KR101410089B1 - 에너지 분할 직교센서 및 그의 x-선 영상검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상검출장치에 관한 것이다. 본 발명은 X-선이 조사되는 방향으로 일정 길이를 가지며, 피사체를 투과하는 X-선의 투과력에 따라 그 내부의 서로 다른 위치에 상기 X-선에 대한 서로 다른 크기를 가지는 에너지 신호를 각각 저장하는 광 도전체와, 상기 광 도전체의 좌우 측면에 동일한 길이로 형성되는 전극 및 픽셀 전극, 및 상기 X-선의 투과 깊이에 따라 대응하는 에너지 신호를 출력하는 복 수개의 출력단자를 포함하는 센서가 제공된다. 아울러 상기 센서를 구비하여 인체의 조직별 영상 정보를 한 번에 획득할 수 있는 X-선 영상검출장치도 제공되고 있다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 1회의 X-선 촬영만으로 뼈/근육/지방/혈관 등의 조직별 영상정보를 선명하게 획득할 수 있는 이점이 있다.

Description

에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상검출장치{Energy division orthogonal sensor and Apparatus for image detecting of X-ray}

본 발명은 X-선 영상검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 X-선을 검출하는 센서의 구조 개선 및 이의 X-선의 감약 현상을 이용하여, 한 번의 X-선 촬영만으로도 인체의 조직별 영상을 용이하게 획득할 수 있게 하는 에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상검출장치에 관한 것이다.

X-선 영상검출장비는 인체의 특정 환부를 엑스레이(X-ray) 촬영하여 그 환부에 대한 영상정보를 획득하고 이를 판독하여 진단할 수 있는 장비로서 널리 알려져 있다.

이러한 X-선 영상검출장비는 피사체에 X-선을 조사하는 X-선 소스, 그리고 상기 피사체의 내부 투영 영상을 검출하는 영상검출기를 포함하여 구성된다. X-영상검출장비의 동작을 살펴보면, 피사체에 조사된 X-선이 피사체를 투과하면, 피사체의 두께나 밀도 차이에 의하여 X-선의 에너지와 양에 변화가 발생하고, 이때 영상검출기는 상기 피사체를 투과한 X-선만을 흡수하여 일련의 동작을 통해 피사체에 대한 하나의 영상 정보를 획득하게 된다.

한편, X-선 영상검출장비에는 영상정보를 검출하기 위하여 상기 피사체를 투과한 X-선 영상을 검출하는 센서로서 평판형 센서가 주로 사용된다. 평판형 센서가 사용되는 주된 이유는 넓은 면적에 대한 X-선 영상을 얻을 수 있기 때문이다.

평판형 센서는 간접변환방식과 직접변환방식의 2가지로 구분할 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시하고 있다. 도시된 도면에서는 본 실시 예와 관련된 구성에 대해서만 도면부호를 부여하여 설명하기로 한다.

간접변환방식의 예는 도 1에 도시한 바와 같이 a-Si TFT(1), a-Si로 형성된 PIN 포토 다이오드(2), 및 TFT(1)와 PIN 포토 다이오드(2) 위에 형성된 섬광체(Csl)(3)를 주요 구성으로 한다. 간접변환방식은 X-선이 주사되면 상기 섬광체(3)가 X-선을 흡수한 후 가시광선을 발생시킨다. 그리고 상기 PIN 포토다이오드(2)는 상기 가시광선을 전기적 신호로 변환하고 저장한다. 이후 a-Si TFT(1)의 동작에 따라 저장된 상기 전기적 신호를 읽어 X-선 영상정보를 제공하는 과정으로 수행된다.

직접변환방식의 예는 도 2에 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 TFT(4), 상부전극(5), 픽셀 전극(6) 및 커패시터(7), 그리고 광전 물질(a-Se)(8)를 주요 구성으로 한다. 이러한 직접변환방식은 X-선이 조사되면 상기 광전 물질(8) 내부에서 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)이 생성되고, 상기 전자-정공 쌍은 상부전극(5)과 픽셀전극(6) 사이에 인가된 전계에 의하여 이동하여 커패시터(7)에 저장된다. 이후 TFT(4)의 동작에 따라 저장된 상기 전기적 신호를 읽어 X-선 영상정보를 제공하게 된다.

