KR20110126645A

KR20110126645A - Ｘ-선 영상화용 실리콘 디텍터 어셈블리

Info

Publication number: KR20110126645A
Application number: KR1020117020100A
Authority: KR
Inventors: 매츠 다니엘슨; 스테판 칼슨
Original assignee: 매츠 다니엘슨
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-11-23
Also published as: JP5717652B2; GB201112331D0; US8183535B2; CN102224434A; WO2010093314A1; JP2012517604A; DE112010000797T5; CN102224434B; KR101716911B1; GB2480561B; DE112010000797B4; US20100204942A1; GB2480561A

Abstract

X-선 영상화용 실리콘 디텍터는 전체 디텍터 영역을 형성하기 위해 함께 배열된 다중 반도체 디텍터 모듈들(A)에 기초하며, 여기서 각 반도체 디텍터 모듈은 결정질 실리콘의 x-선 센서로 구성되며, 이 x-선 센서는 입사하는 x-선에 대해 엣지-온(edge-on) 배향되고, 상기 x-선 센서에서 광전 효과 및 콤프턴 산란을 통해 상호 작용하고 40 keV 및 250 keV 사이의 입사 x-선 에너지에 대해 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 집적 회로에 결합되어, 이들 상호작용으로부터 공간 및 에너지 정보를 제공하여 사물의 이미지를 얻을 수 있도록 한다. 또한, 산란 제거 모듈(anti-scatter modules; B)은 콤프턴 산란된 x-선을 적어도 부분적으로 흡수하기 위하여 반도체 디텍터 모듈의 적어도 일부 세트 사이에 끼워 넣어진다.

Description

Ｘ-선 영상화용 실리콘 디텍터 어셈블리{Silicon detector assembly for X-ray imaging}

본 발명은 x-선 영상화(x-ray imaging)에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 x-선 영상화용 실리콘 디텍터 어셈블리에 관한 것이다.

X-선 영상화는 흔한 과정으로, 의료용 영상화에 있어서 x-선용 에너지 범주는 전형적으로 10 keV 내지 200 keV이고, 비파괴 시험 또는 보안 검사(security screening)에서는 에너지가 더 높을 수 있다. 이러한 범주에서 x-선은 주로 콤프턴 효과(Compton effect) 또는 광전 효과를 통해 물질과 반응한다. 첫 번째의 경우 x-선 광자의 에너지 일부만이 전자(electron)로 전달되고 x-선은 이러한 산란 이후에 감소된 에너지로 계속된다. 후자의 경우 모든 에너지는 전자로 전달되고 x-선은 완전히 흡수된다.

x-선 영상 디텍터에 대한 도전은, 밀도, 조성 및 구조의 면에서 사물이 묘사되는 사물의 이미지에 입력을 제공하기 위하여 검출된 x-선으로부터 최대한의 정보를 추출하는 것이다. 디텍터로서 필름-스크린을 사용하는 것이 여전히 흔하지만 오늘날 디텍터는 거의 디지털 이미지를 제공한다.

디텍터는 입사하는 x-선을 전자로 전환시킬 필요가 있는데, 이는 전형적으로 광-효과 또는 콤프턴 상호작용을 통해 발생하며, 그 결과 얻어지는 전자는 보통 그것의 에너지가 소실될 때까지 2차 가시광을 발생하고, 이 빛은 다음에 감광성(photo-sensitive) 재질에 의해 검출된다. 비결정질(amorphous) 셀레늄 또는 실리콘과 같은 반도체에 기초한, 덜 흔한 디텍터도 있는데, 이 경우 x-선에 의해 발생되는 전자는 충분한 강도로 적용된 전기장을 거쳐 수집되는 전자 및 홀-쌍(hole-pairs)에 의하여 전하를 발생한다.

지금까지 대부분의 디텍터는, 그것이 다수의 x-선으로부터 신호를 통합하고 이 신호가 나중에야 디지털화되어 픽셀(pixel)로 입사하는 x-선의 수를 최적 예상하도록 한다는 점에서 통합 모드로 작동한다. 최근 몇 년간은 소위 광자 계수 디텍터(photon counting detectors)가 일부 응용에서 실현 가능한 대안으로 떠올랐는데, 현재 이러한 디텍터들은 주로 유방 X선 조영법(mammography)에서 상업적으로 이용된다. 상기 광자 계수 디텍터는, 원칙적으로 각 x-선에 대한 에너지가 측정될 수 있어서 사물의 조성에 대한 추가 정보를 제공하고, 이미지의 품질을 향상시키면서, 또는 방사선량을 감소시키기 위해 이용될 수 있기 때문에 잇점을 갖는다.

디텍터에 대한 매우 흔한 구성은 미국 특허 US 7471765 "평판 영상 장치를 이용한 원추형 빔 컴퓨터 단층 촬영"에서 약술된 바와 같다. 디텍터는 신틸레이터(scintillators)에 결합된 박막 트랜지스터 및 a-Si:H 포토 다이오드의 512 x 512 어레이(512.times.512 array)를 통합하여 통합 모드에서 작동된다. 이 경우 응용은 방사선 요법(radiation therapy)을 최적화하는 것이지만, 이들 디텍터들은 또한 진단 영상 및 기타의 응용에서 매우 일반화되어 있다.

US 4785186 에서는 x-선을 포함하는 고 에너지 입자를 계수하기 위한 비결정질 실리콘 디텍터가 제안된다. US 7471765 "평판 영상 장치를 이용한 원추형 빔 컴퓨터 단층 촬영". 이 혁신 기술은 x-선 영상화를 위해 개발되지는 않았는데, 이는 아마도 이 응용에서의 비결정질 실리콘 재료와 관련한 도전 때문일 수 있고, 또한 흡수 효율과 관련한 도전 때문일 수도 있다.

광자 계수 모드에서 개별 x-선으로부터의 신호는 꽤 약하기 때문에, x-선 에너지를 각각의 경우에 대하여 수집된 전하로 전환하는 전환 효율을 최적화함으로써 신호를 최대화할 필요가 있다. 이는 디텍터에서 결정질 재료의 사용이 대개 바람직함을 의미한다. 광자 계수와 관련된 잇점 및 헛점은, 스웨덴 SE-851 70 썬즈벌에 있는 미드 스웨덴 대학의 정보기술 미디어과, 보르제 놀린(Borje Norlin)의 "광자 계수 X-선 디텍터 시스템의 특성 및 응용", 미드 스웨덴 대학 박사 논문 26 (ISSN 1652-893X, ISBN 978-91-85317-55-4 전자공학 설계부) 및 맷츠 룬드퀴비스트(Mats Lundqvist)의 "스캐닝된 멀티-슬릿 X-선 영상화용 실시콘 스트립 디텍터"에 기재되어 있다. 이들 논문은 단일 광자 공정에 기초하는 X-선 영상화 시스템의 개발 및 특성에 관한 것이다. 각각의 X-선 에너지를 측정하는 것은 가시 영역에서의 색채 영상화와 유사한, x-선의 색채를 보는 것에 비교될 수 있다. "칼라(color)" x-선 영상화는 의료 x-선 진단 및 기타 응용에 있어서 새로운 시각을 열어준다. 다른 색채에 대한 흡수도의 차이는 물체의 재료를 구별하는데 이용될 수 있으므로, 원칙적으로 물체의 원소 조성이 결정될 수 있을 것이고, 단지 그레이 스케일(gray scale) 이 아니다. 예를 들어, 이러한 정보는 진단 x-선 영상화에 있어 다수의 검사에서 사용되는 조영제(contrast media)를 식별하는데 이용될 수 있다.

