KR102474619B1 - X-선 검출기 설계(x-ray detector design) - Google Patents

Abstract

다수의 x-선 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)을 갖는 x-선 검출기(20)가 제공된다. 각각의 검출기 서브-모듈(21)은 적어도 2개의 방향으로 연장되는 검출기 요소(22) 어레이를 갖는 에지-온 검출기 서브-모듈이며, 방향 중 하나는 입사되는 x-선 방향 성분을 갖는다. 검출기 서브-모듈(21)은 차례로 또는 나란히 적층된다. 검출기 서브-모듈(21)의 적어도 일부에 대하여, 검출기 서브-모듈(21)은 인접한 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)과의 사이에 갭이 제공되도록 배열되며, 갭의 적어도 일부는 x-선 광원의 x-선 초점을 향해 선형으로 배향되지 않는다.

Description

X-선 검출기 설계(X-RAY DETECTOR DESIGN)

제안된 기술은 x-선 영상화, 및 x-선 검출기, 및 해당 x-선 영상화 시스템에 대한 것이다.

x-선 영상화와 같은 방사선 영상화는 의료 응용 분야에서 및 비파괴 검사를 위해 수년간 사용되어 왔다.

보통, x-선 영상화 시스템은 x-선 광원 및 x-선 검출기를 포함한다. x-선 광원은 x-선을 방출하고, 이는 영상화될 피사체 또는 대상을 통과하여 x-선 검출기에 의해 등록된다. 일부 재료는 다른 재료 보다 x-선의 더 큰 분율(fraction)을 흡수하기 때문에, 영상은 피사체 또는 대상으로 형성된다.

개선된 x-선 검출기 설계, 및 개선된 영상 품질 및/또는 감소된 방사선량에 대한 일반적인 요구가 있다.

제안된 기술의 목적은 간단히 x-선 검출기라고 칭하는 개선된 x-선 검출기 시스템을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 향상된 x-선 영상화 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명의 실시 예에 의해 충족된다.

본 발명은 기본적으로 다수의 x-선 검출기 서브-모듈을 갖는 x-선 센서 또는 x-선 검출기에 관한 것으로, 여기에서 각각의 검출기 서브-모듈은 적어도 2개의 방향으로 연장되는 검출기 요소 어레이를 갖는 에지-온 검출기 서브-모듈이며, 여기에서 방향 중 하나는 x-선 방향 성분을 갖는다.

일반적으로, 검출기 서브-모듈은 차례로 적층될 수 있고/있거나 나란히 배열될 수 있다.

검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 있어서, 검출기 서브-모듈은 인접한 검출기 서브-모듈과의 사이에 갭이 제공되도록 배열될 수 있으며, 갭의 적어도 일부는 x-선 광원의 x-선 초점을 향해 선형으로 배향되지 않는다.

이러한 방식으로, 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간의 어느 지점에서도 검출 효율이 0이 아님을 보장할 수 있다. 이러한 새로운 설계는 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나에 의한 검출 커버리지를 제공한다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈은 바람직하게는 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열될 수 있으며, 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 갭의 적어도 일부는 x-선 초점으로부터 기인하는 임의의 x-선 경로와 일치하지 않아서 검출기 서브-모듈 사이의 갭 연장부에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나에 의한 검출 커버리지를 제공한다.

선택적으로, 인접한 검출기 서브-모듈은 동일한 검출기 요소(들)의 정보를 공유할 수 있고/있거나 인접한 검출기 서브-모듈로부터의 상이한 검출기 요소의 출력 신호가 결합될 수 있다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 인접한 검출기 서브-모듈은 입사되는 x-선의 방향으로 적어도 부분적으로 중첩되는 검출 영역을 가질 수 있다.

선택적으로, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈은 갭 영역에서 2개의 인접한 검출기 서브-모듈을 통과하는 x-선이 양쪽 검출기 서브-모듈의 검출기 요소에 의해 검출될 수 있도록 배열될 수 있다.

예를 들면, x-선으로부터 발생하는 2개의 인접한 검출기 서브-모듈의 검출기 요소의 출력 신호는 광자 계수를 위한 후속 신호 처리 동안 결합될 수 있다.

일 예로, 제 1 검출기 서브-모듈의 갭에 가장 가까이 위치한 적어도 하나의 검출기 요소, 즉, 에지 요소(들)는 제 2 검출기 서브-모듈의 갭에 가장 가까이 위치하지 않은 적어도 하나의 검출기 요소, 즉, 비-에지 요소(들)와 초점을 향한 방향으로 나란히 배치될 수 있다.

검출기 서브-모듈은 예를 들어 약간 구부러진 전체 구성에서 일반적으로 나란히 배열될 수 있다.

에지-온 검출기의 특정 예는 입사되는 x-선 방향으로 검출기 요소의 2개 이상의 깊이 세그먼트를 갖는 깊이-세그먼트화 x-선 검출기이다. 그러나 제안된 기술은 일반적으로 세그먼트화 및 비-세그먼트화 x-선 검출기를 포함한 모든 유형의 에지-온 검출기에 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다.

각각의 검출기 서브-모듈은 일반적으로 검출기 요소가 배열되는 기판을 기반으로 하고, 각각의 검출기 서브-모듈은 검출기 서브-모듈의 측면을 따라 검출기 요소의 어레이 또는 매트릭스를 둘러싸는 외부 가드 링 구조를 갖는다. 때때로 x-선 검출기 서브-모듈은 간단히 x-선 센서라고도 칭한다.

본 발명자들은 모듈식 에지-온 x-선 검출기 시스템의 정상적인 상황은 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 물리적인 갭 (제조 시 실제적인 고려 사항에서 발생)이 검출 기능이 없는 수동 또는 데드 영역(또한, 비-검출 영역으로도 칭함)을 생성할 수 있다는 것을 알아내었다. 또한, 가드 링 구조는 이러한 데드 영역에 기여한다.

따라서 유효 검출기 영역을 늘리고/늘리거나 전체 검출기 영역에서 데드 영역을 줄이는 x-선 검출기 시스템 설계를 제공하는 것이 바람직하다.

이러한 데드 영역 또는 최소한 이러한 영역을 갖는 데 따른 효과를 줄이는 것은 향상된 영상 품질에 매우 유용하다.

가능한 해결책은 검출기 서브-모듈이 나란히 배열될 때 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나가 서브-모듈 간의 갭 연장부 (교차 구간)에서 검출 커버리지를 제공하는 방식으로 검출기 서브-모듈을 구성하는 것에 기초한다.

상술한 바와 같이, 전체 설계에서, 검출기 서브-모듈은 2개의 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 갭의 적어도 일부가 x-선 광원을 향하여 (더욱 구체적으로는 x-선 초점을 향하여) 선형적으로 배향되지 않도록 구성 및 배치된다.

이러한 방식으로 x-선 초점으로부터 갭을 통과하는 임의의 가능한 x-선 빔 경로가 전혀 없게 된다. 이러한 설계는 갭의 적어도 일부분에 대해 그러한 x-선 빔 경로(들)와 관련하여 0이 아닌 각도로 인접한 검출기 서브-모듈 사이에 갭을 제공한다.

다시 말해, 검출기 서브-모듈은 전체 구성에서 검출기 서브-모듈이 나란히 배열될 때 사실상 모든 입사되는 x-선이 전체 x-선 검출기의 유효 검출 영역의 적어도 일부를 통과하는 방식으로 구성된다. 약간 다르게 표현하면, 이상적으로는 각각의 입사되는 x-선은 검출기 서브-모듈의 적어도 일부를 통과하여 검출된다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈은 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템의 z-방향으로 및/또는 z-방향에 수직인 방향으로 나란히 배열될 수 있다.

더욱이, 검출기 서브-모듈이 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열될 때, (추가의) 검출기 서브-모듈은 또한 z-방향으로 차례로 적층될 수 있다.

대안적으로, 검출기 서브-모듈이 실질적으로 z-방향으로 나란히 배열될 때, (추가의) 검출기 서브-모듈은 또한 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 적층될 수 있다.

보다 일반적으로, “나란히”는 인접한 검출기 서브-모듈이 나란히 만나는 것을 의미하며, “측면”은 서브-모듈의 측면에 해당하고, 그 측면을 따라 전체 가드 링 구조의 일부가 연장된다.

다르게 표현하면, x-선 검출기 서브-모듈은 일반적으로 평면형 모듈이며, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈은 일반적으로 검출기 서브-모듈의 면내(in-plane) 방향으로 나란히 배열된다.

어떤 의미에서는, 언급된 바와 같이, 제안된 설정을 다음과 같은 구성으로 볼 수 있다, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈은 인접한 검출기 서브-모듈 사이에 갭이 제공되도록 배열되며, 갭은 갭의 적어도 일부에 대하여 x-선 초점으로부터의 x-선 빔 경로에 대해 0이 아닌 각도를 갖는다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈의 측면 또는 측면 에지는 경사진 측면 또는 에지로 될 수 있거나 (입사되는 x-선의 방향에 대하여) 또는 측면 에지는 계단-형 구성을 가질 수 있다.

예를 들면, 검출기 서브-모듈은 사다리꼴 및/또는 평행 사변형의 지오메트리 형태를 가질 수 있다.

특히 유익한 예에서, x-선 검출기는 광자-계수 x-선 검출기이다.

일반적으로, 검출기 서브-모듈의 기판 상에 검출기 요소를 배열하여 입사되는 x-선이 가능한 한 많은 공간/에너지 정보를 제공하기 위해 가능한 많은 검출기 요소를 통과할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 검출기 요소는 x-선 시스템의 초점을 향하여 길이 연장부를 갖는 장방형 전극 또는 다이오드로 될 수 있다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈은 금속 스트립이 있는 실리콘 칩으로 될 수 있다.

x-선 검출기 서브-모듈은 때때로 x-선 센서 또는 x-선 센서 모듈이라고도 칭한다.

제 2 측면에 따르면, 이러한 x-선 검출기를 포함하는 x-선 영상화 시스템이 제공된다.

제 3 측면에 따르면, 다수의 x-선 검출기 서브-모듈을 갖는 x-선 센서 시스템이 제공되며, 여기에서 각각의 검출기 서브-모듈은 에지-온 검출기 서브-모듈이다. 검출기 서브-모듈은 나란히 배열되고, 검출기 서브-모듈은 인접한 검출기 서브-모듈 사이에 갭이 제공되도록 배열되고, 여기에서, 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나에 의하여 검출 커버리지를 제공하기 위해, 갭의 적어도 일부는 x-선 광원의 x-선 초점에서 시작되는 x-선 경로와 일치하지 않는다.

예를 들어, 인접한 검출기 서브-모듈은 하나 이상의 검출기 요소를 포함하는 검출 영역을 가지며, 이는 입사되는 x-선의 방향으로 적어도 부분적으로 중첩된다.

예를 들면, 상기 검출기 서브-모듈은 서로 인접하게 배치될 때 약간 중첩될 수 있도록 전극으로 형상화되고 패턴화된 에지-온 실리콘 센서로 될 수 있다.

기타 측면 및/또는 장점은 다음의 설명을 읽을 때 이해될 것이다.