이처럼 현재 X-선 영상검출장비에 사용되는 평판형 센서는 상술한 바와 같이 넓은 면적에 대해 X-선 영상정보를 획득할 수 있다는 이유로 아직까지 많이 사용되는 소자이다.

하지만, 상술한 평판형 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.

X-선 영상검출장비는 피사체를 투과하는 X-선에 대한 전기적 신호와 이의 위치정보를 기초로 하여 X-선 영상정보를 수집하는데, 이때 전기적 신호는 피사체를 투과하는 전체 광자 수에 따라 그 양이 감소하는 정도가 달라진다. X-선이 피사체를 투과하면서 광자 수가 감소하는 현상을 감약 현상이라 한다.

이와 같은 감약 현상은 인체의 조직에 따라 그 정도가 다르게 발생한다. 즉, 가슴 부분을 X-선 촬영할 경우 가슴 부분의 연부조직과 뼈 부분을 투과하는 X-선의 에너지 및 양에 차이가 있게 된다. 예를 들면 X-선 영상검출기의 평판형 센서는 뼈 부분을 투과한 X-선보다 연부 조직을 투과한 X-선을 더 많이 흡수하게 된다. 이는 뼈 안에 있는 칼슘 원소가 연부조직보다 높은 원자번호가 부여되어 그 연부조직보다 더 많은 양의 X-선 감약 현상을 일으키기 때문이다.

이처럼 인체 조직별로 서로 다르게 발생하는 감약 현상으로 인하여 X-선에 의한 영상정보에서는 조직별 구분을 명확하게 나타나지 못하고, 결국 평판형 센서는 원하는 X-선 영상정보를 선명하게 획득하지 못하게 된다. 이는 추가적인 X-선 촬영이 수반되는 문제를 야기한다.

또한 상기 평판형 센서는 주사되는 에너지의 세기에 따라 X-선의 일부가 손실되는 문제도 가진다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 에너지의 세기가 낮은 X-선인 경우 평판형 센서 내에 흡수되어 전기적인 신호로의 검출이 용이하다. 반면 에너지의 세기가 상대적으로 큰 X-선인 경우 평판형 센서를 그대로 투과하여 전기적 신호를 검출하지 못하게 된다.

이러한 문제점들로 인하여 상술한 평판형 센서로는 1회의 X-선 촬영으로는 원하는 조직별 영상정보를 한 번에 획득하지 못하는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 번의 X-선 촬영만으로서 원하는 영상정보를 선명하게 획득함은 물론, 다양한 인체 조직별 영상정보를 획득할 수 있도록 하는 에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상 검출장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, X-선이 조사되는 방향으로 일정 길이를 가지며, 피사체를 투과하는 X-선의 투과력에 따라 그 내부의 서로 다른 위치에 상기 X-선에 대한 서로 다른 크기를 가지는 에너지 신호를 각각 저장하는 광 도전체; 상기 광 도전체의 좌우 측면에 동일한 길이로 형성되는 전극 및 픽셀 전극; 및 상기 X-선의 투과 깊이에 대응하는 에너지 신호를 출력하는 복 수개의 출력단자를 포함하는 에너지 분할 직교센서가 제공된다.

상기 X-선의 투과력은, 상기 피사체를 구성하는 구성물질의 밀도에 따라 차이가 발생하며, 상기 투과 깊이와 비례하는 것을 특징으로 한다.

상기 광 도전체는, 상기 X-선이 주사되면 그 내부에 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)이 생성되고, 상기 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)은 상기 전극 및 픽셀 전극 사이에 인가되는 전계에 의하여 양극 및 음극으로 이동하여 저장되는 것을 특징으로 한다.

상기 광 도전체는, a-Se, CdTe, CdZnTe, PbO, Pbl₂, Hgl₂ 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 피사체에 X-선을 조사하는 X-선 소스; 상기 피사체의 내부 밀도와 대응되어 X-선의 투과 깊이에 따라 서로 다른 깊이 위치에서 각각의 에너지 신호를 검출 및 저장하는 센서; 상기 저장된 에너지 신호를 영상정보로 생성하는 영상정보 생성부; 및 영상정보를 표시하는 표시부를 포함하는 X-선 영상검출장치가 제공된다.

