KR101664137B1 - 검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

하나의 검출기 어셈블리에 서로 다른 종류의 검출 영역(적분형 검출 영역, 계수형 검출 영역)을 포함시킴으로써 각 검출 영역이 갖는 이점을 효율적으로 이용하고 검출기의 응답 특성을 향상시킬 수 있는 검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스와 상기 엑스선 소스로부터 입사된 엑스선을 검출하는 검출기가 서로 마주보게 장착된 회전 가능한 갠트리(gantry)를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치에 있어서, 상기 검출기는, 전하 누적(charge integrated) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및 상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수(photon counting) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함한다.

Description

검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법{DETECTOR ASSEMBLY, COMPUTED TOMOGRAPHY APPARATUS HAVING THE SAME AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
엑스선을 검출하여 대상체의 내부를 영상화하는 검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 계수형 검출기와 적분형 검출기를 혼합해서 사용하는 검출기 어셈블리, 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
엑스선 영상 장치는 대상체에 엑스선을 조사하고 대상체를 투과한 엑스선을 분석하여 대상체의 내부구조를 파악할 수 있도록 하는 장치이다. 대상체를 구성하는 조직에 따라 엑스선의 투과성이 다르므로 이를 수치화한 감쇠계수(attenuation coefficient)를 이용하여 대상체의 내부구조를 영상화할 수 있다.
엑스선 영상 장치는 엑스선을 한 방향에서 투과시켜 대상체의 투영 영상(projection image)을 얻는 일반 라디오그래피(Radiography) 장치와 엑스선을 여러 방향에서 투과시켜 컴퓨터로 영상을 재구성하는 CT(Computed Tomography) 장치로 구분할 수 있다. CT 장치는 컴퓨터 단층 촬영 장치 또는 전산화 단층 촬영 장치 등으로 지칭된다.
컴퓨터 단층 촬영 장치의 검출기 어셈블리(detector assembly)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 검출 엘리먼트(detector element)로 구성될 수 있는바, 검출기 어셈블리를 적분 방식과 광자 계수 방식을 혼합하여 구현하면 그 성능을 더 향상시킬 수 있다.
하나의 검출기 어셈블리에 서로 다른 종류의 검출 영역(적분형 검출 영역, 계수형 검출 영역)을 포함시킴으로써 각 검출 영역이 갖는 이점을 효율적으로 이용하고 검출기의 응답 특성을 향상시킬 수 있는 검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스와 상기 엑스선 소스로부터 입사된 엑스선을 검출하는 검출기가 서로 마주보게 장착된 회전 가능한 갠트리(gantry)를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치에 있어서, 상기 검출기는, 전하 누적(charge integrated) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및 상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수(photon counting) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함한다.
상기 검출기는, 상기 회전축과 수직인 방향으로 배열된 복수의 검출 모듈을 포함하고, 상기 복수의 검출 모듈은, 전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및 상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함할 수 있다.
상기 복수의 검출 모듈은, 2차원 매트릭스 형태로 배열된 복수의 검출 엘리먼트(detector element)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 적분형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성할 수 있다.
상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성할 수 있다.
상기 엑스선 소스와 상기 검출기 사이에 장착되고 상기 회전축과 수직인 방향으로 두께 및 물질 중 적어도 하나가 달라지는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 적분형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용하여 상기 계수형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 보정하는 영상 처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 영상 처리부는, 상기 계수형 검출 영역에 입사된 엑스선과 동일한 빔 퀄리티를 갖는 엑스선이 입사된 적분형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용할 수 있다.
상기 계수형 검출 영역은, 상기 입사된 엑스선을 검출하고, 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 미리 정해진 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 생성할 수 있다.
상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 비교기 및 복수의 계수기를 포함할 수 있다.
입사된 엑스선을 검출하여 엑스선 데이터를 생성하는 검출기 및 상기 생성된 엑스선 데이터를 디지털 형태로 변환하여 출력하는 데이터 획득부를 포함하는 검출기 어셈블리에 있어서, 상기 검출기는, 전하 누적(charge integrated) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및 상기 검출기 어셈블리가 장착되는 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수(photon counting) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함할 수 있다.
상기 검출기는, 상기 회전축과 수직인 방향으로 배열된 복수의 검출 모듈을 포함하고, 상기 복수의 검출 모듈은, 전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및 상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 역역을 포함할 수 있다.
상기 복수의 검출 모듈은, 2차원 매트릭스 형태로 배열된 복수의 검출 엘리먼트(detector element)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 적분형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성할 수 있다.
상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성할 수 있다.
상기 계수형 검출 영역은, 상기 입사된 엑스선을 검출하고, 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 미리 정해진 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 생성할 수 있다.
상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는, 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 비교기 및 복수의 계수기를 포함할 수 있다.
갠트리의 회전축을 기준으로 중앙에 계수형 검출 영역이 배치되고 상기 계수형 검출 영역의 상부 또는 하부에 적분형 검출 영역이 배치되는 검출기를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 있어서, 상기 적분형 검출 영역으로부터 엑스선 데이터를 획득하고; 상기 계수형 검출 영역으로부터 엑스선 데이터를 획득하고; 상기 적분형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터를 이용하여 상기 계수형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터를 보정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 엑스선 데이터를 보정하는 것은, 상기 적분형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터와 상기 계수형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터 사이의 관계를 나타내는 보정 함수를 산출하는 것을 포함할 수 있다.
상기 엑스선 데이터를 보정하는 것은, 상기 계수형 검출 영역에 입사된 엑스선과 상기 적분형 검출 영역에 입사된 엑스선 중 서로 동일한 빔 퀄리티를 갖는 엑스선에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 검출기 어셈블리, 이를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치 및 그 제어방법에 의하면, 하나의 검출기 어셈블리에 서로 다른 종류의 검출 영역(적분형 검출 영역, 계수형 검출 영역)을 포함시킴으로써 각 검출 영역이 갖는 이점을 효율적으로 이용하고 검출기의 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, z축 방향을 따라 중앙에 계수형 검출 영역을, 그 위아래에 적분형 검출 영역을 배치함으로써, 대상체 또는 그 관심 영역의 크기에 무관하게 스캔을 수행할 수 있고, 각각의 검출 영역에 동일한 퀄리티의 엑스선 빔이 입사되어 데이터 보정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 갠트리의 횡단면도이다.
도 4는 엑스선 소스의 내부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 갠트리의 종단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치에 포함되는 검출기 어셈블리의 일 예시에 대한 사시도이다.
도 7은 단일 검출 모듈을 위해서 내려다 본 평면도이다.
도 8은 검출기와 대상체의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 계수형 검출 영역을 구성하는 검출 엘리멘트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 에너지 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 11은 엑스선 신호를 세 개의 에너지 대역으로 분리할 수 있는 검출 엘리먼트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치에 포함되는 검출기 어셈블리의 다른 예시에 대한 사시도이다.
도 13은 도 12의 검출기 어셈블리에 포함되는 검출 모듈의 구조를 위에서 내려다 본 평면도이다.
도 14는 단일 검출 모듈에 연결된 데이터 획득부의 외관을 나타낸 도면이다.