도 1은 전체 x-선 영상화 시스템의 예를 예시하는 개략도이다.
도 2는 x-선 영상화 시스템의 다른 예를 예시하는 개략도이다.
도 3은 3개의 상이한 x-선 튜브 전압에 대한 에너지 스펙트럼의 예를 예시하는 개략도이다.
도 4는 광자 계수 메커니즘의 예를 예시하는 개략도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 X-선 검출기의 개략도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다.
도 8a는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다.
도 8b는 타일식 검출기 서브-모듈 세트의 예를 나타내는 개략도이며, 여기에서 각각의 검출기 서브-모듈은 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈이고, ASIC 또는 해당 회로는 입사 x-선의 방향으로부터 볼 때 검출기 요소 아래에 배열된다.
도 9는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 지오메트리의 예를 예시하는 개략도이다.
도 10은 투영선 정의의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 11은 각도 샘플링의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 12는 영상 처리와 같은 전체 x-선 영상화 시스템의 다양한 기능을 수행하기 위한 일 실시 예에 따른 컴퓨터 구현의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 13a는 나란히 배열된, 예를 들면, x-선 초점에 위치한 x-선 광원에 대해 약간 구부러진 전체 지오메트리에서 다수의 검출기 서브-모듈을 포함하는 모듈식 x-선 검출기의 일 예를 예시하는 개략도이다.
도 13b는 개별적인 x-선 검출기 서브-모듈의 일 예를 예시하는 개략도이다.
도 13c는 나란히 배열되고 또한 차례로 적층된 다수의 검출기 서브-모듈로 이루어지는 모듈식 x-선 검출기의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 14는 x-선 시스템의 초점을 향하여 갭이 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 15는 갭이 x-선 광원을 향해 선형으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 16a-b는 새로운 설계의 검출기 서브-모듈의 일 예와 비교하여, 통상의 검출기 서브-모듈 설계의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 17은 갭이 x-선 광원을 향해 선형적으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 다른 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 18은 갭이 시스템의 초점을 향해 선형적으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 또 다른 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 19-21은 2개의 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 갭의 적어도 일부가 x-선 광원을 향해 배향되지 않는 윤곽 설계의 다양한 예를 나타내는 개략도이다.
도 22는 모듈식 x-선 검출기의 대안적인 구성 및 설계의 일 예를 예시하는 개략도이다.
도 23a-d는 다양한 지오메트리 구성의 테이퍼형 에지 세그먼트의 예를 나타내는 개략도이다.
도 24는 팁의 반경이 상대적으로 작은 경우 전극 팁에서의 전계 증강의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 25a-b는 2개의 상이한 크기의 팁 반경에 대한 전극 팁에서의 전계 증강의 예를 예시하는 개략도이다.
도 26a-b는 테이퍼형 에지 세그먼트와 관련하여 전극 변형의 상이한 예를 예시하는 개략도이다.
도 27a-c는 테이퍼형 에지 세그먼트에 대한 가드 링 옵션의 상이한 예를 예시하는 개략도이다.
도 28은 비-경사 영역에서 검출기 요소 사이의 갭(들)을 이용하여 경사 영역에서의 특정 검출기 요소로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅(재-배향)하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 29는 에지 검출기 요소와 그에 이웃하는 검출기 요소 사이의 갭(들)을 이용하여 특정 에지 검출기 요소로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 30은 가드 링 구조와 에지 검출기 요소 사이의 갭(들)을 이용하여 특정 에지 검출기 요소로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 31a는 가드 링 구조와 에지 전극(들) 사이 영역의 단면에서 트레이스의 라우팅이 없는 예를 예시하는 개략도이다.
도 31b는 가드 링 구조와 에지 전극(들) 사이 영역의 단면에서 트레이스의 라우팅이 있는 예를 예시하는 개략도이다.
도 32a는 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 도시한 개략도이다.
도 32b는 도 32a의 구성에 대응하는 픽셀 스트립의 픽셀 이득 응답(pixel gain response)의 일 예를 예시하는 개략도이다.
도 33a는, 제 1 구성 예에서 하나의 세트의 콜리메이터가 검출기 서브-모듈의 상부에 배열된 경우, 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 33b는 제 1 구성 예의 콜리메이터 구조를 포함하는 도 33a의 구성에 대응하여 픽셀 스트립의 픽셀 이득 응답의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 34a는, 제 2 구성 예에서 하나의 세트의 콜리메이터가 검출기 서브-모듈의 상부에 배열된 경우, 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 34b는 제 2 구성 예의 콜리메이터 구조를 포함하는 도 34a의 구성에 대응하여 픽셀 스트립의 픽셀 이득 응답의 예를 나타내는 개략도이다.
도 35는 또 다른 하나의 검출기 깊이-세그먼트화 서브-모듈(부분적으로만 도시됨)에 인접하여 배열된 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 36은 나란히 배열된 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈의 또 다른 예를 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하여, 예시적인 전체의 x-선 영상화 시스템의 개요로 시작하는 것이 유용할 수 있다. 이 비제한적인 예에서, x-선 영상화 시스템(100)은 기본적으로 x-선 광원(10), x-선 검출기(20) 및 관련된 영상 처리 장치(30)로 구성된다. 일반적으로, x-선 검출기(20)는 선택적인 x-선 광학에 의해 초점이 맞춰졌을 수 있고 대상 또는 피사체 또는 그 일부를 통과했을지도 모를 x-선 광원(10)으로부터의 방사선을 등록하도록 설정된다. x-선 검출기(20)는 영상 처리 장치(30)에 의해 영상 처리 및/또는 영상 재구성을 가능하게 하기 위해 (x-선 검출기(20)에 통합될 수 있는) 적절한 아날로그 처리 및 판독 전자 장치를 통해 영상 처리 장치(30)에 연결된다.

도 2에 예시된 바와 같이, x-선 영상화 시스템(100)의 다른 예는 x-선을 방출하는 x-선 광원(10); x-선이 대상을 통과한 후 x-선을 검출하는 x-선 검출기(20); 검출기로부터의 미가공 전기 신호를 처리하고 그것을 디지털화하는 아날로그 처리 회로(25); 보정을 적용하거나, 그것을 임시로 저장하거나, 필터링하는 것과 같이 측정된 데이터에 추가적인 처리 동작을 수행할 수 있는 디지털 처리 회로(40); 및 처리된 데이터를 저장하고 추가적인 후처리 및/또는 영상 재구성을 수행할 수 있는 컴퓨터(50)로 구성된다.

전체 검출기는 x-선 검출기(20) 또는 관련된 아날로그 처리 회로(25)에 결합된 x-선 검출기(20)로 간주될 수 있다.

디지털 처리 회로(40) 및/또는 컴퓨터(50)를 포함하는 디지털 부는 디지털 영상 처리 시스템(30)으로 간주될 수 있고, 디지털 영상 처리 시스템(30)은 x-선 검출기로부터의 영상 데이터에 기초한 영상 재구성을 수행한다. 영상 처리 시스템(30)은 이에 따라 컴퓨터(50), 또는 대안적으로 디지털 처리 회로(40) 및 컴퓨터(50)의 결합된 시스템, 또는 가능할 경우 디지털 처리 회로가 영상 처리 및/또는 재구성에 대해서 또한 더 전문화될 경우 디지털 처리 회로(40) 그 자체로 여겨질 수 있다.

흔히 사용되는 x-선 영상화 시스템의 예는 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템이고, 이는 x-선의 팬 또는 콘 빔을 생산하는 x-선 광원 및 환자나 대상을 통해 전송되는 x-선의 분율을 등록하는 대향하는 x-선 검출기 시스템을 포함할 수 있다. x-선 광원 및 검출기 시스템은 보통 영상화된 대상 주위로 회전하는 갠트리 내에 장착된다.

따라서, 도 2에 예시된 x-선 광원(10) 및 x-선 검출기(20)은 이에 따라, CT 시스템의 일부로써, 예를 들어 CT 갠트리 내에 장착 가능하게 배치될 수 있다.

x-선 영상화 검출기에 대한 도전은 대상 또는 피사체의 영상에 인풋을 제공하기 위해 검출된 x-선으로부터 최대 정보를 추출하는 것이고, 여기에서 대상 또는 피사체는 밀도, 구성 요소 및 구조로 묘사된다. 필름-스크린을 검출기로 사용하는 것이 여전히 흔하지만, 오늘날의 검출기는 주로 디지털 영상을 제공한다.

현대의 x-선 검출기는 보통 입사하는 x-선을 전자로 변환시켜야 하고, 이는 전형적으로 광흡착(photo absorption)을 통해 또는 컴프턴 상호 작용(컴프턴 interaction)을 통해 일어나며, 결과로 초래된 전자는 보통 그의 에너지가 손실되고 이 광선이 감광성 물질에 의해 차례로 검출될 때까지 이차적인 가시광을 생성한다. 또한, 반도체에 기반한 검출기도 있고, 이 경우 x-선에 의해 생성된 전자는 적용된 전기장을 통해 수집된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)으로써 전하를 생성한다.

종래의 x-선 검출기는 에너지 통합형이고, 각각의 검출된 광자로부터 검출된 신호로의 기여도는 따라서 그의 에너지에 비례하고, 종래의 CT에서, 측정은 단일 에너지에 대해 획득된다. 종래의 CT 시스템에 의해 생산된 영상은 따라서 일정한 모습을 갖고, 여기에서 상이한 조직 및 물질은 일정 범위에서 전형적인 값으로 나타난다.

다수의 x-선으로부터 통합된 신호를 제공한다는 의미에서 통합 모드에서 작동하는 검출기가 있으며, 신호는 픽셀에서 입사 x-선의 수를 가장 잘 추측하기 위해 나중에 디지털화된다.

광자 계수 검출기는 또한 일부 응용에서 현실성 있는 대안으로써 나타났고, 현재 그러한 검출기는 주로 유방조영술에서 상업적으로 이용 가능하다. 광자 계수 검출기는 원칙적으로 각각의 x-선에 대해 에너지가 측정될 수 있기 때문에 대상의 구성 요소에 대해 추가적인 정보를 산출하는 이점을 갖는다. 이러한 정보는 영상 품질을 증가시키고 및/또는 방사선량을 감소시키는데 사용될 수 있다.

에너지 통합 시스템과 비교하여, 광자 계수 CT는 다음의 이점을 갖는다. 첫째, 에너지-통합 검출기에 의해 신호에 통합되는 전자 잡음은 광자 계수 검출기에서 잡음 플로어 위에 최저 에너지 문턱을 세팅함으로써 제거(reject)될 수 있다. 둘째, 에너지 정보는 검출기에 의해 추출될 수 있고, 이는 최적의 에너지 가중에 의해 대조 대 잡음 비(contrast-to-noise ratio)를 개선시키고 또한 이른바 물질 기저 분해를 허용하며, 그에 의해 검사된 피사체 또는 대상의 상이한 물질 및/또는 구성 요소가 효과적으로 구현되도록, 식별되고 정량화될 수 있다. 셋째, K-에지 영상화와 같은, 분해 기술에 유용한 둘 이상의 기저 물질이 사용될 수 있고, 그럼으로써 조영제, 예를 들어 요오드 또는 가돌리늄의 분포는 정량적으로 결정된다. 넷째, 검출기 잔광(afterglow)이 없으며, 이는 높은 각도의 해상도가 획득될 수 있음을 의미한다. 마지막으로 중요한 것은, 더 작은 픽셀 크기를 이용하여 더 높은 공간 해상도가 달성될 수 있다는 것이다.

