Keramik-Partikel machen Röntgenbilder billiger

Mit neuen Röntgendetektoren aus Keramik-Partikeln und einem leitfähigen Kunststoff lassen sich Röntgenbilder in höherer Auflösung erzeugen. Die für die Medizintechnik wichtige Empfindlichkeit soll bei den Forschungspartnern weiter verbessert werden.

Auf den ersten Blick haben Röntgentechnik und Rosinenkuchen nicht viel gemeinsam. Und doch vergleichen die Wissenschaftler des Projekts HOP-X ihre Entwicklung gern mit dem Backwerk. Wie die Rosinen im Kuchenteig eingebettet sind, so haben die Forscher Keramik-Partikel und Kunststoff vermengt. Das Ergebnis dieses Rezepts sind neuartige Röntgendetektoren, die in der Herstellung günstiger als bisherige Digitaldetektoren sein sollen. Das könnte die Radiologie beispielsweise in Schwellen- und Entwicklungsländern einen entscheidenden Schritt nach vorn bringen. Denn dort wird vielfach noch mit Röntgenfilm gearbeitet.

Bei der Entwicklung der neuen Detektoren haben sich die Projektpartner, zu denen unter anderem Siemens Healthcare und das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) gehören, von flexiblen Solarzellen inspirieren lassen. Sie nutzen ein leitfähiges Polymer, welches das Licht absorbiert und in Strom umwandelt. "Allerdings würde dieser Kunststoff nicht auf Röntgenstrahlen reagieren", erklärt Tobias Kraus, Leiter des Programmbereichs Strukturbildung am INM. "Deswegen haben wir keramische Partikel hinzugefügt, die im Röntgenlicht aufleuchten."

Keramisches Material wird auch in üblichen digitalen Röntgendetektoren verwandt. Hier ist es Bestandteil der Szintillatoren, welche die Strahlung in Licht umwandeln. Das keramische Material wird unter hohen Temperaturen in Sinternprozessen hergestellt. "In einem aufwändigem Vakuumprozess wird eine gerichtet Struktur aus einem kristallinem Salz gewachsen, die eine hohe Absorption der Röntgenstrahlen aufweist und für ein scharfes Röntgenbild sorgt", sagt Kraus. Doch gerade diese Struktur herzustellen, sei ein teurer Prozess.

Bei den neu entwickelten Detektoren ist daher der Vergleich der Keramik-Partikel mit den "ungeordneten" Rosinen im Kuchen anschaulich. "Bei unserer Methode kommt es auf das richtige Mischverhältnis von lichtempfindlichen Keramik-Partikeln und leitfähigem Kunststoff an", so Kraus. Der Kunststoff kann nahezu bei Raumtemperatur in Lösungsmittel gelöst werden. Als Pulver fügt man die Keramik-Partikel hinzu. Die Flüssigkeit lässt sich wie Lack auf dem Bildsensor aufsprühen. Darüber wird schließlich die Elektrode gesetzt.

In welchem Verhältnis Keramik und der leitfähige Kunststoff vorhanden sein müssen, um eine für die Medizintechnik erforderliche Bildauflösung und Empfindlichkeit zu erzielen, haben die INM-Forscher unter dem Elektronenmikroskop überprüft. So ließ sich feststellen, wie die Partikel verteilt sind und, ob genügend Kunststoff dazwischen sitzt, um die Ladungen zur Elektrode zu transportieren. Im richtigen Verhältnis sind nach Angaben der Forscher Röntgenbilder mit höherer Auflösung als bei konventionellen Szintillator-Detektoren möglich. Mit einem Prototyp-Detektor haben sie dies bereits demonstriert.

Tobias Kraus und seine Kollegen forschen nun weiter an der Verbesserung der Materialien. Sie untersuchen außerdem, ob die Keramik-Partikel Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Kunststoffs haben. Die Projektpartner wie Siemens Healthcare erproben unter anderem, wie sich die Materialien auf großflächigen Bildsensoren auftragen und die Mischverhältnisse für die empfindlichsten Detektoren ableiten lassen.

Korrektur, 17.12.2015, 9.30 Uhr: In einer früheren Fassung hatten wir geschrieben, dass die neuen Röntgendetektoren eine gleichwertige Bildausflösung liefern wie bisherige Szintillator-Detektoren. Nach Angaben der Forscher aber bieten sie eine höhere Auflösung im Vergleich mit Detektoren auf Basis von Szintillatoren. (jle)