도 15는 복수의 검출 모듈이 장착된 검출기 어셈블리의 내부 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 16 및 도 17은 보타이 필터가 장착된 경우에 검출기에 입사되는 엑스선의 특성을 나타낸 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 관한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 측면에 따른 컴퓨터 단층 촬영 장치(Computed Tomography) 및 그 제어방법의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)의 하우징(101) 내부에는 갠트리(103)가 구비되고, 갠트리(103)의 내부에 엑스선 소스(111, 도 3 참조) 및 검출기 어셈블리(120)가 서로 마주보게 장착되어 엑스선 소스(111)로부터 조사된 엑스선을 검출기 어셈블리(120: 도 3 참조)가 검출한다.
대상체(30)는 테이블 어셈블리(160) 위에 위치할 수 있고, 대상체(30)가 위치하는 환자 테이블(162)은 테이블 지지부(161)에 의해 지지될 수 있다. 테이블 지지부(161)의 내부에는 환자 테이블(162)에 동력을 제공하기 위한 모터, 기어 등의 구동 장치가 마련될 수 있다.
환자 테이블(162)이 보어(105)를 향하여 z축 방향으로 이동하면, 대상체(30)가 보어(105)에 위치하게 되고, 대상체(30)가 보어(105)에 위치했을 때 갠트리(103)를 회전시키면 엑스선 소스(111)가 대상체(30)의 주위를 360도 회전(1회전) 또는 그 이상 회전하면서 엑스선을 조사할 수 있고, 조사된 엑스선은 대상체(30)를 투과하여 검출기 어셈블리(120)에 의해 검출될 수 있다.
그리고, 컴퓨터 단층 촬영장치(100)는 사용자에게 정보를 제공하고, 사용자로부터 제어 명령을 입력 받는 사용자 인터페이스(141,142)를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(142,142)가 마련된 장치를 워크 스테이션(140) 또는 호스트 장치라고 한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)는 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스(111), 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 엑스선 데이터를 획득하는 검출기 어셈블리(120), 갠트리(103)의 회전과 갠트리(103)에 장착된 엑스선 소스(111) 또는 검출기 어셈블리(120) 및 테이블 어셈블리(160)를 제어하는 제어부(150), 획득된 엑스선 데이터를 재구성하여 대상체의 단층 영상을 생성하는 영상 처리부(130), 컴퓨터 단층 촬영장치(100)의 제어에 관한 사용자의 명령을 입력받는 입력부(141) 및 컴퓨터 단층 촬영장치(100)의 제어에 관한 화면 또는 대상체의 단층 영상을 표시하는 디스플레이부(142)를 포함한다.
엑스선 소스(111)는 특정 에너지 대역의 엑스선을 발생시켜 조사하고, 검출기 어셈블리(120)는 엑스선을 검출하여 엑스선 데이터로 변환하고, 이를 영상 처리부(130)로 전달한다. 엑스선 소스(111)와 검출기 어셈블리(120)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하도록 한다.
영상 처리부(130)는 검출기 어셈블리(120)로부터 전달된 엑스선 데이터를 이용하여 대상체(30)의 내부를 영상화한 단층 영상을 재구성할 수 있다. 영상을 재구성하는 방법으로는 반복(Iterative) 방법, 직접 푸리에(Direct fourier) 방법, 역투영 재구성법(Filtered back projection) 등이 있다.
또한, 영상 처리부(130)는 후술하는 바와 같이 적분형(integrative) 검출 영역에 의해 획득된 데이터를 이용하여 계수형(counting) 검출 영역에 의해 획득된 데이터를 보정할 수 있는바, 이에 관한 구체적인 설명 역시 후술하도록 한다.
영상 처리부(130)에서 재구성된 단층 영상은 디스플레이부(142)로 전달되고, 디스플레이부(142)는 대상체의 단층 영상을 표시한다.
입력부(141)와 디스플레이부(142)는 워크 스테이션(140)에 구비될 수 있다. 입력부(141)는 마우스, 키보드, 트랙볼, 터치 패널 등의 다양한 입력 장치 중 적어도 하나로 구현될 수 있고, 디스플레이부(142)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Oganic Light Emitting Diode), PDP(Plasma Display Panel), CRT(Cathode-Ray Tube) 등의 다양한 디스플레이 장치 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
사용자는 입력부(141)를 통해 환자 테이블(162)의 이동에 관한 명령, 스캔 모드의 선택에 관한 명령, 스캔 조건에 관한 명령, 영상 디스플레이에 관한 명령 등 컴퓨터 단층 촬영 장치(100)의 동작 전반에 관한 제어 명령을 입력할 수 있다.
디스플레이부(142)는 사용자의 제어 명령 입력을 돕기 위한 화면, 컴퓨터 단층 촬영 장치(100)의 제어 상태를 나타내는 화면 또는 영상 처리부(130)에서 생성한 영상을 표시할 수 있다.
제어부(150)는 컴퓨터 단층 촬영 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어부(150)는 환자 테이블(162)의 이동을 제어하는 테이블 제어부(151), 대상체의 촬영 부위, 진단 목적, 대상체의 특성 등을 고려하여 스캔에 관련된 파라미터, 스캔 모드 등을 제어하는 스캔 제어부(152), 갠트리(103)의 회전, 검출기 어셈블리(120)의 활성화 등을 제어하는 갠트리 제어부(153)를 포함할 수 있다.
테이블 제어부(151)는 환자 테이블(162) 위에 위치한 대상체(30)의 촬영 대상 영역이 보어(105)에 위치하도록 환자 테이블(162)의 이동 거리 및 이동 방향을 제어할 수 있다. 이를 위해, 환자 테이블(162)의 구동 제어 신호를 테이블 어셈블리(160)에 전송한다.
스캔 제어부(152)는 노출 파라미터를 자동으로 제어하는 AEC(Auto Exposure Controller)의 기능을 수행할 수 있고, 스캔 모드를 제어할 수도 있으며, 데이터를 적분형 검출 영역으로부터 획득할 것인지 계수형 검출 영역으로부터 획득할 것인지 여부에 따라 검출기 어셈블리(120)의 활성화를 제어할 수도 있다.
스캔 제어부(152)가 AEC의 기능을 수행하는 경우에는 엑스선 소스(111)에 적용되는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터 종류 및 두께, 양극의 타겟 물질, 초점 크기(focal spot size) 등의 노출 파라미터를 제어할 수 있다. 이를 위해, 저선량의 엑스선으로 프리 샷(Pre-shot) 또는 스카우트(Scout) 촬영을 수행할 수 있고, 여기서 획득된 데이터를 이용하여 상기 노출 파라미터를 결정할 수 있다.
한편, 스캔 제어부(152)가 스캔 모드를 제어하는 경우에는, 슬라이스의 두께 또는 1회의 스캔으로 획득되는 슬라이스의 수를 제어할 수 있고, 멀티 슬라이스를 획득하는 경우에는 각 슬라이스를 획득하는데 계수형 검출 영역을 사용할지 또는 적분형 검출 영역을 사용할지 결정하거나 또는 그 결정 결과에 따라 각 검출 영역의 활성화를 제어할 수 있다.