룬드퀴비스트 및 놀린은 오늘날의 기술이 디테일(details)을 약 50 ㎛ 수준까지 분해할 수 있는 광자 계수 디텍터 시스템을 구성할 수 있도록 한다고 지적한다. 그러나, 그러한 작은 픽셀에 대해서는 복잡함이 또한 있는데, 이는 반도체 디텍터에서 각각의 흡수된 x-선 광자가 영상에 기여하는 전하 구름을 생성하기 때문이다. 높은 광자 에너지에 대하여 전하 구름의 크기는 50 ㎛에 필적하며, 영상에서 몇몇 픽셀 사이에 분포될 수 있다. 전하 공유(charge sharing)는 쇠퇴하는 해상도(resolution) 뿐만이 아니라 그것이 영상에서의 "칼라" 정보를 파괴시키기 때문에 중요한 문제이다. 그들은 또한 이러한 문제를 피하는 방법들, 예를 들어 인접 픽셀들 사이의 전하 합산(charge summing)을 개시한다.

가슴 영상화를 위한 컴퓨터 단층 촬영용 디텍터에 대한 하나의 제안은 M.G. 비소니(Bisogni), A. 델 구에라(Del Guerra), N. 란코넬리(Lanconelli), A. 로리아(Lauria), G. 메티비어(Mettivier), M.C. 몬테시(Montesi), D. 파네타(Panetta), R. 파니(Pani), M.G. 콰트로찌(Quattrocchi), P. 란다찌오(Randaccio), V. 로쏘(Rosso) 및 P. 루쏘(Russo)의 "광자 계수 가슴 컴퓨터 단층 촬영에서 빔 경화 인공물(beam hardening artifacts)에 관한 실험적 연구" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: 가속기, 분광계, 디텍터 및 관련 기구 Volume 581, Issues 1-2, 2007년 10월 21일, 94-98 페이지)에 약술되어 있다. 이는 에너지가 너무 낮아서 실리콘이 디텍터 효능의 일부를 여전히 유지하면서 디텍터로서 이용될 수 있는 예이다. X-선 가슴 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템은 가슴 Tc-99 영상화를 위한 전용의 단일 광자 방출 단층촬영 시스템의 가교(gantry)에서 실행된다. 상기 단일 광자 계수 실리콘 픽셀 디텍터는 0.3mm 두께, 256x256 픽셀, 55㎛ 피치(pitch)를 갖고 Medipix2 광자 계수 판독 칩에 범프-결합(bump-bonded)되었다. 인공물(artifacts)은 실리콘 픽셀 디텍터의 전하 공유 효과 및 낮은 검출 효율 때문일 수 있다.

낮은 에너지에 대한 또 다른 광자 계수 디텍터는 V. 로쏘(Rosso), N. 벨카리(Belcari), M.G. 비소니(Bisogni), C. 카펜티에리(Carpentieri), A. 델 구에라(Del Guerra), P. 델로구(Delogu), G. 메티비어(Mettivier), M.C. 몬테시(Montesi), D. 파네타(Panetta), M. 콰트로찌(Quattrocchi), P. 루쏘(Russo) 및 A. 스테파니니(Stefanini)의 "CT 영상화에서 X-선 에너지 선택의 잇점에 관한 예비 연구" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: 가속기, 분광계, 디텍터 및 관련 기구, Volume 572, Issue 1, 2007년 3월 1일, 270-273 페이지)에서 제안된다. 이러한 디텍터는 55㎛ 스퀘어 픽셀로부터 발생하는 우수한 공간 해상도로, 사용된 에너지 범주(60 kVp)에서 우수한 검출 효능(46%)을 보장한다.

실리콘은 디텍터 재료로서 많은 잇점을 갖는데, 예를 들면 높은 순도 및 전하 운반체(전자-홀 쌍)의 생성에 요구되는 낮은 에너지, 또한 이들 전하 운반체에 대한 높은 이동성이며, 이는 높은 속도의 x-선에 대해서도 작용할 수 있음을 의미한다. 중요한 것은 큰 부피에서도 용이하게 이용가능하다는 것이다.

실리콘과 관련된 주요 난제는 낮은 원자 번호 및 낮은 밀도인데, 이는 효율적 흡수제가 되기 위해서 더 높은 에너지를 위해 매우 두껍게 제조되어야 함을 의미한다. 낮은 원자 번호는 또한 디텍터 내 콤프턴 산란된 x-선 광자들의 분율(fraction)이 광 흡수된 광자들에 비해 우세하여 상기 산란된 광자들에 문제를 일으킬 것임을 의미하는데, 이는 그들이 디텍터 내 다른 픽셀에서, 그러한 픽셀에서의 소음과 동등할, 신호를 유도할 수 있기 때문이다. 그러나 실리콘은 더 낮은 에너지로 성공적으로 응용되어 왔는데, 일 예가 M. 다니엘슨(Danielsson), H. 보르네포크(Bornefalk), B. 세더스트롬(Cederstrom), V. 크밀(Chmill), B. 하세가와(Hasegawa), M. 룬드퀴비스트(Lundqvist), D. 나이그렌(Nygren) 및 T. 타바(Tabar)의 "디지털 유방 X선 조영법을 위한 용량 효과적 시스템"(Proc. SPIE, 의료 영상 물리학, volume 3977, pp. 239-249, 샌디에고, 2000)에 기술되어 있다. 실리콘에 대한 낮은 흡수 효율의 문제를 극복하는 한 가지 방법은 단순히 그것을 매우 두껍게 만드는 것인데, 실리콘은 대략 500㎛ 두께를 갖는 웨이퍼로 제작되며, 이들 웨이퍼는 x-선이 가장자리로(edge-on; 엣지-온) 입사하고 실리콘의 깊이가 필요에 따라 웨이퍼의 지름 만큼 될 수 있도록 배향될 수 있다.

높은 효율을 얻기에 충분한 깊이의 실리콘을 만드는 또 다른 방법은 셔우드 파커의 미국 특허 US 5889313 "고체 상태 방사선 디텍터용 3차원 구성"에 주장되어 있다. 이는 창의성이 풍부한 방법이지만 다소 비표준적 제조 방법에 관한 것이어서, 상업적 영상 디텍터에서 이용되지 않았던 이유가 될 수 있을 것이다.

X-선 디텍터로서 엣지-온 형상(edge-on geometry)의 결정질 실리콘 스트립 디텍터에 대한 우리가 찾을 수 있는 첫 번째 언급은 R. 노와트니(Nowotny)의 "의약 및 구조 분석에서 Si-마이크로스트립-디텍터의 응용" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39)에서였다. 여기서의 결론은, 실리콘은 가슴 영상을 위한 경우와 같이 낮은 에너지에서 작동할 것이지만, 주로 콤프턴 산란의 높은 분율(fraction)과 이와 관련된 문제로 인하여 컴퓨터 단층촬영과 같은 높은 에너지에 대해서는 작동하지 않을 것이라는 것이다.

