KR20160060506A

KR20160060506A - 광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치

Info

Publication number: KR20160060506A
Application number: KR1020140162953A
Authority: KR
Inventors: 김진명; 이강호; 이채훈; 박재철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-30
Also published as: US9958557B2; KR102328116B1; US20160146952A1

Abstract

광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치가 개시된다. 개시된 광계수 방법은 입력되는 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 기초로 방사선 포톤들을 계수함에 있어서, 방사선 포톤에 대한 계수값 데이터의 변화를 최소화하는 방식으로 계수한다.

Description

광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치{Method for counting photon, apparatus using the same, and radiographic imaging apparatus}

본 개시는 방사선을 계수하는 광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치에 관한 것이다.

방사선 촬영 장치, 엑스선(X-ray)과 같은 방사선을 인체나 물건과 같은 대상체에 조사하여 대상체 내부의 영상을 획득하기 위한 영상 시스템이다. 이러한 방사선 촬영 장치는 대상체에 조사된 방사선을 검출하는 방사선 검출기를 구비한다.

방사선 검출기로 입사되는 방사선 포톤들(photons)을 계수화하는 광계수(photon counting detection; PCD) 방법을 이용하는 광계수 장치가 제안되고 있다. 예를 들어, 광계수 방식의 엑스선 검출 장치는 입력된 엑스선 포톤들을 전기적 전하들로 변환해주는 광전 변환 물질부(photoconducting material unit)와 광전 변환 물질부에선 변환된 전기적 전하들의 계수화 처리를 담당하는 판독 회로부(readout circuit unit)를 포함한다. 광전 변환 물질부 안에서 발생한 전기적 전하 패킷은 내부 전위차에 의해 판독 회로부의 입력단에 도달하게 된다. 판독 회로부의 입력단에 도달된 전하들이 증폭기에서 전압 증폭되고, 이후에 추가 증폭이나 성형(shaping)의 과정을 거쳐 내부 비교기와 계수기를 통해 그 해당 크기별로 계수화가 진행된다.

이러한 판독 회로부에서는 비동기식 리플 2진Ripple Binary) 계수기를 사용하여, 각 포톤이 입사할 때마다 1씩 데이터를 증가시키며, 최종적으로 엑스선 포톤의 입사가 완료된 시점의 데이터 값을 읽어내어 영상으로 재구성한다.

종래의 광계수 방식의 방사선 검출 장치는 판독 회로부에서 매 포톤의 입사시기와 계수기의 동작시점이 동시다발적으로 이루어지기 때문에, 디지털 부분인 계수기에서 발생된 전기잡음이 아날로그 부분인 증폭기에 영향을 주어 오동작을 일으킬 가능성도 존재하는바, 디지털 부분의 전원 잡음을 억제하여 안정적인 동작을 수행할 수 있는 광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치를 제공하고자 한다. 해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

한 측면에 따르는 광계수 방법은, 입력되는 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 입력받는 단계; 및 상기 전하 신호를 기초로 상기 방사선 포톤들을 계수하는 계수 단계;를 포함하며, 상기 계수 단계는 방사선 포톤에 대한 계수값이 "1" 증가시 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트를 변환시킨다.

상기 계수 단계는 그레이 코드로 계수할 수 있다.

상기 계수 단계는, 상기 전하 신호를 전압 신호로 변환하여 전압 변환 단계; 및 상기 전압 신호를 기준 전압에 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교 단계;를 더 포함하며, 상기 광계수 데이터는 상기 비교 결과에 기초하여 입력되는 방사선 포톤들이 적어도 하나씩 입사할 때마다 "1"씩 계수값을 증가시켜 방사선 포톤들의 입사가 완료되는 시점의 계수값일 수 있다.

상기 비교 단계에서 출력된 비교 결과는 상기 전압 변환 단계에서 변환된 전압 신호가 상기 적어도 하나의 기준 전압에 도달하는지 여부를 판단한 정보이며, 상기 광계수 데이터는 상기 적어도 하나의 기준 전압별로 계수될 수 있다.

상기 전압 변환 단계는 상기 전하 신호를 커패시터에 충전시키는 단계와, 상기 커패시터의 양단에 걸린 전압을 증폭시키는 증폭 단계를 포함할 수 있다.

한 측면에 따르는 광계수 방법은, 상기 비교 단계에서 출력된 비교 결과에 기초하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성 단계를 더 포함하며, 상기 전압 변환 단계는 상기 피드백 제어 신호에 응답하여 상기 커패시터에 걸린 전압을 리셋시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

한 측면에 따르는 광계수 방법은, 상기 전압 변환 단계에서 변환된 전압 신호를 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다른 측면에 따르는 광계수 장치는, 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 기초로 상기 방사선 포톤들을 계수하여 광계수 데이터를 출력하는 판독 회로부;를 포함하며, 상기 판독 회로부는 방사선 포톤에 대한 계수값이 "1" 증가시 상기 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트를 변환시키는 계수부를 포함할 수 있다.

상기 계수부는 상기 방사선 포톤들을 그레이 코드로 계수할 수 있다.

다른 측면에 따르는 광계수 장치는, 방사선 포톤들을 흡수하여 전하 신호로 변환하는 광전 변환부를 더 포함할 수 있다.

상기 판독 회로부는, 입력된 전하 신호를 전압 신호로 변환하는 전압 변환부; 및 상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호를 적어도 하나의 기준 전압에 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교부;를 더 포함하며, 상기 계수부는 상기 비교부에서 출력된 비교 결과에 기초하여 입력되는 방사선 포톤들이 적어도 하나씩 입사할 때마다 "1"씩 계수값을 증가시켜 방사선 포톤들의 입사가 완료되는 시점의 계수값을 상기 광계수 데이터로 출력할 수 있다.