광자 계수 x-선 검출기용으로 가장 유망한 물질은 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT) 및 실리콘(Si)이다. CdTe 및 CZT는 임상 CT에 사용되는 고 에너지 x-선의 높은 흡수 효율을 위해 여러 광자 계수 스펙트럼 CT 프로젝트에 사용된다. 그러나, 이들 프로젝트는 CdTe/CZT의 여러 결점으로 인해 처리가 느리다. CdTe/CZT는 낮은 전하 캐리어 이동성을 갖고, 이는 임상 실험에서 발생하는 것 보다 10 배 낮은 플럭스율에서 심각한 펄스 파일업을 유발한다. 이 문제를 완화하는 한 방법은 픽셀 크기를 감소시키는 것이지만, 그것은 전하 공유 및 K-이스케이프(escape)의 결과로써 증가된 스펙트럼 왜곡을 가져온다. 또한, CdTe/CZT는 전하 트랩(trap)을 야기하는데, 이는 광자 플럭스가 일정 레벨 위에 도달할 때 아웃풋 계수율의 급속한 하락을 유발하는 편광으로 이어질 수 있다.

대조적으로, 실리콘은 더 높은 전하 캐리어 이동성을 갖고 편광의 문제에서 자유롭다. 원만한 제조 공정 및 비교적 낮은 비용 또한 그의 장점이다. 그러나, 실리콘은 CdTe/CZT에 없는 한계가 있다. 실리콘 센서는 따라서 그의 낮은 정지력(stopping power)을 보완하기 위해 매우 두꺼워야 한다. 보통, 실리콘 센서는 입사하는 광자의 대부분을 흡수하기 위해 수 센티미터의 두께가 요구되고, 반면에 CdTe/CZT는 오직 수 밀리미터만 요구된다. 다른 한편으로, 실리콘의 긴 감쇠 경로는 또한 검출기를 상이한 깊이 세그먼트(depth segments)로 나누는 것을 가능하게 하고, 이는 아래에서 설명될 것이다. 이는 결국 실리콘 기반의 광자 계수 검출기가 CT에서 높은 플럭스를 적절하게 처리하는 것을 가능하게 한다.

실리콘 또는 게르마늄과 같은, 간단한 반도체 물질을 사용할 때, 컴프턴 산란은 많은 x-선 광자가 검출기에서 전자-정공 쌍으로의 변환 전에 고 에너지에서 저 에너지로 변환하도록 한다. 이는 예상한 것 보다 훨씬 적은 전자-정공 쌍을 생산하여, 최초의 더 높은 에너지에서, x-선 광자의 큰 분율을 가져오고, 이는 결국 에너지 분포의 로우 엔드(low end)에서 나타나는 광자 플럭스의 상당한 부분을 초래한다. 가능한 많은 x-선 광자를 검출하기 위해서, 따라서 가능한 저 에너지를 검출하는 것이 필요하다.

도 3은 세 개의 상이한 x-선 튜브 전압에 대한 에너지 스펙트럼의 예를 예시하는 개략도이다. 에너지 스펙트럼은 더 낮은 에너지 범위에서의 컴프턴 이벤트 및 더 높은 에너지 범위에서의 광전 흡수 이벤트를 포함하여, 상이한 유형의 반응의 혼합으로부터 증착된 에너지로 형성된다.

x-선 영상화의 추가적인 개선은 에너지-분해된 x-선 영상화이고, 이는 또한 스펙트럼 x-선 영상화로도 공지되어 있으며, x-선 전송은 여러 상이한 에너지 레벨에 대해 측정된다. 이는 상이한 x-선 스펙트럼을 방출하는 둘 또는 그 이상의 x-선 광원을 이용하여, 또는 또한 에너지 빈으로도 불리우는, 둘 또한 그 이상의 에너지 레벨에서 유입하는 방사선을 측정하는 에너지-판별 검출기를 이용하여, 광원 스위치를 빠르게 두 개의 상이한 방출 스펙트럼 사이에 둠으로써 달성될 수 있다.

다음에서, 에너지-판별 광자 계수 검출기의 예의 간략한 설명이 도 4를 참조하여 주어진다. 이 예에서, 각각의 등록된 광자는 문턱 세트에 비교되는 전류 펄스를 생성하고, 그럼으로써 다수의 에너지 빈 각각에서 입사하는 광자의 수를 카운트한다.

일반적으로, 컴프턴 산란 이후의 광자 또한 포함하는, x-선 광자는 반도체 검출기 내부에서 전자-정공 쌍으로 변환되고, 전자-정공 쌍의 개수는 일반적으로 광자 에너지에 비례한다. 전자와 정공은 그 후 검출기 전극을 향해 드리프트하고(drift), 검출기를 떠난다. 이러한 드리프트 동안에, 전자와 정공은 전극 내에서 전류를 유도하고, 예를 들어 전하증폭기(Charge Sensitive Amplifier(CSA))를 통해 측정될 수 있는 전류는, 도 4에 개략적으로 예시된 바와 같이, 성형 필터(Shaping Filter(SF))로 이어진다.

하나의 x-선 이벤트로부터 전자와 정공의 수는 x-선 에너지에 비례하기 때문에, 하나의 유도된 전류 펄스의 총 전하는 이 에너지에 비례한다. 전류 펄스는 전하증폭기(CSA)에서 증폭된 후 성형 필터(SF)에 의해 걸러진다. 성형 필터의 적절한 성형 시간을 선택함으로써, 필터링 이후의 펄스 진폭은 전류 펄스의 총 전하에 비례하고, 따라서 x-선 에너지에 비례한다. 성형 필터에 이어서, 펄스 진폭은 하나 또는 그 이상의 비교기(comparator: COMP)에서 그의 값을 하나 또는 여러 문턱 값(Thr)과 비교함으로써 측정되고, 카운터가 도입되며 그에 의해 펄스가 문턱 값 보다 클 때 건수가 기록될 수 있다. 이러한 방법으로 일정 시간 프레임 내에 검출된 각각의 문턱값(Thr)에 상응하는 에너지를 초과하는 에너지를 갖는 x-선 광자의 수를 카운트 및/또는 기록하는 것이 가능하다.

여러 상이한 문턱 값을 이용할 경우, 이른바 에너지-판별 검출기가 획득되고, 여기에서 검출된 광자는 다양한 문턱 값에 상응하는 에너지 빈으로 분류될 수 있다. 때로는, 이러한 유형의 검출기는 또한 멀티-빈 검출기로도 불린다.

일반적으로, 에너지 정보는 생성될 새로운 종류의 영상을 허용하고, 여기에서 새로운 정보를 이용할 수 있고 종래의 기술에 내재한 영상 아티팩트가 제거될 수 있다.

다시 말하면, 에너지-판별 검출기에 대해서, 펄스 높이는 비교기에서 다수의 프로그램 가능한 문턱에 비교되고 펄스 높이에 따라 분류되며, 결국 에너지에 비례한다.

그러나, 임의의 전하증폭기에 내재된 문제는 전하 증폭기가 검출된 전류에 전자 잡음을 첨가할 것이라는 점이다. 실제 x-선 광자 대신에 잡음을 검출하는 것을 피하기 위해, 따라서 잡음 값이 문턱 값을 초과하는 횟수가 x-선 광자의 검출을 방해하지 않을 정도로 충분히 낮을 수 있도록 최저 문턱 값(Thr)을 충분히 높게 설정하는 것이 중요하다.

x-선 영상화 시스템의 방사선량의 감소에 주요한 장애물인 잡음 플로어 위에 최저 문턱을 설정함으로써, 전자 잡음은 상당히 감소될 수 있다.

성형 필터는 성형 시간의 값이 크면 x-선 광자에 의해 긴 펄스가 발생하여 필터 이후의 노이즈 진폭이 감소한다는 일반적인 특성을 갖는다. 성형 시간의 값이 작으면 펄스가 짧아지고 노이즈 진폭이 커진다. 따라서, 가능한 한 많은 x-선 광자를 계수하기 위해서는 노이즈를 최소화하고 상대적으로 작은 임계 레벨을 사용할 수 있도록 성형 시간이 길어야 한다.

계수 x-선 광자 검출기의 또 다른 문제는 소위 파일업(파일업) 문제이다. x-선 광자의 플럭스율이 높으면 2개의 후속 전하 펄스를 구별하는 데 문제가 있을 수 있다. 위에서 언급했듯이, 필터 이후의 펄스 길이는 성형 시간에 따라 달라진다. 이러한 펄스 길이가 2개의 x-선 광자에 의해 유도된 전하 펄스 사이의 시간보다 크면, 펄스가 함께 성장하고 2개의 광자는 구별되지 않으며 하나의 펄스로 계수될 수 있다. 이를 파일업이라 칭한다. 높은 광자 플럭스에서 파일업을 방지하기 위한 한 가지 방법은 작은 성형 시간을 사용하는 것이다.

흡수 효율을 증가시키기 위해서, 검출기는 에지-온에 배치될 수 있고, 그 경우 흡수 깊이는 임의의 길이로 선택될 수 있고 검출기는 여전히 매우 높은 전압으로 가지 않고 충분히 감소될 수 있다.

특히, 실리콘은 검출기 물질로서 높은 순도 및 전하 캐리어(전자-정공 쌍)의 생성에 요구되는 저 에너지 및 또한 이러한 전하 캐리어에 대한 높은 이동성과 같은 많은 이점을 갖는데, 이는 그것이 고율의 x-선에 대해서도 효과가 있을 것이라는 것을 의미한다. 실리콘은 또한 대량으로 쉽게 구할 수 있다.

실리콘이 갖는 주요 도전은 그것이 더 높은 에너지에 대해 효과적인 흡수재가 될 수 있도록 매우 두껍게 제작되어야 함을 의미하는, 그의 낮은 원자 번호 및 저밀도이다. 낮은 원자 번호는 또한 검출기에서 컴프턴 산란된 x선 광자의 분율이 산란된 광자의 문제를 생성할 광-흡수된 광자에 대해 우세할 것이라는 것을 의미하는데, 이는 그들이 픽셀에서 잡음과 대등하게 될 검출기의 다른 픽셀에서 신호를 유도할 수 있기 때문이다. 그러나, 실리콘은 예를 들어 2000년 Proc. SPIE, Physics of Medical Imaging, vol. 3977, pp. 239-249 San Diego에서 M. Danielsson, H. Bornefalk, B. Cederstrom, V. Chmill, B. Hasegawa, M. Lundqvist, D. Nygren and T. Tabar에 의해 "디지털 유방조영술에 대한 선량-효과 시스템(Dose-efficient system for digital mammography)"에서 서술된 바와 같이, 더 낮은 에너지를 갖는 응용에서 성공적으로 사용되었다. 실리콘에 대한 낮은 흡수 효율의 문제를 극복하는 한 가지 방법은 간단하게 그것을 매우 두껍게 제조하는 것인데, 실리콘은 약 500 ㎛의 두께인 웨이퍼 내에서 생산되고 이들 웨이퍼는 x-선이 입사하는 에지-온이고 실리콘의 깊이는 요구될 경우 웨이퍼의 직경 정도가 될 수 있도록 배향될 수 있다.

