Computertomographie durch Photonenzählung revolutionieren
Die Computertomographie (CT) ist aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken. Mit einer besseren Bildgebung und einer geringeren Röntgenbelastung könnten CT-Scanner aber noch viel mehr erreichen. In einem Projekt mit dem Industriepartner ams International AG testen ETH-Forschende neue Materialien für das vielversprechende Photonenzählverfahren.
Computertomographen gibt es schon lange und gelten in den Industrieländern als zuverlässiges Diagnoseinstrument. Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Verbesserungen eingeführt, die die Röntgendosis verringerten und die Bildqualität dank weniger Detektoren-Rauschen verbesserten. Weitere Optimierungen sind durch die Photonenzählmethode möglich, welche auf dem direkten Erkennen von Röntgenphotonen mit Energieauflösung beruht. Diese Methode wurde vor mehr als einem Jahrzehnt entwickelt und klinische Studien haben gezeigt, dass sie die Diagnostik verbessern kann. Die bestehenden Photonenzähl-CT-Systeme haben sich jedoch aufgrund der sehr hohen Kosten und der geringen Effizienz des verwendeten Detektormaterials auf dem Markt noch nicht durchgesetzt.
Neue Materialien für Photonen zählende Detektoren
Bestehende photonenzählende CT-Systeme, die für klinische Studien eingesetzt werden, verwenden entweder Cadmiumtellurid oder Cadmiumzink-Tellurid als Detektionsmaterial. Diese Materialien sind aufgrund der geringen Ausbeute des Detektormaterials, des komplizierten Herstellungsprozesses und der komplexen Systemintegration kostspielig.
Die Kovalenko-Gruppe an der ETH hat kürzlich Bleihalogenid-Perowskite als vielversprechendes Strahlungsdetektionsmaterial eingesetzt, das die Kostenprobleme bestehender photonenzählender CT-Systeme lösen könnte. Die Perowskite vereinen ein hohes Stoppverhalten mit einem effizienten Ladungstransport und einer einfachen Herstellung, was einen deutlichen Vorteil gegenüber den derzeitigen Materialien darstellt.
Im Jahr 2020 richtete das KovalenkoLab das SynMatLab (Laboratory for Multiscale Materials Synthesis and Hands-on Education) ein. Es umfasst eine hochmoderne Kristallzüchtungsanlage (Bridgman-Zuchtöfen) und die dazugehörige Ausrüstung für das Schneiden und Polieren von Monokristallen und die Abscheidung von Metallkontakten. Die Abbildung unten zeigt die Ergebnisse eines gezüchteten Kristalls und eines aus solchen Kristallen hergestellten gepixelten Detektors, die mit den Geräten des SynMatLab hergestellt wurden. Die einzigartige Anlage spielte eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung neuartiger Materialien für die Strahlungsdetektion.
Fruchtbare Zusammenarbeit für beide Seiten
Die COVID-Pandemie und die daraus resultierende Notwendigkeit zahlreicher CT-Untersuchungen haben den Bedarf an Photonen zählenden CT-Scannern mit geringerer Strahlenbelastung sichtbar gemacht. Daher ist es dringend erforderlich, die Photonenzählmethode weiterzuentwickeln, um sie besser zugänglich zu machen. ams International ist ein führender Hersteller von Sensoren und Emittern mit einem grossen Forschungs- und Entwicklungszentrum in Rapperswil (Schweiz). Als das Unternehmen von Professor Kovalenkos Perowskit-Forschung erfuhr, nahm es Kontakt mit ihm auf, um die Möglichkeit der Verwendung der neuen Materialien in photonenzählenden CT-Systemen zu untersuchen.
Erste Zoom-Treffen führten zu einer von der Innosuisse unterstützten Forschungskooperation. Das Projekt begann vor drei Jahren und wird im Dezember 2024 enden. Die Partner haben zum Ziel, die photonenzählende CT zu einem Erfolg zu machen. Erreicht werden soll dies durch niedrigere Preise für das Detektionsmaterial und einen einfacheren Aufbau sowie durch eine geringere Röntgendosis für den Patienten oder eine bessere Auflösung der Bilder.
Bislang wurden vielversprechende Fortschritte erzielt. Während ams darauf hinweist, dass sie von den profunden Kenntnissen der ETH im Bereich Detektionsmaterialien profitieren, schätzen die Forschenden die praktischen und sinnvollen Aspekte ihrer Arbeit sowie die pragmatische Unterstützung von ams.
Erkenntnisse und Anwendungen
Die Forscher weisen darauf hin, dass das neue Material in Form von Nanokristallen neben dem Einsatz in photonenzählenden CT-Systemen auch andere Bereiche wie Fernsehbildschirme oder Computerdisplays revolutionieren könnte. Es ist auch ein vielversprechendes Material für die Halbleiterindustrie, zum Beispiel für Fotokameras.
Beide Partner sind zuversichtlich, dass sie ihre Ziele bis zum Ende des Projekts erreichen werden. Das Produkt muss dann mit aktuellen Lösungen verglichen, in die Massenproduktion überführt und vermarktet werden. ams International hofft, dass die neue Generation von photonenzählenden CT-Systemen in ein paar Jahren auf dem Markt sein wird.
Kontakt/Links:
ETH Zürich Kovalenko Lab – Functional Inorganic Materials
externe SeiteAms International AG, Sensor Solutions
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