반도체 디텍터에 대한 엣지-온 형상(edge-on geometry)은 또한 로버트 넬슨의 미국 특허 US 4937453 "방사선 사진 영상화용 X-선 디텍터"(엣지-온), 데이비드 나이그렌의 미국 특허 US 5434417 "고해상도 에너지-민감성 디지털 X-선", 및 로버트 넬슨의 미국 특허출원 US 2004/0251419에 제안되어 있다. 미국 특허출원 US 2004/0251419에서 엣지-온 디텍터는 소위 콤프턴 영상화를 위해 이용되는데, 여기서 콤프턴 산란된 x-선의 에너지와 방향은 원래의 x-선의 에너지를 추산(estimation)하기 위해 측정된다. 콤프턴 영상화의 방법은 오랫동안 문헌에서 많이 논의되어 졌지만, 양전자 방사 단층 촬영(positron emission tomography)과 같이, x-선 영상화에 이용된 것 보다 더 높은 에너지에 주로 응용되었다. 콤프턴 영상화는 본 발명과 관련 없다.

S 쇼이치 요시다(Shoichi Yoshida), 다까시 오수기(Takashi Ohsugi)에 의한 "실리콘 스트립 디텍터의 x-선 컴퓨터 단층 촬영에의 응용"(Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 (2005) 412-420) 논문에는, 엣지-온(edge-on) 개념의 실행이 개시되어 있다. 이러한 실행에 있어, 엣지-온 실리콘 스트립 디텍터 사이에 배치된 얇은 텅스텐 판들은 산란된 x-선의 배경을 감소시키고 저선량으로 이미지 콘트라스트(image contrast)를 개선한다. 이러한 실행은 R. 노와트니(Nowotny)의 "의약 및 구조 분석에서 Si-마이크로스트립-디텍터의 응용" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39)에서 제안된 것과 매우 유사하다.

CdZnTe 과 같은 하이-제트 재료(high-Z materials)에 기초하는 광자 계수 반도체 디텍터에 대해서는 몇몇 제안이 제시된 바 있으며, 임상 이미지가 프로토타입 디텍터로 얻어진 바도 있다. 이들 재료의 결점은 생산량에 있어서의 경험 부족 및 비용이다.

광자 계수 디텍터, 특히 의료 영상용의 광자 계수 디텍터에 대해서는 관심이 상당히 있었지만 여태까지 대략 40 keV 보다 높은 에너지에서 작동하는 상업적 해결책은 없었다. 이는 실행가능하고 용이하게 입수가능한 재료로 디텍터를 제조하는 문제 때문이며, 신종의 하이 제트 반도체는 여전히 비싸고 미입증 상태이다. 실리콘은 낮은 에너지에 대해 작동해 왔지만, 더 높은 에너지에 대해서는 콤프턴 산란의 높은 분율이라는 문제가, 예를 들어 높은 검출 효능을 형상(geometry) 및 흡수의 면에서 결합시킨다는 점에서 오늘날의 CT 양식에 대한 기하학적 요건을 충족시키는 디텍터의 작동 시스템 어셈블리와 함께, 금지의 문제였다.

US 7471765 "평판 영상 장치를 이용한 원추형 빔 컴퓨터 단층 촬영"(방사선 요법) US 4785186 "비결정질 실리콘 디텍터 이온화 입자 디텍터"(제록스) US 5889313 셔우드 파커 "고체 상태 방사선 디텍터용 3차원 구성" 1999 US 4937453 로버트 넬슨 "방사선 사진 영상화용 X-선 디텍터"(엣지-온) US 5434417 데이비드 나이그렌 "고해상도 에너지-민감성 디지털 X-선" US 2004/0251419 특허 출원, 로버트 넬슨

보르제 놀린(Borje Norlin), "광자 계수 X-선 디텍터 시스템의 특성 및 응용", 스웨덴 SE-851 70 썬즈벌, 미드 스웨덴 대학의 정보기술 미디어과, 미드 스웨덴 대학 박사 논문 26, ISSN 1652-893X, ISBN 978-91-85317-55-4 전자공학 설계부 M.G. 비소니(Bisogni), A. 델 구에라(Del Guerra), N. 란코넬리(Lanconelli), A. 로리아(Lauria), G. 메티비어(Mettivier), M.C. 몬테시(Montesi), D. 파네타(Panetta), R. 파니(Pani), M.G. 콰트로찌(Quattrocchi), P. 란다찌오(Randaccio), V. 로쏘(Rosso) 및 P. 루쏘(Russo). "광자 계수 가슴 컴퓨터 단층 촬영에서 빔 경화 인공물(beam hardening artifacts)에 관한 실험적 연구" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: 가속기, 분광계, 디텍터 및 관련 기구 Volume 581, Issues 1-2, 2007년 10월 21일, 94-98 페이지 V. 로쏘(Rosso), N. 벨카리(Belcari), M.G. 비소니(Bisogni), C. 카펜티에리(Carpentieri), A. 델 구에라(Del Guerra), P. 델로구(Delogu), G. 메티비어(Mettivier), M.C. 몬테시(Montesi), D. 파네타(Panetta), M. 콰트로찌(Quattrocchi), P. 루쏘(Russo) 및 A. 스테파니니(Stefanini), "CT 영상화에서 X-선 에너지 선택의 잇점에 관한 예비 연구" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: 가속기, 분광계, 디텍터 및 관련 기구, Volume 572, Issue 1, 2007년 3월 1일, 270-273 페이지 M. 다니엘슨(Danielsson), H. 보르네포크(Bornefalk), B. 세더스트롬(Cederstrom), V. 크밀(Chmill), B. 하세가와(Hasegawa), M. 룬드퀴비스트(Lundqvist), D. 나이그렌(Nygren) 및 T. 타바(Tabar), "디지털 유방 X선 조영법을 위한 용량 효과적 시스템", Proc. SPIE, 의료 영상 물리학, volume 3977, pp. 239-249, 샌디에고, 2000 R. 노와트니(Nowotny) "의약 및 구조 분석에서 Si-모노스트립-디텍터의 응용" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 쇼이치 요시다(Shoichi Yoshida), 다까시 오수기(Takashi Ohsugi) "실리콘 스트립 디텍터의 x-선 컴퓨터 단층 촬영에의 응용" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 (2005) 412-420

본 발명의 전체적 목적은 X-선 영상화용 실리콘 디텍터 어셈블리를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 첨부하는 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명에 의해 달성된다.

기본적인 아이디어는 전체 디텍터 영역을 형성하기 위해 함께 배열된 다중 반도체 디텍터 모듈들에 기초하는 X-선 영상화용 실리콘 디텍터를 제공하는 것이다. 각 반도체 디텍터 모듈은 결정질 실리콘의 x-선 센서로 구성되며, 이 x-선 센서는 입사하는 x-선에 대해 엣지-온 배향되고, 상기 x-선 센서에서 광전 효과 및 콤프턴 산란을 통해 상호 작용하고 40 keV 및 250 keV 사이의 입사 x-선 에너지에 대해 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 집적 회로에 결합되어, 이들 상호작용으로부터 공간 및 에너지 정보를 제공하여 사물의 이미지를 얻을 수 있도록 한다. 또한, 산란 제거 모듈(anti-scatter modules)은 콤프턴 산란된 x-선을 적어도 부분적으로 흡수하기 위하여 반도체 디텍터 모듈의 적어도 일부 세트 사이에 끼워 넣어진다.

바람직하게, 각 산란 제거 모듈은 반도체 디텍터 모듈에서 콤프턴 산란된 x-선의 대부분이 인접 디텍터 모듈에 도달하는 것을 방지하기 위하여 비교적 무거운 재질의 박막(foil)을 포함한다.