상기 비교부에서 출력된 비교 결과는 상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호가 상기 적어도 하나의 기준 전압에 도달하는지 여부를 판단한 정보이며, 상기 광계수 데이터는 상기 적어도 하나의 기준 전압별로 계수될 수 있다.

상기 전압 변환부는 입력 전하 신호를 충전하여 전압신호로 변환시키는 커패시터와 상기 커패시터에 연결된 증폭기를 포함할 수 있다.

상기 전압 변환부는 상기 커패시터의 양단에 연결된 피드백 저항을 더 포함할 수 있다.

상기 판독 회로부는 상기 비교부에서 출력된 비교 결과에 기초하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 스위치 제어 회로부를 더 포함하며, 상기 전압 변환부는 상기 피드백 제어 회로부에서 생성된 피드백 제어 신호에 응답하여 상기 커패시터에 걸린 전압을 리셋시키는 스위치를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호를 정형하는 세이퍼를 더 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르는 방사선 영상 장치는, 광계수 장치; 및 상기 광계수 장치에서 검출된 검출신호를 영상처리하는 영상처리부;를 포함하며, 상기 광계수 장치는, 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 기초로 상기 방사선 포톤들을 계수하여 광계수 데이터를 출력하는 판독 회로부;를 포함하며, 상기 판독 회로부는 방사선 포톤에 대한 계수값이 "1" 증가시 상기 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트를 변환시키는 계수부를 포함할 수 있다.

개시된 실시예에 의한 광계수 방법 및 이를 이용한 광계수 장치는 판독 회로부에서 계수기에서 데이터를 계수할 때의 데이터 변화를 최소화하여, 전류의 흐름을 제한함으로 디지털 전원의 전원노이즈 안정화를 도모할 수 있다.

개시된 실시예에 의한 광계수 방법 및 이를 이용한 광계수 장치는 잡음특성을 강화하며, 성능을 안정화를 달성할 수 있다.

개시된 실시예에 의한 방사선 촬영 장치는 광계수 장치의 잡음특성을 강화함에 따라 맘모그래피(mammography)나 혈관조영장치(Angiography)와 같이 고해상도의 이미지를 요하는 장치에 용이하게 적용할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광계수 장치의 블록도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예의 광계수 방법에 따른 영상정보 변환수를 비교예의 광계수 방법에 따른 영상정보 변환수와 비교한 도표이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광계수 장치의 블록도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치를 도시한 구성도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4의 방사선 촬영 장치의 구성도이다.
도 6은 방사선 수광 패널의 일 실시예를 도시한 구성도이다.
도 7은 방사선 수광 패널 및 광계수 장치의 일 실시예를 도시한 구성도이다.
도 8은 방사선 수광 패널 및 광계수 장치의 다른 실시예를 도시한 구성도이다.
도 9는 일 실시예의 광계수 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 개시에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 개시에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

도 1은 일 실시예에 따른 광계수 장치의 블록도를 개략적으로 도시한다.

도 1을 참조하면, 광계수 장치(100)는 광전 변환부(10)로 입력받은 신호를 기초로 방사선 포톤을 계수하는 판독 회로부(110)를 포함한다.

광전 변환부(10)는 외부에서 입사되는 방사선 포톤들을 수광하고 수광된 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호(-Q_IN)를 생성한다. 광전 변환부(10)에서 생성된 전하 신호(-Q_IN)는 전기적 전하 패킷(electrical charge packet)일 수 있다. 광전 변환부(10)는 광전변환물질부(11)를 포함할 수 있다. 광전변환물질부(11)는 방사선에 감응하여 전하를 생성시키는 특성을 갖는 물질로 다양한 종류의 포토 컨덕터(photoconductor) 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 엑스선에 대해 비결정질 셀레니움(Amorphous Selenium)이나 HgI₂ 는 광전변환물질로 잘 알려져 있다. 나아가, 광전 변환부(10)는 광전변환물질부(11)에 생성된 전하를 출력시키는 상부전극(12) 및 화소전극(12)가 마련될 수 있다. 상부전극(12)에는 전기장을 형성하기 위해 전압이 인가된다. 광전변환물질부(11)에 방사선이 조사되면, 광전변환물질부(11)에서는 전자 정공쌍이 생성되고, 상부전극(12)에 전압이 인가된 상태에서 전자 정공쌍이 분리된다. 이와 같이, 분리된 전자, 정공을 전하(charge)라 한다. 광전변환물질부(11)에 생성된 전하는 화소전극(12)를 통하여 입력패드(20)로 향하게 된다. 후술하는 바와 같이 광계수 장치(100)는 이미지를 검출할 수 있는 평판형 패널일 수 있다. 이 경우, 복수의 화소전극(12)들이 2차원으로 배열되어, 화소전극(12) 별로 입사되는 방사선에 상응하는 전하 신호(-Q_IN)를 생성하도록 할 수 있다. 상부전극(12)은 공통 전극이 될 수 있다. 이러한 상부전극(12) 및 화소전극(12)는 광전변환물질부(11)에 생성된 전하를 출력시키는 전극 구조의 일 예이고, 본 실시예를 제한하지 않는다.

