Störungsfreie DC-Spannungsquellen in der Röntgentechnik

Der Einsatz von Flachbilddetektoren, die bei bildgebenden Systemen in der Röntgentechnik Verwendung finden, stellt Entwickler und Konstrukteure der Endgeräte vor die Herausforderung, eine möglichst störungsfreie DC-Spannungsquelle zu integrieren. Nur so wird sichergestellt, dass die Aufnahme nicht durch Störungen „verrauscht“ wird. Denn Rauschen impliziert in der Bildgebung immer eine Kontrastminderung – und damit eine suboptimale Diagnose.

Genaue Diagnose durch bildgebende Verfahren

Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie beispielsweise durch einen Computertomografen (CT) erstellte 3D-Bilder können sich Mediziner ein möglichst realistisches Bild vom Inneren des Patienten machen. Sogar während des Eingriffs werden solche Röntgensysteme eingesetzt, um die behandelten Körperteile in Echtzeit darzustellen.

Unschärfe bei digitaler Bildverarbeitung

Digitale Bildverarbeitung ist dabei aktuell Standard, da auf diese Weise erstellte Röntgenbilder leichter interpretiert werden können als analoge. Dennoch gibt es Schwachpunkte: So kann es durch Sensor- oder Spannungsquellen-bedingtes Rauschen zu einer Unschärfe beziehungsweise zu einer Kontrastminderung in der gesamten Aufnahme kommen, und damit zu Spielraum für Interpretationen in der Diagnose.

Mitunter wird beispielsweise die Materialdicke fehlerhaft angezeigt. Ziel ist es daher, dieses Bildrauschen im digitalen System auf ein Minimum zu reduzieren.

Wie kommt es zu Signalstörungen?

Die Mehrzahl der Röntgengeräte besteht neben dem Generator und der Röntgenröhre auch aus einem Streustrahlenraster und einem Detektor. Deren Funktionsweise wird im Physik Journal wie folgt beschrieben: Streustrahlenraster und Detektor liefern die Bilder, indem sie die Röntgenstrahlen durchdringen, räumlich filtern, aufnehmen und in ein Bildsignal verwandeln. Der Detektor enthält unter anderem eine Fotodiode, die das Lumineszenzlicht einer großflächig auf der Glasplatte aufgedampften Szintillatorschicht in elektrische Ladung verwandelt und zwischenspeichert.

Das Signal der einzelnen Dioden wird mit einer Bildwechselrate von 30 Hz zeilenweise ausgelesen, in ladungsempfindlichen Verstärkern am Detektor-Rand aufgenommen und digitalisiert. Die Bilddaten werden direkt einem digitalen Bildverarbeitungssystem zugeführt und in Echtzeit dargestellt. Probleme können bei der Bildqualität auftreten, da bei den digitalen Detektoren keine Bildverstärkungstechnik integriert ist und daher das Aufnahmesignal im Vergleich zum auftretenden Rauschen zu schwach ausfällt.

Rauschunterdrückungskonzepte für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis

Dieses Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio) beschreibt das Verhältnis der bildgebenden Anteile zu Störsignalen wie Rauschen. Ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ist nur dann zu erreichen, wenn das elektronische Rauschen der Ausleseschaltungen minimiert wird. Deshalb verfolgen Hersteller von bildgebenden Systemen bereits seit einigen Jahren das Ziel, elektronisches Rauschen durch entsprechende Rauschunterdrückungskonzepte zu reduzieren. Dazu stehen ihnen verschiedene technische Optionen offen, wie zum Beispiel die Verringerung der Menge der den Detektor erreichenden Streustrahlung, die Implementierung mathematischer Modelle sowie die Optimierung der Signalübertragung oder Filterleistung.

Beeinflussung von Röhrenstrom und -spannung

Eine weitere Möglichkeit ist die Beeinflussung von Röhrenstrom und -spannung. Wird der Milliamperesekunden-Wert (mAs) erhöht, nimmt die Strahlungsmenge zu. Als Folge kommt eine größere Anzahl von Röntgenstrahlen auf dem Detektor an. Dadurch wird die optische Dichte höher, das Signal-Rauschverhältnis steigt und die Kontrastauflösung verbessert sich. Allerdings bedeutet eine Erhöhung des Röhrenstroms auch eine höhere Strahlungsdosis für den Patienten.

