KR101518112B1 - 직접 변환식 광자 계수 검출기 요소들을 구비한 x-레이 검출기 및 상기 x-레이 검출기의 온도 안정화 방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 직접변환식 광자 계수 검출기 요소들(1, 1.1 - 1.20)을 구비한 X-레이 검출기 및 CT 시스템(C1)의 X-레이 검출기의 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 온도 안정화 방법에 관한 것으로서, 상기 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)는 복사선의 입사 광자들을 센서 재료(2) 내에서 자유 운동하는 전하로 직접 변환하는 센서 재료(2)를 사용하며, 제1 회로(6), 특히 ASIC를 이용하여, 특히 영상 획득을 위해, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 입사 광자들의 수가 결정되며, 상기 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 전체 전력은 상기 복사선의 입사 세기와 관계없이 일정하게 유지된다.

Description

직접 변환식 광자 계수 검출기 요소들을 구비한 X-레이 검출기 및 상기 X-레이 검출기의 온도 안정화 방법{X-RAY DETECTOR WITH PHOTON-COUNTING DIRECTLY CONVERTING DETECTOR ELEMENTS AND METHOD FOR TEMPERATURE STABILIZATION OF THE X-RAY DETECTOR}

본원 발명은 CT 시스템의 X-레이 검출기의 하나 이상의 검출기 요소의 온도 안정화 방법에 관한 것으로서, 상기 검출기 요소는 복사선의 입사 광자들을 자유 전하로 직접 변환하는 센서 재료를 이용하며, 회로를 이용하여, 특히 영상 획득을 위해, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 입사되는 광자들의 수가 결정된다.

또한, 본원 발명은, 복사선의 입사 광자들을 자유 전하로 직접 변환하는 센서 재료를 구비한, 2차원적으로 배열된 복수의 검출기 요소들과, 특히 영상 획득을 위해, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 입사되는 광자들의 수를 결정하는 복수의 회로 특히, ASIC를 구비한 CT 시스템의 X-레이 검출기에 관한 것이다.

검출기 요소들에서의 온도 안정화를 위해서, 예를 들어, PI(PI = 비례-적분) 제어기 또는 PID(PID = 비례-적분-미분) 제어기 형태의 온도 제어 회로를 이용하는 점이 공지되어 있다. 제어기의 실제 값은 온도 센서에 의해 검출되고, 목표 값은 목표 온도에 따라 사전 설정된다. 예를 들어, 펠티에(Peltier) 소자와 같은, 가열 유닛과 냉각 유닛, 또는 가열/냉각 복합 유닛이 액츄에이터로서 작용한다. 주변 의 열원으로의 열 에너지의 유동에 의해서 각각 다른 제어 방향이 실현된다면, 가열 유닛에 의해서만 제어될 수도 있고, 냉각 유닛에 의해서만 제어될 수도 있다.

피드 포워드 제어(feed forward control)를 실행하여 제어기의 제어 편차를 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 공보 DE 10 2005 061 358 A1에서는 온도 모니터링에 기반하여 온도 안정화가 실시된다. 그러한 방법의 단점은, 온도 측정의 관성으로 인해서, 시스템이 이미 가열되었을 때에만, 다시 말해서, ASIC 내에서의 온도 상승이 인지되어야만 시스템의 제어가 작용할 수 있다는 점이다. 결과적으로, 시스템의 열적 관성을 통해, 온도가 안정적으로 유지될 수 없는 반응 시간이 도출된다. 열적 관성에 따라서, 실제 온도는 짧은 시간 동안 목표 온도로부터 다소 편차를 보일 수 있다. 이러한 작용은, 컴퓨터 단층촬영에서 불가피하게 가해지는 복사선 세기의 급격하고 강한 상승 시 특히 문제가 된다. 그로 인해, 검출기의 신호 거동은 짧은 시간 동안 변화하고, 이는 결국 검출기로 검출된 측정 데이터를 기초로 발생한 영상 데이터 내의 인공물(artifact)을 초래할 수 있다.

부가적으로, 심사 절차에서 확인된 공보 WO 2005/116692 A2를 참조한다. 상기 발명의 대상은, 검출기 내에서 적어도 부분적으로 흡수되는 복사선에 의한 복사선 측정을 위한 섬광(scintillation) 검출기에 의해 발생하며 검출기의 동작 온도에 의존적인 신호들을 안정화하기 위한 방법이며, 이 방법에서는 온도 의존적 교정 계수(K)가 측정될 복사선 자체에 의해서 생성된 신호들의 신호 파형을 토대로 결정된다. 즉, 상기 방법에서는 측정된 신호의 교정만이 실시된다.