판독 회로부(110)는 광전 변환부(10)에서 생성된 전하 신호(-Q_IN)를 입력 신호로 전달받아, 광전 변환부(10)에 입사되는 방사선의 포톤(photon)을 계수(counting)하고, 계수 결과에 대한 소정의 결과 신호를 출력한다. . 구체적으로 판독 회로부(110)는 전압 변환부(120)와, 비교부(140)와, 계수부(160)를 포함할 수 있다.

전압 변환부(120)는 광전 변환부(10)로부터 입력되는 전하 신호(-Q_IN)를 전압이 읽힐 수 있도록 변환하면서 증폭시킨다. 이러한 전압 변환부(120)는 증폭기(121)와 증폭기(121)에 병렬 연결된 커패시터(122)를 포함할 수 있다. 증폭기(121)로는 연산 증폭기가 채용될 수 있다. 연산 증폭기는 두 개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 갖는다. 증폭기(121)은 커패시터(122)와 부귀환 형태로 연결될 수 있다. 즉, 증폭기(121)의 반전입력단자(-)와 출력단자가 커패시터(122)의 양단에 연결된다. 커패시터(122)의 일단 및 증폭기(121)의 반전입력단자(-)는 입력패드(20)에 연결된다. 증폭기(121)의 입력저항은 매우 크거나 실질적으로 무한대이므로, 입력패드(20)로부터 입력된 전하 신호(-Q_IN)(즉, 전하 패킷)는 증폭기(121)의 반전입력단자(-)에 흐르지 않고, 커패시터(122)으로 흐르게 된다. 커패시터(122)에 전하가 충전됨에 따라 커패시터(122)의 양단에는 입력되는 전하량에 비례하는 전압 V이 걸리게 된다. 나아가, 전압 변환부(120)는 커패시터(122)의 양단에 연결된 피드백 저항(123)을 더 포함할 수 있다. 피드백 저항(123)은 커패시터(122)에 입력된 전하들을 제거하여 증폭부(120)가 뒤이어 오는 전하 신호(-Q_IN)를 입력받을 수 있게 한다.

비교부(discriminator)(140)는 전압 변환부(120)에서 변환된 전압 신호와 적어도 하나의 임계 에너지를 서로 비교하여 변환된 전압 신호가 적어도 하나의 임계 에너지보다 큰지 작은지 여부를 판단하고, 비교 판단 결과에 따른 신호를 출력한다.

일 실시예에 의하면 비교부(140)는 복수의 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)별로 마련된 복수의 비교기(141)들을 포함할 수 있다. 비교기(141) 각각은 전압 변환부(120)에서 변환된 전압 신호의 전압과 복수의 임계 에너지에 상응하는 복수의 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)을 비교하여 비교되는 전압 신호의 전압이 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)별로 그보다 크거나 또는 작은지 여부를 판단하도록 할 수도 있다. 이 경우 비교기(141)에서 비교 대상으로 이용되는 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)은 사용자 또는 시스템 설계자에 의해 미리 정의된 것일 수도 있다. 또한 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)은 시스템 설정에 따라 결정된 것일 수도 있다. 뿐만 아니라 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)은 사용자 또는 시스템에 의해 필요에 따라 변경될 수도 있다.

도면상 도시되지는 않았으나 판독 회로부(110)는 적어도 하나의 임계 에너지 또는 기준 전압을 저장하는 데이터베이스를 더 포함할 수도 있다. 그러면 비교부(140)는 적어도 하나의 임계 에너지 또는 기준 전압을 저장한 데이터베이스를 먼저 열람하고 데이터베이스로부터 사용자의 선택 또는 시스템 설정에 따라서 소정의 기준 전압이나 임계 에너지를 호출한 후, 호출된 소정의 임계 에너지를 전압 변환부(120)에서 변환된 전압 신호와 비교하도록 할 수도 있다.

비교부(140)는 일 실시예에 의하면 변환된 전압 신호와 임계 에너지 사이의 비교 판단한 결과를 출력하도록 할 수 있다. 예를 들어 비교부(140)는 기준 전압과 전기적 신호의 비교 판단 결과 만약 전기적 신호의 전압이 기준 전압과 동일하거나 또는 기준 전압보다 큰 경우에는 1의 신호를 출력하고, 기준 전압보다 작은 경우에는 0의 신호를 출력하도록 할 수 있다. 비교부(140)에서 출력되는 이진 신호 등의 비교 판단 결과에 대한 신호(Q₁, Q₂,…, Q_n)는 계수부(160)로 전달된다.

전압 변환부(120)와 비교부(140) 사이에는 성형기(shaper)(130)가 더 마련될 수 있다. 성형기(130)는 전압 변환부(120)에서 출력되는 전압 신호의 파형을 매끄럽게 하여 비교기(140)에서의 동작 오류를 방지하도록 할 수 있다.

계수부(160)는 비교부(140)에서 전달되는 신호(Q₁, Q₂,…, Q_n)별로 임계 에너지 이상의 포톤을 계수하고, 포톤 계수에 대한 결과 신호, 즉 광계수 데이터(OUT₁, OUT₂,…, OUT_n)를 출력하는 복수의 계수기(161)를 포함할 수 있다. 방사선 촬영 장치에 있어서 포톤 계수에 대한 결과 신호인 광계수 데이터(OUT₁, OUT₂,…, OUT_n)는 에너지 대역별로 방사선 강도를 측정하는데 이용될 수 있다. 다른 실시예에 의하면 계수부(160)는 비교부(140)로부터 출력되는 1의 신호만을 계수함으로써 임계 에너지보다 큰 포톤의 갯수를 계수하도록 할 수도 있다.