고효율을 얻기에 충분한 실리콘 깊이를 만들기 위한 다른 방법은 1999년 Sherwood Parker의 미국 특허 제 5,889,313호 "고체 상태 방사선 검출기를 위한 3차원 구조(three dimensional architecture for solid state radiation detectors)"에서 지지되고, 이는 진보적인 방법이지만 그것이 상업적인 영상화 검출기에 사용되지 않은 이유가 될 수 있는 일부 비표준 생산 방법을 수반한다.

우리가 발견할 수 있는 x-선 검출기로서 에지-온 지오메트리에서 결정질 실리콘 스트립 검출기의 제 1 언급은 R. Nowotny에 의한 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 "의학에서 Si-마이크로스트립 검출기의 응용 및 구조적 분석(Application of Si-Microstrip-Detectors in Medicine and Structural Analysis)"이다. 이는 주로 더 높은 컴프턴 산란의 분율 및 이에 관련된 문제로 인해, 실리콘이 컴퓨터 단층촬영과 같이 고 에너지에 대해서가 아니라 유방 영상화에 대해서와 같이 저 에너지에서 효과가 있을 것이다.

반도체 검출기의 에지-온 지오메트리는 또한 Robert Nelson의 미국 특허 제4,937,453호 "방사선 영상화를 위한 X-선 검출기(X-ray detector for radiographic imaging)", David Nygren의 미국 특허 제5,434,417호 "고해상도 에너지-민감성 디지털 X-선(High resolution energy-sensitive digital X-ray)" 및 Robert Nelson의 미국 특허 출원 공개 제2004/0251419호에서 제안된다. 미국 특허 출원 공개 제2004/0251419호에서, 에지-온 검출기는 이른바 컴프턴 영상화로 불리는데 사용되고, 여기에서 컴프턴 산란된 x-선의 에너지 및 방향은 최초의 x-선의 에너지의 추정치를 만들기 위해 측정된다. 컴프턴 영상화의 방법은 오랫동안 문헌에서 많이 논의되어 왔지만, 양전자 방출 단층촬영(Positron Emission Tomography)과 같이, x-선 영상화에 사용된 것보다 높은 에너지에 주로 적용된다. 컴프턴 영상화는 본 발명에 관련되지 않는다.

S. Shoichi Yoshida, Takashi Ohsugi에 의한 논문, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 (2005) 412-420 "실리콘 스트립 검출기의 X-선 컴퓨터 단층촬영으로의 적용(Application of silicon strip detectors to X-ray computed tomography)"에서, 에지-온 개념의 구현이 서술된다. 이 구현에서 에지-온 실리콘 스트립 사이에 위치된 얇은 텅스텐 플레이트는 산란된 x-선의 배경을 축소시키고 저선량을 갖는 영상 콘트라스트를 개선시킨다. 그 구현은 R. Nowotny에 의해 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 "의학에서 Si-마이크로스트립 검출기의 응용 및 구조적 분석(Application of Si-Microstrip-Detectors in Medicine and Structural Analysis)"에서 제안된 것과 매우 유사하다.

여러 제안이 CdZnTe와 같은 하이(high)-Z 물질에 기초한 광자 계수 반도체 검출기에 대해 이루어졌고, 임상 영상은 또한 사진식(phototype) 검출기로 획득되었다. 이러한 물질이 갖는 결점은 생산량의 비용 및 경험의 부재이다.

특히 의료 영상화를 위한 광자 계수 검출기에 상당한 관심이 있었으나 지금까지 약 40 keV보다 높은 에너지에서 작동하는 상업적 솔루션은 없다. 이는 실현 가능하고 쉽게 구할 수 있는 물질로 검출기를 제조하는 데에 문제가 있기 때문이다; 이국적인 하이 Z 반도체(exotic high Z semiconductors)는 여전히 비싸고 입증되지 않았다. 실리콘은 낮은 에너지에 효과가 있었으나, 보다 높은 에너지에 대해서는, 지오메트리 및 흡수 측면에서 높은 검출 효율을 결합한다는 점에서 예를 들면 오늘날의 CT 양식의 지오메트리 요건을 충족하는 검출기의 작동 시스템 어셈블리와 함께 컴프턴 산란의 높은 분율 문제가 금지된 문제였다.

미국 특허 제8,183,535호는 광자 계수 에지-온 x-선 검출기의 예를 개시한다. 이 특허에서, 전체 검출기 영역을 형성하기 위해 함께 배치된 다수의 반도체 검출기 서브-모듈이 있고, 여기에서 각각의 반도체 검출기 서브-모듈은 유입하는 x-선에 에지-온 배향된 x-선 센서로 구성되고 x-선 센서에서 반응하는 x-선의 등록을 위해 통합된 회로에 연결된다.

반도체 검출기 서브-모듈은 보통 반도체 검출기 서브-모듈 중 적어도 일부 사이에서 통합되는 산란 방지 모듈을 제외하고, 거의 완벽한 지오메트리 효율을 갖는 대개 임의의 크기의 완전한 검출기를 형성하기 위해 함께 타일링(tile)된다. 바람직하게, 각각의 산란 방지 모듈은 근접한 검출기 서브-모듈에 도달하는 반도체 검출기 서브-모듈의 대부분의 컴프턴 산란된 x-선을 방지하기 위해 비교적 무거운 물질의 포일을 포함한다.

도 5는 예시적인 실시예에 따른 X-선 검출기의 개략도이다. 이 예에서, x-선(C)을 방출하는 x-선 광원(B)을 갖는 X-선 검출기(A)의 개략도가 도시된다. 검출기(D)의 요소는 광원으로 돌아가는 것을 가리키고, 이에 따라 바람직하게 약간 만곡된 전체 배열 형태에 배치된다. 검출기의 두 가지 가능한 스캐닝 동작(E, F)이 표시된다. 각각의 스캐닝 동작에서 광원은 정지되거나 움직일 수 있고, (E)로 표시된 스캐닝 동작에서 x-선 광원 및 검출기는 사이에 위치된 대상 주위로 회전될 수 있다. (F)로 표시된 스캐닝 동작에서 검출기 및 광원은 대상에 대해 병진 이동 될 수 있고, 또는 대상이 움직일 수 있다. 또한 스캐닝 동작(E)에서 대상은 회전 중에 병진 이동될 수 있으며, 이른바 나선형 주사(spiral scanning)라고 한다. 예로써, CT 구현에 대해서, x-선 광원 및 검출기는 영상화될 대상 또는 피사체 주위로 회전하는 갠트리 내에 장착될 수 있다.

도 6은 예시적인 실시예에 따른 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다. 이는 검출기 요소 또는 픽셀(22)로 분리된 센서부(21)를 갖는 반도체 검출기 서브-모듈의 예이고, 여기에서 각각의 검출기 요소 (또는 픽셀)는 보통 주요 구성 요소로서 전하 수집 전극을 갖는 다이오드에 기초한다. x-선은 반도체 센서의 에지를 통해 들어 간다.

도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서, 반도체 센서부(21)는 다시 x-선이 에지를 통해 들어간다고 추정할 때, 깊이 방향으로 이른바 깊이 세그먼트(22)로 또한 분리된다.

보통, 검출기 요소는 검출기의 개별적인 x-선 감응형 서브 요소이다. 일반적으로, 광자 반응은 검출기 요소에서 일어나고 이에 따라 발생된 전하는 검출기 요소의 상응하는 전극에 의해 수집된다.

각각의 검출기 요소는 전형적으로 프레임의 시퀀스로서 입사하는 x-선 플럭스를 측정한다. 프레임은 이른바 프레임 시간으로 불리는, 특정 시간 주기 동안 측정된 데이터이다.

검출기 위상에 의존하여, 검출기 요소는 특히 검출기가 평면 패널 검출기일 때, 픽셀에 상응할 수 있다. 깊이 세그먼트 검출기는 다수의 검출기 스트립을 갖는 것으로 간주될 수 있고, 각각의 스트립은 다수의 깊이 세그먼트를 갖는다. 그러한 깊이 세그먼트 검출기에 대해서, 각각의 깊이 세그먼트는 특히 각각의 깊이 세그먼트가 그 자신의 개별적인 전하 수집 전극에 관련될 경우, 개별적인 검출기 요소로 간주될 수 있다.

깊이 세그먼트 검출기의 검출기 스트립은 보통 일반적인 평면 패널 검출기의 픽셀에 상응한다. 그러나, 깊이 세그먼트 검출기를 3차원의 픽셀 어레이로 간주하는 것 또한 가능하고, 여기에서 각각의 (때로는 복셀(voxel)로 언급되는) 픽셀은 개별적인 깊이 세그먼트/검출기 요소에 상응한다.

반도체 센서는 반도체 센서가 전기 라우팅에 대해서 및 바람직하게는 이른바 플립-칩(flip-chip) 기술을 통해 부착되는 다수의 주문형 반도체(ASIC)에 대해서 베이스 기판으로서 사용된다는 의미에서, 이른바 다중칩 모듈(Multi-Chip 모듈s: MCM)로서 구현될 수 있다. 라우팅은 ASIC로부터 외부 메모리 및/또는 디지털 데이터 처리까지의 연결 뿐만 아니라 각각의 픽셀 또는 검출기 요소로부터 ASIC 입력까지의 신호에 대한 연결을 포함할 것이다. ASIC에 대한 동력은 이들 연결에서 대전류(large current)에 요구되는 단면에서의 증가를 고려하는 유사한 라우팅을 통해 제공될 수 있지만, 동력은 또한 분리된 연결을 통해 제공될 수 있다. ASIC는 능동 센서의 측면에 위치될 수 있고, 이는 흡수 커버가 상부에 위치되는 경우 입사하는 x-선으로부터 그것이 보호될 수 있고 또한 이 방향으로 흡수재를 위치시킴으로써 측면에서 산란된 x-선으로부터 그것 역시 보호될 수 있다는 것을 의미한다.

도 8a는 미국 특허 제8,183,535호의 실시예와 유사한, 다중칩 모듈(Multi-Chip 모듈 MCM)로서 구현되는 반도체 검출기 서브-모듈의 예를 예시하는 개략도이다.

이 예에서, 어떻게 반도체 센서(21)가 다중칩 모듈(MCM)에서 기판의 기능을 가질 수 있는지 예시된다. 신호는 검출기 요소 또는 픽셀(22)로부터 능동 센서 영역 다음에 위치된 평행한 처리 회로(24)(예를 들어, ASIC)의 입력까지의 신호 경로(23)에 의해 전송된다. 용어 주문형 반도체(ASIC)는 특정 응용에 대해 사용되고 설정되는 임의의 일반적인 집적 회로로서 광범위하게 해석되어야 함을 이해해야 한다. ASIC는 각각의 x-선으로부터 발생된 전하를 처리하고 그것을 광자를 검출하기 위해 및/또는 광자의 에너지를 추정하기 위해 사용될 수 있는 디지털 데이터로 변환한다. ASIC는 디지털 처리 회로 및/또는 MCM의 외부에 위치된 메모리로의 연결에 대해 설정될 수 있고 최종적으로 데이터는 영상을 재구성하기 위해 입력으로써 이용될 수 있다.