미국 공개특허공보 제20070158575호 미국 공개특허공보 제20050258371호

본원 발명의 과제는, 관성 반응이 덜함으로써 더 나은 신호 안정성을 제공하는, 개선된 온도 제어형 검출기 및 개선된 온도 안정화 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항들의 특징들에 의해 해결된다. 본원 발명의 유리한 개선사항들은 종속항들의 청구대상이다.

컴퓨터 단층촬영의 양호한 임상적(clinical) 영상 품질을 위해서, 검출기 신호의 안정성 및 성능, 예를 들어, 입사 복사선 세기와 측정 신호 사이의 선형성이 매우 중요하다. 물론, 직접 변환식 계수 검출기의 신호 안정성은 온도 의존적이다. 한편으로, 센서 재료, 예를 들어, CdTe는 온도 의존성을 보이며, 다른 한편으로, 회로(예를 들어, 아날로그 증폭기, 쵸퍼, 비교기, 전압 기준, 디지털-아날로그 변환기 및 아날로그-디지털 변환기)가 내장된 ASIC의 성능도 마찬가지로 온도 의존적이다.

검출기 시스템 내로 열을 도입하는 여러 가지 요소들이 존재한다. 직접 변환식 계수 검출기들의 경우 ASIC 외에, 대부분 CdTe 또는 CdZnTe로 구성되는 센서 재료도 해당된다. X-레이 복사선을 통해서 방출되는 전하들은 전압(U)이 인가될 때 자유 운동하는 전하(I; 예를 들어, 전류)를 생성하고 상응하는 열 출력을 방출한다(P=I*U). 이러한 열은 복사선 세기에 의존적이므로, 통상적인 CT 스캔에서 수 자릿수의 시간에 걸쳐 변화한다. ASIC의 경우뿐만 아니라 열을 도입하는 다른 요소들의 경우에도, 방출된 열이 복사선 세기에 의존함으로써 시간에 따라 변화할 수 있는 점이 빈번하게 적용된다.

그러므로, 시간에 따라 변화하는 열 도입에도 불구하고 최대한 온도 안정적인 시스템이 제공되어야 한다. 시스템의 관련 부분은 센서 재료 및 전자 신호처리 장치, 다시 말해 ASIC이다. 열적 연결이 양호할 경우, 센서 재료의 안정적인 온도 대신 ASIC의 온도 안정화도 이미 명백한 장점을 제공할 수 있다. 허용 온도 변동은 1 켈빈(kelvin) 미만의 범위가 되어야 한다. 또한, 센서 재료의 성능과 관련하여 낮은 온도가 바람직하고, 및/또는 약 45 ℃ 범위의 사전 설정된 최대 온도가 초과되지 않아야 한다.

즉, 본원 발명의 범주에서, 광자 계수 검출기에서의 계수율 변동(drift)의 최소화를 위한 신속한 응답의 온도 안정화가 실현되어야 하는데, 이때 측정된 온도 상승에 대한 반응은 너무 느린 것으로 이미 검출되었다.

본원 발명자들의 지식에 따르면, 예컨대 입사 복사선의 흐름 변화와 같이 온도 변화를 초래하는 경계 조건들의 변화가 존재하는 즉시, 이미 반작용하는 조치들에 의해서 검출기 내에서 또는 각각의 검출기 요소 내에서 개별적으로 열수지(heat budget)가 일정하게 유지됨으로써, 검출기의 온도가 거의 시간 지연 없이 안정화될 수 있다. 즉, 대응 조치들의 개시를 위해 우선 인과적 이벤트와 관련하여 시간 지연되어 실시되는 센서에서의 온도 변화의 측정이 유보되는 것이 아니라, 온도 변화를 초래할 인과적 이벤트 때문에 미리 대응책이 실시된다.

가장 단순한 경우에, 이러한 목적을 위해서 ASIC의 전력 소모가 일정한 값으로 유지될 수 있고, 이는 입사 복사선 세기 및 일정하게 유지하고자 하는 값으로서 검출기를 타격하는 최대 복사선 세기에서 인가되는 전력의 최대값의 특별한 측정 없이 가능하다. 예를 들어, z-다이오드와 조합된 전력 공급부로 이루어진 적합한 전압 공급원이 ASIC에서 사용될 수 있다.

다른 예시적인 실시예가, ASIC에서의 열 발생의 반대되는 예비적인(proactive) 조정에 의해서 센서 재료 내의 복사선 변화를 위해서 보상된 변화되는 열 도입으로 이루어질 수 있고, 그에 따라 "부가적인 열 발생을 포함하는 센서 플러스 ASIC" 시스템 내에서 발생된 전체 열 출력이 일정하게 유지된다. 그에 따라, 이는 이러한 측정에서 항상 최대 가능 열 출력으로 전체 열 출력을 유지한다. 그에 따라, 부가적인 열 도입이 일차적으로 온도 측정을 위해서 제어/조절되지 않으나, 열-발생 변수와 연관된 측정 변수의 함수로서 제어된다.

