Toray Röntgen wird effizient

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Die Qualität digitaler Röntgengeräte hängt von den Materialien ab, aus denen der Szintillator gefertigt wird. Das Problem: Gadoliniumoxysulfid ist günstig und beständig, liefert aber die schwächeren Bilder. Das lässt sich lösen – mit einem neuartigen Material, das eine zweite Phosphorkomponente enthält.

• Qualität der Bilder kann sich beim digitalen Röntgen von Gerät zu Gerät unterscheiden, entscheidend ist u.a. die GOS-Schicht

• GOS-Schicht lässt sich mit Hilfe einer zweiten Phosphorkomponente optimieren, die mit in die Leuchtschicht eingebracht wird: GOS-α

• GOS-α-Szintillator ist bis zu 30 Prozent lichtstärker, liefert deutlich schärfere Röntgenbilder und erlaubt es, mit geringerer Strahlendosis zu arbeiten

Digitales Röntgen gilt in Kliniken und Arztpraxen heute als Standard. Im Vergleich zu den alten, analogen Geräten liegen die Vorteile der neuen Technologie, deren erste Vorläufer schon in den 80er-Jahren eingesetzt wurden, auf der Hand. Setzt man bildgebende Verfahren auf digitaler Basis ein, sind die Aufnahmen sofort verfügbar, können am Rechner weiterverarbeitet, einfacher verschickt und archiviert werden. Noch wichtiger: Die Strahlenbelastung, der die Patienten ausgesetzt sind, reduziert sich deutlich. Weil neuartige Sensoren empfindlicher sind als konventionelle Filmplatten, sind beim digitalen Röntgen rund 80 Prozent weniger Strahlung nötig.

Die Qualität der Bilder kann sich allerdings auch beim digitalen Röntgen von Gerät zu Gerät unterscheiden. Ausschlaggebend dafür ist unter anderem die wenige hundert Mikrometer dicke Leuchtschicht, die die Photonen der auftreffenden Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt. In den Flachbilddetektoren heutiger digitaler Geräte ist diese Schicht Teil des sogenannten Szintillators – und besteht häufig entweder aus dem Salz Cäsiumiodid (CsI) oder dem auf dem Seltenerde-Metall Gadolinium basierenden Gadoliniumoxysulfid (GOS). Beide Materialien sind in handelsüblichen Detektoren verbreitet, haben aber jeweils entscheidende Vor- und Nachteile.

Das Cäsiumiodid wird zur Verwendung im Szintillator mit Thallium-Atomen versetzt (Dotierung). Die Schicht kann das Licht, das die auftreffenden Photonen erzeugen, zwar hervorragend weiterleiten, entwickelt starke Leuchtkraft und erzeugt scharfe Bilder. Allerdings sind CsI-Szintillatoren eine vergleichsweise kostspielige Komponente. Die Gründe: Das Verfahren, das zur Vakuum-Aufdampfung der Schicht benötigt wird, ist teuer. Zudem müssen CsI-Szintillatoren luft- und feuchtigkeitsdicht versiegelt werden, da die Schicht sonst im Gebrauch relativ schnell ihre Wirksamkeit verlieren würde. Auch dieses Verfahren verursacht Kosten in der Produktion, die mit anderen Materialien vermeidbar wären.

Einige dieser Probleme lassen sich lösen, indem man stattdessen Gadoliniumoxysulfid verwendet, das für den Einsatz in der Röntgentechnik mit Terbium-Atomen dotiert wird. Eine GOS-Szintillatorschicht ist in der technischen Handhabung weit weniger kompliziert und kann ohne aufwändige Aufdampfung produziert werden. Zudem ist sie in der Regel äußerst stabil und langlebig. Im Vergleich zu CsI senkt die Verwendung von GOS die Herstellungs- und Wartungskosten deutlich.