그러나, 깊이 세그먼트를 사용하면 실리콘-기반 광자 계수 검출기에 문제가 발생한다. 관련 검출기 세그먼트로부터 공급되는 데이터를 처리하려면 많은 수의 ASIC 채널을 사용해야 한다.

도 8b는 타일식 검출기 서브-모듈 세트의 일 예를 예시하는 개략도이다, 여기에서 각각의 검출기 서브-모듈은 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈이고, ASIC 또는 대응 회로(24)는 입사되는 x-선의 방향에서 볼 때 검출기 요소(22) 아래에 배열되어 검출기 요소 사이의 공간에서 검출기 요소(22)로부터 ASIC(24)에로 경로(23)를 라우팅할 수 있게 된다.

일반적으로 사용되는 x-선 영상화 시스템의 일 예로는 x-선 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템이 있고, 이는 x-선의 팬 또는 콘 빔을 생산하는 x-선관 및 환자 또는 대상을 통해 전송되는 x-선의 분율을 측정하는 대향하는 x-선 검출기 어레이를 포함할 수 있다. x-선관 및 검출기 어레이는 영상화된 대상을 중심으로 회전하는 갠트리에 장착된다. CT 지오메트리의 예시적인 일 예가 도 9에 도시된다.

검출기 어레이의 치수 및 분할(segmentation)은 CT 장치의 영상화 기능에 영향을 미친다. 갠트리의 회전축 방향, 즉, 도 9의 z-방향에서 다수의 검출기 요소는 다중-슬라이스 영상 획득을 가능하게 한다. 각도 방향(도 9에서 ξ)에서 다수의 검출기 요소는 동일한 평면에서 여러 투사를 동시에 측정할 수 있으며, 이는 팬/콘-빔 CT에 적용된다. 대부분의 기존 검출기는 2차원적이며 (평면 패널 검출기라고도 함), 슬라이스 (z) 및 각도(ξ) 방향으로 검출기 요소가 있음을 의미한다.

주어진 회전 위치에 대해 각각의 검출기 요소는 특정 투사 라인에 대해 전송된 x-선을 측정한다. 이러한 측정을 투사 측정이라고 한다. 많은 투사 라인에 대한 투사 측정값 수집을 사이노그램이라고 하는데, 검출기가 2차원적이라 하더라도 사이노그램은 3-차원 영상이 된다. 사이노그램 데이터는 영상 재구성을 통해 영상화된 대상의 내부의 영상을 얻기 위해 활용된다. 각각의 투사 라인(사이노그램에서 하나의 지점)은, 도 10에 정의된 바와 같이, 각도 좌표(Q) 및 방사형 좌표(r)에 의하여 지정된다. (r, Q)에 의해 주어진 특정 좌표에서 검출기 요소를 사용한 각각의 측정은 사이노그램의 샘플이다. 일반적으로 사이노그램의 샘플이 많을수록 실제 사이노그램을 더 잘 표현할 수 있으므로 더 정확하게 재구성된 영상이 된다.

도 12는 영상 처리와 같은 전체 x-선 영상화 시스템의 다양한 기능을 수행하기 위한 일 실시 예에 따른 컴퓨터 구현의 일 예를 나타내는 개략도이다. 이러한 특정 에에서, 시스템(200)은 프로세서(210) 및 메모리(220)을 포함하고, 메모리는 프로세서에 의하여 수행가능한 명령어를 포함하여, 프로세서는 본 명세서에서 설명된 단계 및/또는 동작을 수행하도록 동작한다. 명령어는 일반적으로 컴퓨터 프로그램(225; 235)으로서 구성되고, 이는 메모리(220)에 미리 구성되거나 외부 메모리 장치(230)로부터 다운로드 가능하다. 선택적으로, 시스템(200)은 입력 파라미터(들) 및/또는 결과적인 출력 파라미터(들)와 같은 관련 데이터의 입력 및/또는 출력을 가능하게 하기 위해 프로세서(들)(210) 및/또는 메모리(220)에 상호 연결될 수 있는 입력/출력 인터페이스(240)를 포함한다.

“프로세서”라는 용어는 특정 처리, 결정, 또는 컴퓨팅 작업을 수행하기 위해 프로그램 코드 또는 컴퓨터 프로그램 명령어를 실행할 수 있는 임의의 시스템 또는 장치로 일반적인 의미에서 해석되어야 한다.

따라서 하나 이상의 프로세서를 포함하는 처리 회로는 컴퓨터 프로그램을 실행할 때 여기에 설명된 바와 같이 잘-정의된 처리 작업을 수행하도록 구성됩니다.

본 발명은 기본적으로 다수의 x-선 검출기 서브-모듈을 갖는 x-선 검출기 또는 x-선 센서에 관한 것으로, 여기에서 각각의 검출기 서브-모듈은 x-선 방향으로 공간적 분리와 함께 x-선 강도의 측정을 가능하게 하도록 배열된 검출기 요소를 갖는 에지-온 검출기 서브-모듈이다.

에지-온은 x-선 검출기를 위한 설계이며, 각각의 서브-모듈은 적어도 2개의 방향으로 연장되는 검출기 요소를 가지며, 에지-온 검출기의 방향 중 하나는 x-선 방향으로 성분을 갖는다.

에지-온 검출기의 특정 예는 입사되는 x-선 방향으로 검출기 요소의 2개 이상의 깊이 세그먼트를 갖는 깊이-세그먼트화 x-선 검출기이다. 그러나 제안된 기술은 일반적으로 세그먼트화 및 비-세그먼트화 x-선 검출기를 포함한 모든 유형의 에지-온 검출기에 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다.

각각의 검출기 서브-모듈은 일반적으로 검출기 요소가 배열되는 기판을 기반으로 하고, 각각의 검출기 서브-모듈은 대체로 검출기 요소의 어레이 또는 매트릭스를 둘러싸고 검출기 서브-모듈의 측면(에지)을 따라 연장되는 외부 가드 링 구조를 갖는다.

검출기 서브-모듈은 차례로 적층될 수 있고/있거나 나란히 배열될 수 있다. 검출기 서브-모듈은 예를 들어 CT 시스템에 적절할 수 있는 약간 구부러진 전체 구성에서 일반적으로 나란히 배열될 수 있다.

본 발명자들은 모듈식 에지-온 x-선 검출기의 정상적인 상황은 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 물리적인 갭(제조 시 실제적인 고려 사항에서 발생)이 검출 기능이 없는 수동 또는 데드 영역(또한, 비-검출 영역으로도 칭함)을 생성할 수 있다는 것을 알아내었다. 또한, 가드 링 구조는 이러한 데드 영역에 기여한다.

따라서 유효 검출기 영역을 늘리고/늘리거나 전체 검출기 영역에서 데드 영역을 줄이는 x-선 검출기 설계를 제공하는 것이 바람직하다.

이러한 데드 영역 또는 최소한 이러한 영역을 갖는 데 따른 효과를 줄이는 것은 향상된 영상 품질에 매우 유용하다.

가능한 해결책은 검출기 서브-모듈이 나란히 배열될 때 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나가 서브-모듈 간의 갭 연장부에서 검출 커버리지를 제공하는 방식으로 검출기 서브-모듈을 구성하는 것에 기초한다.

전체 설계에서, 검출기 서브-모듈은 2개의 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 갭의 적어도 일부가 x-선 광원을 향하여 (더욱 구체적으로는 x-선 초점을 향하여) 선형적으로 배향되지 않도록 구성 및 배치될 수 있다.

이러한 방식으로 초점으로부터 갭을 통과하게 배향된 임의의 가능한 x-선 빔 경로가 전혀 없게 된다. 이러한 설계는 갭의 적어도 일부분에 대해 그러한 x-선 빔 경로(들)와 관련하여 0이 아닌 각도로 인접한 검출기 서브-모듈 사이에 갭을 제공한다.

다시 말해, 검출기 서브-모듈은 전체 구성에서 검출기 서브-모듈이 나란히 배열될 때 사실상 모든 입사되는 x-선이 전체 x-선 검출기의 유효 검출 영역의 적어도 일부를 통과하는 방식으로 구성된다. 약간 다르게 표현하면, 이상적으로는 각각의 입사되는 x-선은 검출기 서브-모듈의 적어도 일부를 통과하여 검출된다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈은 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템의 z-방향으로 및/또는 z-방향에 수직인 방향으로 나란히 배열될 수 있다.

보다 일반적으로, “나란히”는 인접한 검출기 서브-모듈이 나란히 만나는 것을 의미하며, “측면”은 서브-모듈의 측면에 해당하고, 그 측면을 따라 전체 가드 링 구조의 일부가 연장된다.

다르게 표현하면, x-선 검출기 서브-모듈은 일반적으로 평면형 모듈이며, 검출기 서브-모듈은 일반적으로 검출기 서브-모듈의 면내 방향으로 나란히 배열된다.

실제에 있어서, 검출기 서브-모듈의 기판 상에 검출기 요소를 배열하여 입사되는 x-선이 가능한 한 많은 공간/에너지 정보를 제공하기 위해 가능한 많은 검출기 요소를 통과할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

사실상, 신규한 본 설계로 인하여, 인접한 검출기 서브-모듈은 동일한 검출기 요소(들)의 정보를 “공유”할 수 있고/있거나 인접한 검출기 서브-모듈로부터의 상이한 검출기 요소의 출력 신호가 결합될 수 있음을 의미할 수 있다.

이를 통해 데이터를 시스템의 다음 레벨으로 전달하기 전에 모듈 레벨에서 전체 검출기/픽셀 스트립 데이터를 통합 할 수 있게 된다. 세그먼트-레벨 데이터를 제공할 수 있다는 것 또한 중요할 수 있음을 이해해야 한다.

예를 들어, 검출기 요소는 x-선 시스템의 초점을 향하여 배향된 길이 연장부를 갖는 장방형 전극으로 될 수 있다.

예를 들어, 검출기 서브-모듈은 금속 스트립이 있는 실리콘 칩으로 될 수 있다.

제 2 측면에 따르면, 이러한 x-선 검출기를 포함하는, 예를 들면 도 1 또는 도 2의 시스템과 유사한, x-선 영상화 시스템이 제공된다.

도 13a는 x-선 초점에 위치한 x-선 광원에 대해 약간 구부러진 전체 지오메트리에서 나란히 배열된 다수의 검출기 서브-모듈을 포함하는 모듈식 x-선 검출기의 일 예를 예시하는 개략도이다.