센서 재료 내의 전류 흐름은 열 도입에 대한 부가적인 측정 값으로서 이용될 수 있다. 이는, 고전압 공급부의 전류로서 전체 센서에 대해 보다 높은 레벨에서 측정될 수 있고 또는 각각의 검출기 요소에 대해서 개별적인 전류 측정 회로들을 가지는 ASIC 내의 픽셀 정확도로 측정될 수 있다. 그 대신에, 계수율이 복사선 세기의 측정 변수이고 그에 따라 센서 내의 전류 흐름의 측정 변수이기 때문에, 계수율은 또한 센서 재료에서의 열 도입에 대한 측정 변수로서 사용될 수 있다. 계수율와 관련하여, 누적된 또는 평균 또는 전형적인 계수율이 여기에서 사용된다. "전형적"이라는 용어는 단일 픽셀들의 그룹으로부터의 중간값 또는 무작위적 샘플과 관련된다.

센서 재료 내의 전류 흐름에 대한 전술한 측정 변수들이 또한 방해(disturbance) 변수로서 피드 포워드 제어와 함께 온도 제어에 대한 입력 변수들로서 이용된다.

한편으로, 제어 시스템을 통해서 시스템 - 다시 말해서, ASIC 및 CdTe 또는 단지 ASIC - 의 전체 전력 소모를 가능한 한 일정하게 유지하는 것에 의해서, 다른 한편으로, 또한 제어 시스템에 의해서가 아니라 온도 측정을 기초로 한 전력 소모의 제어에 의해서 온도가 보다 정밀하게 제어될 수 있는 것에 의해서, 조절 메커니즘이 본원 발명에 따라 2개의 스테이지들에서 이루어질 수 있을 것이다. 제어 시스템에 의해서 열량 입력의 자릿수(the order of magnitude)가 넓은 범위에서 일정하게 유지될 때까지, 주요(major) 요동들이 없는 제어가 가능하지 않다. 예를 들어, 양자(both)는 검출기 요소들을 가지는 전체 센서 모듈에서 또는 검출기 요소 마다 발생될 수 있고, 다시 말해서, 픽셀 정확도로 또는 양자의 조합에서 또는 중간 스테이지에서 발생될 수 있다.

모든 버전들에서, 열을 발산하는 외부로부터의 냉각이 일정하게 유지될 수 있고 그에 따라 반대되는 냉각 및 가열에 의해서 너무 많은 전력이 전체적으로 소모되는 것을 방지하기 위해서 초기에 부가적인 제어 및/또는 단지 하위의 실질적으로 보다 느린 제어를 필요로 한다.

따라서, 본원 발명자들은 CT 시스템의 X-레이 검출기의 하나 이상의 검출기 요소의 온도 안정화 방법을 제안하고, 상기 방법에서 검출기 요소들은 복사선의 입사 광자들을 자유 전하로 직접 변환하는 센서 재료를 이용하고, 특히, ASIC(ASIC = 주문형 집적 회로 요소) 형태의 회로를 이용하여, 특히 영상 획득을 위해서, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 입사 광자들의 수가 결정되며, 상기 방법은 하나 이상의 검출기 요소의 전체 전력이 복사선의 입사 세기와 관계없이 일정하게 유지됨으로써 개선된다.

특히, 개별적인 검출기 요소에서 또는 검출기 전체에서 전체 전력을 안정화시키기 위해서, 입사 광자들의 수 및/또는 에너지를 기초로 하는 모델 예측 제어(MPC)가 채용되어야 한다. 이는 또한 신경망들에 의해서 형성된 열 흐름들의 모델을 기초로 하는 비선형적 모델 예측 제어를 포함한다.

전력은 제어되지 않은 상태에서 발생 및 검출되는 복사선 세기의 변화에 따라서도 변동하기 때문에, 소모 전력을 일정하게 유지하는 시스템이 복사선 세기 변화에 의해 변화하는 경계 조건들에 대해서 즉각 반응한다. 따라서, 더 이상 측정된 온도 변화의 지연된 징후가 보정되는 것이 아니라, 이러한 징후의 변화하는 원인을 기초로 온도 변화가 즉각적으로 방지된다.