또한, 멀티 에너지 엑스선 영상 기법을 적용하는지 여부에 따라 계수형 검출 영역과 적분형 검출 영역을 선택적으로 활성화시키는 것도 가능하다.
한편, 스캔 제어부(152)는 상기 제어를 스스로 수행하거나 사용자의 명령에 따라 수행할 수 있다.
갠트리 제어부(153)는 갠트리(103)에 회전 동력을 제공하는 갠트리 모터(107)에 제어 신호를 전송하여 갠트리(107)의 회전수 또는 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 갠트리의 횡단면도이고, 도 4는 엑스선 소스의 내부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 갠트리(103)의 내부에는 엑스선 소스(111)와 검출기 어셈블리(120)가 서로 마주보게 장착되고, 보어(105)를 회전 중심으로 하여 360도 회전할 수 있다.
엑스선 소스(111)의 엑스선 조사 방향 전면에는 콜리메이터(113)가 구비될 수 있는바, 콜리메이터(113)는 엑스선 소스(111)에서 조사된 엑스선 빔의 폭을 조절할 수 있다. 따라서, 콜리메이터(113)는 다른 방향으로의 산란선을 줄여서 대상체의 피폭선량을 감소시킨다.
그리고 도면에 도시되지는 않았으나 검출기 어셈블리(120)의 전면에도 콜리메이터를 배치하여 관심영역에 대해서만 엑스선이 검출되도록 하는 것도 가능하다. 검출기 어셈블리(120)의 전면에 배치되는 콜리메이터는 산란선을 제거하고, 대상체(30)를 투과한 엑스선 빔의 폭을 조절하여 슬라이스의 두께를 결정할 수 있다.
엑스선 소스(111)는 엑스선 튜브라고도 하며, 외부의 전원 공급기(미도시)로부터 전원을 공급받아 엑스선을 발생시킨다.
도 4를 참조하면, 엑스선 튜브(111)는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있다. 음극(111e)은 필라멘트(111h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함하며, 집속 전극(111g)은 포커싱 컵(focusing cup)이라고도 한다.
유리관(111a) 내부를 약 10mmHg 정도의 고진공 상태로 만들고 음극의 필라멘트(111h)를 고온으로 가열하여 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(111h)의 일 예로 텅스텐 필라멘트를 사용할 수 있고 필라멘트에 연결된 전기도선(111f)에 전류를 가하여 필라멘트(111h)를 가열할 수 있다.
양극(111c)은 주로 구리로 구성되고, 음극(111e)과 마주보는 쪽에 타겟 물질(111d)이 도포 또는 배치되며, 타겟 물질로는 Cr, Fe, Co, Ni, W, Mo 등의 고저항 재료들이 사용될 수 있다. 타겟 물질은 일정 각도로 기울어져 있는바, 기울어진 각도가 클수록 초점 크기가 작아진다. 그 밖에, 관전압, 관전류, 필라멘트의 크기, 집속 전극의 크기, 양극과 음극 사이의 거리에 따라 초점의 크기가 달라질 수 있다.
그리고 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 고전압을 걸어주면 열전자가 가속되어 양극의 타겟 물질(111g)에 충돌하면서 엑스선을 발생시킨다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사되며, 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막을 사용할 수 있다. 이 때, 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에는 필터를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다.
타겟 물질(111d)은 로터(111b)에 의해 회전할 수 있으며, 타겟 물질(111d)이 회전하게 되면 고정된 경우에 비해 열 축적율이 단위 면적당 10배 이상 증대될 수 있고, 초점 크기가 감소된다.
엑스선 튜브(111)의 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kvp로 표시할 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다.
엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 필라멘트에서 방출되는 열전자의 수가 증가하고 결과적으로 타겟 물질(111d)에 충돌하여 발생되는 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다.
따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있는 것이다. 엑스선의 에너지, 엑스선의 세기 또는 선량은 대상체의 종류, 두께와 같은 특성 또는 진단 목적 등에 따라 결정될 수 있다.
엑스선 소스(111)는 단색광(monochromatic) 엑스선 또는 다색광(polychromatic) 엑스선을 조사할 수 있다. 엑스선 소스(111)가 일정 에너지 대역을 갖는 다색광 엑스선을 조사하는 경우, 조사되는 엑스선의 에너지 대역은 상한과 하한에 의해 정의될 수 있다.
에너지 대역의 상한, 즉 조사되는 엑스선의 최대 에너지는 관전압의 크기에 따라 조절될 수 있고, 에너지 대역의 하한, 즉 조사되는 엑스선의 최소 에너지는 엑스선의 조사 방향에 배치되는 필터에 의해 조절될 수 있다.
필터는 특정 에너지 대역의 엑스선만을 통과시키거나 여과시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에 특정 파장 대역의 엑스선을 필터링하는 필터를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다.
예를 들어, 알루미늄이나 구리와 같은 필터를 배치하여, 영상의 질을 저하시키는 저에너지 대역의 엑스선을 필터링함으로써 선질(X-ray beam quality)을 경화(Hardening)시켜 에너지 대역의 하한을 높일 수 있고, 조사되는 엑스선의 평균 에너지를 높일 수 있다. 또한, 대상체의 피폭 선량을 감소시킬 수 있다.
후술하는 보타이 필터(115, 도 16 참조)가 상기 필터의 역할을 할 수도 있고, 보타이 필터(115)와 별도로 상기 역할을 하는 필터가 마련될 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 검출기 어셈블리(120)의 횡단면은 아치(arch) 형상을 갖는바, 검출기 어셈블리(120)의 최상부에는 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 동작을 수행하는 검출기(121)가 마련된다.
한편, 검출기(121)는 복수의 검출 엘리먼트(detector element)로 이루어질 수 있으며, 각각의 검출 엘리먼트들이 전체 검출기(121)의 픽셀로서 기능할 수 있다.
검출 엘리먼트는 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식 및 전기적 신호를 획득하는 방식에 따라 구분될 수 있는바, 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식에 따라 직접 변환(Direct conversion) 방식과 간접 변환(Indirect conversion) 방식으로 구분될 수 있다.
또한, 전기적 신호를 획득하는 방식에 따라 전하를 일정 시간 동안 저장한 후에 그로부터 신호를 획득하는 전하 누적(Charge Integration) 방식과 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 계수하는 광자 계수(Photon Counting) 방식으로 구분될 수 있다.
직접 변환 방식에 따르면, 엑스선이 조사되면 검출 엘리먼트의 수광 소자 내부에 일시적으로 전자-정공 쌍이 생성되고, 수광 소자의 양단에 인가되어 있는 전장에 의해 전자는 양극으로 정공은 음극으로 이동하는바, 검출 엘리먼트가 이러한 이동을 전기적 신호로 변환한다. 직접 변환 방식에서 수광 소자에 사용되는 물질은 a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등이 있다.
