CsI Detektor ist für alle untersuchten Strahlenqualitäten gut geeignet

Tipps für den Kauf eines Röntgendetektor

Es ist sinnvoll, vor dem Kauf eines Röntgendetektors bestimmte Eigenschaften miteinander zu vergleichen und sich folgende Fragen zu stellen:

1. Wurde ein CMOS-Sensor verbaut? CMOS ist besser als CCD.
2. Ortsauflösung vergleichen: Welcher Detektor kann mehr lp/mm darstellen?
3. Welcher Detektor hat die höchste DQE?
4. Welcher Detektor ist günstiger?
5. Benötigen Sie einen kabellosen Flachbilddetektor oder reicht auch einer mit Kabel?
6. Passt das Format des Röntgendetektors in die Buckylade?
7. Prüfen Sie, ob im Angebot auch ein Röntgenkoffer mit dabei ist, sofern Sie im Außeneinsatz röntgen müssen bzw. diesen Schutz benötigen.
8. Brauchen Sie nur einen Flachdetektor oder ein Komplettpaket, also Flachdetektor inkl. Software-Integration (PACS)? Ein Komplettpaket ist in der Regel günstiger, als separate Käufe der einzelnen Komponenten.

Preise und Kosten

Der Preis eines Röntgendetektors ist abhängig vom Hersteller und dem jeweiligen Modell. Im Durchschnitt können Sie bei einem neuen Röntgendetektor mit Kosten von etwa 18.000 - 25.000 € rechnen. Von Röntgendetektoren, die wesentlich günstiger sind, raten wir Ihnen eher ab, da diese sehr wahrscheinlich eine mindere Qualität besitzen und frühzeitiger kaputt gehen.

Beachten Sie, dass der Flachbilddetektor auch entsprechende Software benötigt und in Ihr RIS und PACS integriert, sowie im DICOM-Format abgespeichert werden muss. Bei einem Komplettsystem, also Röntgendetektor inkl. Software-Integration, liegen die Kosten bei etwa 28.000 - 33.000 €.

Bei einem gebrauchten Röntgendetektor können Sie mit einem Preisnachlass von etwa 20 - 50 % rechnen. Da digitale Detektoren historisch gesehen relativ modern sind, ist der Markt dafür jedoch äußerst klein.