상기 센서는, 소정 길이의 광 도전체; 상기 광 도전체의 좌우 측면을 형성하는 전극 및 픽셀전극; 및 하나 이상의 출력단자를 포함하고, 인체의 조직별 영상정보를 제공하도록 상기 에너지 신호들은 대응되는 각각의 출력단자를 통해 출력되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상검출장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 기존 평판형 센서를 개선하여 그 내부의 광 도전체가 직접 X-선을 조사받을 수 있도록 하고, 피사체를 투과하는 X-선의 감약 현상을 이용하여 깊이에 따라 센서 내부에 서로 다른 X-선의 에너지 신호가 생성되게 하여 에너지 신호 별로 영상정보를 획득할 수 있도록 함으로써, 1회의 X-선 촬영만으로 뼈/근육/지방/혈관 등의 조직별 영상정보를 선명하게 획득할 수 있는 효과가 있다.

또한, 각 조직별 영상정보를 선택적으로 획득할 수도 있다.

도 1은 종래 X-선 영상검출기에 채용된 간접방식형 평판형 센서의 구성도
도 2는 종래 X-선 영상검출기에 채용된 직접방식형 평판형 센서의 구성도
도 3은 X-선의 세기 정도에 따라 종래 평판형 센서 내부에 X-선이 흡수 또는 투과되는 상태를 보인 예시도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 X-선 영상검출장치를 포함한 전체 구성도
도 5는 도 4의 'a'부분 확대도

이하 본 발명에 의한 에너지 분할 직교센서 및 그의 X-선 영상검출장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 종래 평판형 센서를 세로방향으로 세운 형태인 에너지 분할 직교 센서를 제안하고 있다. 이는 X-선이 피사체를 통과하여 에너지 분할 직교 센서로 조사될 때, 그 X-선의 감약에 따른 X-선의 투과력과 X-선이 에너지 분할 직교 센서에 투과되는 투과깊이가 서로 비례한 점을 이용하는 것으로, 1회의 X-선 촬영만으로 인체의 조직별 영상, 즉 뼈, 근육, 지방, 혈관 등에 대한 영상정보를 선택적으로 획득할 수 있음을 기본적인 특징으로 한다. 이를 위한 본 발명의 실시 예 구성을 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 X-선 영상검출장치를 보인 개략적인 구성도이고, 도 5는 도 4의 'a'부분 확대도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, X-선의 에너지원으로서의 X-선 소스(110)와, 촬영 대상체인 피사체(120)가 구비된다.

그리고 상기 피사체(120)를 투과한 X-선을 흡수하여 피사체(120)의 내부 투영 영상을 검출하는 X-선 영상검출장치(100)가 포함되어 구성된다.

X-선 영상검출장치(100)에는 X-선을 조사받고 그 X-선의 투과 정도에 따라 서로 다른 위치에서 대응하는 전기적 신호를 생성하고 저장하는 에너지 분할 직교센서(이하, '직교 센서'로 약칭함)(130)가 구비된다. 직교센서(130)에 대해서는 도 5에서 상세하게 설명하기로 한다.

그리고 X-선 영상검출장치(100)는 X-선에 대한 투영 영상신호를 영상정보로 가공하여 제공하기 위한 일련의 구성들, 예컨대 영상정보 생성부 및 모니터 등의 표시부 등을 포함하나, 이들 구성은 관련 기술분야에서 널리 사용되고 있는바, 이의 설명은 생략하도록 한다.

한편, 도 4의 도면에 도시된 에너지 신호(OUTPUT 1 ~ OUTPUT 5)들은 후술하는 광 도전체의 깊이에 따라 각각 다르게 출력되는 신호들을 말한다. 이들 각각의 신호가 인체 조직별 영상정보를 생성하는 정보로 사용된다.

도 5는 직교센서의 일부 구성을 확대하여 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 직교센서(130)는 X-선이 주사되는 방향과 동일 방향으로 일정 길이로 형성되는 광 도전체(132)가 내부를 형성한다. 광 도전체(132)는, X-선의 감약 현상에 따라 X-선이 투과되어 도달되는 깊이마다 X-선의 각각 다른 에너지 신호를 제공하는 역할을 한다. 그리고 본 실시 예에서 광 도전체(132)는, a-Se, CdTe(cadmiun telluride), CdZnTe(cadmium zinc telluride), PbO(Lead Ⅱ oxide), 요오드화납(Lead Ⅱ iodide, PbI₂), 요오드화수은(Mercury Ⅱ iodide, HgI₂) 중 어느 하나로 형성된다. 그러나 반드시 상술한 물질들로만 광 도전체(132)가 구성되지는 않는다. X-선의 투과력에 따라 서로 다른 위치를 제공할 수 있는 물질이면 광 도전체(132)의 물질로서 채택 가능하다.