계수기(161)는 방사선 포톤에 대한 계수값이 "1" 증가시 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트만을 변환시킨다. 달리 말하면, 계수기(161)는 순간 최대 변화량이 "1"이 되는 방식으로 포톤을 계수한다. 이때, 순간 최대 변화량은 계수값이 N 비트로 저장될 때, 데이터 갱신시 변경되는 비트의 최대 개수를 의미한다. N은 비트열을 이루는 개수로서, 4, 8, 16과 같은 자연수이다. 예를 들어, 비교부(140)에서 계수기(161)로 1의 신호가 입력되면, 계수기(161)는 버퍼(buffer)에 저장된 계수값을 이루는 N개의 비트들에서 어느 한 비트만을 0에서 1 혹은 1에서 0으로 변환시키고, 나머지 N-1개의 비트는 그대로 유지시키는 방식으로 계수되는 광계수 데이터를 갱신하고, 방사선 포톤들의 입사가 완료되는 시점의 계수값을 광계수 데이터로 출력한다.

이와 같이 값을 표시하는 방식으로 그레이 코드 방식이나 이의 변형예들이 알려져 있다. 이에 본 실시예의 계수기(161)는 방사선 포톤들을 그레이 코드(Gray code)로 계수하는 그레이 계수기(Gray counter)이거나, 이와 유사한 로직을 갖는 계수기일 수 있다.

도 2는 일 실시예의 광계수 방법에 따른 영상정보 변환수를 비교예의 광계수 방법에 따른 영상정보 변환수와 비교한 도표이다. 도 2의 도표는 계수값을 4비트로 표시하는 경우를 예로 든다. 도 2를 참조하면, 계수부(160)의 계수기(161)별로 임계 에너지 이상의 포톤을 계수하여 계수값을 그레이 코드(Gray code)로 표시하게 되면, 계수값을 "1"씩 증가시킬 때 비트열 중 하나의 비트만을 바꾸어주게 됨을 볼 수 있다. 즉, 그레이 코드로 표시하는 경우, 계수값을 0에서 15로 변환시키기는 동안에 변화시키는 비트의 개수는 총 15개가 된다. 반면에, 계수값을 비교예와 같이 이진 코드(Binary Code)로 표시하게 되면, 계수값을 "1"씩 증가시킬 때, 비트열 중 변환시켜야할 비트의 개수가 1 내지 4개가 된다. 가령, 4비트 이진 코드의 경우, 계수값 0000을 "1"만큼 증가시키면 0001로 변환되므로 비트열 중 변환시켜야할 비트의 개수가 하나이나, 0111을 "1"만큼 증가시키면 1000으로 변환되므로 비트열 중 변환시켜야할 비트의 개수가 4개가 된다. 따라서, 4비트 이진 코드에서, 계수값을 0에서 15로 변환시키기는 동안에 변화시키는 비트의 개수는 총 26개가 된다. 상기와 같이 4비트 이진 코드와 4비트 그레이 코드 방식을 비교하면, 광계수 데이터의 변환 빈도는 26:15로서 그레이 코드를 사용하였을 때, 변환 정도가 낮음을 알 수 있다.

도 2는 계수값이 4비트인 경우인데, 이를 일반화하여 이진 코드 방식으로 계수하는 N 비트 이진 계수기(N-bit Binary Counter)의 광계수 데이터의 변환빈도를 식으로 표현하면 다음과 같다.

한편, 그레이 코드 방식으로 계수하는 N 비트 그레이 계수기(N-bit Gray Counter)의 광계수 데이터의 변환빈도를 식으로 표현하면 다음과 같다.

이를 맘모그래피에서 흔히 채용되는 16비트 계수기에 대해 산정하면, 비교예의 이진 계수기(Binary Counter)의 경우는, 순간 변화의 최대량은 16이며, 총 변화수는 131054에 달하게 된다. 이에 비하여, 본 실시예의 계수기(161)는 순간 최대 변화량은 1이며 따라서 총 변화수도 65536으로 나타난다.

계수부(160)는 방사선 포톤들을 계수하는 과정에서 계수값, 즉 데이터 상태를 변경시키게 되는데, 이와 같이 데이터 상태를 변경시키기 위해 디지털전원/그라운드에 일시적인 과도 전류(transient current)가 발생하며, 이 전류는 전원노이즈를 유발하는 원인이 된다. 전원/그라운드 노이즈는 용량성 결합(capacitive coupling) 또는 그라운드 기판을 통하여 아날로그 부분으로 전달될 확률이 있어, 오동작을 일으킬 가능성도 존재한다.

상기 수학식 1, 2와 같이, 비트 깊이(Bit depth)가 증가함에 따라, 계수기 내부의 광계수 데이터 상태가 동시에 변할 확률 또한 증가하게 되는데, 비교예의 계수기는 본 실시예의 광계수 장치(100)의 계수기(161)에 비해 광계수 데이터의 변환빈도가 매우 크다. 이에 비하여, 본 실시예의 광계수 장치(100)는 계수부(160)에서 광계수 데이터를 쓸 때 광계수 데이터의 데이터 변화빈도를 최소화하여, 전류의 흐름을 제한함으로 디지털 전원의 전원노이즈 안정화를 도모하며, 그로 인하여 전체적으로 잡음특성을 강화하며, 성능을 안정화할 수 있게 한다.