유리하게, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자를 이용하여 하나 이상의 검출기 요소의 전체 전력을 안정화시킬 수 있다. 그에 따라, 만약 실제 측정 시스템 내에서의 복사선 세기의 부족 때문에 전력이 소모되지 않는다면, 이는 가열 소자에 의해서 보상된다. 한편으로, 만약 복사선이 최대로 입사하면, 가열 소자의 전력이 최대로 감소할 수 있음으로써 전체 시스템의 전력이 전체적으로 동일하게 유지된다. 그에 따라, ASIC에서 소모되지 않은 ASIC의 사전 설정된 기준 전력 부분은 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자를 통해서 방출된다. 이러한 기준 전력은 바람직하게 최대 전력의 적어도 50%, 바람직하게 최대 전력의 70% 내지 100%, 바람직하게 최대 전력의 80% 내지 100%, 바람직하게 최대 전력의 80% 내지 90%일 수 있다. 관성이 가능한 한 적은 온도 거동이 발생하도록, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자가 회로 상에 또는 그 내부에, 특히 ASIC 상에 배열되는 것이 특히 바람직할 것이다.

하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자를 통해 추가로, 센서 재료 내에 인가되지 않은 전류 흐름이 인가된 전류 흐름과 관련하여 사전 설정된 복사선 세기에서 보상되는 것도 바람직하다. 사전 설정된 복사선 세기는 최대 입사 복사선 세기의 적어도 50%, 바람직하게 최대 입사 복사선 세기의 70% 내지 100%, 바람직하게 최대 입사 복사선 세기의 80% 내지 100%, 바람직하게 최대 입사 복사선 세기의 80% 내지 90%일 수 있다.

입사 복사선 세기에 대한 척도는 회로, 특히 ASIC에 의해서 결정된다. 이를 위해, 예를 들어 계수율, 신호 전류 또는 디지털 카운터 셀들의 LSBs의 전체 전력 소모와 같은 여러 가지 단위들(metrics)이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 열 발생 수단을 통해 하나 이상의 검출기 요소로 도입되는, 변동하는 보상될 열의 측정 변수로서, 입사 복사선 세기 또는 ASIC에 의해서 검출된 계수율을 사용하는 점이 제안된다.

본원 발명에 따라서, 복수의 검출기 요소들에 걸쳐서, 바람직하게는 복수의 검출기 요소들로 구성된 하나의 검출기 모듈에 걸쳐서, 전력의 안정화가 평균될 수 있다. 그 대안으로, 각각의 검출기 요소에 대해서 개별적으로 전력의 안정화가 실시될 수도 있다.

본원 발명에 따른 방법의 추가적인 개선을 획득하기 위해서, 추가로 하나 이상의 검출기 요소에서 온도 측정이 실시될 수 있고, 상기 온도 측정을 통해서, 예를 들어, PI 제어 회로 또는 PID 제어 회로를 통해서, 미세 조정의 의미에서 온도의 추가 제어가 수행될 수 있다.

만약 기본적인 모델이 기지의(known) 가열 용량 및 열 흐름들을 포함한다면, 특히 신속하고 정밀한 제어가 모델-기반 예측 제어로 성취될 수 있다.

또한, 적어도 검출기의 동작 동안에, 열 방출이 수행되는 것이 바람직하다. 한편으로, 이러한 것은 일정하게 유지될 수 있으나, 또한 가능한 작은 일정한 비율이 검출기로 인가된 전력에 의해서 생성되는 방식으로 이러한 것을 제어하는 옵션이 존재한다. 유사하게, 이러한 것을 위해서 모델-예측 제어를 이용할 수 있고, 그에 따라 열 방출의 감소와 동시에, 검출기 내에서 영향을 받을 수 있는 열 출력의 일정한 비율이 낮아져서 검출기 내의 열 발생과 열 방출의 균형을 가능한 한 일정하게 유지한다.

열 방출을 위해 예를 들어 하나 이상의 펠티에 소자 또는 냉각 공기 흐름을 이용할 수 있다.

본원 발명의 범주에서, 변화되는 복사선 세기에 기초하는 전력 및/또는 열 출력의 제어가 복수의 검출기 요소들에 걸쳐서 평균되는 버전들도 존재하는 한편, 온도 센서를 통한 미세한 조정이 보다 작은 공간적 영역에 걸쳐, 특히 검출기 요소 마다 실시된다.

본원 발명에 따른 방법에 추가하여, 본원 발명자들은 또한, 복사선의 입사 광자들을 자유 전하로 변환하는 센서 재료를 가지는 다양한 2차원적으로 배열된 검출기 요소들, 특히 영상 획득을 위해서, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 결정된 입사 광자들의 수를 결정하는 다양한 회로들 특히, ASIC (ASIC = 주문형 집적 회로)를 가지는 CT 시스템의 X-레이 검출기를 제시하며, 여기서는 하나 이상의 검출기 요소의 전체 전력에 영향을 미치는 수단이 온도 안정화를 위해서 이용될 수 있고, 그에 의해서 전체 전력 입력이 하나 이상의 검출기 요소에서 일정하게 유지된다.

