Röntgendetektor
von lateinisch: detectare - aufdecken
Englisch: X-ray detector
Definition
Röntgendetektoren sind technische Bauteile von Röntgensystemen und Computertomographen, die Röntgenstrahlung registrieren und in ein messbares Signal umwandeln. Die detektierte Strahlung wird anschließend elektronisch verarbeitet und zur Erzeugung eines Röntgenbilds oder eines CT-Datensatzes verwendet.
Hintergrund
Die von der Röntgenröhre erzeugte Röntgenstrahlung durchdringt den Körper und wird je nach Gewebe unterschiedlich stark absorbiert und somit abgeschwächt. Diese Abschwächung beruht hauptsächlich auf dem Photoeffekt und der Compton-Streuung. Die Intensität der Strahlung, die den Körper verlässt, enthält daher Informationen über die räumliche Verteilung der Schwächung der Strahlung im Gewebe (Absorption und Streuung). Der Röntgendetektor misst diese verbleibende Strahlung und wandelt sie in ein elektrisches oder fotografisches Bildsignal um. Die räumliche Verteilung dieser Signale bildet die Grundlage der Bildentstehung in der Projektionsradiographie und der Datenerfassung in der Computertomographie.
Einteilung
Röntgendetektoren lassen sich nach zwei grundlegenden Kriterien einteilen:
- nach der Art der Signalverarbeitung in analoge und digitale Detektoren
- nach dem physikalischen Umwandlungsprinzip in direkte und indirekte Detektoren
- nach dem Detektortyp
... nach Signalverarbeitung
Analoge Detektoren
Analoge Detektoren erzeugen kein elektrisches Signal, sondern ein direkt sichtbares Bild auf einem fotografischen Medium. Das klassische Beispiel sind Film-Foliensysteme, die früher in der Röntgendiagnostik weit verbreitet waren. Heute werden sie nur noch selten eingesetzt.
Digitale Detektoren
Digitale Detektoren wandeln die auftreffende Röntgenstrahlung in elektrische Signale um. Diese Signale werden elektronisch verarbeitet und als digitales Bild dargestellt. Digitale Systeme haben analoge Verfahren in der modernen Radiologie weitgehend ersetzt. Zu den digitalen Detektoren gehören unter anderem:
- Speicherfolien (Computed Radiography)
- Flachdetektore (Digital Radiography)
- Detektoren der Computertomographie
- Photon-counting-CT-Detektoren
... nach physikalischem Umwandlungsprinzip
Indirekte Detektoren
Bei indirekten Detektoren wird die Röntgenstrahlung zunächst in sichtbares Licht umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt in einem Szintillator, der bei Absorption der Strahlung Lichtblitze erzeugt (Szintillation). Das emittierte Licht wird anschließend von Photodioden registriert und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale werden in einer Detektormatrix ausgelesen und digital verarbeitet. Typische Szintillatormaterialien sind:
- Cäsiumiodid (CsI:Tl)
- Gadoliniumoxysulfid (Gd₂O₂S)
- Cadmiumwolframat (CdWO₄)
Indirekte Detektoren werden häufig eingesetzt in:
- Flachdetektoren moderner Röntgensysteme
- Detektoren der Computertomographie
Direkte Detektoren
Bei direkten digitalen Detektoren wird die Röntgenstrahlung ohne Zwischenschritt über Licht direkt in elektrische Ladung umgewandelt. Im Detektormaterial entstehen durch Wechselwirkung der Röntgenphotonen mit dem Halbleitermaterial Elektron-Loch-Paare, die in einem elektrischen Feld getrennt und von Elektroden gesammelt werden. Die dabei entstehenden Ladungssignale werden anschließend elektronisch ausgelesen. Häufig verwendete Materialien sind:
- amorphes Selen (a-Se)
- Cadmiumtellurid (CdTe)
- Cadmiumzinktellurid (CZT)
Ein Vorteil direkter Detektoren besteht darin, dass keine Lichtstreuung im Szintillator auftritt. Dadurch kann eine besonders hohe räumliche Auflösung erreicht werden.
