Mit dem Feuertanz beginnt die Entstehungsgeschichte der CdTe-Einkristalle, die...
Mit dem "Feuertanz" beginnt die Entstehungsgeschichte der CdTe-Einkristalle, die in Photon-Counting-CT-Scannern zum Einsatz kommen

Bildquelle: Siemens Healthineers

Artikel • Das haben die neuen Scanner ‚unter der Haube‘

Das kristallene Auge der Photon-Counting-CT

Millimeterfein, perfekt durchstrukturiert und enorm aufwändig in der Herstellung: Besondere Kristalle verhelfen einer neuen Generation von CT-Scannern zu bislang ungekannter Bildqualität. Doch wie entstehen die Gebilde, die das Photon-Counting möglich machen? Wir haben den Kristallzüchtern bei Siemens Healthineers über die Schulter geschaut und erfahren, wie aus Hitze und High-Tech das Herzstück der neuen Flaggschiff-Scanner des Unternehmens wird.

Artikel: Wolfgang Behrends

Langsam und gleichmäßig umkreisen zwei Männer einen Glaszylinder, in der Hand leistungsstarke Gasbrenner. Mit jedem bedächtigen Schritt verformt sich unter ihren Flammen das Material, bis sich die Glaswände so weit erweichen, um den Behälter und die metallisch schimmernde Substanz in seinem Inneren luftdicht zu verschließen. „In Japan nennen sie das den ‚Feuertanz‘“, sagt Paul Heimann. Von seinem Team wird der Prozessingenieur auch augenzwinkernd als ‚Chefalchimist‘ bezeichnet – und tatsächlich weckt das, was hier im Kristallzentrum von Siemens Healthineers in Forchheim passiert, Assoziationen zu den Jahrhunderte alten Prozeduren der Alchemie. Doch hergestellt wird hier kein Gold, sondern – je nach Sichtweise – etwas viel Wertvolleres. 

Denn tatsächlich ist die ‚Feuertanz‘-Choreografie ein wichtiger Schritt der Herstellung von Cadmium-Tellurium-Einkristallen, dem Herzstück der neuen Photon-Counting-CTs. Die Kristalle ermöglichen die direkte Konversion von Röntgenstrahlen in elektrische Signale, was einen großen Qualitätsvorsprung gegenüber bisherigen Scannern ermöglicht.

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Der photonenzählende Detektor im neuen Scanner ‚Naeotom Alpha‘ macht einiges anders als frühere Modelle und sorgt für bislang unerreichte Detailgenauigkeit. Philipp Wolber von Siemens Healthineers erklärt im Gespräch, wie die neue Technik funktioniert, welche Vorteile sich daraus für Kliniker ergeben und welche Zukunft sich das Unternehmen für die photonenzählende CT erhofft.

Das Material der Kristalle, nach seinen Elementsymbolen kurz CdTe genannt, hat Eigenschaften, die besonders günstig für die Verwendung in CT-Detektoren sind. „Vereinfacht gesagt, absorbiert es Röntgenstrahlen enorm gut“, erklärt Heimann. Allerdings muss erst ein komplizierter, anspruchsvoller und zeitaufwändiger Fertigungsprozess durchlaufen werden, bevor die CdTe-Kristalle ihre Vorzüge ausspielen können. Das dafür nötige Wissen eigneten sich die Siemens-Ingenieure bei Experten der japanischen Firma Acrorad an, die eigens zu diesem Zweck akquiriert wurde.

Zuchterfolg durch Feingefühl

Unter Unreinheiten leidet später auch die Qualität der Kristalle, deshalb müssen wir extrem vorsichtig arbeiten

Andreas Bär

Zur Herstellung der Kristalle braucht man vor allem zwei Dinge: große Hitze und viel Geduld. Denn während der Schmelzpunkt der beiden Ausgangselemente bei vergleichsweise moderaten 321°C (Cadmium) beziehungsweise 449,5°C (Tellur) liegt, müssen für eine dauerhafte Verschmelzung – der Synthese – 1100°C erreicht werden. „Bleibt man darunter, bilden sich die Bestandteile beim Erkalten wieder in ihre Ursprungsform zurück“, so Heimann. Um bei diesem Vorgang eine Oxidation zu vermeiden, wird das Gemisch in mit Kohlenstoff beschichtete Glasampullen gefüllt, die dann mithilfe des eingangs erwähnten ‚Feuertanzes‘ versiegelt werden. 

Mit sichtlicher Mühe hält Paul Heimann das Ergebnis der bisherigen Prozedur in die Höhe: einen, grauen Zylinder, dessen Oberfläche dumpf metallisch schimmert. So unscheinbar die so genannten Ingots sein mögen, so empfindlich sind sie: „Das Material ist zwar schwer, aber so weich, dass man mit einem Fingernagel eine Kerbe hinterlassen kann“, sagt der Experte. „Außerdem ist es sehr spröde – das erschwert die Weiterverarbeitung beträchtlich.“ Zu allem Überfluss dürfen die Ingots bei der Fertigung keiner Erschütterung ausgesetzt sein, denn das verursacht Störungen in der gleichmäßigen Gitterstruktur des Materials. „Unter diesen Unreinheiten leidet später auch die Qualität der Kristalle, deshalb müssen wir hier extrem vorsichtig arbeiten.“