이러한 X-레이 검출기에서, 하나 이상의 검출기 요소의 전체 전력에 영향을 미치기 위한 수단은 회로 상에서 직접적으로 또는 회로 내에서, 특히 ASIC 상에서의 독점적인(exclusive) 발열 회로로서 바람직하게 배열될 수 있다.

본원 발명에 따른 열수지에 영향을 미치기 위해서, 제어 시스템이 제공될 수 있고, 그러한 제어 시스템은 센서 재료의 및/또는, 회로의, 특히 ASIC의 다른 전력 소모의 함수로서 발열 회로의 전력을 제어한다. 또한, 검출기 요소에서 또는 그 내부에서 측정된 온도의 함수로서 상기 제어와 적어도 부분적으로 중첩되는 부가적인 제어가 제공될 수 있다.

또한, 열 흐름의 일정한 비율이 또한 추가적으로 제어될 수 있다는 것이 또한 주목된다. 예를 들어, 충분히 확실하게 신호-유도형 요동들이 거의 방해받지 않을 때까지, 동시에 자동적으로 일정한 열 출력 및 냉각을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 불필요하게 반대되는 일정한 가열 및 냉각 전력이 회피될 수 있다. 특히, 이러한 것은 적응적(adaptive), 예측적 가열 및 냉각 제어 시스템의 일부가 될 수 있다.

특히, 신호-관련된 요동 범위가 여전히 미지의 상태이기 때문에 스캔의 시작 시에 상당히 높고 넓은 일정한 초기 값으로 시작하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 또한, 이러한 초기값은, 예를 들어 튜브 매개변수들인 전류와 전압, 단층사진으로부터의 환자 신체 치수에 관한 사전 인지 등에 의한 것과 같이, 현재 실시되는 검사들에 맞춰 적응될 수 있다.

또한, 가열 및 냉각의 제어 시간 상수들이 상이할 수 있다는 것이 또한 명백하게 언급될 수 있다. 가열은 신속하게 반응하고 밀리초 범위의 짧은-기간의 신호 의존적인 온도 요동들을 보상한다. 그러나, 냉각은 제2 범위에서 더 느리게 반응하며, 일정한 현재의 열 출력의 충분한 방출을 제공한다.

이하에서, 본원 발명은 도면들의 도움으로 보다 구체적으로 설명되고, 도면들에는 본원 발명의 이해에 필수적인 특징들만이 도시되어 있다. 이하의 참조 부호들이 사용되었다: 1, 1.1 내지 1.20: 검출기 요소; 2: 센서; 3: 지지부; 4: (가열 소자를 포함하는) 제2 발열 회로; 5: 온도 센서; 6: 제1 회로(예를 들어, ASIC) ; 10: 복사선-관련 열 도입 W₁; 11: 목표를 가지는 제어/조절: W₁ + W₂ = 상수; 12: 검출기 요소 내의 가열 소자; 13: 가열 소자에 의한 열 도입 W₂ ; 14: 목표를 가지는 긴-기간 조절: T = 상수; 15: 온도 T; 16: 검출기 요소 내의 온도 센서; 17: 냉각에 의한 열 방출 W_out ; 18: 목표를 가지는 제어: T = 상수; 19: 입력 열에 대한 측정; C1: CT 시스템; C2: 제1 X-레이 튜브; C3: 제1 검출기; C4: 제2 X-레이 튜브; C5: 제2 검출기; C6: 하우징; C7: C-아암; C8: 검사 테이블; C9: 시스템 축; C10: 제어 및 연산 시스템; D: 검출기; I: 자유 운동하는 전하(예를 들어, 복사선-관련 전류); L: 공기 도관들; P: 환자; Prg₁-Prg_n: 컴퓨터 프로그램들; U: 전압; W₁: 복사선-관련 열 도입; W₂: 가열 소자에 의한 열 도입; W_out: 열 흐름; γ: 복사선.

도 1은 온도 안정화를 위한 통합된 가열 소자들 및 온도 센서와 함께 검출기 요소를 도시한 도면이다.
도 2는 일정한 열 방출 및 제어된 발열 회로를 가지는 여러 가지 직접 변환 검출기 요소와 함께 본원 발명에 따른 검출기를 통한 단면도이다.
도 3은 검출기 요소의 열 조정을 도시한 개략도이다.
도 4는 검출기 요소의 열 제어를 도시한 개략도이다.
도 5는 본원 발명에 따른 검출기를 가지는 CT 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본원 발명에 따른 검출기를 가지는 C-아암 시스템을 도시한 도면이다.