Dafür schneidet das Material bei der Qualitätskontrolle nicht ganz so gut ab. GOS-Szintillatoren sind in der Praxis weniger lichtstark als CsI-Komponenten. Das hat mit ihrer chemischen Feinstruktur zu tun: Während die dotierte CsI-Schicht beim Einsatz im Szintillator aus Nadelkristallen besteht, die eine hohe Lichtabsorption bieten, die Strahlen präzise kanalisieren und so gestochen scharfe Aufnahmen ermöglichen, hat die GOS-Schicht eine granulare, pulverförmige Struktur. Das Licht wird stärker gestreut, trifft daher in schwächerer Intensität auf die darunterliegende TFT-Schicht des Detektors, in der sie digital erfasst werden kann. Das Bild verliert dadurch an Schärfe und Helligkeit – was in der Praxis bedeutet, dass die Strahlendosis bei der Aufnahme erhöht werden muss.

Ein GOS-α-Szintillator ist bis zu 30 Prozent lichtstärker

So werden die verarbeitungstechnischen und wirtschaftlichen Vorteile, die GOS beim digitalen Röntgen bietet, durch ein Defizit im qualitativen Ergebnis abgewertet, das auch auf Kosten der Patientensicherheit geht.

Toray Industries produziert seit 2016 Szintillatoren für den Weltmarkt und hat sich ebendieses Problems angenommen. Jetzt kann das Unternehmen eine Lösungsoption vorstellen. Die GOS-Schicht lässt sich mit Hilfe einer zweiten Phosphorkomponente optimieren, die mit in die Leuchtschicht eingebracht wird. Das innovative Material, das dadurch entsteht, nennt das Unternehmen GOS-α. Ein damit ausgerüsteter Szintillator hat gegenüber dem konventionellen GOS-Modell entscheidende Vorteile.

Das Prinzip, auf dem die Technologie basiert: Bestimmte Lichtanteile werden auf dem Weg durch den Szintillator bis zum Fotosensor in andere Wellenlängen konvertiert. Das wird durch spezielle Eigenschaften der GOS-α-Schicht ermöglicht. Die Schicht besteht einerseits aus herkömmlichen GOS-Partikeln, andererseits aus einem speziellen optischen Harz, das einen hohen Brechungsindex besitzt – und in dem die zweite Phosphorkomponente eingebracht ist.

Wenn die Photonen der Röntgenstrahlen nun auf die GOS-α-Schicht treffen und in Licht verwandelt werden, entwickelt das Harz mit dem zweiten Phosphor eine besondere Fähigkeit: Es kann bestimmte kurzwellige Lichtanteile absorbieren und verstärken. Das heißt, dass Wellen, die im Spektrum zwischen 350 und 400 Nanometern liegen, in langwelligeres Licht von ca. 550 Nanometern gewandelt werden. Dies ist genau der Bereich, in dem der mit dem Szintillator gekoppelte Fotosensor die größte Empfindlichkeit besitzt. Das durch die Pulverstruktur der GOS-Komponente diffuser gestreute Licht wird durch das Bindeharz also wieder gebündelt und kanalisiert. Eine entscheidende Schwäche der herkömmlichen Technologie wird also dadurch behoben.

Das Fazit: Ein GOS-α-Szintillator ist – im Vergleich zur gewohnten GOS-Komponente – bis zu 30 Prozent lichtstärker, liefert deutlich schärfere Röntgenbilder und erlaubt es, mit geringerer Strahlendosis zu arbeiten. Gleichzeitig bewahrt er alle genannten Vorteile der GOS-Technik: ihre einfachere Handhabung, stärkere Beständigkeit und so letztendlich ihre größere Wirtschaftlichkeit. Die Technologie wird so preiswerter und weniger wartungsintensiv. Noch im Lauf des Jahres 2020 will Toray die ersten GOS-α-Szintillatoren auf den Markt bringen. Eine Innovation, die digitales Röntgen noch effizienter und wettbewerbsfähiger macht.

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* Der Autor Yukinobu Uchida ist im Electronic & Information Materials Business Development Department bei Toray Industries beschäftigt.

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