JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Guidelines for contributing Technical Papers: download PDF

Bäst datortomograf är svensk

Inom kort är det dags för de första kliniska testerna med en datortomograf vars detektor ger en bildkvalitet som kan slå marknadsledarna Siemens och General Electric på fingrarna. En första prototyp med ett svenskutvecklat elektronik-innehåll utan dess like är på väg att ta form. Målet är att tekniken ska nå ut till alla världens sjukhus.
Om ett år ska dörrarna mot Ruddammsvägen, som smiter längs Albanovas krökta fasad, öppnas för de första patienter som valt att delta i kliniska tester av den datortomograf som under drygt fem år utvecklats med bas på KTH.

– I våra första tester ska vi titta på den plack, eller beläggning, som finns i halskärl och som kan orsaka stroke, säger Mats Danielsson, professor i fysik på KTH, som leder arbetet med att bygga världens mest avancerade detektor för datortomografi.

Mats Danielsson har tidigare erfarenhet av att ta forskning från labb till sjukhus. År 2000 startade han Mamea Imaging för att utveckla en detektor som klarar sänkt stråldos vid mammografi – en stor del av kunskapen hade han tagit med sig från sin tid som partikelfysiker vid Cern. Fem år efter start köpte Sectra loss systemet och år 2011 såldes tekniken vidare till nederländska Philips, som tillhör världstoppen inom mammografi med ett omfattande distributionsnät.

Den här gången har Philips ett finger med i spelet redan från start. Inom datortomografi fajtas företaget om marknadsandelar i hasorna på världsledarna Siemens och General Electric. Ett drag i den kampen har varit att donera en modern datortomograf, värd tiotals miljoner, till det svenska forskningsprojektet vars detektor får samma mått som Philips modernaste maskiner har idag.

Datortomografi
Också kallad skiktröntgen, DT eller CT (computerized tomography) – är en särskild form av röntgen som kan ge mycket detaljerade bilder av de flesta organ i en männi-sko-kropp. Genom datortomo-grafi går det att i skikt efter skikt exempelvis studera hjärnan samt de vätskefyllda hålrummen och skelettet i huvudet i detalj.
– Det gör det enklare för tillverkare att använda vår detektor i nästa maskingeneration, konstaterar Mats Danielsson.

Precis som i mammografifallet är nyckelingrediensen en detektor som räknar varje foton. Det gör att bildkvaliteten kan förbättras rejält, utan höjd stråldos. Alternativt kan stråldosen sänkas utan försämrad bildkvalitet, vilket är särskilt intressant då exempelvis barn undersöks.

Dagens modernaste datortomografer kan inte räkna enskilda fotoner. Istället integrerar de energin som alstras från tusentals röntgenstrålar, vilket ger elektroniskt brus som är ett stort problem om man vill minska stråldosen. För att förbättra kontrasten i bilden använder exempelvis Siemens två röntgenkällor – en som kör på 80 kV och en som kör på 140 kV – och två detektorer. General Electric gör på motsvarande sätt, men switchar mellan 80 kV och 140 kV.

H&M-donation bakom detektorn
Familjen Erling Perssons-stiftelse har finansierat utvecklingsarbetet i tre steg:
• År 2008 donerades 23,7 miljoner kronor vid projektstart
• År 2012 donerades 22 miljoner kronor för fortsatt utvecklingsarbete
• För drygt en månad sedan donerades ytterligare 17 miljoner kronor för att slutföra projektet
– Vi gör istället allt i detektorn. Vi får ut åtta energinivåer, medan de bästa konkurrerande systemen får ut två energinivåer trots högre stråldos. Om man använder vår energidiskriminering i kombination med kontrastmedel går det att få väldigt tydliga bilder vid en undersökning.

Utmaningarna i utvecklingsarbetet har varit många. En rejäl sådan har varit att få till konstruktionen av själva detektorelementet med 50 pixlar (se faktaruta). Fast den tuffaste utmaningen har nog ändå varit att skapa den asic som tar ut signalen från detektorelementet och sedan skickar den vidare för lagring.

– Asicen har varit verkligt svår att konstruera med extrema krav på stabilitet eftersom det är väldigt små kontrastskillnader som vi tittar på. Om någon kanal driver får man ringar i bilden eftersom maskinen snurrar och det är något som läkarna absolut inte tolererar, säger Mats Danielsson.

Inte förvånande är det Christer Svensson, professor vid Linköpings universitet, som ansvarar för asickonstruktionen och hela elektronikupplägget i projektet. Christer Svensson har många strängar på sin lyra, bland annat handplockades hans forskarteam en gång i tiden när Intel letade efter världens bästa grupp inom lågeffektselektronik.

Den färdiga detektorn kommer att bestå av 1 700 detektorenheter, som var och en innehåller ett detektorelement kopplat till tre asicar som tar emot 150 signaler vardera (se faktaruta nedan).