Querschnitt aus einem Cadmium-Tellur-Ingot
Querschnitt aus einem Cadmium-Tellur-Ingot

Bildquelle: Siemens Healthnieers

Denn die silbrigen Ingots dienen als Quellenmaterial für das Züchten der eigentlichen CdTe-Einkristalle. Angeregt durch einen ‚Seed‘-Kristall, entwächst dem Material etwas Neues, beschreibt Heimann: „Der Einkristall wächst durch Aufschmelzen des Ingots und nimmt dabei die Struktur des Seed-Kristalls an.“ So entsteht eine absolut einheitliche Anordnung: ein Tellurium-Atom liegt neben einem Cadmium-Atom, dann wieder Tellurium, Cadmium, und immer so weiter. In dieser Gleichförmigkeit bemisst sich die Qualität des Kristalls – die in Forchheim gezüchteten Exemplare erreichen einen Reinheitsgrad von ca. 99,999999%, betont der Experte. Die feinsäuberliche Verschränkung der Atome braucht allerdings seine Zeit: Bis aus dem Ingot ein fertiger Einkristall entsteht, vergehen zehn bis zwölf Wochen. „Da braucht man schon die nötige Geduld“, sagt Heimann. 

Bei Siemens Healthineers hat das Kristallfieber übrigens auch andere Abteilungen gepackt: In einer Vitrine funkeln kleine Exponate, die zwar nicht für die Bildgebung gedacht sind, aber mit ihren vielfältigen Strukturen das Kristallzentrum zumindest dekorativ aufwerten. „Die haben unsere Mitarbeiter selbst gezüchtet“, freut sich Andreas Bär, Linienleiter in der CT-Fertigung. „Wir hatten sogar einen kleinen Wettbewerb – die Kristalle haben offenbar nicht nur unser Team fasziniert.“

Einsatz in der größten CT-Schmiede

Von der Alchimistenküche des Kristallzentrums geht es weiter in die CT-Fertigungshalle. Hier montieren Mitarbeiter die Scanner aus tausenden Einzelteilen und konfigurieren die zugehörige Software. Unter den prüfenden Blicken zweier Techniker und einer Reihe von Messinstrumenten rotiert eine Gantry-Einheit auf Maximalgeschwindigkeit – vier Umdrehungen pro Sekunde. Das Auswuchten des tonnenschweren Rings hört sich an wie eine übergroße Waschmaschine im Schleudergang. „So laut ist es nur, weil die Außenverkleidung noch nicht angebracht ist“, erklärt Andreas Bär über das hochfrequente Wummern hinweg. „Im Klinikbetrieb sind die Scanner natürlich viel leiser“, fügt er hinzu. Mehrere tausend Computertomographen verlassen jährlich das Gebäude für ihren Einsatz in Radiologiepraxen und Kliniken auf der ganzen Welt. Der Standort in Forchheim ist damit die weltweit größte Fertigungsanlage für CTs, so der Experte. 

In der CT-Fertigungshalle werden unter anderem die Photon-Counting-Systeme des Typs Naeotom Alpha zusammengesetzt

Bildquelle: Siemens Healthineers

In der Halle kommen auch die CdTe-Einkristalle wieder ins Spiel – die inzwischen von einer hochpräzisen Diamant-Bandsäge in millimeterdünne Wafer geschnitten wurden. Bei den Scannern der Baureihe Naeotom Alpha werden sie in die Detektoreinheit der photonenzählenden Computertomographen eingesetzt. Hier zahlt sich auch der große Aufwand aus, der in die Züchtung der Kristalle einfließt: Während auf konventioneller Technologie basierende Vorgängermodelle die Detektoroberfläche in bis zu 88.320 Pixel aufteilen, sind es beim Naeotom Alpha auf derselben Fläche ca. 800.000 Pixel.

Radiologen loten das Potenzial der Technik aus

„Daraus ergibt sich eine Reihe von Vorteilen für die Radiologie“, bestätigt Prof. Aad van der Lugt, der zu den ersten Nutzern der neuen Scanner-Generation zählt und am Erasmus Medical Center in Rotterdam die Möglichkeiten der Technologie erkundet. „Die höhere Auflösung hilft bei der Darstellung feinster anatomischer Strukturen, durch die direkte Konversion der Signale stehen zu jedem Scan Spektralinformationen bereit und der leistungsstarke Detektor ermöglicht eine Reduktion der Strahlendosis bei hoher Bildqualität“, zählt der Radiologe auf. Artefakte, wie sie durch metallische Implantate oder Verkalkungen entstehen, können deutlich besser aus dem Bild herausgerechnet werden.

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Bisherige Anwendungen in der Neurologie, Kardiologie, Pulmonologie und onkologischen Radiologie bescheinigen der Photon-Counting-CT enormes Potenzial. Bereits während der Entwicklungsphase loteten zahlreiche Forschungsprojekte die Möglichkeiten der neuen Scanner aus. Mit der Markteinführung des Naeotom Alpha hofft der Experte, die Forschung durch multizentrische Studien auf ein noch breiteres Fundament zu stellen. „Die Technik wird viele Bereiche der diagnostischen Bildgebung nachhaltig prägen“, zeigt sich Van der Lugt überzeugt. „Vor allem die Neuroradiologie wird davon stark profitieren.“

17.11.2022

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