도 1은, 전압(U)을 가지는 음 전위와 접지 사이에서 복사-유도형 전류가 발생하는, 직접 변환 센서 재료를 가지는 검출기 요소(1)의 본원 발명에 따른 디자인을 도시한다. 복사선(γ)의 에너지 입력 및 센서 재료 내의 생성된 전류 모두를 통해서, 검출기 요소로부터 보여지는 각각의 복사선 세기에 따라서, 상이한 양의 열이 발생한다. 동시에, 예를 들어, 센서(2)가 부착된 지지부(3)에 의해서, 일정한 열 방출(W_out)이 발생한다. 본원 발명에 따라서, 부가적인 발열 회로, 다시 말해서, 제2 발열 회로(4)가 이제 지지부(3)와 센서(2) 사이에 배열된 ASIC의 영역 내에 배열되고, 그 가열 소자들의 열 출력이 낮은 입사 복사 세기에서 높게 유지되어 최대 복사 세기에서 발생하는 열 도입이 보상되는 한편 그에 따라 높은 복사 세기에서 가열 소자(들)의 열 출력이 영(zero)으로 감소된다. 이러한 방식에서, 일정한 밸런스가 열 방출(W_out) 입력 열 사이에서 생성되고, 이는 센서(2)의 전체적으로 일정하고 균일한 온도를 유도하고 그에 따라 최적의 열적 안정성을 유도한다. 이러한 수단에 의해서, 모든 온도-의존형 변동(drift) 현상이 배제될 수 있다. 또한, 다른 온도 센서(5)가 ASIC 내에 배열되고, 이는 발생하는 복사-유도형 열 도입과 관련된 또는 다른 주변 조건들과 관련된 추정치들(estimates)을 조정하기 위해서 이용될 수 있다.

도 2는 여러 가지 검출기 요소들(1.1 내지 1.20)과 함께 검출기(D)의 개략적인 단면도를 도시한다. 각각의 개별적인 검출기 요소(1.1 내지 1.20)는 도 1의 디자인에 상응하고, 여기에서 검출기 요소들 사이의 균일한 열 방출의 생성에 더하여, 공기 도관들(L)이 배열되고, 이는 균일한 열 방출을 생성한다. 부가적인 공기 도관들(L)을 통해서 냉각 공기가 위로부터 검출기 요소들로 공급되고 그에 따라 검출기(D)로부터 아래로 발산된다. 여기에서, 일정한 열수지의 안정화를 위해서 또한, 낮은 복사 세기에만 노출된 검출기 요소들 내의 센서 재료(2) 내의 복사선-유도형 열의 부재(absence)는 ASIC 내의 가열 소자들(여기에서는 구체적으로 설명되지 않음)에 의해서 보상된다. 복사선에 의해서 개별적인 검출기 요소 상에서 발생된 그리고 검출기 요소(1)의 센서(2) 내에서 개별적으로 생성된 전류의 실제량이 검출기 요소(1)의 측정된 복사선(γ)을 통해서 간접적으로 결정될 수 있으며, 온도 센서(5)의 도움으로 추정된 열 도입과 관련된 교정들이 이루어질 수 있다. 이러한 온도 센서(5)는 또한 변화되는 주변 조건들 또는 변화되는 환기 조건들을 나타내는 검출기 내부의 열 흐름의 장시간 요동을 보상하는 역할을 할 수 있다. 이러한 것을 위해서 필요한 제어 측정들 또는 조정 측정들이, 예를 들어, X-레이 시스템 내에서 어떠한 방식으로든 이용가능한 제어 및 연산 시스템(C10)에 의해서 예단(assume)될 수 있을 것이다.

도 3 및 4 각각은 검출기 요소(D)의 열 조정 시스템 및/또는 열 제어 시스템의 개략적인 도면들을 도시하며, 여기에서 복사선 관련 열 도입(W₁)은 본질적인 제어 및 조정 변수로서 각각 이용된다.

본원 발명에 따라 디자인된 CT 시스템을 위한 검출기의 적용이 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 갠트리(gantry) 하우징(C6)을 가지는 CT 시스템(C1)을 설명하며, 본원 발명에 따라서 대향된 검출기(C3)와 함께 제1 X-레이 튜브(C2) 및 또한 본원 발명에 따라서 대향된 제2 검출기(C5)와 함께 제2 X-레이 튜브(C4)로 이루어진, 2개의 방출기-검출기 시스템들이 상기 갠트리 상에 배열된다. CT 시스템(C1)의 단순한 실시예에서, 제2 방출기-검출기 시스템이 생략될 수 있다.