상술한 바와 같이, 검출기 서브-모듈은 차례로 적층될 수 있고 (도 13c에 나타낸 바와 같이) 및/또는 나란히 배열될 수 있다 (도 13a 및 도 13c에 나타낸 바와 같이). 검출기 서브-모듈은 일반적으로, 예를 들면, 약간 만곡된 전체 구성에서 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열될 수 있다. 바람직하다면, 도 13a의 개략도에서 종이에 들어가는 것으로 표시되고 도 13c의 예에서 명시적으로 나타낸 바와 같이, 검출기 서브-모듈은 또한 z-방향으로 차례로 적층될 수 있다.

비록 다음의 예시에서는 검출기 서브-모듈이 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열되지만, 예를 들면, 도 21에 예시된 바와 같이, 서브-모듈이 실질적으로 z-방향으로 나란히 배열되고 및/또는 선택적으로 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 적층되는 기타의 검출기 구성을 생각해볼 수 있음은 이해될 것이다.

도 13b는 개별적인 x-선 검출기 서브-모듈의 일 예를 예시하는 개략도이다.

도 13c는 나란히 배열되고 또한 차례로 적층된 다수의 검출기 서브-모듈로 이루어지는 모듈식 x-선 검출기의 일 예를 나타내는 개략도이다. x-선 검출기 서브-모듈은 전체 x-선 검출기를 구축하기 위해 나란히 함께 조립될 수 있는 보다 큰 검출기 서브-모듈을 형성하기 위해 차례로 적층 될 수 있다.

도 14는 x-선 시스템의 초점을 향하여 갭이 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 일 예를 나타내는 개략도이다.

실리콘 스트립 검출기의 일반적인 기능은 x-선 센서 주변의 에지 근처에 테두리처럼 배치된 다수의 가드 링을 갖는 가드 링 구조이다. 가드 링은 x-선 센서의 중요한 부분으로 작동하지만, 또한 x-선 센서의 에지 또는 측면을 따라 비-검출 영역 구역을 생성한다 (즉, x-선 검출기 서브-모듈).

또한, x-선 검출기 서브-모듈이 물리적으로 나란히 정렬되어 있지만, 물리적 또는 기계적 장착 공차로 인해 인접한 서브-모듈 사이에 물리적 또는 기계적 갭이 있게 된다. 가드 링에 의해 생성된 기계적 갭 및 비-검출 구역은 인접한 x-선 검출기 서브-모듈의 활성 감지 영역 사이에 총 갭을 생성한다. 예를 들어, 총 갭은 검출기 서브-모듈 중 하나의 에지 전극과 가드 링 사이의 중간 지점으로부터 시작하여 인접한 검출기 서브-모듈의 나머지 하나 상의 가드 링과 에지 전극 사이의 중간 지점에서 끝나는 것으로 정의될 수 있다.

종래 기술에서, 갭은 검출기 서브-모듈의 설계 및 물리적 정렬로 인해 x-선 광원의 초점으로 향하는 x-선 경로와 일치하기 때문에 갭은 데드 검출 영역을 구성하는 것으로 받아들여졌다.

본 발명자들은 데드 영역 또는 갭(들)을 갖는 것으로부터의 효과를 감소시키는 것이 실제로 가능하다는 것을 인식했다.

도 15는 갭이 x-선 광원을 향해 선형으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)의 일 예를 나타내는 개략도이다. 이러한 설계로써, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2) 사이의 갭 연장부(교차 구간)에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나에 의하여 검출 커버리지를 제공하기 위해, 갭의 적어도 일부는 x-선 초점에서 시작되는 x-선 경로와 일치하지 않는다 (일직선이 아님).

또한 이러한 설계는 서브-모듈 사이의 갭 연장부(교차 구간)에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나 (가능하면 둘 모두)에 의한 검출 커버리지를 제공한다는 것을 알 수 있다.

첫째, 갭 연장부가 x-선 광원을 향해 선형으로 배향되지 않으므로 (일직선이 아님), 상부에서 갭 내부로 들어가는 x-선은 (긴 점선 참조) “경사진-에지” 설계로 인하여 검출기 서브-모듈(21-2)의 하나 이상의 검출기 요소에 의해 실제로 검출될 수 있음을 알 수 있다.

둘째, 도 15에서 짧은 점선 화살표로 도시된 바와 같이, 설계가 2개의 인접한 검출기 서브-모듈 모두에 의해 중첩되는 검출 커버리지를 제공하는지 확인하는 것이 실제로 가능하다 (예를 들어, 상부에서 검출기 서브-모듈(21-1)의 에지 검출기 요소에 의하여 및 하부에서 검출기 서브-모듈(21-1)의 에지 검출기 요소에 의하여). 달리 말하자면, "갭 영역"에서 x-선 검출기 서브-모듈을 통과하는 x-선은 두 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2) 모두의 검출기 요소(22)에 의해 검출될 수 있다. 특정 예에 따르면, 2개의 인접한 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)로부터의 검출기 요소(22)의 출력 신호는, 예를 들면, 광자 계수를 위하여, 후속 신호 처리 동안 결합될 수 있다. 예를 들어, 신호 처리는 아날로그 처리 회로 및/또는 디지털 처리 회로 및/또는 컴퓨터화된 디지털 신호 처리에 의해 수행될 수 있다.

도시된 바와 같이, 인접한 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)은 초점으로부터 입사되는 x-선의 방향으로 적어도 부분적으로 중첩되는 검출 영역을 가질 수 있다 (즉, 검출기 요소를 가짐).

예를 들어, 도 15을 참조하면, 좌측에 도시된 서브 모듈(21-1)의 에지에 위치된 가장 작은 검출기 요소는 우측에 도시된 서브 모듈(21-2)의 에지에 위치된 가장 작은 검출기 요소와 실질적으로 일직선으로 되므로 (x-선 초점으로부터 볼 때), 인접한 검출기 서브-모듈의 검출 영역의 중첩을 효과적으로 제공한다.

기타의 예는 도 18-20을 참조하여 설명한다.

도 16a-b는 새로운 설계(도 16b)의 검출기 서브-모듈의 일 예와 비교하여, 통상의 검출기 서브-모듈 설계(도 16a)의 일 예를 나타내는 개략도이다.

도 16a의 예에서, 검출기 서브-모듈은 대칭이고 평면형 검출기 서브-모듈의 측면 에지는 초점을 향하여 배향된다. 즉, 검출기 서브-모듈의 양측에서 에지를 따라 연장된 연장선은 실질적으로 x-선 초점을 가리킨다.

도 16b의 예에서, 검출기 서브-모듈은 각각의 측면 또는 측면 에지가 초점을 가리키는 라인에 대해 각도(a)를 갖는다는 점에서 비대칭적인데, 서브-모듈의 물리적 에지에 비교하여, 바람직하게는 각도는 동일한 크기이지만 일측에는 양의 각도를 가지며 나머지 일측에서는 (반대측) 음의 각도를 갖는다. 해당 서브-모듈을 입사되는 x-선 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배치할 때, 이 설계는 시스템의 초점을 향해 선형적으로 배향되지 않는 갭을 충족시킨다.

도 17은 갭이 x-선 광원을 향해 선형적으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 다른 일 예를 나타내는 개략도이다. 이 특정 예에서, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)은 기본적으로 평행 사변형으로 설계되고, 서브-모듈 사이의 갭이 시스템의 초점을 향해 선형적으로 배향되지 않도록 나란히 배열된다.

도 18은 갭이 시스템의 초점을 향해 선형적으로 배향되지 않도록 설계되고 배열된 인접한 검출기 서브-모듈의 또 다른 일 예를 나타내는 개략도이다. 이 특정 예에서, 검출기 서브-모듈은 깊이-세그먼트화되지 않으며, 제안된 기술이 비-세그먼트화 검출기 서브-모듈에도 어떻게 적용될 수 있는지 명확하게 도시된다.

도 18의 검출기 서브-모듈이 적어도 2개의 방향으로 연장되는 검출기 요소를 가지며 에지-온으로 배향됨이 명백하고, 여기에서 방향 중 하나는 입사되는 x-선 방향으로 성분을 갖는다. 약간 다르게 표현하면, 검출기 요소는 입사되는 x-선 방향으로 적어도 부분적으로 (실질적으로) 연장된다.

도 19-21은 2개의 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 갭의 적어도 일부가 x-선 광원을 향해 배향되지 않는 윤곽 설계의 다양한 예를 나타내는 개략도이다.

도 19는 x-선 검출기(20)와 함께 사용되기로 의도된 x-선 광원으로부터 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열된 적어도 3개의 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)을 갖는 x-선 검출기(20)의 일 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)의 측면 또는 측면 에지는 계단-형 구성을 갖는다.

도 20은 x-선 검출기(20)와 함께 사용되기로 의도된 x-선 광원으로부터 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열된 적어도 3개의 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)을 갖는 x-선 검출기(20)의 다른 일 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)의 측면 또는 측면 에지는 경사진 측면 또는 에지이다 (입사되는 x-선의 방향에 대하여). 이러한 특정 예에서, 검출기 서브-모듈 (21-1, 21-2, 21-3)의 서로 피팅되는(fitting) 사다리꼴 형태를 갖는다.

도 21은 x-선 검출기(20)와 함께 사용되기로 의도된 x-선 광원으로부터 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열된 적어도 3개의 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)을 갖는 x-선 검출기(20)의 또 다른 일 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)의 측면 또는 측면 에지는 계단-형 구성을 갖지만, 도 19에 나타낸 구성에 비하여 변형을 예시한다.

일반적으로, 검출기 서브-모듈의 측면 프로파일은 하나 이상의 단으로 구성될 수 있다.

언급한 바와 같이, 인접한 검출기 서브-모듈은 초점으로부터 입사되는 x-선 방향으로 적어도 부분적으로 중첩되는 검출 영역을 가질 수 있다.

특정 예에서, 예를 들면 도 19, 도 20, 및 도 21에서 실선을 따라 인접한 검출기 서브-모듈의 검출기 요소로 보이는 바와 같이, 제 1 검출기 서브-모듈의 갭에 가장 가까이 위치한 적어도 하나의 검출기 요소, 즉, 에지 요소(들)는 제 2 검출기 서브-모듈의 갭에 가장 가까이 위치하지 않은 적어도 하나의 검출기 요소, 즉, 비-에지 요소(들)와 일직선으로 (초점을 향하는 방향으로) 위치될 수 있다.

이는 검출기 서브-모듈의 에지 요소가 인접한 검출기 서브-모듈의 비-에지 요소에 의해 적어도 부분적으로 지원될 수 있기 때문에 유용할 수 있다.

도 22는 모듈식 x-선 검출기의 대안적인 구성 및 설계의 일 예를 예시하는 개략도이다. 이 특정 예에서, 검출기 서브-모듈은 실질적으로 CT 시스템의 z-방향으로 나란히 배열되고 z-방향에 실질적으로 수직인 방향으로 적층된다.

x-선 검출기 서브-모듈은 유효 x-선 검출 영역이 있는 x-선 검출기를 형성하는 한, x-선 시스템에서 임의의 방향으로 나란히 배열될 수 있음을 이해해야 한다.

알 수 있는 바와 같이, x-선 검출기 서브-모듈은 일반적으로 평면형 모듈이며 검출기 서브-모듈은 일반적으로 검출기 서브-모듈의 면내 방향으로 나란히 배열된다.

