KR20050004179A - 선량을 영상화하고 측정하기 위한 ｘ선 검출기 어레이 - Google Patents

Abstract

X선 검출기 장치는 복수의 서브 어레이(40)로 배치된 픽셀들의 어레이를 가진다. 각 서브 어레이(40)의 픽셀은 공통 출력(42)을 공유한다. 검출기는 2가지 모드로 동작할 수 있는데, 이들은 스위칭 장치(50)가 턴 오프되고 입사하는 방사선에 응답하는 전하 흐름이 상기 스위칭 장치(50)의 오프 커패시턴스를 통해 출력에 부분적으로 결합되는 선량 감지 모드와, 스위칭 장치가 턴 온되어 검출 신호로서의 측정을 위해 전하가 전하 저장 요소와 출력(42) 사이에 흐르도록 허용하는 판독 모드이다. 스위칭 장치(50)는 서브 어레이(40) 내의 단일 픽셀이 선택될 수 있게 하기 위해, 제 1 및 제 2 제어 신호들에 의해 턴 온된다. 따라서, 정상적인 판독의 해상도는 픽셀 단위이고, 선량 감지의 해상도는 서브 픽셀 단위이다.

Description

선량을 영상화하고 측정하기 위한 Ｘ선 검출기 어레이{X-RAY DETECTOR ARRAY FOR BOTH IMAGING AND MEASURING DOSE}

환자의 X선 노출은 검사 중인 조직의 흡수율의 함수로서 제어되어야 한다. 예를 들어, 높은 휘도로 과다하게 노출된 구역이, 예컨대 환자와 같은 검사할 대상에 의해 감쇠되지 않는(또는 거의 감쇠되지 않는) X선들에 의해 생긴 영상에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 폐 조직과 같은 X선 흡수율이 낮은 조직은 감쇠가 덜하게 되어, 주어진 콘트라스트의 영상을 얻고 영상 검출기의 포화를 방지하기 위해 X선 노출을 덜 필요로 한다.

알려진 X선 검사 장치들의 구성은 당업자에게 잘 알려져 있다. 통상, 장치는 X선 빔에 의해 방사선 검사를 받을 환자를 비추기 위한 X선 소스를 포함한다. 환자 내에서 X선 흡수율에 있어서의 국부적인 차이로 인해, X선 영상이 형성된다. X선 검출기는 X선 영상으로부터 영상 신호를 유도한다. 광학 센서를 사용하는 검출기에서, 검출기는 변환 층, 즉 입사하는 X선 에너지를 광학 신호로 변환하기 위한 표면을 가진다. 과거에는, 이들 광학 신호들이 주로 X선 영상 증배관과 텔레비전 카메라를 포함하는 영상 증배관 픽업(pick-up) 체인(chain)에 의해 검출되어 왔다.

이러한 타입의 알려진 X선 검사 장치가 미국 특허 5,461,658호에 개시되어 있다. 이 특허는 X선 소스를 조정하기 위해 보조 광 검출 시스템이 광학 영상에서의 국부적인 휘도 값들을 이용하는 노출 제어 시스템을 추가로 개시한다. 이러한 보조 광 검출 시스템은 광학 영상에서의 휘도를 국부적으로 측정하기 위한 CCD 센서를 포함한다. 노출 제어 시스템은 측정된 휘도 값들로부터 제어 신호를 유도하고, 이러한 제어 신호는, 높은 진단 품질을 가진 X선 영상이 형성되고 디스플레이되는 방식으로, 즉 상세부들이 X선 영상에 포함되고 시각적으로 적절하게 재생되도록 X선 장치를 조정하기 위해 사용된다. 제어 신호는 X선 빔의 강도 및/또는 에너지를 제어하고 또한 영상 신호의 증폭을 제어하는데 사용될 수 있다. 양 단계들 모두 영상 신호의 신호 레벨에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 미친다.

좀더 최근에는 고체 상태 상태 X선 검출기들을 사용하는 것이 제안되었다. 그러한 디바이스들에 대한 2가지 기본적인 구성이 있다.

소위 "간접" 검출기 장치에서는, 입사하는 X선 방사선이 먼저 광으로 변환된다. 감광성 셀들의 어레이가 제공되고, 각각은 광에 반응하는 요소(광 다이오드)와 전하 저장 디바이스(개별 요소이거나 광 다이오드의 자체 커패시턴스일 수 있는)를 포함한다.

소위 "직접" 검출기 장치에서는, X선을 직접 전자들로 변환하기 위해 X선 반응하는 광전도체가 사용된다. 광전도체가 자체 커패시턴스를 가지지 않기 때문에, 전하 저장 디바이스의 역할을 하기 위해 커패시터가 박막 기술로 제작된다.

X선 노출 동안, 각 셀에 입사한 광은 노출 기간의 끝에서 판독될 수 있도록, 전하 저장 디바이스 상에 전하 레벨로서 저장된다. 저장된 전하의 판독은 영상 센서를 효율적으로 리셋시켜서, 이는 X선 노출 기간의 끝에서만 수행될 수 있다. 따라서, 그러한 출력들이 노출의 끝에서만 이용 가능하기 때문에, 실시간으로 노출 기간을 제어하기 위해 이러한 타입의 이미지 센서로부터 출력 신호들을 사용하는 것은 불가능하다. 고체 상태 상태 영상 센서 디바이스의 특성 또한 CCD들을 사용하는 전술한 피드백 제어의 타입이 구현되지 못하게 한다.