간접 변환 방식에 따르면, 검출 엘리먼트의 상부에 섬광체(scintillator)가 구비되고, 엑스선 소스(111)에서 조사된 엑스선이 섬광체와 반응하여 가시광 영역의 파장을 갖는 광자(photon)를 방출하면 이를 수광 소자가 감지하여 전기적 신호로 변환한다. 간접 변환 방식에서 수광 소자로 사용되는 물질은 a-Si 등이 있고, 섬광체로는 박막 형태의 GADOX 섬광체, 마이크로 기둥형 또는 바늘 구조형 CSI(T1) 등이 사용된다.
검출기(121)는 직접 변환 방식과 간접 변환 방식 중 적절한 방식을 채용할 수 있으며, 후술하는 검출기(121)의 영역 별로 다른 방식을 적용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 적분형 검출 영역에는 간접 변환 방식을 적용하고, 계수형 검출 영역에는 직접 변환 방식을 적용할 수 있다.
한편, 전기적 신호를 획득하는 방식 중 광자 계수 방식을 적용할 경우에는 적은 선량으로 대상체의 내부를 영상화할 수 있고, 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
반면, 전하 누적 방식에서는 광자 계수 방식에 비해 검출기(121)가 검출할 수 있는 임계 엑스선 플럭스(X-ray flux)가 높다. 즉, 포화 레벨(Saturation level)이 더 높고, 다이나믹 레인지(Dynamic range)가 더 크다.
따라서, 검출기(121)에 전하 누적 방식과 광자 계수 방식을 적절하게 조합하여 적용하면, 검출기(121)의 성능을 향상시킬 수 있고, 다양한 목적에 맞는 진단 영상을 생성하는데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)에서는, 전하 누적 방식과 광자 계수 방식을 조합하여 검출기(121)를 구성한다. 이하, 검출기(121)의 구체적인 구성과 구조에 대해 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 갠트리의 종단면도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치에 포함되는 검출기 어셈블리의 일 예시에 대한 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, z축 방향을 따라 검출기(121)의 중앙은 계수형 검출 영역(121b)으로 구성되고 나머지 위아래 부분은 적분형 검출 영역(121a)으로 구성될 수 있다. 갠트리의 회전축, 대상체(30)의 종축과 평행한 축 또는 스캔 방향과 평행한 축을 z축으로, 엑스선 소스(111)로부터 검출기(121)로 엑스선이 조사되는 방향, 지면을 기준으로 상하 방향 또는 대상체(30)의 두께 방향과 평행한 축을 y축으로, y축 및 z축과 모두 수직인 축 또는 대상체(30)의 횡축과 평행한 축을 x축으로 정의한다. 그리고, 각 축의 양의 방향과 음의 방향은 서로 바뀔 수 있다.
적분형 검출 영역(121a)에서는 엑스선이 입사되어 전하가 발생되면, 발생된 전하를 일정 시간 동안 저장한 후에 그로부터 전기적 신호를 획득한다. 즉, 전하 누적 방식에 따라 전기적 신호를 획득한다.
계수형 검출 영역(121b)에서는 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 발생된 신호의 크기를 기준 전압(Threshold voltage)과 비교하여 일정 크기 이상의 전압 신호를 만들어 내는 광자의 수를 계수한다. 즉, 광자 계수 방식에 따라 전기적 신호를 획득한다. 이하 후술할 실시예에서는 적분형 검출 영역(121a)과 계수형 검출 영역(121b)에서 획득한 전기적 신호 또는 이를 디지털 형태로 변환한 신호를 모두 엑스선 데이터라 하기로 한다.
검출기(121)의 중앙 부분에 형성된 계수형 검출 영역(121b)에 의해 저선량으로 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 갖는 데이터를 획득할 수 있고, 검출기(121)의 위아래 부분에 형성된 적분형 검출 영역(121a)에 의해 높은 다이나믹 레인지를 갖는 데이터를 획득할 수 있다.
검출기(121)는 복수의 검출 모듈(121-1~121-n)이 1차원 어레이 형태로 배열된 구조를 가질 수 있다. 이하, 복수의 검출 모듈(121-1~121-n) 중 임의의 단일 검출 모듈(121-x, x는 1과 n 사이의 임의의 정수)을 이용하여 단일 검출 모듈의 구조를 설명한다.
도 7은 단일 검출 모듈을 위해서 내려다 본 평면도이고, 도 8은 검출기와 대상체(30)의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 단일 검출 모듈(121-x)은 A'-A 방향을 기준으로 중앙에 계수형 검출 영역(121b-x)이 형성되고, 계수형 검출 영역(121b-x)의 위아래에 적분형 검출 영역(121a-x)이 형성될 수 있다. A'-A 방향은 갠트리(103)의 z축 방향과 동일한 방향을 나타낸다.
계수형 검출 영역(121b-x)은 2차원 매트릭스 형태로 배열된 계수형 검출 엘리먼트(20b)들로 구성되고, 적분형 검출 영역(121a-x)은 2차원 매트릭스 형태로 배열된 적분형 검출 엘리멘트(20a)들로 구성될 수 있다.
적분형 검출 영역(121a-x)을 구성하는 적분형 검출 엘리멘트(20a)는 엑스선 또는 가시광선을 검출하여 전하의 흐름으로 변환하는 수광 소자와, 전하의 흐름을 저장하는 캐패시터를 포함할 수 있고, 필요에 따라 전하의 흐름에 의해 형성되는 전기적 신호의 크기를 증폭하는 증폭기 등의 추가적인 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
도 8은 환자 테이블(162)에 누워 있는 대상체(30)가 보어(105)로 이송되어 검출기 어셈블리(120)의 상부에 위치하게 된 경우에 대상체(30)를 위에서 내려다 본 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, z축 방향을 따라 적분형 검출 영역(121a), 계수형 검출 영역(121b), 적분형 검출 영역(121a)의 순서로 검출기(121)가 구성되면, 관심 영역의 가로폭(W)이 큰 경우에도 계수형 검출 영역(121b)이 이를 모두 커버할 수 있다.
또한, 스캔은 환자 테이블(162)을 z축 방향으로 이동시키면서 이루어질 수 있으므로, 관심 영역의 세로폭이 계수형 검출 영역(121b)의 세로폭보다 큰 경우에도 관심 영역 전체에 대한 신호를 얻는 것은 문제가 되지 않는다. 즉, 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)의 검출기 어셈블리(120) 구조에 따르면, 대상체 또는 그 관심 영역의 크기에 구애받지 않고 원하는 스캔을 수행할 수 있다.
한편, 계수형 검출 영역(121b-x)을 구성하는 계수형 검출 엘리멘트(20b)는 생성된 전기적 신호의 크기에 따라 광자를 계수할 수 있는 구성을 필요로 하는바, 이하 도 9의 구조를 예로 들어 설명한다.
도 9는 계수형 검출 영역을 구성하는 검출 엘리멘트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9의 예시를 참조하면, 계수형 검출 엘리멘트(20b)는 엑스선을 전하의 흐름으로 변환하는 수광 소자(21b)와 전하의 흐름에 읽고 광자의 수를 계수하는 독출 회로(22b)를 포함할 수 있다.
수광 소자(21b)와 독출 회로(22b)는 플립 칩 본딩 방식으로 결합할 수 있는바, 땜납(PbSn), 인듐(In) 등의 범프(bump)(23b)를 형성한 후 reflow하고 열을 가하며 압착하는 방식으로 결합할 수 있다.
