KR20190095265A - 하이브리드 액티브 매트릭스 평판 감지기 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 방사선 이미징 센서는 저 X-레이 감쇠 기판, 상기 기판 위에 배치된 광 전도체, 및 광도전체 상에 배치된 신틸레이터를 포함한다. 광도전체 내에서의 전자-정공 쌍으로의 직접 X-레이 변환과 신틸레이터 내에서의 광 전도체의 X-레이 다운스트림의 간접 변환을 조합함으로써, 과도한 X-레이 선량이 필요없이 광전도체 및 신틸레이터 둘다의 업스트림에 위치한 전자 판독부를 통해 개선된 X-레이 이미징이 획득될 수 있다.
Description
일반적으로 본 발명은 이온화 방사선(ionizing radiation)을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 X-레이 이미징을 위한 하이브리드 센서에 관한 발명이다.
엑스레이 영상 분야는, 액티브 매트릭스 평판 이미저(active matrix flat panel imagers: AMFPI)에 기초하는 디지털 방사선촬영(digital radiography: DR) 시스템들의 확산으로 인한 "디지털 혁명"을 2000년대 초반에 경험하였다. 그 이후로, 거대 면적 AMFPI의 신속한 개발 및 임상 트랜스레이션(clinical translation)이 비정질 실리콘(a-Si) 액티브 매트릭스 기술을 기반으로 이루어졌다. 이들의 소형화된 사이즈, 빠른 화상 판독 및 우수한 이미지 품질 때문에, AMFPI는 일반적인 방사선 촬영과 같은 전통적인 X-레이 이미징 분야에 이용될 뿐만 아니라, 콘 빔 CT(cone beam computed tomography) 및 디지털 단층영상합성(digital tomosynthesis)을 포함하는 단층촬영(tomographic imaging) 어플리케이션들에도 이용되고 있다.
디지털 엑스레이 시스템은 형광 투시(fluoroscopy), 콘 빔 CT(CBCT) 및 심장 이미징을 포함하여 치과 및 의학 어플리케이션을 위한 X-레이 패턴들의 가시적인 표현을 제공한다. 통상적인 X-레이 시스템은 전하 캐리어들(예컨대, 전자-정공 쌍)로의 X-레이의 직접 변환 또는 광자(예컨대, 가시 광선)와 같은 중간 상태를 통해 전하 캐리어들로의 X-레이의 간접 변환에 의존하는 것이 일반적이다.
도 1a를 참조하면, 직접 변환 접근법은 전형적으로 픽셀 전극들(14) 및 그 각각이 저장 캐패시터(18)에 연결된 박막 트랜지스터(14) 혹은 다이오드들의 어레이를 포함하는 고체 소자 위에 배치된 비정질 셀레늄(a-Se)의 층과 같은 X-레이 감지 광전도체(X-ray sensitive photoconductor)(12)를 사용한다. 스캐닝 제어 시스템(22) 및 멀티플렉서(24)는 이미지 데이터를 축적하고 전자적으로 처리하도록 구성된다.
직접 변환 검출기(10)에서, X-레이(11)는 광전도체(photoconductor)(12)에서 반응하여, 전자 정공 쌍(EHPs)으로 변환되며 그리고 판독 전자회로들(TFT 또는 CMOS)를 통해 디지털화된다. 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 바이어스 전극(20)이 광전도체 층(12) 위에 놓일 수 있다.
직접 변환 검출기(10)는 광전도체(12)의 고유 해상도로 인하여 높은 공간 해상도라는 장점을 갖는다. 하지만, 형광투시(fluoroscopy), CBCT, 및 심장 촬영(cardiac imaging)과 같은 고에너지 어플리케이션의 경우, 대부분의 광전도체는 입사 X-레이를 완전하게 감쇠시킬 수 있는 충분한 양자 효율을 갖지 못한다. 예를 들어, 1000 ㎛ 두께의 비정질 셀레늄(a-Se) 층을 포함하는 광전도체는 제한된 양자 효율을 나타내며, 따라서 저조한 신호 대 잡음비를 나타낸다. 또한, 이러한 두꺼운 광전도체 층 내에서의 열악한 전하 운송은 고스트(ghosting), 지연(lag), 및/또는 신호 손실을 유발할 수 있다. 비록, 투여되는 방사선의 양을 증가시킴으로써 적절한 신호가 획득될 수는 있지만, 이해될 수 있는 바와 같이, 환자에 대한 X-레이 노출량을 최소화하면서도 충분한 콘트라스트 및 밝기를 갖는 진단 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.