선량 제어를 달성하기 위한 한가지 가능한 방식은 얻어진 영상을 분석한 다음, 상이한 노출 레벨을 통해 영상 획득 과정을 반복하는 것이다. 물론, 이는 잠재적으로 해로운 X선 방사선에 대해 환자의 전반적인 노출을 증가시키고 또한 다른 관측점으로부터의 영상이 신속한 과정으로 요구되는 경우, 영상들을 신속하게 변경시키는데 부적절하다.

고체 상태 영상 검출기와는 독립적인 외부 선량 감지 장치가 제안되었지만, 이들은 영상 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 그러므로, 실시간 선량 제어를 가능하게 하고 고체 상태 영상 센서들과 함께 사용될 수 있는 선량 감지 장치에 대한 필요성이 존재한다.

선량 감지 요소들을 정상적인 영상 감지 픽셀 레이아웃으로 조합하는 것이 또한 제안되었다. 통상, 통합된 선량 감지 요소들을 가진 픽셀 디자인은 선량 감지신호와 영상 판독 신호에 대한 개별 판독 라인들과, 2가지 타입의 신호들에 대한 개별 판독 증폭기들을 필요로 한다. 통상, 픽셀들의 각 열은 할당된 판독 라인과 증폭기를 가지고, 추가 증폭기들이 선량 감지 기능을 위해 제공된다.

통합된 선량 감지의 일 예는 국제 특허출원 WO 02/25314 A1을 들 수 있다.

본 발명은 X선 검출기와 상기 검출기를 사용하는 X선 검출기 장치에 관한 것이다. 특히, 검출기는 고체 상태 상태 X선 검출기 회로가 집적된 노출 측정 회로를 가짐으로써 노출 제어 신호들뿐만 아니라, 영상 신호들을 제공하기 위한 것이다. 이는 영상 획득 과정 동안에 X선 노출의 실시간 제어를 가능하게 한다.

도 1은 알려진 X선 검사 장치를 도시하는 도면.

도 2a는 도 1의 장치에 사용된 고체 상태 이미지 센서용으로 알려진 제 1 픽셀 레이아웃을 도시하는 도면.

도 2b는 도 1의 장치에 사용된 고체 상태 이미지 센서용으로 알려진 제 2 픽셀 레이아웃을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 제 1 수정된 픽셀 장치를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 제 2 수정된 픽셀 장치를 도시하는 도면.

도 5는 도 4의 픽셀 장치의 추가 동작을 설명하기 위한 타이밍도.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 픽셀 장치에 적용될 수 있는 상이한 제작 기술을 도시하는 도면.

도 10 내지 도 12는 도 4의 픽셀 장치가 상이한 기술들을 사용하여 어떻게 구현될 수 있는지를 좀더 상세히 도시하는 도면.

도 13 내지 도 15는 도 10 내지 도 12의 구현 예들에 대한 수정 예를 도시하는 도면.

본 발명에 따르면, 검출기 픽셀의 어레이를 포함하는 X선 검출기 장치가 제공되는데, 각 픽셀은 입사하는 방사선을 전하 흐름으로 변환하기 위한 변환 요소, 전하 저장 요소, 및 상기 픽셀의 출력으로 저장된 전하가 제공될 수 있게 하는 스위칭 장치를 포함하고, 픽셀들의 상기 어레이는 복수의 서브 어레이로 배치되며, 각 서브 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고, 각 서브 어레이에서의 픽셀들은 공통 출력을 공유하며, 상기 검출기 장치는 2가지 모드들로 동작 가능한데, 제 1 모드에서는 상기 스위칭 장치가 턴 오프되고 입사 복사선에 따른 전하 흐름이 선량 감지 신호로서의 측정을 위해 스위칭 장치의 오프 상태의 커패시턴스를 통해 상기 출력에 부분적으로 결합되고, 제 2 모드에서는 검출 신호로서의 측정을 위해 상기 전하 저장 요소와 상기 출력 사이에 전하가 흐르도록 허용하기 위해 상기 스위칭 장치가 턴 온되고, 상기 스위칭 장치는 상기 서브 어레이 내의 단일 픽셀이 선택될 수 있게 하는 제 1 및 제 2 제어 신호들에 의해 턴 온된다.

이 장치에서, 픽셀들은 공통 출력을 공유하는 서브 어레이로 분할된다. 이 공통 출력은 노출 동안에 선량을 감지하기 위해 사용될 수 있고, 선량 감지는 서브 어레이들의 크기에 대응하는 해상도를 가지고 수행된다. 판독 증폭기들의 개수는픽셀들의 서브 어레이 당 1개로 감소되고, 이는 픽셀들에서 멀티플렉싱(multiplexing)을 행함으로써 이루어진다. 특히, 각 픽셀에서의 스위칭 장치는 서브 어레이 내의 단일 픽셀이 선택될 수 있도록, 2개의 제어 신호들에 응답한다. 그러므로 검출기의 해상도가 감소되지 않도록, 동일한 공통 출력이 개별 픽셀 신호의 측정을 위해 사용될 수 있다. 스위칭 장치는, 스위칭 장치가 턴 오프될 때 판독 라인에 용량성 결합을 제공하고, 스위칭 장치가 턴 온될 때 직접적인 전도성 결합을 제공함으로써 선량 감지와 일반적인 판독을 위해, 동일한 출력이 사용될 수 있게 한다.

이러한 검출기는 검사할 대상을 X선 에너지에 노출시키기 위한 X선 소스를 포함하는 X선 검사 장치에 바람직하게 사용된다. 검출기는 검사할 대상에 의한 감쇠 후, X선 영상을 수신한다.