엑스선의 광자(photon)가 수광 소자(21b)에 입사하게 되면 가전도대에 있던 전자들이 광자의 에너지를 전달 받아 밴드갭 에너지 차이를 넘어 전도대로 여기된다. 이로써 공핍 영역에서 전자-정공쌍이 발생된다.
수광 소자(21b)의 P형 층과 n형 기판에 각각 메탈 전극을 형성하고 역방향 바이어스를 걸어주면 공핍 영역에서 발생된 전자-정공 쌍 중 전자는 n형 영역으로, 정공은 p형 영역으로 끌려간다. 그리고, p형 영역으로 끌려간 정공이 범프 본딩(23b)을 통해 독출 회로(22b)로 입력되어 광자에 의해 발생된 전기 신호를 읽을 수 있도록 한다. 그러나, 수광 소자(21a)의 구조와 걸어주는 전압 등에 따라 독출 회로(22b)에 전자가 입력되는 것도 가능하다.
독출 회로(22b)로 전하가 입력되면, 독출 회로(22b)의 전증폭기(pre-amplifier)(22b-1)에서 하나의 광자로부터 발생된 입력 전하를 축적(charging)하고 이에 대응되는 전압 신호를 출력한다.
그리고, 전증폭기(22b-1)에서 출력된 전압 신호는 비교기(22b-2)로 전달되고, 비교기(22b-3)는 임의의 문턱 전압(Vth)과 입력된 전압 신호를 비교하여 그 결과에 따라 '1' 또는 '0'의 펄스 신호를 출력하고, 계수기(22b-3)에서는 '1'이 몇 번 나왔는지를 계수하여 계수 신호 즉, 엑스선 데이터를 출력한다.
따라서, 계수형 검출 엘리멘트(20b)에서 출력하는 신호는 일정 기준 이상의 에너지를 갖는 광자의 수에 관한 정보를 포함한다.
다시 도 6, 도 7 및 도 9를 함께 참조하면, 복수의 계수형 검출 엘리멘트(20b)가 모여 단일 검출 모듈(121-x)의 계수형 검출 영역(121b-x)을 이루고, n개의 검출 모듈(121-1~121-n)에 포함되는 n개의 계수형 검출 영역들이 모여 전체 검출기(121)의 계수형 검출 영역(121b)을 이룰 수 있다.
또한, 복수의 적분형 검출 엘리멘트(20a)가 모여 단일 검출 모듈(121-x)의 적분형 검출 영역(121a-x)을 이루고, n개의 검출 모듈(121-1~121-n)에 포함되는 n개의 적분형 검출 영역들이 모여 전체 검출기(121)의 적분형 검출 영역(121a)을 이룰 수 있다.
한편, 대상체(30)를 구성하는 조직들 간에 대조도(contrast)를 향상시키기 위해 멀티 에너지 엑스선 영상 기법이 사용될 수 있다. 멀티 에너지 엑스선 영상 기법에 의하면, 대상체(30)에 관한 엑스선 신호를 서로 다른 복수의 에너지 대역에서 획득하고, 복수의 에너지 대역에서 획득된 엑스선 신호들을 처리하여 대상체(30)를 구성하는 조직들이 그 특성에 따라 분리된 영상을 얻을 수 있다.
멀티 에너지 엑스선 영상 기법을 적용하기 위해, 엑스선 소스에서 원하는 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사할 수도 있고, 엑스선 소스에서는 원하는 에너지 대역을 모두 포함하는 대역의 엑스선을 조사하고 검출기에서 그 엑스선을 검출하여 원하는 에너지 대역 별로 분리할 수도 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 장치(100)에 따르면, 검출기(121)에 계수형 검출 영역(121b)이 포함되므로, 후자의 방식을 이용할 수 있다.
도 10은 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 에너지 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 11은 엑스선 신호를 세 개의 에너지 대역으로 분리할 수 있는 검출 엘리먼트의 구조를 나타낸 도면이다.
예를 들어, 세 개의 서로 다른 에너지 대역(E1, E2, E3)에 대해 엑스선 신호를 얻고자 하는 경우, 엑스선 소스(111)는 도 10에 도시된 바와 같이 이들 에너지 대역(E1, E2, E3)을 모두 포함하는 대역의 엑스선을 발생시켜 조사할 수 있다. 구체적으로, 가장 낮은 에너지 대역인 E1 대역의 하한인 10keV를 하한으로 하고, 가장 높은 에너지 대역인 E3 대역의 상한인 50keV를 상한으로 하는 엑스선을 조사할 수 있다. 이를 위해, 엑스선 소스(111)의 관전압을 50kVp로 하여 엑스선을 발생시키고 0-10keV 대역의 엑스선은 필터링할 수 있다.
검출기(121)의 계수형 검출 영역(121b)은 엑스선 소스(111)에서 조사된 엑스선을 검출하여 세 개의 에너지 대역으로 분리한다. 이를 위해, 계수형 검출 엘리먼트(20b)는 엑스선에 의해 발생된 전기적 신호를 세 개의 에너지 대역에 따라 분리하기 위한 구조를 갖는다.
도 11에 도시된 바와 같이, 단일 광자에 의해 수광 소자(21b)에서 발생된 전자 또는 정공이 범프 본딩(23b)을 통해 수광 소자(21b)와 연결된 독출 회로(22b)의 전증폭기(22b-1)를 거쳐 전압 신호로 출력되면, 이 전압 신호(Vin)는 3개의 비교기(22b-2_1,22b-2_2,22b-2_3)으로 입력된다.
각각의 비교기에는 분리하고자 하는 에너지 대역에 대응되는 문턱 전압이 입력된다. 입사된 광자가 갖는 에너지에 따라 발생되는 전압 신호의 크기가 달라지므로, 분리하고자 하는 에너지 대역의 하한 에너지에 대응되는 전압의 크기를 계산하여 각각의 비교기에 문턱 전압으로 입력할 수 있다.
비교기 1(22b-2_1)에는 첫 번째 에너지 대역(E1)의 하한에 대응되는 문턱 전압 1(Vth1)을 입력하고, 비교기 2(22b-2_2)에는 두 번째 에너지 대역(E2)의 하한 에 대응되는 문턱 전압 2(Vth2)을 입력하고, 비교기 3(22b-2_3)에는 세 번째 에너지 대역(E3)의 하한에 대응되는 문턱 전압 3(Vth3)을 입력할 수 있다.
비교기 1(22b-2_1)에서는 문턱 전압 1(Vth1)과 입력 전압(Vin)을 비교하여 입력 전압(Vin)이 문턱 전압 1(Vth1)보다 큰 경우에'high' 상태를 나타내는 펄스 즉, '1'을 출력하고, 입력 전압(Vin)이 문턱 전압 1(Vth1)보다 작은 경우에는 'low' 상태를 나타내는 펄스 즉, '0'을 출력한다.
