Der Einsatz von Flachbilddetektoren, die unter anderem bei bildgebenden Systemen in der Röntgentechnik verwendet werden, stellt Entwickler und Konstrukteure der Endgeräte vor die Herausforderung, eine möglichst störungsfreie DC-Spannungsquelle zu integrieren. Nur das ermöglicht rauschfreie Aufnahmen. Denn Rauschen impliziert immer eine Kontrastminderung – und damit eine suboptimale Diagnose.

Egal ob Voruntersuchung, geplanter Eingriff oder Not-OP: mit bildgebenden Verfahren, beispielsweise durch einen Computertomografen (CT) erstellte 3D-Bilder, können sich Mediziner ein realistisches Bild vom Inneren des Patienten machen, um verletzte oder befallene Körperteile zu untersuchen und eine möglichst genaue Diagnose zu stellen. Sogar während des Eingriffs kommen solche Röntgensysteme zum Einsatz, um die behandelten Körperteile in Echtzeit darzustellen.
Digitale Bildverarbeitung ist dabei heute Standard, da auf diese Weise erstellte Röntgenbilder leichter interpretiert werden können als analog erstellte. Dennoch gibt es Schwachpunkte: So kann es durch Sensor- oder Spannungsquellen-bedingtes Rauschen zu einer Unschärfe beziehungsweise Kontrastminderung in der gesamten Aufnahme kommen – und damit zu Spielraum für Interpretationen in der Diagnose. So kann es vorkommen, dass die Materialdicke fehlerhaft angezeigt wird. Ziel ist es daher, dieses Bildrauschen im digitalen System so weit wie möglich zu reduzieren.

Wie kommt es zu gestörten Signalen im digitalen System?

Die Mehrzahl der Röntgengeräte bestehen neben dem Generator und der Röntgenröhre auch aus einem Streustrahlenraster und einem Detektor. Deren Funktionsweise wurde 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 Detektorrand 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 – im Gegensatz zu den Vorgängersystemen – keine Bildverstärkungstechnik integriert ist und daher das Aufnahmesignal im Vergleich zu auftretendem Rauschen zu schwach ist.

Herkömmliche Methoden, das Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhöhen

Dieses Signal-zu-Rauschverhältnis (signal to noise ratio) beschreibt das Verhältnis der bildgebenden Anteile zu Störsignalen. Ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis wird nur dann erreicht, wenn das elektronische Rauschen der Ausleseschaltungen verringert wird. Ziel ist es daher schon seit einigen Jahren, das elektronische Rauschen durch entsprechende Rauschunterdrückungskonzepte zu reduzieren. Dazu stehen den Herstellern bildgebender Systeme verschiedene technische Optionen zur Verfügung, wie zum Beispiel die Verringerung der Menge der den Dektor erreichenden Streustrahlung, die Implementierung mathematischer Modelle sowie die Optimierung der Signalübertragung oder Filterleistung. 
Eine weitere Möglichkeit ist eine Beeinflussung des Faktors Röhrenstrom und -spannung. Wird der Milliamperesekunden-Wert (mAs) erhöht, nimmt die Strahlungsmenge zu. Die Folge: Eine größere Anzahl von Röntgenstrahlen kommt auf dem Detektor an – die optische Dichte ist höher, das Signal-Rauschverhältnis und die Kontrastauflösung steigen. Die Crux: Eine Erhöhung des Röhrenstroms bedeutet auch eine höhere Strahlungsdosis für den Patienten. 

Aus diesem Grund sollten Konstrukteure im Idealfall auf andere Weise das Rauschen in medizinischen Geräten zu senken suchen. Zum Beispiel durch den Einsatz rauschärmerer Elektronikkomponenten.

Auch Schaltnetzteile verursachen Rauschen

Untersuchungen des Fraunhofer IIS in Fürth belegen, dass Rauschen die Messeigenschaften von CTs negativ beeinflussen kann beziehungsweise dass beim dimensionellen Messen mit 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 – alternativ Photonenrauschen oder Rauschen der verwendeten Elektronikkomponenten. Letzteres lässt sich durch den Einsatz hochwertiger Komponenten stark reduzieren. 

Ein guter Ansatzpunkt sind hierbei die heute 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) in mVss bezeichnet.

In vielen Anwendungen werden die Störungen auf der DC-Spannung, die meist größer als 100–200 mVss sind, in Kauf genommen; entweder, weil sie für die Applikation nicht relevant sind, oder weil sie mit nachgeschalteten Filterstufen stark verringert werden. Dies jedoch ist häufig mit einem nicht unerheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile verringern Rauschen

Eine kostengünstige Alternative dazu ist eine neue Netzteilgeneration: Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile – primär getaktete Netzteile mit einer DC-Ausgangsspannung, die von sehr geringen Störungen überlagert ist. Die R&N-Werte liegen in der Größenordnung lineargeregelter Netzteile: unterhalb von 10 mVss, und bei einer neuen Gerätegeneration des Schaltnetzteilherstellers Daitron sogar unter 1 mVss. Ein Vorteil, der hier anhand eines Fallbeispiels demonstriert werden soll:
Im fiktiven 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 ein- und dieselbe Strecke geführt werden. Hierbei kann es jedoch zum Phänomen des Übersprechens kommen: Es werden Störungen der Versorgungsleitung in die Messleitung eingekoppelt. Für eine optimale Auswertung und Diagnose muss das Messsignal daher verstärkt werden. Das Problem: Dabei werden 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.

