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Schärfere medizinische Bilder

02. März 2020, 11:31 Uhr   |  Engelbert Hopf

Schärfere medizinische Bilder
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Dadurch, dass Fotodioden-Array und A/D-Wandler auf einem Chip untergebracht sind, verbessert sich der Signal-Rausch-Abstand des CMOS-Bauteils, was sich in höherer Bildqualität und geringerer Eigenerwärmung niederschlägt.

Durch den Einsatz des hochintegrierten CMOS-Chips AS5950 von ams lassen sich Zeit- und Kostenaufwand bei der Montage und Herstellung von Röntgendetektoren deutlich verringern. Darüber hinaus liefern die CT-Scanner detailreichere, schärfere Bilder.

Durch die Zusammenfassung eines hochempfindlichen Fotodioden-Arrays und eines 64-kanaligen A/D-Wandlers zu einem CMOS-Bauteil ermöglicht es ams, in Zukunft die Komplexität und damit auch die Kosten der Sensorbaugruppe in 8- und 16-Slice-CT-Scannern entscheidend zu reduzieren. Als integrierter Chip lässt sich der AS5950 von ams in einem CT-Detektormodul wesentlich einfacher einbauen.

Bisher mussten die Hersteller von CT-Scannern dagegen ein diskretes Fotodioden-Array auf einer komplexen Leiterplatte bestücken und über lange Leiterbahnen mit einem eigenen Auslese-Chip verbinden. In 8- und 16-Slice-CT-Scannern verbessert eine integrierte Architektur die Bildqualität deutlich. Hauptgrund dafür ist die kürzere Verbindung zwischen dem Fotodioden-Array und der Ausleseschaltung. Sie verbessert den Signal-Rausch-Abstand. Das führt zu höherer Bildqualität und geringerer Eigenerwärmung.

So beträgt das Rauschen im hochauflösenden Modus nur noch 0,20 fC für einen Messbereich von 455 pC. Mit entscheidend für die hohe Bildqualität sind auch die hohe Linearität des A/D-Wandlers von ±300 ppm und die Gesamtlinearität von ±600 ppm (einschließlich Fotodiode). Eine Verlustleistung von 0,65 mW pro Kanal ermöglicht dem Hersteller zudem eine kostengünstigere Luftkühlung seiner CT-Scanner. Dazu überwacht ein integrierter Temperatursensor die Temperatur am Silizium.

Konfigurationsmöglichkeiten

Um hohe Rotationsgeschwindigkeiten des Scanners zu unterstützen, bietet der AS5950 eine niedrige Integrationszeit von 200 µs. Der Zugriff auf die digitalen Daten erfolgt über eine SPI-Schnittstelle, über die auch folgende Einstellungen konfigurierbar sind: der aktive Sensorbereich, die Pixelauflösung und der Aussteuerbereich.

Thema aktiver Sensorbereich: Durch das dreireihig anreihbare Konzept kann der Entwickler bei der Sensorgröße in Z-Richtung zwischen 16 und 32 mm wählen. Die Pixelauflösung: Es ist möglich, das adaptive Array entweder im hochauflösenden Modus mit einer Standard-Pixelgröße von 0,98 mm × 0,98 mm oder in der Betriebsart große Abdeckung in der Z-Achse durch Verbinden von jeweils zwei Pixeln mit einer Gesamtgröße von 1,96 mm × 0,98 mm zu betreiben. Und schließlich der Aussteuerbereich: Je nach der angewandten Strahlendosis ist der maximale Strom der Fotodioden über drei Vollaussteuerungsbereiche zwischen 200 und 60 nA konfigurierbar.

Standardmäßig beträgt die optimale Pixelgröße des AS5950 0,98 x 0,98 mm. Mit einer verhältnismäßig kurzen Vorlaufzeit lässt sich die Pixelgröße jedoch auch an die spezifischen Bedürfnisse einzelner OEMs anpassen. Für die Herstellung eines CT-Moduls lässt sich der Sensor in einem Wire-Bonding-Prozess direkt auf das Substrat aufbringen.

Zusammen mit Partnern hat ams das AS5950M, eine Referenzentwicklung für ein CT-Modul, erstellt. Es vereinfacht die Integration in einen kompletten CT-Detektor. An zwei Seiten anreihbar, besteht das Modul entweder aus zweimal 2 Stück AS5950, auf einem Substrat montiert, um eine Sensorfläche von 32 mm × 16 mm zu erhalten, oder aus zweimal 4 Stück AS5950 für eine Sensorfläche von 32 mm × 32 mm. Zum Anschluss des Sensors sowie der Referenzentwicklung des Moduls ist außerdem ein Evaluierungs-Kit erhältlich. Es wird mit einem FPGA-Board und einer Software zur Demonstration aller relevanten Leistungsparameter geliefert.

Bei ams geht man von einem jährlichen Wachstum des Marktes für medizinische Bildgebung mit 8- und 16-Slice-CT-Scannern von 10 bis 15 Prozent aus. »ams will mit dieser Produktvorstellung seinen Beitrag leisten, um CT-Scanner erschwinglicher und auf der ganzen Welt verfügbar zu machen«, betont Jose Vinau, Marketing Director für den Geschäftsbereich Medical & Specialty Sensors bei ams. »Mit der Einführung des AS5950 und dieses Moduls senken wir die Hürden bei der Montage und Herstellung eines Röntgendetektors.«

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