카운터 1(22c-3_1)에는 비교기 1(22b-2_1)에서 출력된 펄스 신호가 입력되고, 카운터 1(22c-3_1)은 비교기 1(22b-2_1)에서 '1'을 출력한 횟수를 계수한다. 카운터1(22c-3_1)의 계수 값(count value)은 문턱 전압 1(Vth1)보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 수 즉, 첫 번째 에너지 대역의 하한보다 큰 에너지를 갖는 광자의 수가 된다.
같은 방식으로 카운터 2(22c-3_2)에서는 문턱 전압 2(Vth2)보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운트하고, 카운터 3(22c-3_3)에서는 문턱 전압 3(Vth3)보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운트한다.
상기 도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)에 적용될 수 있는 예시에 불과하며, 에너지 대역의 수나 범위 등은 진단 목적이나 대상체의 특성에 맞게 조절될 수 있다.
한편, 상기 도 6 및 도 7의 구조는 컴퓨터 단층 촬영 장치(100)의 일 예시에 불과하며, 이와 다른 구조를 갖는 것도 가능하다.
도 12는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치에 포함되는 검출기 어셈블리의 다른 예시에 대한 사시도이고, 도 13은 도 12의 검출기 어셈블리에 포함되는 검출 모듈의 구조를 위에서 내려다 본 평면도이다.
도 12에 도시된 검출기 어셈블리(120)의 다른 예시에 따르면, 검출기(121)의 중앙은 계수형 검출 영역(121b)으로 구성되고 계수형 검출 영역(121b)을 둘러싸는 가장 자리 부분은 적분형 검출 영역(121a)으로 구성될 수 있다. 검출기(121)의 중앙 부분에 형성된 계수형 검출 영역(121b)에 의해 저선량으로 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 갖는 영상을 획득할 수 있고, 검출기(121)의 가장 자리 부분에 형성된 적분형 검출 영역(121a)에 의해 높은 다이나믹 레인지를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
또한, 단층 영상을 촬영함에 있어 관심 영역은 주로 계수형 검출 영역(121b)에 위치하게 되고, 배경 영역은 적분형 검출 영역(121a)에 위치하게 된다. 따라서, 관심 영역에 대해서는 계수형 검출 영역(121b)을 이용하여 저선량으로도 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 영상을 획득할 수 있게 되고, 배경 영역에 대해서는 적분형 검출 영역(121a)을 이용하여 포화 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
당해 예시에서도 전술한 예시에서와 마찬가지로, 검출기(121)는 복수의 검출 모듈(121-1~121-n)이 1차원 어레이 형태로 배열된 구조를 가질 수 있다. 이하, 복수의 검출 모듈(121-1~121-n) 중 영역 R에 위치하는 서로 인접한 검출 모듈(121-x, 121-(x+1))을 이용하여 단일 검출 모듈의 구조를 설명한다.
도 13을 참조하면, 검출 모듈(121-x)은 A-A' 방향을 기준으로 중앙에 계수형 검출 영역(121b-x)이 형성되고, 계수형 검출 영역(121b-x)의 위아래에 적분형 검출 영역(121a-x)이 형성될 수 있다.
계수형 검출 영역(121b-x)은 2차원 어레이의 광자 계수형 검출 엘리먼트(20b)들로 구성되고, 적분형 검출 영역(121a-x)은 2차원 어레이의 적분형 검출 엘리멘트(20a)들로 구성될 수 있다.
반면, 검출 모듈(121-(x+1))은 적분형 검출 영역(121a-(x+1))으로만 구성될 수 있고, 결과적으로 적분형 검출 엘리멘트(20a)들로만 구성될 수 있다.
따라서, 검출 모듈(121-x)의 일부는 전체 검출기(121)의 계수형 검출 영역(121b)에 포함되고, 다른 일부는 적분형 검출 영역(121a)에 포함된다. 반면, 검출 모듈(121-(x+1))은 모두 전체 검출기(121)의 적분형 검출 영역(121a)에 포함된다.
상술한 바와 같이 적분형 검출 영역(121a)에서 획득된 신호와 계수형 검출 영역(121b)에서 획득된 신호는 모두 디지털 엑스선 데이터 형태로 영상 처리부(130)에 전달되고, 영상 처리부(130)는 전달된 데이터를 이용하여 대상체(30)의 단층 영상을 재구성한다. 이하, 검출기(121)에서 생성된 신호가 디지털 엑스선 데이터 형태로 영상 처리부(130)에 전달되는 과정을 설명하도록 한다.
도 14는 단일 검출 모듈에 연결된 데이터 획득부의 외관을 나타낸 도면이고, 도 15는 복수의 검출 모듈이 장착된 검출기 어셈블리의 내부 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 14를 참조하면, 복수의 검출 엘리먼트(20a,20b)들을 포함하는 단일 검출 모듈(121-x)의 하부에는 데이터 획득부(122)가 연결될 수 있고, 데이터 획득부(122)도 검출 모듈의 개수(n)만큼 구비될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나 검출 모듈(121)과 데이터 획득부(122)는 플렉서블 케이블(Flexible cable)에 의해 연결될 수 있다.
데이터 획득부(122)는 기판(122b)과 그 위에 형성된 아날로그-디지털 변환 모듈(122a)을 포함하며, 검출 모듈(121-x)로부터 신호가 입력되면 아날로그-디지털 변환 모듈(122a)이 아날로그 형태의 신호를 영상 처리부(130)에서 처리 가능한 디지털 형태로 변환하여 디지털 엑스선 데이터를 획득한다.
아날로그-디지털 변환 모듈(122a)이 다수의 채널을 구비하도록 함으로써, 하나의 아날로그-디지털 변환 모듈(122a)이 검출기(121)의 다수의 픽셀로부터 신호를 입력받아 디지털로 변환하도록 할 수 있다. 이 경우에는, 아날로그-디지털 변환 모듈(122a)이 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter)와 이에 연결된 다수의 채널을 갖는 멀티플렉서(MUX: Multiplexer)를 포함할 수 있다. 검출 모듈(121-x)의 검출 요소(20a,20b)들로부터 출력되는 전기적 신호들은 멀티플렉서를 거쳐 아날로그-디지털 변환기에 입력되어 디지털 데이터로 변환된다.
한편, 검출 요소(20a,20b)들에서 출력되는 신호는 아주 미세한 신호인 경우가 많으므로, 멀티플렉서의 입력단에 증폭기를 구비하여 신호를 일정 크기 이상으로 증폭한 후에 디지털 신호로 변환하는 것도 가능하다.
도 15를 참조하면, 검출기 어셈블리(120)는 데이터 획득부(122)에서 획득한 디지털 데이터를 수집하는 데이터 수집부(123)를 더 포함하고, 데이터 수집부(123)는 프레임(128)의 BP(Back Plane) 보드에 형성될 수 있다. 데이터 수집부(123)는 각각의 데이터 획득부(122)로부터 디지털 엑스선 데이터를 수집하여 영상 처리부(130)로 전송하고, 영상 처리부(130)는 전송된 디지털 엑스선 데이터를 이용하여 대상체의 영상을 재구성한다.
한편, 영상 처리부(130)는 전송된 디지털 엑스선 데이터를 이용하여 대상체의 영상을 재구성함에 있어서, 계수형 검출 영역(121b)으로부터 획득된 데이터의 보정을 수행할 수 있다.
