Röntgenlenzen voor minimale stralingsdosis
Toen Wilhelm Röntgen tegen het einde van de 19e eeuw de naar hem vernoemde straling ontdekte en ermee experimenteerde, was hij een van de weinige pioniers op dit gebied die consequent een beschermende loden mantel gebruikte. De precieze reden daarvoor wist hij wellicht niet, maar hij vermoedde wel dat deze stralingsvorm schadelijk was voor de menselijke gezondheid – en zijn vermoeden was gegrond. Röntgenstralen zijn echter ook van grote waarde in de geneeskunde: ze zijn een van de meest effectieve instrumenten in de medische diagnostiek en vaak onontbeerlijk voor een goede behandeling. Als het erom gaat met een zo laag mogelijke dosis röntgenstraling optimale beelden te verkrijgen, dan zijn er vrijwel zeker objectieven in het spel die door de Italiaanse onderneming Optec zijn vervaardigd. Als aandrijving voor hun diafragma-, focus-, fi lter- en zoomfuncties maken zij gebruik van FAULHABER-motoren.
Röntgenlenzen verschillen enigszins van lenzen voor zichtbaar licht, in zoverre dat röntgenstralen door een röntgenbuis worden geproduceerd. Hierbij zorgt een hoge spanning ervoor dat elektronen tegen een metalen doel botsen, waardoor opnieuw hoogenergetische, kortgolvige straling vrijkomt. Röntgenstralen dringen door de meeste materialen heen, maar naarmate het materiaal dichter is, worden de stralen meer afgezwakt. Door dit verschil in doordringingsintensiteit ontstaat uiteindelijk een röntgenbeeld. Om het beeld zichtbaar te maken voor onze ogen, moeten de onzichtbare röntgenstralen naar het zichtbare spectrum worden 'geconverteerd'. Dit wordt tegenwoordig meestal gedaan met platbeelddetectoren die digitale beelden produceren, net zoals de optische sensoren in commerciële digitale camera's.
Volumineus is verleden tijd
Standaard optische objectieven kunnen echter niet worden gebruikt om de stralen op de detector te richten. Omdat de brekingsindex van röntgenstralen heel dicht bij 1 ligt, wordt de richting door optisch glas nauwelijks veranderd. Daarom waren de oorspronkelijke röntgenobjectieven bijzonder volumineus en moeilijk hanteerbaar, herinnert Guiseppe Cilia, directeur van Optec, zich: “Toen onze onderneming in 1985 werd opgericht, waren er twee grote objectieven nodig om het röntgenbeeld over te dragen naar de camera. Die hadden een zeer lange brandpuntsafstand en moesten met de hand worden scherpgesteld. Bovendien had je een log loden diafragma en een hoge mate van stralingsenergie nodig om acceptabele beelden te produceren. En de patiënt werd natuurlijk blootgesteld aan deze straling.“ Nog in hetzelfde jaar kwam Optec met een optisch relais, dat niet alleen de stralingstransmissie door het objectief verdubbelde en de beeldkwaliteit verbeterde, maar ook een aanzienlijke verlaging van de stralingsintensiteit mogelijk maakte. Nu voldeed één objectief, waar er voorheen nog twee nodig waren.