예를 들어, 이로운 일 실행예에서, 반도체 디텍터 모듈 각각은 멀티 칩 모듈(Multi Chip Module (MCM))로서 실행되며, 집적 회로는 플립-칩(flip-chip) 기술에 의해 장착되는 적어도 두 개의 집적 회로로 구성된다. 그러나, 반도체 디텍터 모듈만이 단일의 집적 회로를 갖는 실행을 채택하는 것도 가능함을 이해하여야 한다.

요컨대, 본 발명은 상기 문제점들을 극복하고 더 높은 x-선 에너지를 갖는 응용에서도 광자 계수 디텍터가 실현되도록 할 것이다.

본 발명은 컴퓨터 단층 촬영, 보안 검사 및 비파괴 시험을 포함하여 서로 다른 많은 응용에서 이용될 수 있다.

본 발명에 의하여 제공되는 다른 잇점 및 특징들은 아래에 기술되는 발명의 실시예를 통해 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 또 다른 목적 및 잇점과 함께, 본 발명은 첨부 도면을 참고로 하는 아래의 기재 내용을 참고하여 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적 일 실시예에 따른 x-선 디텍터의 개략도이다.
도 2는 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 또 다른 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 4는 예시적 일 실시예에 따라 멀티 칩 모듈로서 실행된 반도체 디텍터 모듈을 도시하는 개략도이다.
도 5는 전체 x-선 디텍터를 구성하기 위하여 몇몇의 반도체 디텍터 모듈이 어떻게 서로 인접 배치될 수 있는지의 예를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 7은 디텍터 모듈들 사이에 산란 제거 시트가 배치된 상태에서 어떻게 반도체 디텍터 모듈들이 서로 이웃하여 배치될 수 있는지의 서로 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 8은 반도체 디텍터 모듈이 어떻게 입사하는 x-선 방향으로 깊이 분할될 수 있는지를 보여주는 일 예를 도시한 개략도이다.
도 9는 반도체 디텍터 모듈의 집적 회로들이 이온화 방사선으로부터 어떻게 보호될 수 있는지의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 10a 내지 10c는 반도체 디텍터 모듈이 두 개의 층 또는 레벨(B)로 기계적 배치되어 반도체 디텍터 모듈의 심레스 타일링(seamless tiling)을 이룬 일 예를 도시하는 서로 다른 개략도들이다.
도 10d는 반도체 디텍터 모듈에 대한 기계적 프레임의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 11은 어떻게 전체 디텍터가 두 개의 이등분으로 구성되고 더 넓은 디텍터를 구성하기 위하여 심레스하게(seamlessly) 함께 조립되는지를 보여주는 일 예를 도시하는 개략도이다.
도 12는 공간 해상도를 최적화하기 위하여 반도체 디텍터 모듈들이 서로에 대하여 어떻게 변위될 수 있는지를 보여주는 예를 도시하는 개략도이다.

기본적인 아이디어는 전체 디텍터 영역을 형성하기 위해 함께 배열된 다중 반도체 디텍터 모듈들에 기초하는 X-선 영상화용 실리콘 디텍터를 제공하는 것이며, 여기에서 각 반도체 디텍터 모듈은 결정질 실리콘의 x-선 센서로 구성되며, 이 x-선 센서는 입사하는 x-선에 대해 엣지-온 배향되고, 상기 x-선 센서에서 광전 효과 및 콤프턴 산란을 통해 상호 작용하고 40 keV 및 250 keV 사이의 입사 x-선 에너지에 대해 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 집적 회로에 결합되어, 이들 상호작용으로부터 공간 및 에너지 정보를 제공하여 사물의 이미지를 얻을 수 있도록 한다. 또한, 산란 제거 모듈(anti-scatter modules)은 콤프턴 산란된 x-선을 적어도 부분적으로 흡수하기 위하여 반도체 디텍터 모듈의 적어도 일부 세트 사이에 끼워 넣어진다.

언급된 바와 같이, 각각이 x-선 센서를 포함하는 반도체 디텍터 모듈들은 함께 타일링(tiling)되어 거의 임의의 크기를 갖는 전체 디텍터를 형성하는데, 반도체 디텍터 모듈들 중 적어도 일부 사이에 통합된 산란선 제거 그리드(anti-scatter grid)를 제외하고 거의 완벽한 기하학적 효율을 갖는다. x-선 센서들은 센서 내에서 컴프톤 산란되는 x-선 및 광-효과를 통해 반응하는 x-선 양자(both)로부터의 정보를 이용하는 집적 회로에 부착된다. 이러한 정보는 특정의 영상화 작업에 대하여 최적의 콘트라스트(contrast)로 최종 이미지를 재구성하는데 이용된다. 바람직하게 각 x-선에 대한 에너지는 반도체 센서 내 침착된(deposited) 에너지와 x-선에 대한 상호작용의 깊이에 대한 결합된 정보로 추론될 수 있다. 보통 비교적 무거운 재질로 구성되는 산란선 제거 그리드는 사물로부터 콤프턴 산란된 x-선을 절단할 뿐만 아니라 반도체 센서 내 콤프턴 산란된 x-선이 다른 센서에 도달하는 것을 막는다. 그렇지 않으면 이러한 콤프턴 산란된 x-선은 주로 소음을 더할 것이다.

바람직하게, 각각의 산란 제거된 모듈은 반도체 디텍터 모듈 내에서 콤프턴 산란된 x-선의 대부분이 인접 디텍터 모듈에 도달하는 것을 막기 위해 비교적 무거운 재질의 박막(foil)을 포함한다.

도 1은 예시적 일 실시예에 따른 x-선 디텍터의 개략도이다. 이 예에서는 x-선 소스(B)가 x-선(C)을 방출하고 있는 x-선 디텍터(A)의 개략도가 보여진다. 디텍터(D)의 원소들은 소스를 다시 지적하고 있으므로, 바람직하게는 약간 만곡된 전체적 구성으로 배열된다. 디텍터의 두 가지 가능한 스캐닝 동작(E, F)이 표시되어 있다. 각 스캐닝 동작에서 상기 소스는 정적이거나 이동할 수 있으며, (E)로 표시된 스캐닝 동작에서 상기 x-선 소스 및 디텍터는 그 사이에 배치된 사물 주위로 회전될 수 있다. (F)로 표시된 스캐닝 동작에서 디텍터 및 상기 소스는 사물에 대하여 병진 운동(translated)될 수 있으며, 또는 사물이, 예를 들어 컨베이어 벨트에 배치될 경우, 이동할 수 있다. 또한 스캔 동작 (E)에서 사물은 회전하는 동안 병진 운동, 소위 나선 스캐닝될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서 결정질 실리콘으로 구성되는 반도체 센서는 X-선을 전기 신호로 전환하는데 사용된다. X-선을 흡수하기 위하여 센서는 입사하는 x-선에 대하여 엣지-온 배향되며, 그 깊이는 입사하는 x-선의 적어도 50% 이상을 흡수하기에 충분해야 하는데, 컴퓨터 단층 촬영에서의 응용에 대해서 그 깊이는 대략 30mm 이어야 한다. 상기 반도체 센서는 대략 0.5mm 두께이며, 바람직하게는 픽셀로 분할되고, 각 픽셀은, 예를 들어 전체 볼륨이 x-선들에 대해 센서로서 작동하도록 완전 소모되어야 하는 역 바이어스된(back-biased) 다이오드에 의해 형성된다. 예시적 응용에서, 픽셀의 폭은 대략 0.4mm 일 수 있다. 바람직한 예시적 실시예에서, 각 픽셀 다이오드는 깊이 세그먼트(depth segments)로 분할되어 계수율을 감소시키도록 하며, 이들 깊이 세그먼트들의 길이는 바람직하게 기하급수적으로(exponentially) 변화되어, 깊이에 따라 기하급수적으로 감소되는 검출율이 대략 균등하게 유지되도록 하여야 한다.