광 도전체(132)의 좌우 측면에는 전극(eletrode)(134)과 픽셀 전극(pixel electrode)(136)이 형성된다. 전극(134)과 픽셀 전극(136)은 광 도전체(132)에서 발생하는 전자-정공 쌍이 양극과 음극으로 이동되도록 하는 역할을 한다. 참고로 도 5에서는 광 도전체(132)의 좌우 측면으로 전극(eletrode)(134)과 픽셀 전극(pixel electrode)(136)이 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 도면에서 광 도전체(132)가 90°회전된 경우라면 전극(eletrode)(134)과 픽셀 전극(pixel electrode)(136)은 광 도전체(132)의 상부와 하부에 형성되는 것으로 설명될 것이다.

그리고 광 도전체(132)의 내부에는 전자-정공을 저장하는 커패시터와, 저장된 전자-정공을 전기적 신호로서 TFT 출력단자(138)를 통해 출력하도록 하는 TFT 소자 등이 구성된다.

직교센서(130)에는 그 내부에 저장된 전기적 신호를 읽어 영상정보를 생성하도록 하는 TFT(Thin Film Transtor) 출력단자(즉, '픽셀'이라 하기도 함)(138)가 구비된다. TFT 출력단자(138)는 직교센서(130)의 세로방향(즉, 높이)의 길이에 따라 복수 개가 제공되며, 인체를 투과하는 X-선의 투과 깊이를 참조하여 적정 위치에 장착되게 설계되는 것이 바람직하다. 이러한 TFT 출력단자(138)는 대역별 에너지 신호를 출력하는 단자 역할을 실질적으로 수행한다. 이는 인체의 서로 다른 조직별 영상정보를 제공할 수 있음을 의미한다.

이어서는, 상술한 바와 같이 구성되는 직교센서를 이용하여 영상정보를 획득하는 과정을 상기의 도 4 및 도 5를 다시 참조하여 설명하도록 한다.

먼저, 도 4와 같이 X-선 소스(110)와 X- 선 영상검출장치(100) 사이에 촬영하고자 하는 피사체(120)를 위치시킨다. 반대로 피사체(120)가 위치된 상태에서 X-선 소스(110)와 X-선 영상검출장치(100)를 이동시켜 위치시킬 수도 있다.

그 상태에서, 검사를 위한 단계로서 X-선 소스(110)에서 X-선이 피사체(120)를 향하여 조사된다.

X-선이 피사체(120)로 조사되면, 상기 X-선은 상기 피사체(120)의 밀도(즉, 물질의 원자번호)에 따라 감약 현상이 발생하고, 따라서 X-선의 투과력에 차이가 발생하여 광 도전체(132)에 투과되는 깊이가 서로 다르게 나타난다. 이를 인체를 구성하는 뼈와 지방을 예로 들어 설명한다.

X-선이 조사되었을 때 피사체(120)의 일부를 구성하는 뼈는 높은 원자번호를 가지고 있어 밀도가 지방보다 상대적으로 높다. 따라서 X-선의 감약 정도가 커서 뼈를 투과한 X-선의 에너지는 적게 나타난다. 반면 지방은 상기 뼈에 비해 낮은 밀도를 가지기 때문에 X-선의 감약 정도가 낮아 지방을 투과한 X-선의 에너지는 크게 나타난다. 이때 X-선의 에너지가 클수록 피사체를 투과하는 투과력은 높고, 작을수록 피사체를 투과하는 투과력은 낮다. 따라서 상기 투과력은 광 도전체(132)를 투과하는 투과 깊이와 비례하며, X-선의 에너지가 클수록 광 도전체(132)의 깊은 부분까지 X-선이 도달할 수 있다.

그렇기 때문에, 뼈와 지방을 투과한 X-선은 광 도전체(132)의 서로 다른 위치에 도달하게 된다. 상대적으로 뼈를 투과한 X-선이 지방을 투과한 X-선에 비해 광 도전체의 높은 지점에 위치하게 된다. 예컨대, 도 4를 참조하면 뼈를 투과한 X-선이 P' 지점이었다면 지방을 투과한 X-선은 그 P' 지점보다 더 아래까지(P") 투과되어 도달하게 된다.