... nach Detektortyp
Film-Foliensysteme
Film-Foliensysteme sind das klassische analoge Verfahren zur Aufnahme von Röntgenbildern, die heutzutage kaum mehr verwendet werden. Das Aufnahmemedium ist ein Röntgenfilm, der aus einer transparenten Trägerfolie und einer oder zwei lichtempfindlichen Emulsionsschichten besteht. Diese Emulsion enthält Silberbromidkristalle, die in eine Gelatineschicht eingebettet sind.
Der Film befindet sich in einer Kassette zwischen zwei Verstärkungsfolien (Leuchtstoffschichten). Diese enthalten fluoreszierende Materialien, die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandeln. Trifft Röntgenstrahlung auf die Verstärkungsfolie, entsteht durch Fluoreszenz sichtbares Licht. Dieses Licht belichtet den Röntgenfilm wesentlich effizienter als die direkte Wirkung der Röntgenstrahlung auf die Emulsion. Dadurch kann die benötigte Strahlendosis deutlich reduziert werden.
Beim Belichtungsvorgang werden Elektronen aus den Bromidionen der Silberbromidkristalle freigesetzt. Diese Elektronen lagern sich an sogenannte Reifekeime an und führen zur Bildung kleiner Silberaggregate. Dadurch entstehen zunächst unsichtbare latente Bildkeime. Im anschließenden Entwicklungsprozess werden weitere Silberionen zu metallischem Silber reduziert, wodurch sichtbare Schwärzungen entstehen. Im Fixierbad werden nicht belichtete Silberbromidkristalle entfernt. Die verbleibenden Silberablagerungen bilden das sichtbare Röntgenbild.
Die fertigen Filme werden zur Befundung auf einem Leuchtkasten betrachtet.
Speicherfoliensysteme
Speicherfoliensysteme (Computed Radiography, CR) stellen eine frühe digitale Technik dar, die heutzutage nur noch selten verwendet wird. Hierbei wird die Energie der einfallenden Röntgenstrahlung zunächst im Detektormaterial gespeichert. Die Speicherfolie enthält sogenannte photostimulierbare Phosphore. Durch die Röntgenbestrahlung werden Elektronen in metastabile Energieniveaus überführt und dort gespeichert. Zur Bildgewinnung wird die Speicherfolie anschließend mit einem Laser abgetastet. Dabei wird die gespeicherte Energie als Licht emittiert und von einem Photodetektor registriert. Das Signal wird digital verarbeitet und ergibt das Röntgenbild. Nach dem Auslesen kann die Speicherfolie durch intensive Beleuchtung gelöscht und erneut verwendet werden.
Flachdetektoren
Flachdetektoren sind heute der Standard in der digitalen Röntgendiagnostik. Sie bestehen aus einer zweidimensionalen Matrix von Detektorelementen, die die einfallende Strahlung registrieren. Je nach Bauart arbeiten Flachdetektoren nach dem direkten oder indirekten Detektionsprinzip. Sie werden unter anderem eingesetzt in:
- Projektionsradiographie
- Durchleuchtung
- Angiographie
- Mammographie
Photonenzählende Detektoren
Photonenzählende Detektoren sind eine spezielle Form direkter Halbleiterdetektoren. Sie registrieren einzelne Röntgenphotonen und messen deren Energie. Im Gegensatz zu integrierenden Detektoren wird dabei jedes Photon einzeln detektiert und gezählt. Dadurch können zusätzlich zur Intensität auch Energieinformationen der Strahlung erfasst werden. Typische Materialien für photonenzählende Detektoren sind:
- Cadmiumtellurid (CdTe)
- Cadmiumzinktellurid (CZT)
Photonenzählende Detektoren ermöglichen eine spektrale Bildgebung, ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis sowie potenziell eine Reduktion der Strahlenexposition. Sie werden insbesondere in modernen Photon-Counting-CT-Systemen eingesetzt.
Weitere Detektortypen
Gasgefüllte Detektoren, z.B. Ionisationskammern oder Geiger-Müller-Zählrohre, werden in der Strahlenphysik und Dosimetrie eingesetzt. Für die radiologische Bildgebung spielen sie jedoch keine praktische Rolle.
Weblinks
- Technische Hochschule Mittelhessen: Röntgendetektoren, abgerufen am 1.12.2022