시스템 축(C9)을 따라서 이동될 수 있는 검사 테이블(C8) 상에 위치된 환자(P)를 스캐닝하기 위해서, 측정 필드(field)를 통해서 환자가 계속적으로 또는 순차적으로 밀려 넣어지고, 회전하는 방출기-검출기 시스템들에 의해서 스캐닝된다. 검출기의 검출기 요소들 상에서의 환자(P)에 의한 복사선의 흡수가 변화되기 때문에, 변화되는 복사선 세기들이 발생되고, 이는 다시 변화되는 열 도입들을 초래하고, 그러한 본원 발명에 따른 방식에서 상기 변화되는 열 도입들은 직접 변환 검출기 요소들의 ASIC 층 내의 발열 회로들의 복사선-유도형 제어 또는 조정에 의해서 보상된다. 영상 데이터의 재구축을 포함하는 전체 CT 시스템(C1)의 제어뿐만 아니라, 검출기 내의 열수지의 제어 및 조정은 내부에 저장된 컴퓨터 프로그램들(Prg₁-Prg_n) 중 하나 이상의 실행을 통해서 제어 및 연산 시스템(C10)에 의해서 실행될 수 있고, 이는 본원 발명에 따른 방법을 재현한다.

따라서, 예를 들어, 본원 발명에 따른 직접 변환 검출기는 도 6에 도시된 바와 같이 C-아암 시스템(C1)에서 사용될 수 있다. X-레이 튜브(C2) 및 대향하는 검출기(C3)를 가지는 C-아암 (C7)이 회전가능한 방식으로 하우징(C6)에 체결된다. 슬라이딩하는 검사 테이블(C8) 상의 환자(P)를 스캐닝하기 위해서, 제어 및 연산 시스템(C10)에 의해서 제어되는 C-아암(C7)이 환자(P) 주위로 선회되면서 다양한 투사 각도들로부터 흡수 데이터가 기록된다. 여기에서, 또한, 여러 가지 복사선 세기들이 스캐닝 동안에 검출기(C3)의 개별적인 검출기 요소들로 인가되고, 이러한 차이들에 따라서 검출기 내의 복사선-유도된 열의 입력량들이 본원 발명에 따른 방식으로 발열 회로들에 의해서 보상된다. 여기에서 또한, 영상 데이터 재구축을 포함하는 전체 C-아암 시스템(C1)의 제어뿐만 아니라, 검출기 내의 열수지의 제어 및 조정은 내부에 저장된 컴퓨터 프로그램들(Prg₁-Prg_n) 중 하나 이상의 실행을 통해서 제어 및 연산 시스템(C10)에 의해서 실행될 수 있고, 이는 본원 발명에 따른 방법을 재현한다.

그에 따라, X-레이 검출기 특히, CT 시스템 및 X-레이 검출기의 하나 이상의 검출기 요소의 온도를 안정화시키기 위한 전체적인 방법이 제시되고, 여기에서 상기 검출기 요소들은 센서 재료 내에서 복사선의 입사 광자들을 자유-이동 전하로 직접적으로 변환시키는 센서 재료를 이용한다. 단일 광자들에 의해서 발생하는 전하의 양들은 전자 회로에 의해서 평가되고 그에 따라, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련된 입사 X-레이 광자들의 수가 확인되며, 특히 이러한 정보는 영상 획득 목적을 위해서 이용된다. 전자 회로는 ASIC(ASIC = 주문형 집적 회로) 형태로 편리하게 구현될 수 있을 것이다. 본원 발명에 따라서, 입사 광자들의 수 및 에너지가 프로세스에서 결정되고 그리고 - 가열의 효과를 기다리지 않고 - 하나 이상의 검출기 요소의 전체 전력이 복사선의 입사 세기와 관계 없이 일정하게 즉각적으로 유지된다.

바람직한 예시적인 실시예에 의해서 본원 발명이 보다 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 본원 발명은 개시된 예들에 의해서 제한되지 않고, 그리고 본원 발명의 보호 범위 내에서도, 소위 당업자가 다른 버전들을 유도할 수 있을 것이다.