Aus diesem Grund sollten Konstrukteure im Idealfall auf andere Weise versuchen, das Rauschen in medizinischen Geräten zu minimieren, zum Beispiel durch den Einsatz rauschärmerer Elektronikkomponenten.

Ursachen statischer Messfehler

Untersuchungen des Fraunhofer IIS in Fürth belegen, dass Rauschen die Messeigenschaften von CTs negativ beeinflussen kann, beziehungsweise dass beim dimensionellen Messen mit einem CT die Bildqualität maßgeblich die Messgenauigkeit bedingt.

In der Messtechnik wird zwischen statischen (zufälligen) und systematischen Messfehlern unterschieden. Die statischen treten in der Bildgebung durch Rauschprozesse auf, entweder durch Photonenrauschen oder durch Rauschen der verwendeten Elektronikkomponenten. Letzteres kann durch den Einsatz hochwertiger Komponenten stark reduziert werden.

100-kHz-Schaltnetzteil verwenden

Ein guter Ansatzpunkt sind hierbei die aktuell in medizinischen Geräten eingesetzten Schaltnetzteile beziehungsweise Netzteile, bei denen der Leistungsüberträger meist mit mehr als 100 kHz geschaltet wird.

Die wesentlichen Vorteile gegenüber den zuvor verwendeten 50-Hz-Netzteilen sind der Weitbereichseingang, die hohe Packungsdichte, das geringe Gewicht und eine große Laststabilität. Ihr großer Nachteil aber sind hochfrequente Störungen der Ausgangsspannung, bedingt durch die hohe Schaltfrequenz. Diese werden als Ripple und Noise (R & N) bezeichnet und in mVss angegeben.

In vielen Anwendungen werden die Störungen auf der DC-Spannung, die meist 100-200 mVss übersteigen, in Kauf genommen. Entweder, weil sie für die Applikation nicht relevant sind, oder weil sie mit nachgeschalteten Filterstufen auf ein Minimum reduziert werden. Dies jedoch ist häufig mit einem nicht unerheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile minimieren Rauschen

Eine kostengünstige Alternative dazu ist eine neue Netzteilgeneration, die Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile (Bild 2).

Diese sind primär getaktete Netzteile mit einer DC-Ausgangsspannung, die von extrem geringen Störungen überlagert wird (Bild 3).

Die R & N-Werte liegen in der Größenordnung lineargeregelter Netzteile, also unterhalb von 10 mVss, bei einer neuen Gerätegeneration des Schaltnetzteilherstellers Daitron sogar unter 1 mVss.

Flachbilddetektor in der Röntgentechnik als Fallbeispiel

Dieser Vorteil kann anhand eines Fallbeispiels demonstriert werden. In diesem Anwendungsfall werden die Sensoren einer Messeinrichtung, zum Beispiel eines Flachbilddetektors in der Röntgentechnik, mit DC-Spannung versorgt. Die Systemkomponenten wurden weit entfernt von Netzteilen und Messeinrichtungen eingebaut, sodass DC-Leitungen und Datenkabel gemeinsam über dieselbe Strecke geführt werden. Hierbei kann es jedoch zum Phänomen des „Übersprechen“ kommen, das heißt, es werden Störungen der Versorgungsleitung in die Messleitung eingekoppelt. Dies hat zur Folge, dass für eine optimale Auswertung und Diagnose das Messsignal verstärkt werden muss. Dabei werden allerdings die Störungen der Spannungsversorgung ebenfalls verstärkt und müssen zum Teil aufwändig herausgefiltert werden. Das ist selbst dann der Fall, wenn der Standard-Primärschaltregler über eine medizinische Zulassung verfügt.

Anders sieht es aus, wenn von vornherein ein Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteil in das Gerät integriert wird. Einziger Anbieter hierfür ist derzeit Daitron beispielsweise mit dem RFS50, dessen Ripple bei 1 mVss liegt und das eine Leistung von 50 W liefert. So geringe Ripple-Werte wurden bisher nur durch Linearnetzteile ermöglicht.

Der Platzbedarf für die zusätzliche Filterstufe entfällt und kann für andere Komponenten genutzt werden und erlaubt eine kompaktere Bauform.