장치는 입사하는 X선 신호를 광학 신호로 변환하는 형광체 변환 층을 더 포함할 수 있고, 그러한 변환 요소는 광 다이오드와 같은 광학 센서를 포함한다. 이후, 전하 저장 요소는 광 다이오드와 병렬로 된 개별 요소일 수 있거나, 광 다이오드의 자체 커패시턴스를 포함할 수 있다.

대안적으로, 변환 요소는 광전도체와, X선 방사선을 직접 전자 전하 흐름으로 변환하는 커패시터를 포함할 수 있다.

스위칭 장치는 변환 요소와 출력 사이에 직렬로 된 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터를 포함할 수 있고, 이러한 트랜지스터들 중 하나는 행 선택 제어 신호에 의해 게이팅되고, 나머지 하나는 열 선택 제어 신호에 의해 게이팅된다. 이러한 방식으로 2차원 서브 어레이 내의 개별 픽셀이 선택될 수 있도록, 2개의 트랜지스터들은 "AND" 함수를 제공한다. 이는 개별 픽셀이 출력을 따른 전하 흐름에 의해 재충전될 수 있게 한다.

대안적으로, 스위칭 장치는 변환 요소와 출력 사이에 직렬로 된 제 1 박막 트랜지스터와, 제 2 박막 트랜지스터를 포함하고, 상기 제 2 박막 트랜지스터는 제 1 트랜지스터의 게이트에 대한 제 2 제어 신호를 스위칭하기 위한 제 1 제어 신호에 의해 게이팅된다. 이러한 장치에서, 제 2 트랜지스터는 "AND" 함수를 제공하며, 제어 신호들 중 하나는 소스/드레인 상에 제공되고, 나머지 하나는 게이트 상에 제공된다. 제 2 트랜지스터가 턴 오프될 때(X선 노출 동안), 제 1 트랜지스터의 게이트는 부동 노드를 형성하고, 이는 제 1 트랜지스터의 소스-드레인 커패시턴스를 증가시킨다.

각 픽셀은 제 1 트랜지스터의 게이트와 변환 요소 사이에 추가 커패시터를 더 포함한다. 이는 선량 감지 신호가 판독 신호와 매칭될 수 있게 한다.

픽셀들은 바람직하게 행과 열로 배치되고, 여기서 각 서브 어레이는 복수의 행과 열을 포함한다.

이후, 제 1 제어 신호들을 전달하기 위한 복수의 제 1 제어 라인들이 제공될 수 있고, 제 1 제어 라인들의 개수는 각 서브 어레이에서의 행들의 개수에 대응하며, 각각의 제 1 제어 라인이 각 서브 어레이의 1개의 행에 제공되고, 제 2 제어 신호들을 전달하기 위한 복수의 제 2 제어 라인이 제공될 수 있고, 제 2 제어 라인들의 개수는 각 서브 어레이에서의 행들에 개수에 대응하며, 각각의 제 2 제어 라인이 각 서브 어레이의 1개의 열에 제공된다.

이러한 식으로 각 픽셀 서브 어레이가 동시에 판독될 수 있도록, 픽셀들의 각 서브 어레이에 대한 제어 신호들이 공유된다. 이는 디바이스와의 인터페이스를 위해 필요한 제어 라인들의 개수를 감소시킨다. 판독 증폭기가 픽셀들의 각 서브 어레이를 위해서만 제공되고, 픽셀 레이아웃 내의 멀티플렉싱은 필요한 증폭기들의 개수를 감소시키며, 추가 멀티플렉싱 회로에 대한 필요성을 없앤다.

이제, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면들을 참조하여 상세히 기술한다.

도 1은 검사할 대상(12), 예를 들어 방사선 검사를 받아야 할 환자를 X선 빔(11)으로 비추기 위해 X선 소스(X-ray source)(10)를 포함하는 알려진 X선 검사 장치를 도시한다. 환자 신체 내에서 X선 흡수에 있어서의 국부적인 차이로 인해, X선 검출기(14)의 X선 반응 표면(13) 상에 X선 이미지가 형성된다.

한가지 알려진 X선 검출기(14)의 디자인은 고체 상태 광학 이미지 센서를 사용한다. 입사하는 X선 방사선은 형광체 신틸레이터(scintillator)(13)를 사용하여 광으로 변환된다. 이 광은 고체 상태 디바이스(14)에 의해 검출될 수 있다. 대안적으로, X선을 바로 전자들로 변환하기 위해 X선 반응성 광전도체가 사용될 수 있다.

도 2a는 고체 상태 광학 이미지 센서를 위한 한가지 알려진 디자인을 도시한다. 센서는 행과 열로 배치된 픽셀(20)들의 어레이를 포함한다. 픽셀들의 행은 행 어드레스 라인(22)을 공유하고 픽셀들의 열들은 판독 라인(24)을 공유한다. 각 픽셀은 전하 저장 커패시터(28)와 병렬로 광 다이오드(26)를 포함한다. 이 커패시터(28)는 개별 성분이거나 또는 단지 광 다이오드(26)의 자체 커패시턴스를 포함한다. 이러한 병렬 조합은 특정 픽셀을 위해 공통 전극(30)과 열 판독 라인(24) 사이에 있는 박막 트랜지스터(29)와 직렬로 연결된다. 픽셀 어레이는 유리 기판(32) 위에 제공된다. 행 구동기 회로(34)는 행 어드레스 라인들(22)을 위한 신호들을 제공하고, 열 판독 라인(24)들은 기판(32)으로부터 출력을 제공하며, 각각의 열 판독라인(24)은 각각의 전하 반응 증폭기(36)와 연관된다.