앞서 언급한 바와 같이, 에지-조명 실리콘 센서와 같은 에지-온 x-선 검출기는 서로 인접하게 배치될 때 약간 중첩될수 있는 방식으로 전극으로 형상화되고 패턴화될 수 있다. 이는 각각의 센서의 에지를 차지하는 기계적 갭 및 둔감한 가드 링으로부터 발생할 수 있는 활성 검출 영역의 갭이 제거되거나 적어도 감소되게 한다.

데이터는 전체 행을 따라 사이노그램으로부터 일관되게 누락되기 때문에, 이러한 갭의 영향은 일반적인 보간 방법으로 수정하기 어렵다. 센서(모듈/서브-모듈)를 중첩시킨다는 아이디어는 갭을 제거하여 매우 단순화된 수정으로 실행 가능한 검출기 아키텍처를 가능하게 하거나 교정(캘리브레이션) 절차가 충분하다고 판명되는 경우에는 수정을 없앨 수도 있다.

추가의 실시 예, 적응, 개발 및/또는 개선뿐만 아니라 관련 개념의 다양한 예를 아래에 설명한다.

예를 들면, 제안된 기술은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

* 민감한 실리콘 영역을 최대화하기 위해 경사진 에지에서 수정된 전극 패턴

* 상이한 버전의 개별 단계를 포함한 여러 가지의 중첩 변형

* 센서의 경사진 에지가 픽셀의 직사각형 열(column)을 가로질러 절단될 때 에지의 빈 공간을 줄이기 위해 수정된 가드 링 구조

* 조기 전압 파괴로 이어질 수 있는 전기적 핫스팟을 방지하기 위한 둥근 모서리 (적어도 최소 곡률 반경을 가짐)

* 센서 베이스를 넘어 연장되는 에지를 따라 판독 트레이스를 라우팅하기 위한 옵션

* 중첩 영역에서 응답의 균일성을 최적화하기 위한 산란-방지 콜리메이터 블레이드의 배치

* 예를 들면, (절두) 사다리꼴 또는 삼각형 형상을 갖는 다이오드/전극(또는 보다 일반적으로 검출기 요소)을 기반으로 하는 경사진-에지 서브-모듈을 위한 에지 픽셀 설계. (절두) 사다리꼴 또는 삼각형 다이오드/전극 또는 검출기 요소는 약간 경사진 에지를 따라 깊이 세그먼트 내에 배열될 수 있다.

예를 들면, 이해하고 이해할 수 있는 바와 같이, 검출기 서브-모듈의 경사진 측면 에지에 있는 검출기 요소는 경사진 측면 에지를 따라 깊이 세그먼트 내에 배열된 둥근 모서리를 갖는 사다리꼴 또는 삼각형 세그먼트 및/또는 절두 사다리꼴 또는 삼각형 세그먼트와 같은 테이퍼형 에지 세그먼트를 포함할 수 있다.

도 23a-d는 다양한 지오메트리 구성의 테이퍼형 에지 세그먼트(22) (전극/다이오드)의 예를 나타내는 개략도이다. 특히, 테이퍼형 에지 세그먼트(22)의 팁 반경의 상이한 크기의 예가 예시된다. 예시된 바와 같이, 테이퍼형 에지 세그먼트(22)는 특정 팁 반경을 갖는 팁에서 둥근 모서리를 갖는다.

에지 세그먼트(22) (전극/다이오드)의 단부에 있는 좁은 지점은 전기장을 집중시킬 수 있으며, 고장 효과를 피하기 위해 최소 허용 반경이 있는 것으로 보인다. 따라서, 팁 반경이 너무 작아서는 안된다. 일 예로, 가능한 기준은 팁 반경이 전하 구름 반경과 같거나 더 큰 것이다.

도 24는 팁의 반경이 상대적으로 작은 경우 전극 팁에서의 전계 증강의 일 예를 나타내는 개략도이다.

도 25a-b는 2개의 상이한 크기의 팁 반경에 대한 전극 팁에서의 전계 증강의 예를 예시하는 개략도이다. 예를 들어, 실험에서 팁 반경을 10 ㎛에서 5 ㎛로 변경하는 단순한 변화로 최대 전기장이 7% 증가하는 것으로 나타났다.

그러나, 에지 세그먼트의 최소 허용 반경에서 에지 세그먼트를 단순히 절단하는 것만으로도 세그먼트 (전극/다이오드)의 연장부/높이가 분명히 감소한다. 특정 상황에서 이는 다양한 영향을 미칠 수 있다.

예를 들어, 유효 검출 영역의 유지를 위하여 및/또는 빈 실리콘 센서 영역을 최소화를 위하여, 검출기 요소의 전극 패턴을 수정하는 것이 유익할 수 있다. 예로서, 이는 에지 검출기 요소(전극/다이오드) (중 적어도 하나)를 상응하는 이웃 검출기 요소(들)를 향하여 연장함으로써 및/또는 이웃하는 검출기 요소 (중 적어도 하나)를 에지 검출기 요소를 향하여 연장함으로써 달성될 수 있다. 에지 세그먼트(들)의 연장부는 에지 세그먼트의 팁의 반경을 늘리는 데에도 유용하다.

달리 말하자면, 에지 검출기 요소 (전극/다이오드)의 적어도 일부의 폭이 이웃하는 검출기 요소 (전극/다이오드)의 폭보다 큰 구성 및/또는 이웃하는 검출기 요소의 적어도 일부의 폭이 상응하는 에지 검출기 요소의 정상 폭(최대 폭)보다 큰 구성을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

도 26a-b는 테이퍼형 에지 세그먼트와 관련하여 전극 변형의 상이한 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서, 예를 들면 향상된 검출 커버리지를 제공하기 위하여, 이웃하는 검출기 요소(22-1)는 테이퍼형 에지 요소 또는 세그먼트(22-2)가 절단되는 영역에서 에지를 향해 연장된다. 달리 말하자면, 이웃하는 검출기 요소(22-1)는 빈 검출 영역을 최소화하기 위해 이웃 검출기 요소 폭을 수정함으로써 에지를 향해 바깥쪽으로 돌출될 수 있다. 어떤 의미에서, 이웃하는 검출기 요소(22-1)는 에지 검출기 요소(22-2)의 검출 라인으로 연장된다. 이는 이웃하는 검출기 요소(22-1)의 적어도 일부의 폭이 대응하는 에지 요소(22-2)의 정상 폭(최대 폭)보다 큰 경우의 예시적인 예를 나타낸다.

본 발명자들은 또한 합리적인 (최소 허용) 팁 반경을 제공하기 위해 테이퍼형 에지 세그먼트(전극)를 절단하면 가드 링 구조, 특히, 가드의 내부 전류 캡처 링(Current Capture Ring CCR)으로부터의 거리가 증가될 수 있음을 깨달았다. 특히, 절단된 테이퍼형 에지 전극의 상부 주변의 빈 공간이 이웃하는 전극을 상기 영역으로 연장하여도 채워지지 않는 경우, 가드 링 구조를 수정하여 에지에서 검출기 요소(전극/다이오드)를 더 가깝게 따르도록 수정하는 것이 유용할 수 있다.

따라서, 이에 따라 서브 검출기-모듈의 가드 링 구조의 적어도 하나의 섹션을 수정하는 것이 선택적으로 제안된다. 예를 들어, 임플란트의 섹션 및/또는 가드 링 중 적어도 하나의 섹션은 전체 가드 링 구조가 센서 영역의 에지에 있는 검출기 요소의 전극에 더 가깝게 따르도록 연장 또는 수정될 수 있다.

도 27a-c는 테이퍼형 에지 세그먼트에 대한 가드 링 옵션의 상이한 예를 예시하는 개략도이다. 이 예에서 전체 가드 링은 임플란트, 다수 개의 유동 링 (Floating Rings FR), 및 내부 전류 캡처 링(CCR)을 포함한다. 일 예로, 유동 링의 개수는 3개이지만 제안된 기술은 이에 제한되지 않는다. 오히려, 임의의 적절한 수의 유동 링이 사용될 수 있다.

도 27a의 예에서, CCR (및 FR)이 검출기 서브-모듈의 센서 영역의 에지에 있는 전극의 프로파일을 따를 수 있도록 임플란트의 섹션이 연장된다.

도 27b의 예에서, CCR (및 FR)이 검출기 서브-모듈의 센서 영역의 에지에 있는 전극의 프로파일을 따를 수 있도록 유동 링 (FR 3) 중 하나의 섹션이 연장된다.

도 27c의 예에서, CCR (및 FR)이 검출기 서브-모듈의 센서 영역의 에지에 있는 전극의 프로파일을 따를 수 있도록 각각의 유동 링의 섹션이 연장된다.

검출기 요소 (전극/다이오드)로부터 판독 회로까지의 트레이스 라우팅 또는 전기적 물리적 와이어링은 중첩되는 갭 영역에 있는 검출기 서브-모듈의 경사진 설계에 의하여 영향을 받을 수 있어서, 공간 제약으로 인해 와이어링이 더욱 어려워지게 된다는 것이 새로운 검출기 설계의 또 다른 측면이다. 또한, 부적절한 라우팅은 커패시턴스를 증가시켜 노이즈를 유발할 수 있다.

도 28은 비-경사 영역에서 검출기 요소 (전극/다이오드) 사이의 갭(들)을 이용하여 경사 영역에서의 특정 검출기 요소 (전극/다이오드)로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅(재-배향)하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.

달리 말하자면, 갭 영역에 있는 특정 에지 검출기 요소 (전극/다이오드)로부터의 와이어링 트레이스(23)는 에지로부터 몇 단계 떨어진 검출기 요소(22) 사이의 갭을 이용하여 판독 패드로 라우팅될 수도 있다 (즉, 검출기 요소의 규칙적인 모양을 갖는 영역에서).

도 29는 에지 검출기 요소와 그에 이웃하는 검출기 요소 사이의 갭(들)을 이용하여 특정 에지 검출기 요소로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.

즉, 갭 영역의 특정 에지 검출기 요소 (다이오드/전극)로부터의 트레이스(23) 와이어링은 에지 검출기 요소와 이들의 이웃하는 검출기 요소 사이의 갭을 통해 판독 패드로 라우팅될 수 있다.

도 30은 가드 링 구조와 에지 전극 사이의 갭(들)을 이용하여 특정 에지 전극으로부터 판독 회로로 트레이스를 라우팅하기 위한 배치의 일 예를 도시하는 개략도이다.

즉, 갭 영역의 특정 에지 검출기 요소 (다이오드/전극)로부터의 트레이스(23) 와이어링은 에지 검출기 요소와 가드 링 구조(25) 사이의 갭을 통해 판독 패드로 라우팅될 수도 있다.

도 28 내지 도 30 중 어느 하나의 개략도에 표시된 바와 같이 트레이스를 라우팅함으로써, 각각의 개별적인 트레이스에 의해 유도되는 커패시턴스를 최소화하여 검출기의 노이즈를 줄일 수 있다.

도 31a는 가드 링 구조(25)와 에지 전극(들)(22) 사이 영역의 단면에서 트레이스의 라우팅이 없는 예를 예시하는 개략도이다.

