Chip zählt einzelne Photonen

Röntgenchip zählt einzelne Photonen

Physiker der Universität Bonn entwickeln für den ATLAS-Detektor am LHC (Large Hadron Collider, CERN) hochempfindliche Halbleiter-Pixeldetektoren auf Siliziumbasis. Da diese bis zu einem Quadratzentimeter großen Chips neben exotischen Teilchen ausgesprochen empfindlich auf Röntgenphotonen ansprechen, stoßen diese Nachweisemodule der rein Erkenntnis orientierten Grundlagenforscher auf großes Interesse bei den Produktentwicklern in der Medizintechnik. Ihr Ziel: Röntgengeräte, die Innenaufnahmen von Patienten genauer, schneller und mit deutlich geringerer Strahlenbelastung liefern.

Innerhalb einer Sekunde wandelt der aktuelle Prototyp dieses Spin-Offs aus der Teilchenphysik je Pixel bis zu eine Million einfallende Röntgenphotonen in zählbare Pulse um und bildet ein Datenraster für ein kontrastreiches Röntgenbild. Dazu brauchten Norbert Wermes und seine Mitarbeiter ihr funktionstüchtiges ATLAS-Modul nur geringfügig zu modifizieren. Treffen die energiereichen Photonen (20–120 keV) auf ein rund 40 Quadratmillimeter großes Areal mit 1024 Pixeln in der Halbleiterschicht (CdTe) auf, greift ein darunter liegendes Transistoren-Netzwerk die einzeln erzeugten elektrischen Pulse auf und leitet sie für die Bildberechnung an einen Computer weiter. Im Unterschied zum klassischen Röntgenfilm reagieren diese Pixel exakt linear auf die Energie der Photonen. Diese ideale Abhängigkeit von der Strahlendosis bildet die Grundlage für kontrastreiche Bilder mit Auflösungen im Mikrometerbereich. Probleme mit einer Über- oder Unterbelichtung gehören mit solchen Röntgenchips der Vergangenheit an.

Von der Hochenergiephysik zur Medizintechnik: Dieser an der Universität Bonn entwickelte Pixeldetektor ermöglicht kontrastreiche Röntgenbilder. (Quelle: N. Wermes, Uni Bonn)

Ohne aufwändigen Entwicklungsprozess steht so dem Arzt ein Röntgenbild quasi in Echtzeit zur Verfügung. Zusammen mit einem Partner aus der Medizintechnik-Industrie gilt es nun, größere Pixelmatrizen zu entwickeln. Seine Leistungsfähigkeit soll dieser Röntgenchip zuerst beim Durchleuchten von Zähnen zeigen. Wegen seiner Empfindlichkeit hegen die Entwickler große Hoffnungen, dabei die Strahlenbelastung von Patienten deutlich senken zu können. Sollte dies gelingen, könnten deutsche Patienten schon bald ihren nach den Japanern zweiten Platz auf der internationalen Skala der Röntgenexposition abgeben.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Dezember 2003

Weitere Infos:

• Arbeitsgruppe von Norbert Wermes:
  http://pixel.physik.uni-bonn.de