– Varje ingångskanal är konstruerad för att detektera extremt låg energi med lågt brus. Den består i stort av en förförstärkare som motsvarar en optisk mottagare, filter som definierar signalformen, offsetjustering och åtta komparatorer som klassar fotonerna i åtta olika energiklasser, förklarar Christer Svensson.

När han ombedes att peka ut den största utmaningen under utvecklingsarbetets gång säger han:

– Jag tycker att man kan dela upp den i tre delar – att minimera brus och effekt, att klara offset och att hantera störningar.

På chipnivå ligger man idag väldigt väl framme när det gäller att detektera låg energi med lågt brus. Trassligare har det varit att få till kompensationen för offset.

– Vi har fått göra om konstruktionen en gång. Nu använder vi analog baslinjeåterställning som gör att vi har en stabil referens, som är ett krav eftersom vi inte har plats för differentiella kanaler. Chipet automatkompenserar hela tiden, så vi har inga problem med temperaturskillnader eller annat.

 
Så här ser datortomografen ut, som just nu tar form på KTH. Denna bild, liksom den översta bilden på denna sida där Mats Danielsson pekar på detektorn som han och hans forskarteam just nu utvecklar, är tagen av Staffan Ankarloo.
Den tredje stora utmaningen har att göra med att tre asicar är kopplade till samma detektorelement. Det har gjort helheten väldigt känslig för störningar. Asicen stör helt enkelt sina egna och grann-kretsarnas ingångar.

– I botten handlar det om EMC och konstruktionen av detektorelementet, som vi tvingats ändrat på, förklarar Christer Svensson.

Asicen är nu färdigkonstruerad och testad i mindre skala. Nyligen har en beställning på 25 000 chip gått iväg till det taiwanesiska foundryt UMC som ska tillverka dem i 180 nm CMOS.

På samma sätt har en beställning av 2 000 detektorelement gått iväg. Vart den skickats är däremot höljt i dunkel.

– Underleverantören av detektorn vill vi vara lite hemlig med. Vi vill göra det svårt för konkurrenterna att kopiera det vi gör, säger Mats Danielsson.

Hemlighetsmakeriet bottnar i att detektorerna som används är gjorda i kisel. Alla konkurrenter, såsom Siemens, General Electric och Philips, jobbar med att utveckla detektorer i kadmium-zink-tellurid, där ett problem med kadmium är att metallen är giftig. Siemens har till och med gått så långt som att köpa ett japanskt företag som är specialiserat på kadmium-zink-tellurid för att få fart på tekniken.

– Vi är rätt nöjda med att andra jobbar med CdZnTe-materialet, medan vi tror att kisel är det som är rätt. Fast de flesta tycker att det vi gör är vansinnigt, men inte alla, skrattar Mats Danielsson.

En av 1 700 
detektorenheter
Datortomografen som just nu tar form på KTH har en detektor som ska byggs upp av 1 700 flerchipsmoduler (MCM, multi-chip-moduler) enligt bilden. De placeras sida vid sida i dubbla rader. Varje MCM består av ett detektorelement i kisel (guld-färgat till vänster) och tre asicar som är flipchipade längs detektorelements ena kant. Ett flexkort med passiva komponenter och utskurna hål för asicarna läggs ovanpå, allt för att minimera bygghöjden.

Ett detektorelement har 50 pixlar (de tunna smala kolumnerna), där varje pixel är ansluten till nio detektordioder. Detektorelementet byggs således upp av nio fält som kan detektera fotonenergi. Fotonerna kommer in uppifrån och fortsätter med konstant hastighet tills de reagerar i något av de nio fälten. Anledningen till att fälten har olika storlek är att man vill ha ungefär lika många reaktioner i varje område.
50 pixlar med nio detektorer vardera ger 450 kanaler som delas upp på tre asicar. En fotonreaktion ger upphov till en stor mängd elektron/hålpar. Asicens brusnivå ligger på 300 elektron/hålpar. Det motsvarar cirka 1,1 keV, eftersom det i kisel behövs cirka 3,6 eV för att skapa ett elektron/hålpar. Energin hos röntgenstrålarna som träffar detektorn varierar mellan 20 keV och 120 keV.

Varje asic tar emot 150 signaler och levererar 400 Mbit/s uppdelat på två digitala utgångar. Data från 12 asicar, alltså fyra MCM:er, skyfflas till en FPGA som således matas med 4,8 Gbit/s. Data lagras slutligen i flashminnen. Vid en undersökning lagras cirka 36 Tbyte data. Under de kliniska testerna är utläsningshastigheten från minnet inte kritisk, men när maskinen väl står på sjukhuset och utnyttjas fullt ut ska informationen ut på 5 minuter. Det kräver en utläsningshastighet på cirka 100 Gbit/s – en omöjlighet idag, men en utmaning som Christer Svensson anser ”med all säkerhet går att lösa i framtiden”.
MER LÄSNING:
 
magasinet

230 elektronik­konsulter

Registrera ditt företag nu!
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik
Anne-Charlotte
Sparrvik
+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)