광 다이오드의 기능은 입사하는 방사선을, 커패시터 상에 저장되는 전하의 레벨을 변경하는 전하의 흐름으로 변환하는 것이다. 광전도체를 사용하여 방사선을 직접 변환하는 경우, 커패시터(28)는 개별 박막 성분으로 구현되고, 재차 저장된 전하의 레벨은 광전도체로부터의 전하 흐름의 함수이다. 도 2b는 고체 상태 직접 X선 검출기의 한가지 알려진 디자인을 도시한다. 동일한 성분들에 대해서는 도 2a에서 사용된 것과 동일한 참조 번호가 사용된다. 광전도체(260)는 적합한 동작 전압으로 바이어스된다. 광전도체와 커패시터는 도 2a의 장치에서의 형광체 변환 층과 광 다이오드를 효과적으로 대체한다.

이미지 센서 디바이스의 동작시, 커패시터들(28)은 모두 초기 값으로 충전된다. 이는 사전 이미지 획득에 의해서 이루어지거나, 또는 모든 행 도체들(22) 상의 초기 리셋 펄스로 이루어질 수 있다. 전하 반응 증폭기들은 리셋 스위치들(38)을 사용하여 리셋된다.

X선에 노출되는 동안, 광 다이오드(26) 상에 입사하는 광은 전하가 광 다이오드를 통해 역바이어스 방향으로 흐르게 한다. 이러한 전류는 커패시터들(28)로부터 공급되고 이들 커패시터들 상의 전압 레벨 강하를 일으킨다. 대안적으로, 광전도체(260)를 통해 흐르는 전하 흐름은 커패시터(28)로부터 전하를 빼낸다.

X선 노출이 끝날 때, 그 행에서의 픽셀들의 트랜지스터들(29)을 스위칭 온 하기 위해 차례로 각 행 전도체(22)에 행 펄스들이 인가된다. 이후, 커패시터들(28)은 공통 전극(30)과 열 판독 라인들(24) 사이 그리고 트랜지스터 스위치를 통해 흐르는 전류들에 의해 초기 전압으로 재충전된다. 도시된 예에서, 이들 전류들은 전하 반응 증폭기들(36)에 흐르기보다는 전하 반응 증폭기들(36)로부터 나오게 될 것이다. 본래 레벨로 커패시터들(28)을 재충전하는데 필요한 전하의 양은 저장 커패시터(28)의 방전 양을 표시하는 것으로, 이는 또한 입사하는 방사선에 대한 픽셀의 노출을 나타내는 것이다. 이러한 전하의 흐름은 전하 반응 증폭기들에 의해 측정된다. 이 절차는 각 행에 대해서 반복되어 완전한 이미지가 회복될 수 있게 한다.

이러한 타입의 고체 상태 이미지 센서들의 사용에 따른 문제점은 노출이 종료된 후, 픽셀 신호가 판독 단계 동안에만 얻어진다는 점이다. 상기 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 신호들의 임의의 판독은 픽셀 커패시터들(28)의 재충전을 일으켜서, 이들 픽셀들을 효과적으로 리셋한다. 그러므로, 이미지 획득 과정 동안에 샘플들을 취하는 것은 가능하지 않고, 따라서 이미지 센서 디자인은 실시간 노출 측정들이 얻어지도록 하지 않는다.

본 발명에 따라서, 픽셀들은 요구되는 판독 증폭기들의 개수의 감소를 가능하게 하는 멀티플렉싱 기능을 제공함은 물론, 선량 감지 기능을 가능하게 하도록 디자인된다.

다음 설명에서, 본 발명의 선량 감지 기능을 제공하도록 수정된 광 검출기 픽셀들이 도시된다. 하지만, 본 발명은 도 2b에 도시된 것과 같은 직접적인 검출 체계에도 동등하게 적용된다.

도 3은 본 발명의 제 1 픽셀을 도시한다. 도면들을 통해, 동일한 참조 번호들이 동일한 성분들에 대해서 사용될 것이고, 이들 성분들에 관한 설명은 반복되지 않을 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 검출기는 복수의 서브 어레이들(40)로 배치되는 검출기 픽셀들의 어레이를 가진다. 각각의 서브 어레이(40)는 또한 행과 열로 배치된 복수의 픽셀을 포함한다. 각 서브 어레이에서의 픽셀들은 공통 출력(42)을 공유하고, 각 공통 출력과 연관된 하나의 판독 증폭기(36)가 존재한다. 디바이스의 판독 동안, 각 서브 어레이로부터의 1개의 픽셀이 동시에 판독된다. 각 서브 어레이(40)로부터 개별 픽셀을 선택하기 위해, 각 픽셀은 행 제어 라인(44)과 열 제어 라인(46)과 연관된다. 행 제어 라인들(44)은 상이한 서브 어레이들(40) 사이에서 공유되는 한 세트의 제어 라인들을 형성하고, 유사하게 열 제어 라인들(46)은 다른 서브 어레이(40)들 사이에서 공유되는 한 세트의 제어 라인들을 형성한다. 제어 라인(44)들의 세트 개수는 각 서브 어레이에서의 행들의 개수에 대응하고, 제어 라인(46)들의 세트 개수는 각 서브 어레이에서의 열들의 개수에 대응한다.