이처럼, X-선의 감약 현상에 따라 X-선이 P' 또는 P" 위치로 각각 다르게 도달하면, 그와 대응되는 광 도전체(132)의 내부에서는 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)이 발생한다. 그리고 광 도전체(132)의 내부에서 발생한 전자-정공 쌍은 전극(134)과 픽셀 전극(136) 사이에 인가된 전계에 의하여 이동하고 커패시터에 각각 저장된다. 이렇게 저장된 P' 또는 P" 위치에서의 전자-정공 쌍은 대응하는 각각의 TFT에 의하여 전기적인 신호로 변환되고, 각 TFT 출력단자(138)를 통해 출력된다.

즉 도 4에서와 같이 에너지 신호는 Threshold 1 ~ Threshold 10과 같이 출력되며, 그 에너지 신호의 예는 OUTPUT 1 ~ OUTPUT 5와 같다.

그리고 출력된 전기적인 신호는 영상정보 생성부에 의해 생성되고, 표시부를 통해 표시된다.

그와 같이 광 도전체(132)의 깊이에 따라 서로 다른 에너지 대역별 신호의 출력이 가능하기 때문에, 인체의 조직별 영상정보를 각각 획득할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시 예는 기존의 평판형 센서의 측면부를 통해 X-선이 직접 조사받을 수 있도록 하고 있으며, 아울러 이를 통해 피사체의 감약 현상을 이용할 수 있게 되어, 광 도전체에 투과되는 깊이에 따라 인체를 구성하는 뼈, 근육, 지방, 혈관 등의 영상 정보를 1회의 X-선 촬영만으로 한 번에 제공받을 수 있게 됨을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

즉, 본 실시 예에서는 인체를 이루는 뼈, 근육, 지방, 혈관 등의 영상 정보 중 원하는 영상 정보만을 선택하여 제공받을 수도 있고, 이 경우도 본 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.

100 : X-선 영상검출장치 130 : 에너지 분할 직교센서
132 : 광 도전체 134 : 전극
136 : 픽셀 전극 138 : TFT 출력단자

Claims (7)

1. X-선이 조사되는 방향으로 일정 길이를 가지며, 피사체를 투과하는 X-선의 투과력에 따라 그 내부의 서로 다른 위치에 상기 X-선에 대한 서로 다른 크기를 가지는 에너지 신호를 각각 저장하는 광 도전체;
   상기 광 도전체의 좌우 측면의 세로방향에 동일한 길이로 형성되는 전극 및 픽셀 전극; 및
   상기 X-선의 투과 깊이에 대응하는 에너지 신호를 하나의 픽셀에서 여러개의 라인을 형성하여 복수개의 단자를 출력하도록, 복수개의 출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 분할 직교센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 X-선의 투과력은,
   상기 피사체를 구성하는 구성물질의 밀도에 따라 차이가 발생하며, 상기 투과 깊이와 비례하는 것을 특징으로 하는 에너지 분할 직교센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 광 도전체는,
   상기 X-선이 주사되면 그 내부에 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)이 생성되고,
   상기 전자-정공 쌍(Eletron -Hole pair)은 상기 전극 및 픽셀 전극 사이에 인가되는 전계에 의하여 양극 및 음극으로 이동하여 저장되는 것을 특징으로 하는 에너지 분할 직교센서.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 광 도전체는,
   CdTe, CdZnTe, PbO, PbI₂, HgI₂ 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 분할 직교 센서.
5. 피사체에 X-선을 조사하는 X-선 소스;
   상기 피사체의 내부 밀도와 대응되어 X-선의 투과 깊이에 따라 서로 다른 깊이 위치에서 각각의 에너지 신호를 검출 및 저장하는 센서;
   상기 저장된 에너지 신호를 영상정보로 생성하는 영상정보 생성부; 및
   상기 영상정보를 표시하는 표시부를 포함하고,
   상기 센서는,
   소정 길이의 광 도전체;
   상기 광 도전체의 좌우 측면을 형성하는 전극 및 픽셀전극; 및
   하나 이상의 출력단자를 포함하고,
   인체의 조직별 영상정보를 제공하도록 상기 에너지 신호들은 대응되는 각각의 출력단자를 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 X-선 영상검출장치.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 광 도전체는,
   CdTe, CdZnTe, PbO, PbI2, HgI2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 X-선 영상검출장치.
   

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