Deze doorbraak vormde de basis voor het succes van Optec op het gebied van röntgenlenzen. Circa 70% van de objectieven die in de medische radiografie worden gebruikt, zijn vervaardigd door de onderneming, die gevestigd is in Parabiago, een voorstad van Milaan. Deze objectieven zijn tegenwoordig zelfs nog compacter en optisch beter. “De nieuwste technieken voor digitale beeldbewerking hebben de herkenbaarheid van anatomische details aanzienlijk verbeterd, maar zorgen er ook voor dat er nieuwe eisen worden gesteld aan het röntgensysteem als geheel“, vertelt Giuseppe Cilia. “Daarbij is het dynamische bereik van het objectief doorslaggevend.“
Compacte flexibiliteit
In de fotografie geeft het dynamische bereik de grenzen aan van de mate van helderheid die kan worden gerealiseerd, het zogenaamde spectrum tussen over- en onderbelichting. Hoe groter dit bereik is, hoe meer details artsen op röntgenbeelden kunnen herkennen. Dankzij de door Optec ontwikkelde techniek kon het dynamische bereik van objectieven worden vertienvoudigd: van 300:1 naar 3000:1. Door deze optische flexibiliteit zijn de compacte objectieven van Optec even geschikt voor opnames met een hoge als met een lage gevoeligheid. Een voorbeeld van dit laatste is een fluoroscopie, die gebruikt wordt voor realtime beeldregistratie bij chirurgische ingrepen, bijvoorbeeld tijdens kritische operaties in de buurt van het ruggenmerg of aan het hart. Omdat de blootstelling aan röntgenstraling hierbij vele seconden of zelfs enkele minuten kan duren, moet de stralingsdosis tot het absolute minimum worden gereduceerd.
“De diafragma's van onze objectieven kunnen heel breed worden geopend, zodat er een duidelijk beeld van de ingreep ontstaat”, legt Giuseppe Cilia uit. “Is er een statisch beeld nodig, bijvoorbeeld van een kniegewricht, dan duurt dit slechts enkele milliseconden. Voor een gedetailleerd beeld kan en moet de stralingsdosis echter hoger zijn. Door een combinatie van diafragma-, focus- en filterfuncties kunnen we een zeer hoge transmissie realiseren, zodat patiënten aan de laagste dosis straling worden blootgesteld die technisch mogelijk is. De resolutie is echter wel heel hoog en komt in de buurt van de diffractiegrens. Omdat de onderdelen worden aangedreven door FAULHABER-motoren, hoeven ze niet met de hand te worden aangeraakt of ingesteld.”
Krachtige oplossingen voor geneeskunde en ruimtevaart
Een van de grootste voordelen van de objectieven is hun compactheid. Dit betekent echter dat ook de motoren heel klein moeten zijn. Optec gebruikt voor haar röntgenobjectieven DC-micromotoren uit de serie 0816 SR, die voorzien zijn van een edelmetaalcommutatie, met een diameter van slechts 8 mm en een lengte van 15,9 mm. Een planetaire reductor uit de serie 08/1, met eveneens een diameter van slechts 8 mm, brengt de aandrijfenergie over naar de optomechanische onderdelen. Deze combinatie biedt het vermogen, de snelheid en de precisie die de röntgenlenzen van Optec vereisen. “Wij produceren objectieven van de hoogste kwaliteit voor de meest veeleisende toepassingen. FAULHABER-motoren passen het beste bij onze producten, omdat die volgens dezelfde hoge kwaliteits- en constructienormen worden vervaardigd”, aldus de directeur.
Naast de motoren en glas betrekt Optec heel weinig materiaal van externe leveranciers. Van het polijsten en coaten van de optische objectieven tot de eindmontage van de apparatuur, elke productiefase vindt plaats in Parabiago. Massaproductie is niet aan de orde: afhankelijk van de wensen van de klant kan Optec zelfs enkelstuks produkten ontwikkelen en vervaardigen. Het productportfolio omvat objectieven voor kortgolvige infraroodtoepassingen, microobjectieven voor endoscopen en objectieven voor optische toepassingen in de ruimte. Giuseppe Cilia is bijzonder trots dat Optec als eerste onderneming een zoomobjectief kon leveren dat op een satelliet zal worden gemonteerd. “Het objectief en de zoommotor moeten onder de extreme omstandigheden in de ruimte jarenlang betrouwbaar functioneren. Tegelijkertijd telt in dit geval elke gram en moet alles zo licht mogelijk zijn. Ons product was het enige dat aan alle eisen voldeed.” Zoals alle objectieven van Optec wordt ook het eerste zoomobjectief in de ruimte aangedreven door een FAULHABER-motor.