도 2는 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다. 이는 센서부가 픽셀(B)로 분할되고, 각 센서 픽셀이 예를 들어 다이오드로 구성되는 반도체 디텍터 모듈(A)의 일 예이다. X-선(C)은 반도체 센서의 엣지(edge; D)를 통해 들어간다.

도 3은 또 다른 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서, 반도체 디텍터 모듈 센서부(A)는 픽셀(B)로 쪼개지며, 각 센서 픽셀은 다이오드로 구성된다. 이 경우 반도체 센서부는 또한 소위 깊이 방향으로 깊이 세그먼트로 분할되며, 다시 X-선(C)은 엣지(D)를 통해 들어간다.

반도체 센서는 또한 전기 라우팅(electric routing)을 위한 기초 기판 및 소위 플립-칩 기술을 통해 바람직하게 부착된 수많은 특정 용도용 집적 회로(Application Specific Integrated Circuits (ASICs))를 위한 기초 기판으로서 사용된다는 점에서 소위 멀티 칩 모듈(Multi Chip Module)로서 사용될 수 있다. 상기 라우팅은 상기 ASIC으로부터 외부 메모리 및/또는 디지털 데이터 처리로의 접속 뿐만 아니라 각 픽셀로부터 ASIC 입력으로의 신호용 접속을 포함할 것이다. ASIC 에 대한 전력은 이러한 접속들에 큰 전류를 위해 요구되는 단면의 증가를 고려하여 유사한 라우팅을 통해 제공될 수 있지만, 전력은 별도의 접속을 통해 제공될 수도 있다. ASICs는 활성 센서의 면에 배치되는데, 이는 흡수 커버가 맨 위에 놓여질 경우 그것이 입사하는 x-선으로부터 보호될 수 있고, 흡수제를 이 방향으로 또한 배치함으로써 상기 면으로부터 산란되는 x-선으로부터도 보호될 수 있음을 의미한다. 이는 x-선이 ASICs에 해를 끼칠 수 있고, 주로 ASIC 내에 산화물 층의 충전을 통해 단기 및 장기적으로 에러를 유발할 수 있기 때문에 중요할 수 있다.

바람직한 예시적 실시예에서, ASIC은 실리콘에 기초하며 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술을 통하여 제조된다.

도 4는 예시적 일 실시예에 따라 멀티 칩 모듈로서 실행된 반도체 디텍터 모듈을 도시하는 개략도이다. 이러한 예는 어떻게 반도체 센서가 멀티 칩 모듈(MCM)에서 기판(A)의 기능을 가질 수도 있는지를 보여준다. 신호는 픽셀(B)로부터 상기 활성 센서 영역에 이웃하여 배치된 병렬 처리 집적 회로(예를 들어, ASICs; D)의 입력으로 라우팅(B)된다. 특정 용도용 집적 회로(ASICs)라는 용어는 특정 용도를 위해 사용되고 구성되는 임의의 일반적인 집적 회로를 의미하는 것으로 넓게 해석되어야 함을 이해하여야 한다. ASIC은 각 x-선으로부터 발생되는 전하를 처리하여 에너지를 추산(estimate)하는데 사용될 수 있는 디지털 데이터로 전환한다. ASIC은 디지털 데이터 처리 회로를 접속하기 위해 구성되므로, 디지털 데이터는 추가의 디지털 데이터 처리(E) 및 MCM의 외부에 위치하는 메모리로 보내질 수 있으며, 결국 데이터는 재구성된 이미지로의 입력이 될 것이다.

ASIC에서는, 각 x-선으로부터의 신호가 측정되며 각 x-선에 의한 침착된 에너지는 추산된다. 각 x-선의 측정된 에너지는 이미지에서 원하는 원소들의 콘트라스트를 증가시키는데 이용될 것이다. 이를 달성하기 위하여, 에너지 정보는 광 효과를 통해 반응하는 x-선으로부터 반도체 센서 내에서 콤프턴 산란되는 x-선으로부터 전자 소음을 분리하기 위하여 사용될 것이다. 상기 정보는 사물 내의 원하는 원소 및 구성에 대한 콘트라스트를 최대화하기 위해 바람직하게 함께 가중될(weighted) 것이다. 또한 x-선에 대한 상호작용의 깊이를 측정한 것으로부터 일부 에너지 정보가 있을 것이며, 이는 x-선이 전환된 깊이 세그먼트를 추적할 수 있기 때문에 수행된다. 이는 디텍터 내 콤프턴 산란된 x-선에 대하여 특히 중요한데, 이는 이러한 x-선에 대하여, 본래 에너지의 일부만이 반도체 센서에 침착되었기 때문에 에너지가 더 불확실할 것이기 때문이다.

더 작은 픽셀에 대해서는 픽셀들 사이의 전하 공유를 고려할 필요가 있을 것인데, 이는 교정되지(corrected) 않을 경우 하나의 사건이 더 적은 에너지를 갖는 두 개의 사건으로 오해될 수 있기 때문에 이들 사건에 대한 정보를 저해할 것이다.

ASIC 전자 기기 및 반도체 센서의 결합은 이상적으로는 높은 유량의 x-선에 뒤지지 않기에 충분히 짧은 마비 불가능한(non-paralyzable) 데드 타임(dead time)을 가져야 하며 소위 파일-업(pile-up)을 피해야 하는데, 이는 두 개의 사건이 두 개의 기여하는 사건의 결합된 에너지를 갖는 하나의 사건으로 오해될 것임을 의미한다. 데드 타임은 이미지에 인공물을 발생시키지 않기 위해 교정될 수 있지만, 이는 이미지 품질의 상실을 의미할 것이므로 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 입사 x-선의 최대 에너지를 초과하는 에너지를 갖는 파일-업 사건들을 구별하는 것은 가능한데, 이는 이것이 물리적으로 불가능하기 때문이다.

