Neue Technologie für verbesserte Sensitivität von Mammogrammen
In der speziellen medizinischen Bildgebung wird ein System mit schwachen Röntgenstrahlen für Frühdiagnosen und Screenings der Brust genutzt. Ungeachtet handfester Beweise in Bezug auf Vorteile für Frauen zwischen dem 40. und 74. Lebensjahr haben falsche Positivbefunde weitere Tests und Angst zur Folge. Falsche Negativbefunde, insbesondere im Falle einer hohen Brustdichte, führen zu einem falschen Gefühl von Sicherheit und zu möglichen Verzögerungen bei der angemessenen Behandlung. Im Zuge des EU-finanzierten Projekts DiCoMo wurden Fortschritte im Bereich der Photonik zur Entwicklung eines digitalen Flachbild-Röntgendetektors angewandt. Der Detektor, der eine kostengünstige und sicherere Röntgendiagnose ermöglicht, setzt Patienten und Mitarbeiter der Radiologie geringeren Strahlungsdosen aus. Projektkoordinator Dr. Sandro Francesco Tedde erklärt: „Dies wurde erreicht, indem bahnbrechende Innovationen von führenden europäischen Akteuren aus verschiedenen Disziplinen, kommerziellen Partnern und Forschungspartnern aus der gesamten Wertschöpfungskette im Bereich der organischen und medizinischen Bildgebung kombiniert wurden.“ Weniger Strahlung, bessere Auflösung Bei direkter Umwandlung werden Röntgenphotonen direkt in elektrische Signale umgewandelt. Bei indirekter Umwandlung hingegen, werden Röntgenphotonen zunächst in sichtbares Licht, und anschließend, unter Verwendung eines Photodetektors, in ein elektrisches Signal umgewandelt. Auch wenn bei der indirekten Umwandlung geringere Strahlungsdosen im Vergleich zur direkten Umwandlung erzeugt werden, geht dies aufgrund einer optischen Überlagerung zwischen Pixeln auf Kosten der Bildqualität. Durch die Kombination der besten Elemente beider Verfahren brachte DiCoMo die hochauflösende Bildgebung mit einer Exposition gegenüber geringen Strahlungsdosen in Einklang. Durch bahnbrechende Fortschritte in den Backplane- und Frontplane-Teilen des Apparats werden Röntgenstrahlen jeweils über „aktive“ Pixel und direkte Umwandlung metallorganischer Perowskit-Photodetektoren umgewandelt. Frontplane-Technologie Da der ursprüngliche Ansatz von DiCoMo für die Einbettung szintillierender Mikropartikel in eine organische Halbleitermatrix insbesondere bei dicken Umwandlungsschichten nicht zu der gewünschten Sensitivität führte, wurde eine neue, aussichtsreiche Klasse von Materialien für die direkte Umwandlung verwendet: metallorganische Perowskite. Halbleiter-Perowskite kombinieren die hohe Absorptionseffizienz von indirekten Wandlern mit den Möglichkeiten von direkten Wandlern. Die Projektmitglieder haben eine neuartige, lösungsmittelfreie Verfahrenstechnik zum „Softsintern“ von Perowskit-Pulver an der Rückwand des Demonstrators entwickelt. Im Zuge des Pressverfahrens wurden Perowskit-Mikropartikel verdichtet, was zur Bildung einer qualitativ hochwertigen, dicken homogenen Schicht führte, die über das Backplane-Substrat gestapelt wurde und keine optische Überlagerung zwischen Pixeln zeigte. Backplane-Technologie Aktuelle Mammographiesysteme basieren typischerweise auf passiven Pixeln, die auf einem einzelnen Schalttransistor aufbauen, der üblicherweise aus einer dünnen Schicht amorphen Siliziums hergestellt wird. Bei DiCoMo wurden jedoch aktive Pixelsensoren verwendet, die aus drei Metalloxid-Dünnschichttransistoren bestanden und eine In-pixel-Verstärkung in Kombination mit einem maßgefertigten rauscharmen integrierten Ausleseschaltkreis erzeugten. Das Design ist auf die Umwandlung von Signalen optimiert, die von großflächigen Pixeln (z. B. >50µm Pitch) stammen, und resultierte in einer wesentlich erhöhten Sensitivität. „Mit dem Demonstrator in der Größe eines VGA-Standards (640 x 480 Pixel) hat DiCoMo einen Grundbaustein für eine bessere und erschwinglichere Gesundheitsversorgung bereitgestellt“, sagt Dr. Tedde. Integration in einen Prototyp „Komplexe technische Arbeit resultierte in einem erfolgreichen Design für das Lese- und Steuerelektroniksystem für den DiCoMo-Röntgenbildgeber“, sagt Dr. Tedde. Der rauscharme integrierte Ausleseschaltkreis ist eine Maßanfertigung von einem Konsortiumsmitglied. Die chip-on-flex-ROIC-Lösung hat sich als beste Lösung im Hinblick auf die Budgetkompatibilität der verschiedenen Systemkomponenten erwiesen. „Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass eine aktive Pixel-Backplane mit einer kostengünstigen Indium-Gallium-Zink-Oxid-Technologie in einem Flachbild-Röntgendetektor präsentiert wird“, fügt Dr. Tedde hinzu. Das Team verwendete das System zur Erzeugung seines ersten Bildes, der Mona Lisa. Auch wenn es noch Optimierungsmöglichkeiten gibt, hat DiCoMo das Wissen und wissenschaftliche Know-how in diesem Gebiet erheblich verbessert und es wird davon ausgegangen, dass die Projektergebnisse die globale Wettbewerbsfähigkeit der medizinischen Bildgebungsindustrie Europas stärken werden.
Schlüsselbegriffe
DiCoMo, Mammographie, Flachbild-Röntgendetektor, medizinische Bildgebung, Scintillator, direkte Umwandlung, indirekte Umwandlung, organischer Photodetektor, aktive Pixel, Perowskite