구체적으로, 계수형 검출 엘리먼트(20b)에서 일어나는 파일-업 등의 현상이 엑스선 데이터에 왜곡을 가져오기도 하는바, 파일-업 현상은 하나의 광자에 대한 신호의 획득이 완료되기 전에 다음 광자가 검출됨으로써 두 개의 광자에 대한 신호가 하나의 광자에 대한 신호로 인식되는 현상을 의미한다.
파일-업 현상은 검출 엘리먼트(20b)의 응답 특성에 영향을 주어 엑스선 플럭스와 검출 엘리먼트(20b)의 출력 사이의 관계에 있어서 선형성(linearity)이 보장되는 구간을 감소시킬 수 있고, 이는 전체 영상에서의 왜곡으로 이어질 수 있다.
반면, 적분형 검출 엘리먼트(20a)는 계수형 검출 엘리먼트(20b)에 비하여 상대적으로 높은 포화 레벨을 가지며, 파일-업 현상의 영향을 받지 않기 때문에 선형성이 보장되는 구간이 상대적으로 넓다.
따라서, 영상 처리부(130)는 적분형 검출 엘리먼트(20a)로부터 획득된 데이터를 이용하여 계수형 검출 엘리먼트(20b)로부터 획득된 데이터를 보정할 수 있다.
일 예로, 엑스선의 조사 경로에, 즉 보어(105)에 대상체(30)를 위치시키지 않은 상태에서 엑스선을 조사하고, 영상 처리부(130)가 검출기(121)의 적분형 검출 영역(121a)에 의해 획득된 엑스선 데이터와 계수형 검출 영역(121b)에 의해 획득된 엑스선 데이터 사이의 관계를 이용하여 보정(calibration) 함수 또는 보정 파라미터를 계산할 수 있고, 대상체(30)에 대한 스캔 시에 획득된 데이터를 상기 보정 함수 또는 보정 파라미터를 이용하여 보정할 수 있다.
도 16 및 도 17은 보타이 필터가 장착된 경우에 검출기에 입사되는 엑스선의 특성을 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)를 이용하여 스캔을 수행함에 있어서, 엑스선 빔 쉐이핑(X-ray beam shaping)을 위해 일정 형상을 갖는 필터(115)를 엑스선 소스(111)와 대상체(30) 사이에 장착할 수 있다. 이를 보타이(Bowtie) 필터라 한다.
보타이 필터(115)는 전체 방사선량(Radiation dose)을 감소시키고, 특히 도 16 및 도 17과 같은 보타이 형상으로 인하여 x축 방향을 기준으로 중앙 부분보다 양쪽 가장 자리 부분의 방사선량을 더 많이 감소시킬 수 있다. 일반적으로, x축 방향을 기준으로 중앙 부분에 대상체(30) 또는 그에 대한 관심 영역이 위치하고, 양쪽 가장 자리 부분은 배경 영역이 위치하는 경우가 많다.
배경 영역에 대상체(30)가 위치하지 않거나 감쇠계수가 매우 낮거나 또는 두께가 매우 얇은 대상체(30)의 부분이 위치하는 경우에는 배경 영역을 통과하여 검출기(121)에 입사된 엑스선 플럭스는 포화 레벨 이상이 될 수 있고, 이는 영상 정보의 손실 또는 왜곡을 가져올 수 있다.
따라서, 도 16 및 도 17과 같은 형상을 갖는 보타이 필터(115)를 엑스선 소스(111)의 엑스선 조사 방향에 장착할 경우, 배경 영역에 입사되는 엑스선의 플럭스를 감소시켜 영상 정보의 손실 또는 왜곡을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
앞서, 영상 처리부(130)가 적분형 검출 영역(121a)에 의해 획득된 데이터를 이용하여 계수형 검출 영역(121b)에 의해 획득된 데이터를 보정한다고 하였는바, 이를 위해서는 동일한 조건에서 획득된 데이터를 이용하는 것이 보정의 정확도 측면에서 유리하다.
예를 들어, 보타이 필터(115)의 두꺼운 부분인 가장 자리 부분을 통과한 제1엑스선 빔(40a)을 적분형 검출 영역(121a)에서 검출하여 엑스선 데이터를 획득하고, 보타이 필터(115)의 얇은 부분인 중앙 부분을 통과한 제2엑스선 빔(40b)을 계수형 검출 영역(121b)에서 검출하여 엑스선 데이터를 획득하게 되면, 이들 데이터는 서로 다른 입력에 대한 출력이 되기 때문에 보정의 정확도가 떨어질 수 잇다.
컴퓨터 단층 촬영장치(100)의 일 실시예에서와 같이, 적분형 검출 영역(121a)과 계수형 검출 영역(121b)이 z축 방향으로 배열되면, 적분형 검출 영역(121a)과 계수형 검출 영역(121b)에 동일한 빔 퀄리티(Beam quality)를 갖는 엑스선이 입사된다. 즉, 계수형 검출 영역(121b)에 제1엑스선 빔(40a)과 제2엑스선 빔(40b)이 모두 입사되고, 적분형 검출 영역(121a)에도 제1엑스선 빔(40a)과 제2엑스선 빔(40b)이 모두 입사된다.
따라서, 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)에 의하면, 간단한 구조만으로 계수형 검출 영역(121b)과 적분형 검출 영역(121a)에 동일한 퀄리티의 엑스선 빔이 입사되도록 할 수 있고, 동일한 빔 퀄리티에 대한 엑스선 데이터를 이용하여 보정을 수행함으로써 보정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
한편, 보타이 필터(115)가 서로 다른 엑스선 감쇠 특성을 갖는 복수의 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 일 예로, x축 방향으로 양쪽 가장 자리 부분은 엑스선을 상대적으로 많이 흡수하는 물질로 구성하고 중앙 부분은 엑스선을 상대적으로 적게 흡수하는 물질로 구성하는 것도 가능하다.
또는, 보타이 필터(115)의 x축 방향으로의 두께는 일정하게 유지하고, 필터를 구성하는 물질만 전술한 바와 같이 x축 방향으로 다르게 구성하는 것도 가능하다.
또는, z축 방향으로 물질 구성 및 두께 중 적어도 하나를 다르게 하는 것도 가능하다. 일 예로, 적분형 검출 영역(121a)에 대응되는 부분과 계수형 검출 영역(121b)에 대응되는 부분의 물질 구성 또는 두께를 다르게 할 수 있다. 적분형 검출 영역(121a)에 대응되는 부분의 두께를 더 얇게 하거나 해당 부분을 엑스선을 상대적으로 적게 흡수하는 물질로 구성하고, 계수형 검출 영역(121b)에 대응되는 부분의 두께를 더 두껍게 하거나 해당 부분을 엑스선을 상대적으로 많이 흡수하는 물질로 구성하는 것이 가능하다. 또는, 그 반대로 구성하는 것도 가능하며, 필요에 따라 적분형 검출 영역이나 계수형 검출 영역과는 무관하게 물질 구성을 다르게 하는 것도 가능하다.