계수부(160)에 의한 포톤 계수 결과 신호(OUT₁, OUT₂,…, OUT_n)는 판독 회로부(110) 의 출력 패드(output pad)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 판독 회로부(110) 에서 출력되는 결과 신호(OUT₁, OUT₂,…, OUT_n)는 예를 들어 후술하는 영상처리부(도 5의 600) 등으로 전달될 수 있다. 영상처리부(600)는 임계 에너지 이상의 포톤의 개수에 따라서 소정의 임계 에너지에서의 영상을 생성하도록 할 수 있다.

도 3은 다른 실시예에 따른 광계수 장치(200)의 블록도를 개략적으로 도시한다.

도 3을 참조하면, 광계수 장치(200)의 판독 회로부(210)는 전압 변환부(220)와, 비교부(140)와, 피드백 스위치 제어 회로(250)와, 계수부(260)를 포함할 수 있다.

전압 변환부(220)는 광전 변환부(10)로부터 입력되는 전하 신호(-Q_IN)를 전압이 읽힐 수 있도록 변환하면서 증폭시킨다. 이러한 전압 변환부(220)는 증폭기(221)와 증폭기(221)에 병렬 연결된 커패시터(122)와, 커패시터(122)를 강제 리셋시키는 스위치(223)를 포함할 수 있다. 증폭기(221)로는 연산 증폭기가 채용될 수 있다. 증폭기(221)은 커패시터(222)와 부귀환 형태로 연결될 수 있다. 커패시터(222)의 일단 및 증폭기(121)의 반전입력단자(-)는 입력패드(20)에 연결된다. 증폭기(121)의 입력저항은 매우 크거나 실질적으로 무한대이므로, 입력패드(20)로부터 입력된 전하 신호(-Q_IN)(즉, 전하 패킷)는 증폭기(121)의 반전입력단자(-)에 흐르지 않고, 커패시터(122)으로 흐르게 된다. 커패시터(122)에 전하가 충전됨에 따라 커패시터(122)의 양단에는 입력되는 전하량에 비례하는 전압 V이 걸리게 된다. 커패시터(222)에 연결된 스위치(223)는 예를 들어, MOS 트랜지터로 구성될 수 있다. 스위치(223)은 후술하는 피드백 스위치 제어 회로부(250)로부터 피드백 제어 신호를 받아 커패시터(222)에 걸린 전압을 강제 리셋시킨다.

비교부(240)는 복수의 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)별로 마련된 복수의 비교기(241)들을 포함할 수 있다. 비교기(241) 각각은 전압 변환부(220)에서 변환된 전압 신호의 전압과 복수의 임계 에너지에 상응하는 복수의 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)을 비교하여 비교되는 전압 신호의 전압이 기준 전압(V_th1, V_th2,…, V_thN)별로 그보다 크거나 또는 작은지 여부를 판단하고, 비교 판단 결과에 대한 신호(Q₁, Q₂,…, Q_n)를 계수부(260)로 전달한다.

비교부(240)와 계수부(260) 사이에는 피드백 스위치 제어 회로(250)가 마련될 수 있다. 피드백 스위치 제어 회로(250)는 비교기(140)로부터 전달받은 비교 판단 결과에 대한 신호(Q₁, Q₂,…, Q_n)로부터 방사선 포톤들이 광전 변환부(10)에 입사되는 것이 완료되는 시점에 전압 변환부(220)의 스위치(223)을 작동시키도록 피드백 신호를 생성하여 스위치(223)로 보낸다.

계수부(260)는 비교부(240)에서 전달되는 신호(Q₁, Q₂,…, Q_n)별로 임계 에너지 이상의 포톤을 계수하고, 포톤 계수에 대한 결과 신호, 즉 광계수 데이터(OUT₁, OUT₂,…, OUT_n)를 출력하는 복수의 계수기(261)를 포함할 수 있다. 계수기(261)는 방사선 포톤에 대한 계수값이 "1" 증가시 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트를 변환시키는 그레이 계수기(Gray counter)이거나, 이와 유사한 로직을 갖는 계수기일 수 있다.

이하 도 4 내지 도 8을 참조하여 방사선 촬영 장치에 대해서 설명하기로 한다.

도 4는 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 방사선 촬영 장치(1)는 방사선 조사 모듈(310)과, 대상체가 거치되는 거치대(411)가 형성된 거치부(410)를 포함할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 도 5에 도시된 구성을 예로 들어 방사선 촬영 장치에 대해 설명하도록 하나, 설명되는 방사선 촬영 장치는 이에 한정되지 않으며, 형광 투시 영상 장치, 심전도 측정기, 유방 촬영 장치나 컴퓨터 단층 촬영 장치 등 방사선 포톤의 개수를 계수하여 영상을 생성하는 다른 여타의 방사선 촬영 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치(1)의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 방사선 촬영 장치(1)는 입력부(i), 제어부(200), 방사선 조사부(300), 방사선 검출부(400), 광계수 장치(500), 영상처리부(600) 및 디스플레이부(d)를 포함할 수 있다.

입력부(i)는 방사선 촬영 장치의 조작자로부터 소정의 정보, 지시 또는 명령을 입력받는다. 구체적으로 입력부(i)는 방사선 촬영이나 방사선 영상 처리에 관한 다양한 각종 정보, 지시 또는 명령, 예를 들어 방사선 조사 회수나 방사선 조사량 등을 입력받고, 입력받은 각종 정보, 지시 또는 명령을 제어부(200)로 전달하도록 할 수 있다.

