Techniky zobrazování pomocí rentgenového záření jsou dostupné již více než 100 let a dodnes se hojně využívají pro studium vnitřní struktury živých biologických vzorků. Rozeznání některých druhů měkkých tkání v rentgenových obrázcích však může být obtížné, ne-li zcela nemožné. Řešení představují pixelové detektory počítající jednotlivé fotony rentgenového záření. Jejich hlavními výhodami je v podstatě neomezený dynamický rozsah (počet úrovní šedi) a zejména také možnost zobrazit jen vybranou vlnovou délku záření – tj. vytvářet „barevné“ rentgenové obrázky. Tyto typy rentgenových zobrazovačů jsou založené na technologii Medipix/Timepix a na světový trh je dodává česká společnost ADVACAM s. r. o.
Principem transmisní radiografie je sledování změn ve vlastnostech svazku ionizujícího záření, které vznikají po průchodu zkoumaných vzorkem. Nejčastěji se setkáváme s radiografií rentgenovou a zjednodušeně se dá říci, že zobrazujeme stín, který zkoumaný vzorek vrhá v rentgenové oblasti záření. Tyto změny intenzity záření jsou registrovány zobrazovacími detektory, které jsou umístěny za zkoumaným vzorkem. Na základě vyhodnocení těchto změn ve svazku se zpětně usuzuje na složení nebo strukturu vzorku.
Zobrazování měkkých tkání v biologických vzorcích představuje problém pro většinu rentgenových technik, protože je celková absorpce záření v mnoha typech tkání prakticky stejná. V rentgenovém obrázku je pak výsledkem stejná úroveň šedé i pro dva zcela rozdílné orgány. Rozdíly mezi tkáněmi se však zvýrazní, je-li možno zobrazovat jen s několika užšími částmi rentgenového spektra. Klasická rentgenová lampa však vyzařuje široké spektrum vlnových délek rentgenového záření. Zdroje monochromatického záření, synchrotrony, jsou velkými a drahými zařízeními, které nelze využít v běžných laboratořích. Cestou k vylepšení rentgenového zobrazování by mohlo být vybírání vhodných vlnových délek z polychromatického spektra obyčejné rentgenky. Je to však možné docílit v zobrazovacím detektoru obsahujícím statisíce a miliony pixelů?
Rentgenové zobrazovací detektory
Detektory pro radiační zobrazování lze rozdělit do tří základních skupin: filmové emulze, zobrazovače integrující náboj a pixelové detektory registrující jednotlivé částice. Fotografické emulze jsou sice stále ještě hojně využívány, ale nehodí se již pro moderní radiografické systémy, jakými je například počítačová tomografie. Filmové emulze měří pouze celkovou intenzitu dopadajícího rentgenového záření a nikoliv jeho vlnovou délku.
Další dnes často využívanou zobrazovací technologií jsou zobrazovače typu CCD (Charge-coupled Device) nebo CMOS apod. Tato zařízení využívají konverze ionizujícího záření ve scintilátorech na viditelné světlo. Toto světlo je pak zobrazováno podobně, jak to známe z digitálních fotoaparátů – integrací náboje vzniklého dopadem světla do jednotlivých pixelů. Nevýhodou těchto zobrazovačů však je skutečnost, že integrují kromě užitečného signálu i šum a hlavně tzv. temný proud (dark current). Ten je způsoben tzv. prosakováním náboje uloženého v paměťovém kondenzátoru. Temný proud omezuje maximální poměr signálu k šumu, jakého lze s těmito zobrazovači dosáhnout. Hlavním omezením pak je, že nejsou schopny určit, jaké vlnové délky rentgenového záření na ně dopadají. Stejně jako film tak i tyto zobrazovače určují pouze celkovou intenzitu dopadajícího záření.
Určovat vlnovou délku dopadajícího záření umožňuje až nastupující generace zobrazovacích detektorů, které obsahují „chytré pixely“. Každý takový pixel dokáže detekovat a zpracovat signály jednotlivých rentgenových fotonů, které se zachytily v polovodičovém senzoru. Pixely navíc dokážou elektronicky potlačit elektronický šum a fotony s příliš nízkou energií. Dokonce je možné energii fotonů (tj. vlnovou délku) přímo změřit. Tyto kamery tedy nabízejí plně spektrální zobrazování.