이하 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 관하여 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법 있어서, 제어 대상은 전술한 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치(100)가 될 수 있다. 따라서, 전술한 컴퓨터 단층 촬영장치(100)에 관한 설명은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 18은 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 관한 순서도이다.
도 18을 참조하면, 엑스서 소스(111)로부터 조사된 엑스선을 적분형 검출 영역(121a)을 통해 검출하고(311), 엑스선 소스(111)로부터 조사된 엑스선을 계수형 검출 영역(121b)을 통해서도 검출한다(312).
순서도의 특성 상 적분형 검출 영역(121a)을 통한 검출과 계수형 검출 영역(121b)을 통한 검출을 순차적으로 기재하였으나, 둘 사이에 순서가 정해져 있는 것은 아니며, 동시에 검출될 수도 있다.
적분형 검출 영역(121a)을 통해 엑스선이 검출되면, 적분형 검출 영역(121a)을 구성하는 적분형 검출 엘리먼트(20a) 내에서 검출된 엑스선의 세기에 대응되는 전기적 신호가 발생되어 데이터 획득부(122)로 전달되고, 데이터 획득부(122)는 전달된 전기적 신호를 디지털 형태의 엑스선 데이터로 변환하여 데이터 수집부(123)를 통해 영상 처리부(130)로 전달한다.
계수형 검출 영역(121b)을 통해 엑스선이 검출되면, 계수형 검출 영역(121b)을 구성하는 계수형 검출 엘리먼트(20b) 내에서 검출된 엑스선의 세기에 대응되는 신호(광자의 수를 나타냄)가 발생되어 데이터 획득부(122)로 전달되고, 데이터 획득부(122)는 전달된 신호를 디지털 형태의 엑스선 데이터로 변환하여 데이터 수집부(123)를 통해 영상 처리부(130)로 전달한다.
그리고, 적분형 검출 영역(121a)을 통해 검출된 엑스선 데이터를 이용하여 계수형 검출 영역(121b)을 통해 검출된 엑스선 데이터를 보정한다(313).
일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 적용되는 검출기 어셈블리(120)의 구조에 의하면, 적분형 검출 영역(121a)과 계수형 검출 영역(121b)에 동일한 퀄리티의 빔이 입사될 수 있으므로, 각 영역으로부터 획득된 데이터를 이용한 보정의 정확도가 향상될 수 있다.
지금까지 상술한 컴퓨터 단층 촬영장치 및 그 제어방법에 의하면, 하나의 검출기 어셈블리에 서로 다른 종류의 검출 영역(적분형 검출 영역, 계수형 검출 영역)을 포함시킴으로써 각 검출 영역이 갖는 이점을 효율적으로 이용하여 검출기의 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, z축 방향을 따라 중앙에 계수형 검출 영역을, 그 위아래에 적분형 검출 영역을 배치함으로써, 대상체 또는 그 관심 영역의 크기에 무관하게 스캔을 수행할 수 있고, 각각의 검출 영역에 동일한 퀄리티의 엑스선 빔이 입사되어 데이터 보정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

111 : 엑스선 소스 120 : 검출기 어셈블리
121 : 검출기 121-1~121-n : 검출 모듈
123 : 데이터 수집부(BP 보드)
121a : 적분형 검출 영역
121b : 계수형 검출 영역
20a : 적분형 검출 엘리먼트
20b : 계수형 검출 엘리먼트

Claims (20)

  1. 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스와 상기 엑스선 소스로부터 입사된 엑스선을 검출하는 검출기가 서로 마주보게 장착된 회전 가능한 갠트리(gantry)를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치에 있어서,
    상기 검출기는,
    전하 누적(charge integrated) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및
    상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수(photon counting) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 회전축과 수직인 방향으로 배열된 복수의 검출 모듈을 포함하고,
    상기 복수의 검출 모듈은,
    전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및
    상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 모듈은,
    2차원 매트릭스 형태로 배열된 복수의 검출 엘리먼트(detector element)를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 적분형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 소스와 상기 검출기 사이에 장착되고 상기 회전축 방향 또는 상기 회전축과 수직인 방향으로 두께 및 물질 중 적어도 하나가 달라지는 필터를 더 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적분형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용하여 상기 계수형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 보정하는 영상 처리부를 더 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 계수형 검출 영역에 입사된 엑스선과 동일한 빔 퀄리티를 갖는 엑스선이 입사된 적분형 검출 영역에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용하는 컴퓨터 단층 촬영 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 계수형 검출 영역은,
    상기 입사된 엑스선을 검출하고, 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 미리 정해진 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 생성하는 컴퓨터 단층 촬영장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 비교기 및 복수의 계수기를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치.
  11. 입사된 엑스선을 검출하여 엑스선 데이터를 생성하는 검출기 및 상기 생성된 엑스선 데이터를 디지털 형태로 변환하여 출력하는 데이터 획득부를 포함하는 검출기 어셈블리에 있어서,
    상기 검출기는,
    전하 누적(charge integrated) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및
    상기 검출기 어셈블리가 장착되는 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수(photon counting) 방식에 따라 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함하는 검출기 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 회전축과 수직인 방향으로 배열된 복수의 검출 모듈을 포함하고,
    상기 복수의 검출 모듈은,
    전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 적분형 검출 영역; 및
    상기 갠트리의 회전축을 기준으로 상기 적분형 검출 영역의 상부 또는 하부에 형성되어 광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 계수형 검출 영역을 포함하는 검출기 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 모듈은,
    2차원 매트릭스 형태로 배열된 복수의 검출 엘리먼트(detector element)를 포함하는 검출기 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 적분형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    전하 누적 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 검출기 어셈블리.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 검출 엘리먼트 중 상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    광자 계수 방식에 따라 엑스선 데이터를 생성하는 검출기 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 계수형 검출 영역은,
    상기 입사된 엑스선을 검출하고, 상기 검출된 엑스선에 대응되는 엑스선 데이터를 미리 정해진 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 생성하는 검출기 어셈블리.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 계수형 검출 영역에 위치하는 검출 엘리먼트는,
    상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 비교기 및 복수의 계수기를 포함하는 검출기 어셈블리.
  18. 갠트리의 회전축을 기준으로 중앙에 계수형 검출 영역이 배치되고 상기 계수형 검출 영역의 상부 또는 하부에 적분형 검출 영역이 배치되는 검출기를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법에 있어서,
    상기 적분형 검출 영역으로부터 엑스선 데이터를 획득하고;
    상기 계수형 검출 영역으로부터 엑스선 데이터를 획득하고;
    상기 적분형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터를 이용하여 상기 계수형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터를 보정하는 것을 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 엑스선 데이터를 보정하는 것은,
    상기 적분형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터와 상기 계수형 검출 영역으로부터 획득된 엑스선 데이터 사이의 관계를 나타내는 보정 함수를 산출하는 것을 포함하는 컴퓨터 단층 촬영장치의 제어방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 엑스선 데이터를 보정하는 것은,
    상기 계수형 검출 영역에 입사된 엑스선과 상기 적분형 검출 영역에 입사된 엑스선 중 서로 동일한 빔 퀄리티를 갖는 엑스선에 의해 생성된 엑스선 데이터를 이용하는 것을 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치의 제어방법.
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