입력부(i)는 일 실시예에 의하면 방사선 촬영 장치에 직접 설치된 각종 사용자 인터페이스, 일례로 각종 버튼, 키보드, 마우스, 트랙볼(track-ball), 트랙패드(track-pad), 터치스크린 패널 또는 각종 레버(lever), 핸들(handle)이나 스틱(stick) 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 입력부(i)는 방사선 촬영 장치에 직접 설치되어 있을 수도 있고, 방사선 촬영 장치와 유무선 통신망을 통하여 데이터를 송수신할 수 있는 별도의 워크스테이션(workstation)에 마련되어 있을 수도 있다.

제어부(200)는 소정의 제어 명령을 생성하고 생성된 제어 명령을 방사선 조사부(300), 방사선 검출부(400), 광계수 장치(500) 또는 영상처리부(600) 등에 전달함으로써 방사선 촬영 장치의 전반적인 동작을 제어하도록 할 수 있다.

구체적으로 제어부(200)는 상술한 입력부(i)로부터 입력되는 사용자의 지시나 명령 또는 각종 정보를 전달받고, 전달받은 지시나 명령 또는 각종 정보를 이용하여 방사선 촬영 장치의 소정의 동작을 제어하도록 할 수도 있고, 미리 정의된 설정에 따라서 방사선 촬영 장치의 소정의 동작을 제어하도록 할 수도 있다.

예를 들어 제어부(200)는 입력부(i)를 통해 사용자로부터 소정 선량의 방사선을 대상체(ob)로 조사하라는 방사선 촬영 개시 명령을 입력받고, 입력된 방사선 촬영 개시 명령에 따라 방사선 조사부(300)가 대상체(ob)로 방사선을 조사하도록 할 수도 있다.

방사선 조사부(300)는 방사선을 방출하는 방사선원(radiation source)를 포함한다. 방사선원은 예를 들어 음(-)극과 애노드(anode, 양극)를 포함하는 방사선튜브일 수 있다. 가령, 엑스선은 진공 방전에 있어서 음극에서 고속으로 튀어나오는 전자선(electron ray)을 금속에 충돌시켜 발생되는 파장이 짧은 전자기파이다. 방사선원은 소정 에너지의 방사선을 방출하여 단일 에너지 방사선 영상이 획득되도록 할 수 있다. 다른 예로서, 방사선원은 서로 상이한 복수 에너지의 방사선을 대상체(ob)로 수회 조사하여 멀티 에너지 방사선 영상(MEX, multi-energy X-ray image)이 획득되도록 할 수도 있다. 나아가 방사선 조사부(300)는 사용자는 방사선의 조사 방향이나 조사 범위를 제어하는 콜리메이터(collimator)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 방사선 조사부(300)는 도 4에 도시된 방사선 조사 모듈(310)의 내부에 배치되어, 대상체(ob)로 방사선을 조사하도록 한다.

방사선 검출부(400)는 방사선 조사부(300)에서 조사된 방사선을 수광하여 전기적 신호로 변환하는 광전 변환부(도 1의 10)를 포함한다. 방사선 검출부(400)는 방사선 조사부(300)에서 조사되고 대상체(ob)를 투과한 방사선을 수광할 수 있도록, 방사선 거치부(400)의 거치대(410)의 내면에 형성되어 있을 수 있다. 만약 도 5에 도시된 바와 같이 방사선 조사부(300)가 설치된 방사선 조사 모듈(310)이 상 방향에서 방사선을 조사한다면, 방사선 검출부(400)는 방사선 거치부(400)의 거치대(410)의 하단에 설치될 수 있을 것이다.

도 6은 일 예에 따른 방사선 검출부(400)의 픽셀 어레이 구조(420)를 개략적으로 도시한다. 도 6을 참조하면, 방사선 검출부(400)는 평판패널 타입의 검출기로서, 적어도 하나의 픽셀(pixel)(420p)로 구획될 수 있다. 방사선 검출부(400)의 각각의 픽셀(420p)은 방사선이 각 픽셀(420p)에 도달한 경우 도달한 방사선에 상응하는 전기적 신호를 생성하여 수광된 방사선에 상응하는 방사선 신호로 변환하도록 하는 광전 변환부(도 1의 10)일 수 있다. 다른 일 실시예에 의하면, 각각의 픽셀(420p)은 방사선의 도달에 따라 도달한 방사선에 상응하는 가시광선 포톤을 출력하고 가시광선 포톤을 감지한 후 감지된 가시광선 포톤에 상응하는 전기적 신호를 생성하여 방사선을 상응하는 방사선 신호로 변환하도록 할 수도 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 방사선 검출부(400) 및 광계수 장치(500)의 각각의 픽셀의 구성도이다.

도 7을 참조하면, 각각의 픽셀(420p)은 수광소자(421)와, 수광소자(421)가 설치될 수 있는 씨모스칩(CMOS chip)(422)를 포함할 수 있다. 수광소자(421)는 직접 방식에 따라서 수광된 방사선을 소정의 전기적 신호, 즉 전하 신호로 변환하도록 할 수 있다. 이러한 수광소자(421)는 전술한 광전변환부(도 1의 10)에 해당될 수 있다. 수광소자(421)는 수광된 방사선에 따라서 방사선에 상응하는 소정의 전기적 신호, 즉 전하 신호를 출력하도록 할 수 있다. 수광소자(421)에서 출력된 전하 신호는 직접 광계수 장치(500)로 전달될 수 있다. 출력되는 전하 신호는 전기적 전하 패킷일 수 있다. 또한 전기적 전하 패킷은 음의 전하로 이루어진 전기적 전하 패킷일 수도 있다.

방사선 검출부(400)는 광계수 장치(500)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 광계수 장치(500)는 임계 에너지 이상의 포톤을 계수하여 방사선 영상 생성에 필요한 소정의 데이터, 일례로 방사선 강도에 대한 정보를 획득하도록 할 수 있다.