도 3은 1개의 픽셀을 확대된 형태로 도시한다. 종래의 픽셀 구성에서와 같이, 각 픽셀은 입사하는 방사선을 전하 흐름으로 변환하기 위한 변환 요소(26), 고유 자체 커패시턴스일 수 있는 전하 저장 요소, 및 저장된 전하가 픽셀의 출력(42)으로 공급될 수 있게 하는 스위칭 장치(50)를 가진다. 변환 소자는 광학 광 다이오드로서 다음 도면들에서 도시되지만, 본 발명은 직접적인 변환 소자로 동등하게 적용 가능하다는 것을 인식하게 될 것이다.

본 발명에 따르면, 스위칭 장치(50)는 2개의 제어 신호들, 즉 행 및 열 제어라인들(44, 46) 상의 신호들을 사용함으로써, 서브 어레이(40) 내의 개별 픽셀을 선택할 수 있다.

도 3의 예에서, 스위칭 장치(50)는 변환 소자와 출력(42) 사이에서 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터(52, 54)를 포함한다. 제 1 트랜지스터(52)는 열 제어 라인(46) 상의 열 선택 제어 신호에 의해 게이팅되고, 제 2 트랜지스터(54)는 행 제어 라인(44) 상의 행 선택 제어 신호에 의해 게이팅된다. 이러한 방식으로, 2개의 트랜지스터들(52, 54)은 2차원 서브 어레이(40) 내의 개별 픽셀이 선택될 수 있도록 "AND" 함수를 제공한다. 판독 동안 개별 픽셀은, 판독의 분해능이 픽셀마다 이루어지도록, 출력(42)과 광 다이오드(26) 사이의 전하 흐름에 의해 재충전된다.

본 발명의 픽셀 구성은 또한 선량 감지 출력이 노출 동안에 제공될 수 있게 한다. 따라서, 검출기는 2가지 모드들에서 동작 가능하다. 노출 모드인 제 1 모드에서, 스위칭 장치(50)는 턴 오프되고, 입사 방사선에 따른 전하 흐름은 둘 다 턴 오프되는 2개의 트랜지스터들(52, 54)의 소스 드레인 커패시턴스를 통해 부분적으로 결합된다. 이제 이러한 용량성 결합이 판독 신호를 파괴하지 않는 선량 감지 신호를 제공할 수 있는 방식을 설명한다.

종래의 방식에서, 픽셀 커패시터(28) 상의 전압은 이미지 획득 과정 전에 알려진 레벨로 프리셋된다. X선 노출 동안에, 광 다이오드(26)는 픽셀에 입사하는 선량에 비례하는 전하의 흐름을 제공한다. 이러한 전하 일부는 픽셀 커패시터 상에 저장되고, 반면에 나머지 전하는 스위칭 장치(50)의 오프 커패시턴스로 흘러 들어간다. 이는 판독 라인(42)을 따라 전하의 대응하는 흐름을 일으킨다. 전하 반응 증폭기(36)는 이러한 전하의 흐름을 측정한다. 서브 어레이(40)에서의 모든 픽셀들은 서브 어레이에서의 모든 픽셀들에 대해서 전하 흐름이 합해져서, 선량 감지 신호의 분해능이 픽셀보다는 서브 픽셀마다 이루어지도록 신호 판독 라인(42)과 연관된다. 전하 반응 증폭기(46)는 1개의 픽셀 셀로부터 또다른 픽셀까지의 누화(cross talk)가 일어나지 않도록 그것의 입력에서 고정된 전위를 유지시킨다.

X선 노출이 종료될 때, 픽셀들은 픽셀 커패시터(28)를 재충전하는 판독 라인(42)을 따라 전하가 흐르도록 허용하도록 스위칭 장치를 스위칭 온 함으로써, 종래의 방식으로 판독된다. 이는 동작의 제 2 모드이다. 하지만, 전하는 또한 스위칭 커패시턴스(50)의 오프 커패시턴스로 흘러 X선 노출 동안에 이러한 오프 커패시턴스로 흐르거나 오프 커패시턴스로부터 나오는 전하들이 잃지 않고, 영상 판독 과정이 일어날 때 복구된다.

오프 커패시턴스는 픽셀 커패시터보다 상당히 더 적어 선량 감지 신호(이는 턴 오프된 트랜지스터 양단의 실효 누설 전하임)가 상대적으로 작아진다. 트랜지스터 디자인은 이러한 커패시턴스의 적절한 레벨들을 제공하도록 선택된다. 한 그룹의 픽셀들에 대한 이들 신호들의 합은 전하 흐름을 측정하는데 도움이 되나, 픽셀 판독시 오직 소량의 스위칭 잡음만이 발생하게 한다.

본 발명의 픽셀 구성은 판독 증폭기들의 개수가 픽셀들의 서브 어레이 당 1개로 감소될 수 있게 하고, 이는 픽셀들에서의 멀티플렉싱을 행함으로써 이루어진다. 감지기의 분해능이 감소되지 않도록, 픽셀들의 서브 어레이의 선량 감지에 대해서처럼, 개별 픽셀 신호들을 판독하는데 있어서 동일한 공통 출력이 사용된다. 스위칭 장치는 스위칭 장치가 턴 오프될 때 판독 라인으로 용량성 결합을 제공하고 스위칭 장치가 턴 온될 때는 직접적인 전도성 결합을 제공함으로써 선량 감지 및 일반적인 판독을 위해, 동일한 출력이 사용될 수 있게 한다.