Geringe Störungen bei wenig Entstör-Komponenten

Während bei industriellen Primärschaltreglern Effizienz und Baugröße im Vordergrund stehen, liegt der Fokus der Netzteile des Distributors auf möglichst geringen Störungen, und zwar sowohl bei der Netzrückwirkung als auch auf der DC-Ausgangsseite und den abgestrahlten Emissionen. Dabei kommen sie mit deutlich weniger Entstör-Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten aus als industrielle Schaltnetzteile. Grund dafür ist der Leistungs- beziehungsweise der HF-Übertrager. Dieser funktioniert nach dem Prinzip der Resonanz-Mode-Technologie im Soft-Switching-Verfahren.

Soft-Switching-Verfahren: Weiches Schalten mit flachen Schaltflanken

Dieses weiche Schalten mit flacheren Schaltflanken verursacht wesentlich weniger Störungen als das üblicherweise harte Schalten mit steilen Flanken. Es erfolgt synchron zu den Nulldurchgängen mit einer minimalen Überlappung von Spannung und Strom. So werden Störungen auf ein Minimum reduziert. Dafür werden je nach Ausgangsspannung Wirkungsgrade zwischen 82 und 90 Prozent in Kauf genommen. Bei industriellen Netzteilen liegt dieser Wert zwar teilweise wesentlich höher, aber bei Linearreglern deutlich darunter, bei gerade mal 50 bis 60 Prozent. Sowohl die leitungsgebundenen- als auch die abgestrahlten Störungen liegen weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte wie beispielsweise die der EN 55022 Klasse B. Gleiches gilt für den Ableitstrom der unter 0,15 mA liegt, was speziell für medizinische Anwendungen essentiell wichtig ist, da für sie die Vorgaben der medizinischen Norm EN 60601-1 gelten.

Den wichtigsten Unterschied aber machen die extrem geringen Störungen der DC-Ausgangsspannung aus, die bei weniger als 10 mV Spitze/Spitze liegen. Im Gegensatz dazu liegt dieser Wert bei industriellen Netzteilen in der Größenordnung von 100-200 mVss.

Geringe Temperaturentwicklung

Hinzu kommt, dass bei der Verwendung eines Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteils die Temperaturentwicklung im Messgerät gering ausfällt, wodurch auf die Verwendung eines Lüfters verzichtet werden kann. Denn während Linear-Netzteile eine Effizienz von 50 bis 60 Prozent aufweisen, liegt das 1-mV-Schaltnetzteil des Distributors bei bis zu 85 Prozent. Lüfter beeinträchtigen zwar nicht die Bildqualität, werden im OP-Saal aber ungern gesehen – zum einen wegen der zusätzlichen Geräuschentwicklung, zum anderen aber auch, weil er sich schlecht desinfizieren lässt.

Kompaktes Gerät-Design

Ein weiterer Vorteil für Gerätehersteller ist, dass der Weitbereichseingang des Netzteils, der reduzierte Entstör-Aufwand und eine kompakte Bauweise in der Geräteentwicklung gerade von Messgeräten völlig neue Konzepte ermöglichen. Denn die Linear-Netzteile, die lange Zeit als einzige das benötigte geringe Rauschverhalten aufwiesen, haben den Nachteil, deutlich schwerer und größer als Schaltnetzteile zu sein. Letztere ermöglichen daher den Bau deutlich kompakterer und kleinerer Geräte.

Anwendungsmöglichkeiten

Generell können Entwickler in den Bereichen Sensorik und Analytik von der neuen Low-Ripple-Netzteilgeneration profitieren, zum Beispiel bei der Umsetzung von Spektrometrie-Systemen, Hightech-Mikroskopen oder Röntgen-Detektoren.

Während Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile im asiatisch-pazifischen Raum und den USA bereits sehr verbreitet sind, sind sie in Europa noch weitgehend unbekannt. Die Ingenieure der Systemtechnik Leber wollen das ändern. Als langjähriger Partner des Distributors sind sie mit den Netzteilen vertraut und stehen im direkten Kontakt mit der Entwicklungsabteilung. So können die Schaltnetzteile im Bedarfsfall an anwenderindividuelle Anforderungen angepasst werden. Und sollte kein Standardnetzteil den technischen Vorgaben entsprechen, werden auch kundenspezifische Netzteile und DC/DC-Wandler entwickelt. (bs)