도 5는 전체 x-선 디텍터를 구성하기 위하여 몇몇의 반도체 디텍터 모듈이 어떻게 서로 인접 배치될 수 있는지의 예를 도시하는 개략도이다. 이러한 특정의 실시예에서, 도 4에 의한 몇몇의 멀티 칩 모듈(MCM; A)은 전체 x-선 디텍터를 구성하기 위하여 상호 이웃하여 배치된다. 이들 MCM은 반도체 센서(C) 또는 사물(D)에서 콤프턴 산란된 x-선을 흡수하기 위하여 무거운 원소(예를 들어 텅스텐)로 된 시트(B)가 끼워넣어지는데, 그렇지 않으면 이들 x-선은 이미지 내 소음에 기여할 것이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 일 실시예에 따른 반도체 디텍터 모듈의 일 예를 도시하는 개략도이다. 이 실시예는 ASIC(B)이 센서의 영역에 걸쳐 퍼져서 ASIC의 입력에 대한 커패시턴스(capacitance)를 최소화하도록 하는 멀티 칩 모듈(A)을 도시한다. 커패시턴스는 전자 소음을 증가시켜 이미지 품질에 불리한 영향을 줄 수 있다. 반도체 센서 상에 ASIC이 퍼지는 것은 커패시턴스에 비례하는 라우팅 길이가 훨씬 더 짧을 수 있음을 의미한다. 이러한 배치의 단점은 ASIC이 해로울 수 있는 직접적인 x-선 방사(C)에 노출된다는 것이며, 또한 ASIC이 공간을 차지하여 그들이 매우 얇게 형성되지 않는 한 매우 조밀한 패킹(packing)이 불가능해질 것이라는 점이다. ASIC들이 센서의 대부분 또는 전체 반도체 센서를 커버하는 하나의 커다란 ASIC으로 통합되는 것도 심지어 생각할 수 있다. 따라서 반도체 디텍터 모듈만이 단일의 집적 회로를 갖는 실행을 채택할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 7은 디텍터 모듈들 사이에 산란 제거 시트(anti-scatter sheets)가 배치된 상태에서 어떻게 반도체 디텍터 모듈들이 서로 이웃하여 배치될 수 있는지의 서로 다른 예를 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서는 멀티 칩 모듈(A)과 같은 몇몇 디텍터 모듈이 무거운 재료로 만들어진 시트들(B)과 함께 도 5에서와 같이 서로 인접하여 배치된다. 상기 시트들은 신호를 소음 레벨로 최적화하는 것에 따라, 도면의 왼편에 표시된 바와 같이 모든 MCM 사이에 배치될 수 있고, 또는 도면 오른편에 표시된 바와 같이 예를 들어 세 번째마다 사이에 배치될 수 있다.

도 8은 반도체 디텍터 모듈이 어떻게 입사하는 x-선 방향으로 깊이 분할될 수 있는지를 보여주는 일 예를 도시한 개략도이다. 이 실시예는 상부(C) 및 바닥(C) 세그먼트로 깊이 분할되고 쉴드(shield; B)를 갖는 반도체 디텍터 모듈(A)을 예시한다. 도면의 왼쪽에는 반도체 디텍터 모듈이 소스로부터 입사하는 x-선에 대하여 정렬되어 있다. 도면의 오른쪽에는 반도체 디텍터 모듈이 소스로부터의 x-선에 대하여 불량 배열되어 있다. 기계적 배열은 기다란 반도체 디텍터에 대해서는 도전일 수 있고, 불량 정렬(misalignment)은 이미지에 인공물을 유발할 수 있는데, 이는 반도체 센서 영역의 일부가 끼워 넣어진 무거운 재질의 시트들에 의해 음영(shadowed)질 수 있기 때문이다. 음영(shadowed)진 디텍터 모듈의 볼륨(E)은 도면 오른쪽에 표시되어 있다. 반도체 디텍터 모듈을 깊이로 분할함으로써 이것은 측정 및 교정될 수 있다. 상부 및 바닥 세그먼트에서 검출된 X-선의 기대 비율은 임의의 사물 및 x-선 영상화 설비(set-up)에 대하여 상당히 잘 알려져 있다. 이러한 지식은 측정된 비율을 표준화하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 임의의 인공물을 효과적으로 억제할 것이다.

예를 들어, 깊이 세그먼트들의 길이는, 대부분의 x-선을 계수한 세그먼트에서의 계수율이 다른 세그먼트들에 비해 x-선 광자의 중위수(median number)를 계수한 깊이 세그먼트에 비해 인수(factor) 10 이하로 더 높도록 선택된다.

깊이 세그먼트들의 길이는 또한, 최소의 x-선을 계수한 세그먼트에서의 계수율이 다른 세그먼트들에 비해 x-선 광자의 중위수(median number)를 계수한 깊이 세그먼트에 비해 인수(factor) 10 이하로 더 적도록 선택될 수 있다.

도 9는 반도체 디텍터 모듈의 집적 회로들이 이온화 방사선으로부터 어떻게 보호될 수 있는지의 일 예를 도시하는 개략도이다. ASIC들은 x-선(A)과 같은 이온화 방사선에 민감성일 수 있으며, 이 예에서는 그들이 조사된(irradiated) 볼륨과 상기 ASIC들 사이에 텅스텐이나 구리와 같은 무거운 재질로 구성된 흡수재(B)를 첨가함으로써 어떻게 매우 효과적으로 차폐될(shielded) 수 있는지를 도시한다. 따라서 차폐 재료는 상부(A)로부터의 방사선 및 측면(C)으로부터 산란되는 방사선으로부터 ASIC을 보호할 것이다. 반도체 디텍터 및 사물 내에서 산란된 x-선을 주로 흡수하기 위해 삽입되는 무거운 재료 시트(D)는 또한 ASIC에 대한 방사선 보호물로서 기능할 것이다. 앞서 언급된 바와 같이, 반도체 센서에서 콤프턴 산란된 x-선이 다른 반도체 센서에 도달하는 것을 방지하기 위하여 x-선 흡수 재질로 된 박막은 디텍터 모듈의 적어도 일부 사이에 끼워 넣어진다. 박막은 바람직하게 텅스텐과 같이 높은 원자 번호를 갖는 무거운 재질로 구성되어야 한다.

전체 디텍터에 관한 특히 이로운 실행 예는 반도체 디텍터 모듈이 수많은 레벨로 배열된 것과 관련 있는 것으로 이해되어 왔는데, 여기서 레벨 수는 2와 동일하거나 더 크다. 상기 레벨은 층으로서도 언급되며, 따라서 전체 디텍터의 구성은 서로 다른 층들이 입사하는 x-선 방향으로 실질적으로 배열된 레이어드(layered) 디텍터로서 언급된다.

예를 들어, 두 개 층의 반도체 디텍터 모듈에 있어서, 디텍터 모듈의 제 1 세트는 상부 층에 배치되고 디텍터 모듈의 제 2 세트는 하부층에 배치된다.

바람직하게, 이들 층들 중 하나의 디텍터 모듈들은 활성 디텍터 영역을 효율적으로 기하학적으로 커버하고 또는 효율적인 해상도를 달성하기 위하여 상기 층들 중 또 다른 하나의 디텍터 모듈에 대하여 엇갈리게(변위되어) 배치된다(staggered (displaced)). 보통, 상기 층들 중 하나의 디텍터 모듈은 효율적인 활성 디텍터 영역을 위해 또 다른 층의 디텍터 모듈에 대하여, 입사하는 x-선에 실질적으로 직각 방향으로, 소정의 오프셋(offset)을 가지며 배치된다.

도 10a 내지 10c는 반도체 디텍터 모듈이 두 개의 층 또는 레벨(B)로 기계적 배치되어 반도체 디텍터 모듈의 심레스 타일링(seamless tiling)을 이룬 일 예를 도시하는 서로 다른 개략도들이다. 이 예는 두 개의 레벨(B)로 MCM(A)과 같은 디텍터 모듈이 기계적 배치되어 반도체 센서의 심레스 타일링을 이룬 것을 도시한다. 또한 확대도가 두 개의 관점 모두로부터 디스플레이된다. 디텍터 모듈들(예를 들어 MCM) 사이의 공간(C)은 상당한 전력을 소모할 수 있는 ASIC을 효과적으로 냉각시키도록 한다. 각각의 MCM이 별도로 부착되고 팽창이 합산(그들이 서로 직접 접촉하면서 나란히 배치된 경우라면 합산되었을 것임)되지 않기 때문에, 열팽창은 설명이 된다. 상기 도면에 따른 기계적 배치는 또한 데이터 전송 및 전력에 대한 접속의 여지를 남긴다. 그것은 또한 용이한 장착 및 정확한 배치를 촉진한다.