도 4는 대안적인 픽셀 레이아웃을 도시한다. 동작은 스위칭 장치(50)가 상이한 디자인을 가지는 것 외에는 도 3의 예에서와 동일하다. 스위칭 장치(50)는 광 다이오드(26)와 출력(42) 사이에 직렬로 된 제 1 박막 트랜지스터(60)와 제 2 박막 트랜지스터(62)를 가진다. 제 2 박막 트랜지스터(62)는 행 제어 신호 라인(44)으로부터 행 선택 제어 신호에 의해 게이팅되고, 열 제어 신호 라인(46)으로부터의 열 선택 제어 신호를 제 1 트랜지스터(60)의 게이트로 스위칭한다. 이러한 방식으로, 제 2 트랜지스터(62)만이 "AND" 함수를 제공한다. 제 2 트랜지스터(62)가 턴 오프될 때(제 1 모드에서 X선 노출 동안), 제 1 트랜지스터(60)의 게이트는 부동(floating) 노드를 형성한다. 이는 트랜지스터(52, 54)가 능동적으로 턴 오프되는 도 3의 장치와 비교할 때, 제 1 트랜지스터(60)의 소스-드레인 커패시턴스를 증가시킨다. 이러한 소스-드레인 커패시턴스의 증가는 선량 감지 동작에 대한 픽셀의 반응성을 개선한다.

도 5는 도 3과 도 4의 픽셀 구성에 대한 판독 시퀀스를 도시한다. 서브 어레이에서의 모든 픽셀들을 차례로 판독하기 위해, 픽셀들의 각 서브 어레이는 종래의 판독과 유사한 방식으로 어드레싱된다. 그러므로, 행 어드레스 펄스는 각 행(44)에 차례로 그리고 각 행 어드레스 펄스(70)의 지속 시간 내에서 인가되고, 열 어드레스 펄스(72)는 각 열(46)에 차례로 인가된다. 도 4의 실시예에 있어서, 제 2 트랜지스터(62)의 게이트는 더 긴 행 어드레스 신호에 연결되고, 제 1 트랜지스터(60)의 소스는 더 짧은 열 어드레스 펄스에 연결된다. 이는 제 1 트랜지스터(60)가 적절히 스위칭 오프되는 것을 보장한다.

본 발명은 여러 가진 상이한 기술들로 실현될 수 있으며, 이러한 모든 기술들은 의학 영상 센서들에서의 관심사이다. 도 6 내지 도 9는 의학 영상 센서들에 대한 관심사인 주요 기술들의 단면을 도시하고 있다. 이들 단면들에서의 특정 층들은, 본 발명의 구현이 당업자에게 일상적인 사항이므로, 상세히 기술되지 않을 것이다. 특히, 본 발명은 각 픽셀의 성분들, 특히 TFT들의 레이아웃에서의 변경 사항만을 수반하고, 이들 변경 사항은 기존의 처리 기술들에서의 임의의 변경을 요구하지 않는다. 도 6 내지 도 9는 본 발명의 상이한 가능한 구현 예들의 일부를 단지 예시하기 위해 제공된다.

도 6은 평면 TFT 다이오드 구성을 도시하고, 여기서 TFT들{도 6에 도시된 하나(80)만}은 광 다이오드 구조(82)에 대해서 측면으로 배치된다. 도 6은 게이트 라인(84), 판독 라인(86), 및 공통 전극(88)을 도시한다.

도 7은 다수 레벨의 'diode on top' 기술을 도시하고, 여기서 광 다이오드 구조(82)가 TFT{오직 하나의 TFT(80)만이 도 7에 다시 도시되었다} 위에 제공된다. 도 7은 또한 게이트 라인(84), 판독 라인(86), 및 공통 전극(88)을 도시한다.

도 8은 직접 변환 X선 검출기들에 적합한 'electrode on top' 기술을 도시한다. 직접 변환 소자는 TFT들{오직 하나의 TFT(80)만이 도 8에 다시 도시되었다}의측면으로 제공되는 커패시터(90)를 필요로 한다. 도 8 역시 게이트 라인(84), 판독 라인(86), 및 공통 전극(88)을 도시한다.

도 9는 직접 변환 검출기에 적합한 다수 레벨의 'capacitor on top' 기술을 도시한다. 직접 변환 소자는 재차 TFT들{오직 하나의 TFT(80)만이 도 9에 다시 도시되었다}의 위에 제공되는 커패시터(90)를 필요로 한다. 도 9 역시 게이트 라인(84), 판독 라인(86), 및 공통 전극(88)을 도시한다.

도 10 내지 도 12는 도 4의 픽셀 레이아웃(예를 들어)이 상이한 기술들을 사용하여 어떻게 구현될 수 있는지를 상세히 도시한다. 동일한 성분들을 나타내기 위해, 동일한 참조 번호들이 이들 도면들에 사용되고, 설명이 반복되지 않는다.

도 10은 평면 TFT 다이오드 기술에 대한 픽셀 디자인을 도시한다. 광 다이오드는 픽셀 전극(100)과 밑에 있는 공통 전극(102) 사이에서 한정된다. 행 제어 라인(44), 열 제어 라인(46), 및 판독 라인(42)이 2개의 TFT(60, 62)와 함께 도시되어 있다. 내부 서브 어레이 라인(104)은 서브 어레이 내의 픽셀들의 각 행 내에서의 다른 픽셀들 사이의 판독 라인(42)의 연결을 제공한다. 물론, 2개의 TFT(60, 62)에 의해 점유된 공간은 픽셀 전극(100)(광 다이오드)의 구역을 감소시킨다.

도 11은 'electrode on top' 기술에 대한 픽셀 디자인을 도시하는데, 여기서 게이트 금속 층{더 하부 전극(108)을 한정하는)과 TFT(60, 62)의 소스-드레인 금속 사이에 저장 커패시터(106)가 만들어진다. 1개의 열에서의 각 픽셀은 추가 열 전도체(102)에 의해 공통 전극에 연결되고, 이러한 추가 열 전도체들은 서로가 픽셀 구역 외부에서 함께 연결될 수 있다.