광계수 장치(500)는 증폭부(520), 비교부(540), 및 계수부(560)를 포함할 수 있다. 이러한 광계수 장치(500)는 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한 광계수 장치(100, 200)일 수 있다.

도 8은 다른 실시예에 따른 방사선 검출부(400) 및 광계수 장치(500)의 각각의 픽셀의 구성도이다.

도 8을 참조하면, 각각의 픽셀(420p)은 신틸레이터(scintillator)(423), 광전소자(424) 및 광전소자(424)가 설치될 수 있는 씨모스칩(422)를 포함할 수 있다. 신틸레이터(423)는 방사선을 수광하고 수광된 방사선에 따라서 소정의 포톤, 일례로 가시 포톤(visible photon)을 출력하는 소자이다. 광전소자(424)는 신틸레이터(423)에서 출력된 가시 광선 포톤을 감지하여 전기적 신호, 즉 방사선 신호를 출력하도록 할 수 있다. 일 예로, 광전소자(424)는 포토다이오드(photodiode)일 수 있다. 광전소자(424)에서 출력되는 방사선 신호는 전기적 전하 패킷일 수 있다. 또한 전기적 전하 패킷은 음의 전하로 이루어진 전기적 전하 패킷일 수도 있다. 전술한 바와 같이, 광계수 장치(500)는 전달받은 방사선 신호, 즉 전기적 전하 패킷을 계수하여 그 결과 정보를 출력한다.

영상처리부(600)는 광계수 장치(500)에서 출력되는 계수 결과 정보를 기초로 방사선 영상을 생성하도록 할 수 있다. 예를 들어 영상처리부(600)는 각각의 픽셀에 대한 방사선의 강도에 따라 각각의 픽셀에 상응하는 방사선 영상 상의 픽셀에 대해 소정의 영상값을 대입하여 방사선 영상을 생성하도록 할 수도 있다. 보다 구체적으로는 영상처리부(600)는, 소정의 픽셀에 대해서 계수된 포톤의 숫자가 적거나 거의 없어 방사선 강도가 낮은 경우에는 소정의 픽셀에 대응하는 방사선 영상의 픽셀에는 상대적으로 어두운 색, 일례로 검은색이 표시되도록 하고, 반대로 소정의 픽셀에 대해서 계수된 포톤의 숫자가 많아 방사선 강도가 높은 경우에는 소정의 픽셀에 대응하는 방사선 영상의 픽셀에는 상대적으로 밝은 색, 일례로 흰색이 표시되도록 하여 소정의 방사선 영상을 생성하도록 할 수 있다.

이상 설명한 영상처리부(600)는 방사선 촬영 장치에 설치된 프로세서일 수도 있고, 방사선 촬영 장치와 유무선 통신망으로 연결된 워크스테이션 등에 설치된 프로세서 등일 수도 있다.

영상처리부(600)에서 생성된 방사선 영상은, 별도의 자기 디스크나 메모리칩과 같은 저장 매체에 저장될 수도 있고 방사선 촬영 장치나 외부의 워크스테이션에 설치된 디스플레이부(d)를 통해 표시될 수도 있다.

또한 영상처리부(600)로부터 출력되는 방사선 영상은, 영상 후처리부()로 전달될 수도 있다. 영상 후처리부(610)는 방사선 영상의 명도(brightness)나 채도(color), 대조도(contrast) 또는 선예도(sharpness)를 수정하여 방사선 영상을 더 보정할 수 있다. 다른 예로서 영상 후처리부(610)는 복수의 방사선 영상을 이용하여 삼차원 입체 방사선 영상을 생성할 수도 있다. 후처리된 방사선 영상은 저장 매체에 전달되어 저장될 수도 있고, 또는 방사선 촬영 장치나 워크스테이션에 마련된 디스플레이부(d) 등으로 전달되어 사용자 등에게 표시될 수도 있다.

도 9는 일 실시예의 광계수 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 먼저 방사선이 발생하여 대상체(ob)로 조사된다(S710). 조사된 방사선은 대상체(ob)를 투과하면서 소정의 감쇠율에 따라 감쇠하게 된다.

대상체(ob)를 투과하면서 소정의 감쇠율에 따라 감쇠된 방사선 및 대상체(ob)를 지나지 않고 직접 도달하는 방사선을 수광하고, 수광된 방사선 포톤에 상응하는 전하 신호로 변환시킨한다(S720).

변환된 전하 신호는 전압 변환부(520)에 의해 전압 신호로 변환된다(S730). 전압 변환부(520)에서는 변환된 전압 신호를 증폭시킬 수도 있다. 전압 변환부(520)는 변환된 전압 신호를 출력하여 비교부(540)로 전달하도록 할 수 있다(S730).

비교부(540)에서는 증폭된 전압 신호의 전압과 기준 전압을 비교하고 비교 결과에 따른 비교 결과 신호를 출력하도록 할 수 있다(S740). 출력된 비교 결과 신호는 계수부(560)로 전달될 수 있다.

계수부(560)는 비교 결과에 따라 기준 전압보다 큰 포톤의 개수를 계수할 수 있다(S750). 이때, 계수부(560)는 계수값이 "1" 증가시 광계수 데이터의 비트열 중 하나의 비트만을 변환하는 방식, 예를 들어 그레이 코드 방식으로 계수한다.