임의의 개별 층 또는 레벨에서 디텍터 모듈들 사이에는 공간이 있지만, 전체 레이어드 실리콘 디텍터의 디텍터 모듈들은 입사 x-선에 직각인 양방향으로 최소의 데드(dead) 디텍터 영역을 가지면서 배치 또는 타일링될(tiled) 것이다.

반도체 디텍터 모듈은 도 10a 내지 10c에 따라 기계적 지그/프레임(jig/frame)에 놓여지며, 여기서 센서를 포함하는 각 반도체 디텍터 모듈은 x-선 소스를 다시 지적하도록 배치되며, 이는 디텍터 모듈의 반도체 센서에서 개별 픽셀에 대해서도 그러해야 한다.

바람직한 실시예에서, 엇갈려진(staggered) 멀티(두 개 이상) 레벨 배치는, 입사하는 x-선에 대한 활성 디텍터 영역을 최대한 기하학적으로 커버할 수 있도록 하면서 활성 영역을 포함하는 각 반도체 디텍터 모듈을 보유 및 정확히 배치할 수 있도록 지그/프레임을 위한 수단을 제공한다. 또한 ASIC을 위한 공간 및 판독 전자기기가 제공된다. 반도체 디텍터 모듈을 위한 적절한 기계적 프레임의 일 예는 도 10d에 예시되어 있다. 바람직하게 운동 유형(kinematic type)인, (센서를 포함하는) 각 반도체 디텍터 모듈에 대한 정밀 배치 특성(도 10d의 점선으로 표현된 영역)은 기계적 지그/프레임으로 형성된다. (센서를 포함하는) 반도체 디텍터 모듈들은 바람직하게 탄성 유형(resilient type)인, 배치/특성(A)을 보유함으로써 이들 배치 특성에 반하여 보유/고정/잠금 된다. 도 10d에 도시된 솔루션은 단순히 실행 가능한 솔루션의 일 예에 불과하다는 것이 강조되어야 한다. 어쨌든, 반도체 센서의 정밀한 배치가 기계적 지그/프레임에 의해 제공되는 배치는, 모든 반도체 센서가 정확히 알려진 위치에 보유되고, 상기 센서들의 개별 허용 오차(tolerances)가 그들의 배치를 손상시키는(ruining) 구성을 통해 합산되지 않음을 보장한다. 상기 제안된 멀티 레벨 배치의 또 다른 잇점은, 상부 레벨 상의 반도체 디텍터 모듈 상에 최종의 비활성층들(산란 쉴드, 라우팅층, 패시베이션층(passivation layer) 등)만이 x-선 빔에 위치할 필요가 있으므로, 활성 디텍터 영역의 기하학적 커버가 훨씬 더 증가될 수 있다는 것이다.

또한 이러한 배치에서 지그/프레임 재질 자체의 열팽창은 센서 재질(여기서는 실리콘)의 열팽창과 맞추어질 필요는 없는데, 이는 원하는 형상으로 용이하게 가공될 수 있고 쉽게 이용가능한 알루미늄과 같은 표준 재질로 그것이 제조될 수 있음을 의미한다. 공기와 MCM들 사이에 열전달을 위한 큰 표면적이 존재하기 때문에 공기가 MCM들 사이의 공간을 통해 가해질 때/불어질 때, 상기 어셈블리는 또한 ASIC 및 MCM의 효율적인 공기 냉각을 가능케 한다. MCM 자체는 냉각 핀(fin)으로서 기능한다.

도 11은 어떻게 전체(full) 디텍터가 두 개의 이등분으로 구성되고 더 넓은 디텍터를 구성하기 위하여 심레스하게(seamlessly) 함께 조합되는지를 보여주는 일 예를 도시하는 개략도이다. 이 예는 전체(full) 디텍터가 두 개의 이등분(A)으로 구성되고, 확대도로서도 표시되는 바와 같이 더 넓은 디텍터를 구성하기 위하여 심레스하게(seamlessly) 함께 조립될 수 있음을 보여준다. 이는 비용을 증가시킬 것이며, 또한 사물로부터 산란되는 방사선의 양을 증가시켜 소음을 증가시킬 것이다. 그러나 더 넓은 디텍터는 이미지 획득 시간을 감소시키기 때문에 바람직할 수 있는데, 이는 인간의 심장과 같이 움직이는 사물의 영상화에 있어 중요하다.

공간 해상도를 증가시키기 위하여 개별 반도체 센서들은 도 12에 도시된 바와 같이 스캔 방향에 90도 각도로 서로에 대하여 변위될 수 있다. 도 12는 공간 해상도를 최적화하기 위하여 반도체 디텍터 모듈들이 서로에 대하여 어떻게 변위될 수 있는지를 보여주는 예를 도시하는 개략도이다. 스캔된 디텍터에 대한 공간 해상도를 최적화하기 위하여, 스캔 방향에 직각인 반도체 디텍터들의 기계적 배치는 반도체 센서의 실제 픽셀 크기(B)의 알려진 분율(A)로 서로에 대하여 변위될 수 있다. 도면은 이러한 두 가지 예를 도시하는데, 하나는 모든 픽셀이 인접 디텍터 픽셀에 대하여 1/3(C) 변위되고, 하나의 예는 1/5(D)의 변위를 갖는다. 좀 더 일반적으로, 오프셋은 하나의 픽셀의 반과 하나의 픽셀의 1/10 사이에 있을 수 있다.

상기에서와 같이 조립된 디텍터는 컴퓨터 단층촬영을 위해 이용될 수 있지만, 보안 검사 및 비파괴 시험과 같은 다른 영상화 응용을 위해서도 이용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 ASIC이 반도체 센서의 상부에 놓여지는데, 이러한 배치는 MCM에 대하여 요구되는 면적을 절감시킬 것이다. 또한, 더 중요하게는, ASIC 에 대한 입력 커패시턴스를 절감시킬 것인데, 이는 성능을 증가시키고 이미지 품질에 이롭게 소음을 감소시킨다. 이러한 배치에 대한 주요 도전은 ASIC이 단기 및 장기로 오작동(malfunctioning)을 일으킬 수 있는 방사선에 노출될 것이라는 것인데, 그러나 이는 ASIC에 대한 특별한 디자인 공정으로 경감될 수 있다. 문제는 또한, 이러한 구성에서 ASIC이 아래에 배치된 반도체 센서에 음영을 주고 ASIC에 흡수된 x-선은 단지 용량에 기여할 뿐 이미지 품질에는 기여하지 않는다는 것이다. 이러한 흡수는 또한 이미지에 인공물을 유발할 수 있다.

앞서 기술된 실시예들은 본 발명의 몇몇 예시적 실시예로서 이해되어야 한다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상기 실시예들에 대한 다양한 변경, 조합 및 변화가 가능함을 이해할 것이다. 특히, 다른 실시예에서의 다른 부분 솔루션들은 기술적으로 가능한 다른 구성에서 결합될 수 있다. 그러나 본 발명의 범위는 첨부하는 특허청구범위에 의하여 정의된다.