도 12는 'on top' 기술들에 대한 픽셀 디자인, 즉 'diode on top'과 'electrode on top' 기술 모두에 적합한 디자인을 도시한다. 이 경우, 픽셀 전극은 접촉 구역(110)을 가지는데, 이 접촉 구역 위에 광 다이오드 또는 직접 변환 디바이스가 한정된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 디바이스는 태핑(tapping) 커패시턴스처럼, 판독 TFT의 고유 TFT 소스-드레인 커패시턴스를 사용하여, 통합된 선량 감지를 행할 수 있다. 게이트 전극이 부동 노드일 때, 도 4의 픽셀 레이아웃에서 채택된 고유 소스-드레인 커패시턴스에 비해 판독 TFT의 소스-드레인 커패시턴스는 증가한다. 이는 선량 감지 신호가 증가될 것이라는 것을 의미한다. 선량 감지 신호를 판독 신호에 정확하게 매칭하기 위한 추가 접근은 도 4의 회로의 부동 게이트 노드{트랜지스터(60)의 게이트)에 추가 커패시턴스를 더하는 것이다. 이는 제어 TFT의 충전 필요 사항들을 과도하게 증가하지 않고, 판독 TFT의 고유 소스-드레인 커패시턴스를 감소시킨다. 노드 커패시턴스의 이상적인 값은 상세한 시뮬레이션과 모델링에 의해 결정될 수 있다.

이러한 추가 커패시터는 선량 감지 신호가 판독 신호에 매칭되도록 할 수 있다. 이상적인 디자인에서, 선량 감지 신호를 생성하기 위해 사용된 표류(stray) TFT 커패시턴스는 서브 어레이에서의 픽셀들의 개수에 의해 나뉜 픽셀 커패시턴스와 같게 될 것이다. 이는 전하 반응 증폭기가 선량 감지로부터 픽셀 판독 함수로의 전이시 범위 변경을 거칠 필요가 없게 될 것이라는 것을 의미한다.

실제로, 표류 커패시턴스는 최적의 값보다 훨씬 더 크다. 픽셀 커패시턴스는약 2㎊일 수 있고, 서브 어레이에서 약 1000 픽셀들일 수 있어, 목표 값을 픽셀 당 2fF로 만든다.

판독 TFT(60)(도 4)가 오프 상태에 있을 때, 그것의 게이트는 부동 상태가 되어 표류 용량이 소스-게이트 커패시턴스(25fF)와 게이트-드레인 커패시턴스와 병렬로 된 소스-드레인 커패시턴스(~2fF)로 이루어지고, 소스-게이트 커패시턴스(25fF)와 게이트-드레인 커패시턴스는 직렬로 총 약 12fF를 갖게 된다.

전하 공유를 위한 추가 커패시터는 변환 소자와 공통 전극 사이(도 13과 도 14의 아래에 도시된 바와 같은) 또는 변환 소자와 제어 TFT(62)의 게이트 사이(도 15 아래에 도시된 바와 같은)에 위치할 수 있다.

도 13 내지 도 15는 도 10 내지 도 12에 대응하지만, 추가적으로 각 기술에 대한 노드 커패시턴스의 위치가 정해지는 것을 도시한다.

도 13은 도 10에 대응하고, 제 1 TFT(60)(판독 TFT)의 게이트와 공통 라인(102) 사이의 추가 노드 커패시터(110)를 도시한다. 도 14는 도 11에 대응하며, 또한 제 1 TFT(60)(판독 TFT)의 게이트와 전극(108) 사이의 추가 노드 커패시터(110)를 도시한다.

도 15는 도 12에 대응하고, 제 1 트랜지스터(60)(판독 TFT)의 게이트와 제 2 TFT(62)의 게이트 사이의 노드 커패시턴스를 도시한다. 특히, 커패시터(110)는 제 1 TFT(60)의 게이트와 행 제어 신호 라인(44) 사이에 한정된다. 판독 라인으로의 제어 게이트 신호의 일부 결합이 이루어지게 될 것이지만, 이는 판독 증폭기들이 오버로드되지 않으면, 판독 동작에 영향을 미치지 않는다.

선량 감지 동작 동안, 처리 유닛은 각 판독 증폭기로부터 선량 신호들을 수집한다. 선택된 서브 어레이들의 선량 신호들을 합하여 이들을 제 1 선량 출력으로 제공하도록 배치될 수 있다. 또한, 단위 시간 당 선량을 나타내기 위해, 선택된 선량 감지 서브 어레이들로부터 선량 비율 신호가 또한 유도될 수 있다.

전술한 바와 같이, 특정 관심이 있는 영상 구역에 대한 최상의 영상 콘트라스트를 제공하기 위해, 바람직하게 노출 제어가 수행된다. 그러므로, 처리 유닛이 발생하는 특정 X선 검사에 대한 관심 있는 서브 어레이들의 특정 패턴을 분석하는 것이 가능하다.

또한, 가중치 선량 신호와 선량 비율 신호를 얻도록 일정한 선량 감지 픽셀 서브 어레이들에 상이한 가중치들이 할당되어질 수 있다.