Claims (25)

1. CT 시스템(C1)의 X-레이 검출기의 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 온도 안정화 방법으로서, 상기 방법은:
   복사선의 입사 광자들을 센서 재료(2) 내에서 자유 운동하는 전하(I)로 직접 변환하는 센서 재료(2)를 제공함으로써, 상기 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)가 센서 재료를 사용하는 단계와,
   제1 회로(6)를 이용하여 사전 설정된 에너지 범위들과 관련된 입사 광자들의 수를 결정하는 단계를 포함하며,
   상기 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 전체 전력이 상기 복사선(γ)의 입사 세기와 관계없이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 회로(6) 내에 또는 상기 제1 회로(6) 상에 제2 발열 회로(4)가 배열되고, 제어 시스템에 의해서, 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 제2 발열 회로(4)의 전력은 상기 제1 회로(6)의 함수로서 또는 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 센서 재료(2)의 함수로서, 또는 이들 모두의 함수로서 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 전체 전력이 일정하게 유지되는 방식으로, 제어되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전체 전력의 안정화를 위해서, 입사 광자들의 수 또는 에너지, 또는 이들 모두를 기초로 하는 모델 예측 제어가 이용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 소모된 전체 전력의 안정화를 위해서, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자가 이용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자가 제1 회로 내에 또는 제1 회로 상에 배열되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
6. 제4항에 있어서, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자를 통해서, 제1 회로(6)에서 소모되지 않은, 상기 제1 회로의 사전 설정된 기준 전력 부분이 방출되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 사전 설정된 기준 전력은 최대 전력의 50%를 초과하는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
8. 제3항에 있어서, 하나 이상의 가변 조정가능한 가열 소자를 통해 추가로, 사전 설정된 입사 복사선 세기로 발생하는 전류와 관련하여 센서 재료에서 발생되지 않은 전류가 보상되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 사전 설정된 복사선 세기가 최대 입사 복사선 세기의 50%를 초과하는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 가열 소자에 의해 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)로 도입되는, 가변적이며 보상될 열 도입(W₁)의 측정 변수로서 입사 복사선 세기가 사용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
11. 제10항에 있어서, 입사 복사선 세기의 측정 변수로서 상기 회로에 의해서 검출된 계수율이 사용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
12. 제10항에 있어서, 입사 복사선 세기의 측정 변수로서 복사선에 의해 센서 재료(2) 내에 유도된 전류가 측정되고 이용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력의 안정화는 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)에 걸쳐 평균되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력의 안정화는 각각의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)에 대해서 개별적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20) 내에서 온도 측정이 추가로 실시되고, 상기 온도 측정을 통해 온도가 추가로 조절되며, 상기 온도 조절의 시간 상수는 상기 전체 전력의 제어의 시간 상수보다 긴 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 온도의 부가적인 제어가 모델 예측 제어를 통해서 발생하는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 상기 검출기의 동작 동안에 항상 동일한 전력으로 동작되는 열 방출이 수행되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 상기 검출기의 동작 동안에 열 방출(W_out)이 수행되고, 이는 X-레이 검출기로 인가된 전력에서 가능한 작은 정비례가 생성되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
19. 제17항에 있어서, 열 방출을 위해 냉각 공기 흐름이 사용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
20. 제17항에 있어서, 열 방출을 위해서 하나 이상의 펠티에 소자가 이용되는 것을 특징으로 하는, 온도 안정화 방법.
21. 복사선의 입사 광자들을 직접 자유 전하로 변환하는 센서 재료(2)를 구비한, 2차원적으로 배열된 복수의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)와, 사전 설정된 에너지 범위들과 관련하여 입사되는 광자들의 수를 결정하는 복수의 제1 회로(6)를 포함하는 CT 시스템(C1)의 X-레이 검출기에 있어서,
    온도 안정화를 위해 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 전체 전력에 영향을 미치는 수단이 제공되고, 상기 수단에 의해 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)에서 소모되는 총 전력이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, CT 시스템의 X-레이 검출기.
22. 제21항에 있어서, 하나 이상의 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)의 전체 전력에 영향을 미치기 위한 상기 수단은 제1 회로(6)에 또는 그 내부에 배열되는 제2 발열 회로인 것을 특징으로 하는, CT 시스템의 X-레이 검출기.
23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 가열 소자의 전력을 그 밖의 제1 회로(6)와 센서 재료(2), 또는 이들 모두의 전력 소모의 함수로서 제어하는 제어 시스템이 제공되는 것을 특징으로 하는, CT 시스템의 X-레이 검출기.
24. 제23항에 있어서, 검출기 요소(1, 1.1 - 1.20)에서 또는 그 내부에서 측정된 온도의 함수로서 상기 제어 시스템과 적어도 부분적으로 중첩되는 추가 제어 시스템이 제공되는 것을 특징으로 하는, CT 시스템의 X-레이 검출기.
25. 제21항 또는 제22항에 있어서, 동작 중에 과도한 열을 방출하는 열 방출 장치(L)가 제공되는 것을 특징으로 하는, CT 시스템(C1)의 X-레이 검출기.

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