Claims

사물의 x-선 영상화용 광자 계수 실리콘 디텍터로서,
상기 디텍터는 전체 디텍터 영역을 형성하기 위해 함께 배열된 다중 반도체 디텍터 모듈들에 기초하며, 각 반도체 디텍터 모듈은 결정질 실리콘의 x-선 센서로 구성되며, 상기 x-선 센서는 입사하는 x-선에 대해 엣지-온 배향되고, 상기 x-선 센서에서 광전 효과 및 콤프턴 산란을 통해 상호 작용하고 40 keV 및 250 keV 사이의 입사 x-선 에너지에 대해 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 집적 회로에 결합되어, 이들 상호작용으로부터 공간 및 에너지 정보를 제공하여 상기 사물의 이미지를 가능하도록 하며,
상기 x-선 센서에서 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 상기 집적 회로는 각 x-선으로부터 신호를 측정하고 각 x-선의 침착된 에너지를 추산하도록 구성되며,
상기 x-선 센서에서 상호 작용하는 x-선들의 등록을 위한 상기 집적 회로는 상기 센서 내에서 컴프톤 산란되는 x-선 및 상기 광전 효과를 통해 반응하는 x-선으로부터의 정보를 이용하고, 상기 광전 효과를 통해 반응하는 x-선으로부터 상기 센서 내에서 콤프턴 산란되는 x-선으로부터 전자 소음을 분리하기 위하여 에너지 정보를 이용하도록 구성되며,
산란 제거 모듈이 콤프턴 산란된 x-선을 적어도 부분적으로 흡수하기 위하여 상기 반도체 디텍터 모듈의 적어도 일부 세트 사이에 끼워 넣어지는, 사물의 x-선 영상화용 광자 계수 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 산란 제거 모듈은 상기 사물로부터 콤프턴 산란된 x-선을 적어도 부분적으로 흡수하고, 반도체 디텍터 모듈에서 콤프턴 산란된 x-선이 다른 반도체 디텍터 모듈에 도달하는 것을 적어도 부분적으로 방지하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 산란 제거 모듈 각각은 평균 원자 번호가 25를 초과하고 두께 200㎛ 미만인 원소 조성을 갖는 박막으로 구성되어, 반도체 디텍터 모듈에서 콤프턴 산란된 x-선의 대부분이 인접하는 디텍터 모듈에 도달하는 것을 방지하도록 함을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 산란 제거 모듈은 소음 레벨에 대한 원하는 신호에 따라, 모든 디텍터 모듈 사이에, 매 두번째의 디텍터 모듈 사이에, 매 세번째의 디텍터 모듈 사이에, 또는 끼워넣는 박막 하나 당 10 보다 작은 임의의 수의 디텍터 모듈 사이에 끼워 넣어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 집적 회로는 대응하는 상기 x-선 센서 내의 침착된 에너지와 상기 x-선의 상호작용의 깊이에 대한 조합된 정보에 기초하여 각 x-선의 에너지가 추론될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈 각각은 멀티 칩 모듈(Multi Chip Module (MCM))로서 실행되며, 상기 집적 회로는 두 개 이상의 집적 회로로 구성되고, 상기 직접 회로는 플립-칩(flip-chip) 장착되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 6에 있어서, 상기 집적 회로는 각 x-선으로부터 발생되는 전하를 처리하여 상기 전하를 디지털 데이터로 전환하도록 구성되며, 상기 집적 회로는 상기 사물의 상기 이미지의 재구성을 위해 이미지 처리 회로로 접속되도록 구성됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 x-선 센서는, x-선이 상기 x-선 센서의 엣지를 통해 들어온다고 할 때, 깊이 방향에 직각인 방향으로 복수의 픽셀로 분리되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1 또는 8에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 두 개 이상의 깊이 세그먼트로 세분되어 고속의 입사 x-선을 처리하는 것이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 상기 깊이 세그먼트들의 길이는, 대부분의 x-선을 계수한 세그먼트에서의 계수율이 다른 세그먼트들에 비해 x-선 광자의 중위수(median number)를 계수한 깊이 세그먼트에 비해 인수(factor) 10 이하로 더 높도록 선택되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 상기 깊이 세그먼트들의 길이는, 최소의 x-선을 계수한 세그먼트에서의 계수율이 다른 세그먼트들에 비해 x-선 광자의 중위수(median number)를 계수한 깊이 세그먼트에 비해 인수(factor) 10 이하로 더 적도록 선택되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 상기 분할된 세그먼트 각각은 각 x-선 상호작용에 대한 에너지 침착을 측정하기 위한 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 데이터 처리 회로는, 상기 집적 회로에 의해 측정된 에너지를 상호작용이 발생한 깊이 세그먼트에 대한 지식과 조합한 것에 기초하여 임의의 입사 x-선에 대하여 개선된 에너지 추산을 계산하도록 구성됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 데이터 처리 회로는 몇몇의 깊이 세그먼트들에서의 사건들을 전체 픽셀 데이터에 대하여 함께 합산하도록 구성됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 9에 있어서, 데이터 처리 회로는 상부 및 하부 세그먼트들에서의 계수율을 임의의 x-선 에너지에 대한 기대 비율과 비교하고 그 결과를 배치 에러를 교정하기 위하여 이용하도록 구성됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 다수의 층으로 배열되고, 상기 층들의 수는 2와 동일하거나 더 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 16에 있어서, 상기 층들은 입사하는 x-선의 방향으로 레이어드 실리콘 디텍터를 얻도록 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 16 또는 17에 있어서, 상기 디텍터 모듈의 제 1 세트는 상부 층에 배치되고 상기 디텍터 모듈의 제 2 세트는 하부층에 배치됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 16 또는 17에 있어서, 상기 층들 중 하나의 디텍터 모듈들은 효율적인 활성 디텍터 영역을 위하여 상기 층들 중 또 다른 하나의 디텍터 모듈에 대하여 엇갈리게 배치됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 19에 있어서, 상기 층들 중 하나의 디텍터 모듈은 상기 층들 중 또 다른 하나의 디텍터 모듈에 대하여, 입사하는 x-선에 실질적으로 직각 방향으로, 소정의 오프셋(offset)으로 배열됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 19 또는 20에 있어서, 개별 층의 디텍터 모듈들은 서로의 사이에 간격을 두고 배치되어 열팽창 및 냉각, 전기 접속이 가능하도록 함을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 21에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 기계적 프레임 내에 배열되고, 센서를 포함하는 각 반도체 디텍터 모듈은 의도하는 x-선 소스를 다시 지적하도록 배열되며, 입사하는 x-선에 대한 활성 디텍터 영역을 최대한 기하학적으로 커버할 수 있도록 하면서 각 반도체 디텍터 모듈을 보유 및 정확히 배치할 수 있도록 각 반도체 디텍터 모듈에 대한 기계적 프레임에 정밀 배치 특성이 제공되도록 함을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 22에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 대응하는 보유 특성에 의하여 상기 정밀 배치 특성에 관하여 고정됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 상기 집적 회로가 입사하는 x-선으로부터 차폐되는 방식으로 차폐 재료와 공동으로 배열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 산란 제거 모듈은 상기 실리콘 디텍터에서 산란된 x-선으로부터 상기 집적 회로를 차폐하기 위하여 상기 반도체 디텍터 모듈의 적어도 일부 세트 사이에 끼워 넣어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 디텍터 모듈은 입사하는 x-선에 직각인 양방향으로 최소의 데드(dead) 영역을 가지면서 디텍터 모듈이 타일링(tiling)될 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 디텍터는 상기 사물에 대하여 스캐닝하도록 구성되며, 상기 반도체 디텍터 모듈은 상기 실리콘 디텍터의 스캐닝 방향에 직각인 방향으로 픽셀 크기의 알려진 분율 만큼 서로에 대하여 오프셋 되도록 배열됨을 특징으로 하는 실리콘 디텍터.