선량 감지 신호들은 노출 정보를 얻기 위해 아날로그 영역에서 또는 샘플링 후에 분석될 수 있다. 주어진 조건에 도달할 때, 샘플링된 출력들의 분석은 그 다음에 판독 단계가 따라오는 X선 노출 기간의 종료를 가져온다. X선 노출은 펄스 방식으로 행해질 수 있고, 이후 노출 제어가 언제 X선 노출이 중지될지를 지시한다.

전술한 예에서, 선량 감지 픽셀들이 각 경우에서 4×4 픽셀들의 블록을 형성하는 것으로 개략적으로 도시되었다. 물론, 이것은 반드시 그러하지는 않고, 실제로는 선량 감지 픽셀들이 훨씬 더 큰 그룹들로 그룹화될 것이다. 물론, 어레이는 반드시 동일한 개수의 행들과 열들을 가지지는 않고, 실제로는 공통 선량 감지 신호 출력을 공유하는 픽셀 블록들이 반드시 정사각형이지 않다.

고체 상태 디바이스를 형성하는데 수반하는 제조 과정들이 상세히 기술되지는 않았다. 본 발명의 픽셀 구성은 종래의 셀들에 적용된 박막 기술들을 사용하여 이루어질 수 있다. 통상, 그러한 디바이스들은 박막 기술들을 사용하여 제조된 비결정 또는 다결정 실리콘 디바이스들이다.

당업자들에게는 다양한 수정 예들이 명백해질 것이다.

본 발명은 X선 검출기와 이러한 검출기를 사용하는 X선 검사 장치에 이용 가능하다.

Claims (12)

1. 검출기 픽셀(20)의 어레이를 포함하는 X선 검출기 장치로서,

   각 픽셀은 입사하는 방사선을 전하 흐름으로 변환하기 위한 변환 요소(26; 260), 전하 저장 요소(28), 및 상기 저장된 전하가 상기 픽셀의 출력에 제공될 수 있게 하는 스위칭 장치(50)를 포함하고, 픽셀의 상기 어레이는 복수의 서브 어레이(40)로 배치되며, 각 서브 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고, 각 서브 어레이(40)에서의 픽셀들은 공통 출력(42)을 공유하며, 상기 검출기 장치는 2가지 모드들로 동작 가능한데, 제 1 모드에서는 상기 스위칭 장치(50)가 턴 오프되고, 입사 복사선에 응답하는 전하 흐름은 선량 감지 신호로서의 측정을 위해 스위칭 장치의 오프 커패시턴스를 통해 상기 출력(42)에 부분적으로 결합되고, 제 2 모드에서는 상기 스위칭 장치(50)가 턴 온되어, 검출 신호로서의 측정을 위해 상기 전하 저장 요소와 상기 출력 사이에 전하가 흐르도록 허용하고, 상기 스위칭 장치는 상기 서브 어레이 내의 단일 픽셀이 선택될 수 있게 하는 제 1 및 제 2 제어 신호들에 의해 턴 온되는, X선 검출기 장치.
2. 제 1항에 있어서, 입사하는 X선 신호를 광학 신호로 변환하기 위한 변환 층을 더 포함하고, 상기 변환 요소는 광학 센서를 포함하는, X선 검출기 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 광학 센서는 광 다이오드(26)를 포함하는, X선 검출기 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전하 저장 요소는 상기 광 다이오드(26)의 자체 커패시턴스를 포함하는, X선 검출기 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 변환 소자는 광전도체(260)를 포함하는, X선 검출기 장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 상기 변환 요소(26; 260)와 상기 출력(42) 사이에 직렬로 된 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터(52, 54)를 포함하고, 트랜지스터중 하나(54)는 행 선택 제어 신호에 의해 게이팅되며 다른 하나(52)는 열 선택 제어 신호에 의해 게이팅되는, X선 검출기 장치.
7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 상기 변환 요소(26; 260)와 상기 출력(42) 사이에 직렬로 된 제 1 박막 트랜지스터(60)와 제 2 박막 트랜지스터(62)를 포함하고, 상기 제 2 박막 트랜지스터(62)는 제 2 제어 신호를 제 1 트랜지스터(60)의 게이트로 스위칭하기 위한 제 1 제어 신호에 의해 게이팅되는, X선 검출기 장치.
8. 제 7항에 있어서, 각 픽셀은 상기 제 1 트랜지스터(60)의 게이트와 상기 변환 요소(26) 사이의 추가 커패시터를 더 포함하는, X선 검출기 장치.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀들은 행과 열로 배치되고, 각 서브 어레이(40)는 복수의 행과 열을 포함하는, X선 검출기 장치.
10. 제 9항에 있어서, 제 1 제어 신호를 전달하기 위한 복수의 제 1 제어 라인(44)으로서, 이들의 개수는 각각의 제 1 제어 라인(44)이 각 서브 어레이(40)의 1개의 행에 제공되는 각 서브 어레이(40)에서의 행들에 개수에 대응하는, 제 1 제어 라인(44)과, 제 2 제어 신호를 전달하기 위한 복수의 제 2 제어 라인(46)으로서, 이들의 개수는 각각의 제 2 제어 라인(46)이 각 서브 어레이(40)의 1개의 열에 제공되는 각 서브 어레이(40)에서의 열들의 개수에 대응하는, 제 2 제어 라인(46)을 포함하는, X선 검출기 장치.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 판독 증폭기(36)가 픽셀들의 각 서브 어레이에 대해서 제공되는, X선 검출기 장치.
12. X선 검사 장치로서,

    X선 에너지에 검사할 대상을 노출시키기 위한 X선 소스(10)와

    검사될 대상에 의한 감쇠 후 X선 영상을 수신하기 위한, 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 X선 검출기(14)를 포함하는, X선 검사 장치.