Detektory s technologií Timepix
Technologií pro spektrální zobrazování je Timepix. Polovodičový pixelový detektor, který byl vyvinut v CERNu ve Švýcarsku v rámci mezinárodní spolupráce s názvem Medipix2. Této široké kolaborace se účastní univerzity a výzkumné organizace z celého světa. Významným partnerem je i ÚTEF-ČVUT, ze kterého vnikla jako spin-off i firma ADVACAM. Základní blok kamer firmy ADVACAM se skládá z polovodičového senzoru. Senzor je vybaven jednou společnou elektrodou na přední straně a maticí čtvercových elektrod (pixelů) na straně zadní. Ta je připojena technikou 
bump-bonding k čipu čtecí elektroniky. Hybridní uspořádání senzoru s elektronikou s použitím bump-bondingu umožňuje připojovat různé druhy senzoru vybrané pro danou aplikaci kamery (Si nebo CdTe polovodiče o tloušťkách 100 až 1000 μm). Křemíkové senzory se tak lépe hodí pro zobrazování měkkých tkání, CdTe senzory se pak díky své vysoké účinnosti naopak hodí pro vzorky silně tlumící rentgeny nebo v podmínkách, kdy je třeba měřit velmi rychle a snížit tak dávku radiace do vzorku.
Každý element matice (pixel) obsahuje nábojově citlivý předzesilovač, tvarovač, diskriminátor a čítač. Elektronika pixelů dokáže pracovat v několika módech. Pro rentgenové zobrazování se používá měření počtu detekovaných fotonů nebo přímé měření energie detekovaného fotonu.
Rozměry základního detektorového bloku jsou 14 × 14 mm, 256 × 256 pixelů. Rozteč pixelů je 55 μm. Bloky se pak skládají do větších polí. V současné době je v nabídce společnosti ADVACAM několik typů těchto detektorů pro rentgenovou radiografii pod komerčním názvem Widepix o velikosti 256 × 1280 až 2560 × 2560 pixelů (viz obr. 1 a 2, příklady detektorů jsou na obr. 2). „Barevná“ rentgenová radiografie Nové rentgenové kamery tedy umožňují zobrazovat s pomocí několika vybraných úzkých částí rentgenového spektra, a tím také dovolují rozpoznávání různých tkání ve zkoumaném vzorku. Takto identifikovaným tkáním, obecně materiálům, se ve vzorku přiřadí ve zpracujícím softwaru barva viditelného spektra. Vznikne tak barevný rentgenový obrázek, který umožní podstatně lepší identifikaci vnitřních struktur vzorku.
S pomocí energeticky citlivého zobrazovacího detektoru lze získat při transmisní rentgenové radiografii jak kvantitativní informaci o rozložení hmoty ve zkoumaném objektu, tak i informaci kvalitativní o jeho materiálovém složení. Výsledkem je podrobný „barevný“ snímek s vysokou vypovídací hodnotou (viz obr. 3).
Nastupující generace rentgenových zobrazovačů dodávaných českou firmou představuje pro rentgenové zobrazování stejnou revoluci, jakou byl kdysi barevný film pro Hollywood.
Rentgenová počítačová tomografie
Zobrazovací technika CT, která je známa již od 60. let minulého století, umožňuje vytvářet příčné řezy zkoumaného objektu. Je založena na sejmutí velkého množství 2D obrázků (projekcí) zobrazovaného objektu pod různými úhly. Pomocí vhodného algoritmu je pak možné z těchto projekcí zrekonstruovat 3D model objektu. Zcela logickým rozšířením této metody je použití diskutovaných energeticky citlivých pixelových detektorů a vytváření 3D „barevných“ CT rekonstrukcí. Tkáňové diference lze tedy ve zkoumaném vzorku zvýraznit i ve 3D (viz obr. 4).
Závěr
Diskutovali jsme výhody energeticky citlivých zobrazovacích kamer pro medicínský výzkum. „Barevné“ rentgenové zobrazování však nachází uplatnění prakticky všude tam, kde se používá rentgenové zobrazování již dnes a otevírá i zcela nové možnosti. Stojíme tedy na začátku velkého posunu v kvalitě rentgenového zobrazování a jedním z předních hybatelů tohoto odvětví se stává česká firma ADVACAM.
Andrea Cejnarová