도 31b는 가드 링 구조(25)와 에지 전극(들)(22) 사이 영역의 단면에서 트레이스(23)의 라우팅이 있는 예를 예시하는 개략도이다.

새로운 검출기 설계로 인해 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에서 성능이 크게 향상되었지만, 갭에서는 검출기 응답이 여전히 저하된다. 예를 들어, 검출기 서브-모듈의 상부에 (입사되는 x-선의 방향에서 볼 때) 콜리메이터 구조를 추가할 때, 이를 고려해야 한다. 이러한 콜리메이터 구조는 일반적으로 간격을 두고 배열된 하나의 콜리메이터 세트를 포함하며, 각각의 검출기 서브-모듈은 자체 콜리메이터 세트를 갖는다.

도 32a는 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 도시한 개략도이다. 이 개략도는 약 1:20의 비율로 확대된 도면이다. 이 예에는 콜리메이터 구조가 없다.

도 32b는 도 32a의 구성에 대응하는 픽셀 스트립(즉, 검출기 스트립)의 픽셀 이득 응답(pixel gain response)의 일 예를 예시하는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 갭을 가로지를 때 픽셀(스트립) 게인이 감소되지만, 갭이 x-선 초점과 일치되어 정렬되고 x-선 초점을 향하여 선형으로 배향되는 경우, 갭에서 0 또는 거의 0에 가까운 응답에 비해 상당한 개선이 보인다.

도 33a는, 제 1 구성 예에서 하나의 세트의 콜리메이터가 검출기 서브-모듈의 상부에 배열된 경우, 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 나타내는 개략도이다.

도 33b는 제 1 구성 예의 콜리메이터 구조를 포함하는 도 33a의 구성에 대응하여 픽셀 스트립(즉, 검출기 스트립)의 픽셀 이득 응답의 일 예를 도시하는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 콜리메이터 구조의 도입은 픽셀 스트립 응답에 영향을 미친다. 제 1 구성 예에 따른 콜리메이터의 배치는 픽셀 스트립 응답을 갭 영역 중간부에서 적절한 0.43 이득에서 약 0.32 이득으로 떨어지게 하여 25 % 이상 떨어지게 한다. 이러한 특정 콜리메이터 배치로 인해 픽셀 스트립 응답 프로파일이 전반적으로 더 뾰족해진다.

도 34a는, 제 2 구성 예에서 하나의 세트의 콜리메이터가 검출기 서브-모듈의 상부에 배열된 경우, 나란히 배열된 2개의 인접하고 경사진 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에 대하여 일 예를 나타내는 개략도이다.

도 34b는 제 2 구성 예의 콜리메이터 구조를 포함하는 도 34A의 구성에 대응하여 픽셀 스트립(즉, 검출기 스트립)의 픽셀 이득 응답의 예를 나타내는 개략도이다. 이 예에서, 제 2 구성 예에 따른 콜리메이터의 배치는 갭 영역의 중간부에서 픽셀 스트립 응답의 저하를 방지하고 전체적으로 픽셀 스트립 응답 프로파일을 보다 균일하게 만든다.

따라서, 일반적인 개념은 갭 영역에 걸친 픽셀 스트립 응답 (검출 효율) 프로파일을 기반으로 콜리메이터의 배치를 결정하는 것이다.

약간 다른 말로 표현하면, 각각의 검출기 서브-모듈은 하나의 세트의 콜리메이터를 가지며, 콜리메이터의 배치는 갭 영역에 걸친 검출기 스트립 검출 효율 프로파일에 기초하여 적어도 부분적으로 결정되고 실행된다.

예를 들어, 콜리메이터는 가장 낮은 검출 응답을 갖는 인접한 검출기 서브-모듈 사이의 교차 구간에서 에지 검출기 요소 (전극/다이오드)로부터 오프셋으로 배치된다.

검출기 서브-모듈의 지오메트리 및 구현에 대한 이해를 높이기 위해, 도 35 및 도 36에 2개의 보다 상세한 회로도를 예시한다.

도 35는 또 다른 하나의 검출기 깊이-세그먼트화 서브-모듈(부분적으로만 도시됨)에 인접하여 배치된 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈의 일 예를 나타내는 개략도이다. 전체 검출기(20)는 모듈 프레임(26), 검출기-서브 모듈(21-1, 21-2) 및 콜리메이터 구조(27)를 포함하고, 각각의 검출기 서브-모듈은 한 세트의 콜리메이터를 갖는다. 경사진 측면-에지 설계는 이 예로부터 분명해지며, 도면의 우측에 나타낸 바와 같이, 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2)은 나란히 만나게 된다.

도 36은 나란히 배열된 깊이-세그먼트화 검출기 서브-모듈의 또 다른 예를 나타내는 개략도이다. 이 특정 예에서, 전체 x-선 검출기(20)의 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, 21-3)은 평행 사변형의 지오메트리 형태를 갖는다.

상술한 실시 예는 예시일 뿐이며, 제안된 기술은 이에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 당업자라면 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 범위를 벗어나지 않고 실시 예에 대해 다양한 수정, 조합, 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 다른 실시 예의 다른 부품 솔루션은 기술적으로 가능한 경우 다른 구성으로 결합 될 수 있다.

Claims (35)

1. 다수의 x-선 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, ...)을 갖는 x-선 검출기(20)로서,
   각각의 검출기 서브-모듈(21)은 적어도 2개의 방향으로 연장되는 검출기 요소(22) 어레이를 갖는 에지-온 검출기 서브-모듈이며, 방향 중 하나는 입사되는 x-선 방향 성분을 가지며, 각각의 에지-온 검출기 서브-모듈(21)은 입사되는 x-선 방향으로 검출기 요소(22)의 2개 이상의 깊이 세그먼트를 갖는 깊이-세그먼트화 x-선 검출기이고,
   검출기 서브-모듈(21)은 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열되며, 검출기 요소(22)의 길이 연장부가 x-선 광원(10)의 초점을 향하여 배향되도록 물리적으로 정렬되고,
   검출기 서브-모듈(21)의 적어도 일부에 대하여, 검출기 서브-모듈(21)은 인접한 검출기 서브-모듈과의 사이에 갭이 제공되도록 배열되고, 갭의 적어도 일부는 x-선 광원(10)의 x-선 초점을 향해 선형으로 배향되지 않으며, 인접한 검출기 서브-모듈(21)은 입사되는 x-선의 방향으로 적어도 부분적으로 중첩되는 검출 영역을 가짐을 특징으로 하는 다수의 x-선 검출기 서브-모듈(21-1, 21-2, ...)을 갖는 x-선 검출기.
2. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)은 입사되는 x-선의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 나란히 배열되며, 인접한 검출기 서브-모듈(21) 사이의 갭의 적어도 일부는 x-선 초점으로부터 기인하는 임의의 x-선 경로와 일치하지 않아서 검출기 서브-모듈(21) 사이의 갭 연장부에서 검출기 서브-모듈 중 적어도 하나에 의한 검출 커버리지를 제공함을 특징으로 하는 x-선 검출기.
3. 청구항 제 1 항에 있어서, 인접한 검출기 서브-모듈(21)은 동일한 검출기 요소(들)(22)의 정보를 공유하거나 인접한 검출기 서브-모듈로부터의 상이한 검출기 요소(22)의 출력 신호가 결합됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
4. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈(21)은 갭 영역에서 2개의 인접한 검출기 서브-모듈을 통과하는 x-선이 양쪽 검출기 서브-모듈의 검출기 요소(22)에 의해 검출되도록 배열되고, x-선으로부터 발생하는 2개의 인접한 검출기 서브-모듈(21)의 검출기 요소(22)의 출력 신호는 광자 계수를 위한 후속 신호 처리 동안 결합됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
5. 청구항 제 4 항에 있어서, 제 1 검출기 서브-모듈(21-1)의 갭에 가장 가까이 위치한 적어도 하나의 검출기 요소(22), 즉, 에지 요소(들)는 제 2 검출기 서브-모듈(21-2)의 갭에 가장 가까이 위치하지 않은 적어도 하나의 검출기 요소(22), 즉, 비-에지 요소(들)와 초점을 향한 방향으로 나란히 배치됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
6. 청구항 제 1 항에 있어서, 각각의 검출기 서브-모듈(21)은 검출기 요소(22)가 배열되는 기판을 기반으로 하고, 각각의 검출기 서브-모듈(21)은 검출기 서브-모듈의 측면을 따라 검출기 요소의 어레이를 둘러싸는 외부 가드 링 구조를 가짐을 특징으로 하는 x-선 검출기.
7. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)은 평면형 모듈이고, 검출기 서브-모듈의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈(21)은 검출기 서브-모듈의 면내(in-plane) 방향으로 나란히 배열됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
8. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈(21)은 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템의 z-방향으로 또는 z-방향에 수직인 방향으로 나란히 배열됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
9. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)의 적어도 일부에 대해, 검출기 서브-모듈(21)의 측면 에지는 경사진 에지이거나 또는 측면 에지는 계단-형 구성을 가짐을 특징으로 하는 x-선 검출기.
10. 청구항 제 9 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)은 사다리꼴 또는 평행 사변형의 지오메트리 형태를 가짐을 특징으로 하는 x-선 검출기.
11. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)의 측면 에지에 있는 검출기 요소(22)는 둥근 모서리를 갖는 테이퍼형 에지 세그먼트를 포함하며, 둥근 모서리의 팁 반경은 전하 구름 반경(charge cloud radius) 이상임을 특징으로 하는 x-선 검출기.
12. 청구항 제 1 항에 있어서, 에지 검출기 요소(22-2)의 적어도 일부의 폭이 이웃하는 검출기 요소(22-1)의 폭보다 크거나 또는 이웃하는 검출기 요소(22-1)의 적어도 일부의 폭이 상응하는 에지 검출기 요소(22-2)의 최대폭보다 크며,
    이웃하는 검출기 요소(22-1)는 에지 검출기 요소 (22-2)의 검출 라인 내로 연장됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
13. 청구항 제 1 항에 있어서, 검출기 서브-모듈(21)의 가드 링 구조의 적어도 하나의 섹션은 검출기 서브-모듈(21)의 센서 영역의 에지에서 검출기 요소(22)를 추종하여 배열됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
14. 청구항 제 1 항에 있어서, 에지 검출기 요소(22)로부터의 와이어링 트레이스(23)는, 에지로부터 여러 단계 떨어진 검출기 요소 사이의 갭을 통하여, 또는 에지 검출기 요소와 그들의 이웃하는 검출기 요소 사이의 갭을 통하여, 또는 에지 검출기 요소와 가드 링 구조 사이의 갭을 통하여, 판독 패드 또는 회로로 라우팅됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
15. 청구항 제 1 항에 있어서, 각각의 검출기 서브-모듈(21)은 하나의 세트의 콜리메이터를 가지며, 콜리메이터의 배치는 갭 영역에 걸친 검출기 스트립 검출 효율 프로파일에 기초하여 적어도 부분적으로 결정되고 실행됨을 특징으로 하는 x-선 검출기.
16. 삭제
17. 청구항 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 의한 x-선 검출기(20)를 포함하는 x-선 영상화 시스템.
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