Computertomografie
Extrem rauscharme Sensoren von ams
Ein ASIC von ams, das eine Fotodiode und einen A/D-Wandler in einer Stacked-Die-Konfiguration kombiniert, erlaubt einem neuen Fotodetektormodul für CT-Systeme von Siemens eine Bildauflösung bis hinunter zu 0,5 mm bei drastisch verringerten Röntgendosen.
Der neuartige ASIC ist das Ergebnis einer im Jahr 2005 begonnenen Zusammenarbeit des österreichischen Chipherstellers ams (ehemals austriamicrosystems) mit Siemens Healthcare. Ziel war es, eine neue Generation von Fotodetektormodulen zu entwickeln. Die neue Modulgeneration »Stellar« sollte eine erheblich verbesserte Leistung bieten, um die wachsenden Anforderungen von Onkologen und anderen Medizinern zu erfüllen.
Mediziner stellen dabei zwei Hauptanforderungen an neue CT-Systeme:
- hochauflösendere Bilder, die eine genauere Diagnose des Zustands von Patienten ermöglichen, und
- niedrigere Röntgendosen, die das Gesundheitsrisiko für Patienten bei der Untersuchung verringern.
Bei dem ASIC gelang es dem Chiphersteller, das Rauschen in der empfindlichen analogen Signalkette zwischen Fotodiode und A/D-Wandler erheblich zu reduzieren. So ein eliminiert ein neuartiger zweistufiger Datenwandler die Totzeit, die beim Betrieb vieler A/D-Wandler erforderlich ist. Damit ist diese Stufe in der Lage, das gesamte Eingangssignal abzutasten, und erreicht so maximale Linearität am Ausgang. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verstärkungs- und Offset-Korrektur, die ein hochpräzises Ausgangssignal über einen großen Dynamikbereich der optischen Eingänge liefert. Eine Feinabstimmung des Transistorverhaltens minimiert das Rauschen zusätzlich. So wird der Chip in der Waferfertigung von ams in Graz gefertigt, deren spezielle Prozesstechnologien das Schaltungsdesign des Bausteins wesentlich beeinflussen.
Besonders wichtig, um die Performance zu erreichen, ist der Einsatz neuer Herstellungsverfahren für die 3D-Integration eines Mixed-Signal-Bauteils: Die von ams implementierte Stacked-Dice-Technik integriert den Fotosensor und den A/D-Wandler in einem kompakten Baustein. Eine lange Verbindung vom Sensor zum A/D-Wandler auf Boardebene in der vorherigen Generation des Detektormoduls konnte ams so durch eine 200-µm-Durchführung im Silizium ersetzen. Siemens war hierdurch in der Lage, die Auswirkungen von Rauschen und Übersprechen bei empfindlichen analogen Signalen zu verringern und die Laufzeit der Signale zwischen dem Sensor und dem A/D-Wandler erheblich zu verkürzen.
Nach Angaben von Siemens bietet der neue »Stellar«-Detektor nicht zuletzt durch den ASIC folgende Vorteile:
- 20 Prozent niedrigeres Rauschen bei CT-Scans mit niedriger Dosis im Vergleich zu konventionellen Detektoren
- Bildauflösung bis hinunter zu 0,5 mm, was gegenüber herkömmlichen Detektoren eine Verbesserung von 0,3 mm darstellt- Erweiterter Dynamikbereich, der die Einsatzmöglichkeiten von CT-Scans mit niedriger Dosis vergrößert
- Reduzierung der typischen Leistungsaufnahme von 1000 W auf 300 W. Diese Verringerung ermöglicht zugleich eine starke Reduktion der Verlustwärme, was zu einer weiteren Verbesserung der Signalqualität und der Bildauflösung führt.
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