Der Fall liegt anders, wenn von vornherein ein Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteil in das Gerät integriert wurde. Einziger Anbieter ist derzeit Daitron, zum Beispiel mit dem RFS50, dessen Ripple nur noch bei 1 mVss liegt und das eine Leistung von 50 W liefert. So geringe Ripple-Werte haben bisher nur Linearnetzteile erreicht. Dadurch entfällt der Platzbedarf für die zusätzliche Filterstufe und kann für andere Komponenten genutzt werden beziehungsweise ermöglicht eine kompaktere Bauform.

Netzteile mit Fokus auf geringes Rauschen

Während bei industriellen Primärschaltreglern Effizienz und Baugröße im Vordergrund stehen, liegt der Fokus der Netzteile von Daitron auf möglichst geringen Störungen – bei der Netzrückwirkung und der DC-Ausgangsseite sowie den abgestrahlten Emissionen. Dabei kommt der Hersteller mit deutlich weniger Entstörkomponenten, wie Kondensatoren und Induktivitäten, aus als industrielle Schaltnetzteile. Grund dafür ist der Leistungs- beziehungsweise HF-Übertrager. Dieser funktioniert nach dem Prinzip der Resonanz-Mode-Technologie im Soft-Switching-Verfahren. 

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 nur geringen Überlappung von Spannung und Strom. Auch das verringert Störungen. Dafür werden Wirkungsgrade zwischen 82 und 90 Prozent in Kauf genommen, je nach Ausgangsspannung. Bei industriellen Netzteilen liegt dieser Wert zwar teilweise wesentlich höher, aber bei Linearreglern bei gerade mal 50 bis 60 Prozent deutlich darunter. Die leitungsgebundenen und 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 sehr geringen Störungen der DC-Ausgangsspannung aus, die bei kleiner 10 mV Spitze/Spitze liegen. Im Gegensatz dazu liegt dieser Wert bei industriellen Netzteilen in der Größenordnung von 100 bis 200 mVss.

Kleinere Geräte durch rauscharmes Schaltnetzteil 

Hinzu kommt: bei Verwendung eines Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteils fällt die Temperaturentwicklung im Messgerät so gering aus, dass der Hersteller auf einen Lüfter verzichten kann. Denn während Linearnetzteile eine Effizienz von 50 bis 60 Prozent erreichen, liegt das 1 mV-Schaltnetzteil von Daitron 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.

Weiterer Vorteil des Netzteils für Gerätehersteller: Der Weitbereichseingang, der reduzierte Entstöraufwand und eine kompakte Bauweise ermöglichen in der Geräteentwicklung gerade von Messgeräten völlig neue Konzepte. Denn die Linearnetzteile, 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.

Ursprünglich entwickelt für Sony-Fernseher

Generell werden Entwickler in den Bereichen Sensorik und Analytik von der Low-Ripple-Netzteilgeneration profitieren, zum Beispiel bei der Umsetzung von Spektrometriesystemen, Hightech-Mikroskopen oder Röntgendetektoren. Nicht von ungefähr, denn der Wunsch nach der perfekten Bildqualität war der eigentliche Grund für die Entwicklung der rauscharmen Schaltnetzteile. Es war der Elektronikhersteller Sony, der 1996 für eine neue Generation von Fernsehgeräten eine rauscharme DC-Stromversorgung benötigte. Im Projektverlauf stellte sich jedoch heraus, dass diese Technologie gegenüber Plasma- und LCD-Fernsehgeräten chancenlos war, weil die Kosten zu hoch waren. Dennoch war die Ultra-Low-Noise-Technologie geboren. Im Jahr 2001 wurde sie inklusive dem Entwicklerteam von Daitron übernommen.

Während Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile in asiatisch-pazifischen Raum und den USA bereits sehr verbreitet sind, sind sie in Europa noch weitgehend unbekannt. Die Ingenieure von Systemtechnik Leber aus Schwaig wollen das ändern. Als langjähriger Daitron-Partner für Deutschland und Österreich sind sie mit den Netzteilen bestens vertraut und stehen im direkten Kontakt mit der Daitron-Entwicklungsabteilung. So lassen sich die Schaltnetzteile im Bedarfsfall an anwenderindividuelle Anforderungen anpassen. Und sollte kein Standardnetzteil den technischen Vorgaben entsprechen, werden auch kundenspezifische Netzteile und DC/DC-Wandler entwickelt. 

Autoren
Denny Vogel, Experte Schaltnetzteile, Systemtechnik 
Jörg Klenke, Mitglied der Geschäftsführung