계수부(560)는 계수 결과를 독출하고(S770), 영상 처리부(600)는 독출된 계수 결과에 따라 소정의 방사선 영상을 생성하도록 할 수 있다(S780).

상기 단계들 중 적어도 하나의 단계에 선행하여 수행될 수도 있고, 적어도 하나의 단계와 동시에 수행될 수도 있으며, 경우에 따라서 적어도 하나의 단계에 후행하여 수행될 수도 있다.

전술한 본 개시인 광계수 방법, 이를 이용한 광계수 장치, 및 방사선 촬영 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 광전 변환부 100, 200, 500: 광계수 장치
110, 210: 판독 회로부 120, 220, 520: 전압 변환부
130 : 성형부 140, 240, 540: 비교부
160, 260, 560: 계수부 161, 261: 계수기
250: 피드백 스위치 제어 회로부 i: 입력부
200: 제어부 300: 방사선 조사부
ob: 대상체 400: 방사선 검출부
600: 영상 처리부 610: 영상후 처리부
d: 디스플레이부

Claims

입력되는 방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 입력받는 단계;
상기 전하 신호를 기초로 입력되는 방사선 포톤들이 적어도 하나씩 입사할 때마다 상기 방사선 포톤들에 대한 계수값을 “1”씩 증가시켜 N 비트로 계수하는 계수 단계; 및
방사선 포톤들의 입사가 완료되는 시점의 계수값을 광계수 데이터로 출력하는 출력 단계;를 포함하며,
상기 계수 단계는 방사선 포톤에 대한 계수값이 “1” 증가시 계수값의 N개 비트들 중 하나의 비트만을 변환시키는 광계수 방법.
제1 항에 있어서,
상기 계수 단계는 그레이 코드로 계수하는 광계수 방법.
제1 항에 있어서,
상기 계수 단계는,
상기 전하 신호를 전압 신호로 변환하여 전압 변환 단계; 및
상기 전압 신호를 기준 전압에 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교 단계;를 더 포함하는 광계수 방법.
제3 항에 있어서,
상기 비교 단계에서 출력된 비교 결과는 상기 전압 변환 단계에서 변환된 전압 신호가 상기 적어도 하나의 기준 전압에 도달하는지 여부를 판단한 정보이며,
상기 광계수 데이터는 상기 적어도 하나의 기준 전압별로 계수된 광계수 방법.
제3 항에 있어서,
상기 전압 변환 단계는 상기 전하 신호를 커패시터에 충전시키는 단계와, 상기 커패시터의 양단에 걸린 전압을 증폭시키는 증폭 단계를 포함하는 광계수 방법.
제5 항에 있어서,
상기 비교 단계에서 출력된 비교 결과에 기초하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성 단계를 더 포함하며,
상기 전압 변환 단계는 상기 피드백 제어 신호에 응답하여 상기 커패시터에 걸린 전압을 리셋시키는 단계를 더 포함하는 광계수 방법.
제3 항에 있어서,
상기 전압 변환 단계에서 변환된 전압 신호를 성형하는 단계를 더 포함하는 광계수 방법.
방사선 포톤들에 상응하는 전하 신호를 기초로 상기 방사선 포톤들이 적어도 하나씩 입사할 때마다 상기 방사선 포톤들에 대한 계수값을 “1”씩 증가시켜 N 비트로 계수하여 방사선 포톤들의 입사가 완료되는 시점의 계수값을 광계수 데이터를 출력하는 판독 회로부;를 포함하며,
상기 판독 회로부는 방사선 포톤에 대한 계수값이 “1” 증가시 계수값의 N개 비트들 중 하나의 비트만을 변환시키는 계수부를 포함하는 광계수 장치.
제8 항에 있어서,
상기 계수부는 상기 방사선 포톤들을 그레이 코드로 계수하는 광계수 장치.
제8 항에 있어서,
방사선 포톤들을 흡수하여 전하 신호로 변환하는 광전 변환부를 더 포함하는 광계수 장치.
제8 항에 있어서,
상기 판독 회로부는,
입력된 전하 신호를 전압 신호로 변환하는 전압 변환부; 및
상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호를 적어도 하나의 기준 전압에 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교부;를 더 포함하는 광계수 장치.
제11 항에 있어서,
상기 비교부에서 출력된 비교 결과는 상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호가 상기 적어도 하나의 기준 전압에 도달하는지 여부를 판단한 정보이며,
상기 광계수 데이터는 상기 적어도 하나의 기준 전압별로 계수된 광계수 장치.
제11 항에 있어서,
상기 전압 변환부는 입력 전하 신호를 충전하여 전압신호로 변환시키는 커패시터와 상기 커패시터에 연결된 증폭기를 포함하는 광계수 장치.
제13 항에 있어서,
상기 전압 변환부는 상기 커패시터의 양단에 연결된 피드백 저항을 더 포함하는 광계수 장치.
제13 항에 있어서,
상기 판독 회로부는 상기 비교부에서 출력된 비교 결과에 기초하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 스위치 제어 회로부를 더 포함하며,
상기 전압 변환부는 상기 피드백 제어 회로부에서 생성된 피드백 제어 신호에 응답하여 상기 커패시터에 걸린 전압을 리셋시키는 스위치를 더 포함하는 광계수 장치.
제13 항에 있어서,
상기 전압 변환부에서 변환된 전압 신호를 정형하는 세이퍼를 더 포함하는 광계수 장치.
제8 항 내지 제16 항 중 어느 한 항의 광계수 장치;
상기 광계수 장치에서 검출된 검출신호를 영상처리하는 영상처리부;를 포함하는 방사선 영상 장치.