결과적으로, 고에너지 어플리케이션은 보다 우수한 양자 효율을 갖는 간접 검출기를 사용하는 경향이 있다. 도 1b를 참조하면, 간접 변환 검출기(30)는 신틸레이터(scintillator) 또는 형광체 스크린(phosphor screen)(32)을 사용하여 먼저 X-선(11)을 광자로 변환하고, 이후 상기 광자는 포토다이오드(34)에 흡수되어 전자적 판독을 통해 디지털화된다. 하지만, 간접 변환 검출기(30)의 양자 효율은 일반적으로 직접 변환 검출기(10)의 양자 효율보다 높지만, 신틸레이터 내의 광학 번짐(optical blur)은 직접 변환 검출기로 달성할 수 있는 공간 해상도보다 열악한 공간 해상도를 초래할 수 있다.
예를 들어, 간접 검출기들의 감도 및 최대 신호대잡음비(SNR)는, 이들의 광자 변환 효율에 의해 제한된다. 낮은 변환 효율은 검출기 감도를 감소시킬 뿐만 아니라 획득된 이미지에 잡음을 추가한다(예를 들어, 2차 양자 잡음). 이러한 잡음은 세세한 부분들(fine details)의 해상도를 저해할 수 있다. 이러한 점을 참조하면, 직접 또는 간접 방사선 변환에 기초한 X-레이 영상 기술들은 효율 및 해상도의 부적합한 조합을 제공한다는 것을 이해할 것이다.
최근의 발전들에도 불구하고, 예를 들어, 과도한 용량의 방사선을 필요로 하지 않으면서도 충분한 콘트라스트와 밝기를 제공하는 X-레이 어플리케이션을 위한 개선된 이미징 센서들에 대한 요구들이 존재한다.
본 명세서에는 하이브리드 검출기, 가령 하이브리드 액티브 매트릭스 평판 검출기 시스템 및 이러한 시스템을 구현하기 위한 방법이 개시되며, 이는 형광투시 및 CBCT를 포함하여 방사선 촬영을 위한 X-레이 검출기의 성능을 개선시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은 증가된 분량이 환자에게 투여될 것을 요구하지 않으면서도 개선된 이미지 품질을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 방사선 이미징 센서는 저 X-레이 감쇠 기판, 상기 기판 위에 배치된 광전도성 소자, 및 상기 광전도성 소자 위에 배치된 신틸레이터 를 포함한다. 광전도성 소자는 예를 들어 비정질 셀레늄(a-Se)의 층을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 방사선 이미징 센서는 하부에서 상부까지, 저 X-레이 감쇠 기판, 픽셀 전극 어레이, 제 1 전하 차단층, 광전도성 소자, 제 2 전하 차단층, 투명 전도성 전극, 및 상기 광전도성 소자에 광학적으로 결합된 신틸레이터를 포함한다.
하이브리드 검출기는 광전도체 내의 직접 상호작용들을 활용할 뿐만 아니라 신틸레이터로부터의 간접 상호작용들을 활용하며, 따라서 비정질 셀레늄 직접 검출기의 높은 공간 해상도와 간접 검출기의 높은 양자 효율을 결합할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, X-레이 방사선을 이미징하는 방법은 광전도성 소자 및 신틸레이터를 포함하는 방사선 이미징 센서를 X-레이 방사선에 노출시키는 단계와, 상기 방사선의 제 1 부분을 상기 광전도성 소자에 의해서 흡수하는 것에 응답하여 광전도성 소자 내에 전하 캐리어들을 직접 생성하는 단계를 포함하며, 상기 방사선의 제 2 부분을 상기 광전도성 소자를 통과한다.
상기 방법은 또한, 상기 방사선의 제 2 부분을 상기 신틸레이터에 의해서 흡수하는 것에 응답하여 광자들을 상기 신틸레이터 내에 생성하는 단계를 포함한다. 광전도성 소자에 의한 광자들의 흡수에 응답하여 광전도성 소자 내에 전하 캐리어들이 생성된다.
방사선 이미징 센서를 형성하는 방법은 저 X-레이 감쇠 기판 상에 광전도성 소자를 형성하는 단계 및 광전도성 소자 위에 신틸레이터를 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 신틸레이터를 형성하기 전에 광전도성 소자 위에 광전 변환층이 형성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명들은 다음의 도면들과 함께 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이며, 도면들에서 유사한 구조는 유사한 참조 번호들로 표시된다.
도 1a는 하나의 광전도성 층이 X-레이를 전자-정공 쌍으로 직접 변환하는 종래의 X-레이 검출기의 개략도이다.
도 1b는 종래의 X-레이 검출기의 개략도로서, X-레이는 신틸레이터에서 광자로 초기에 변환되고, 이어서 광자들은 포토다이오드에서 전자-정공 쌍으로 변환된다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 하이브리드 X-레이 이미징 센서의 개략도이다.
도 3a는 150 마이크론의 픽셀 피치를 갖는 테르븀-도핑된 가돌리늄 산황화물(oxysulfide) 간접 검출기를 사용하여 생성된 비교 X-레이 이미지를 도시한다.
도 3b는 예시적인 하이브리드 이미징 센서를 사용하여 생성된 개선된 X-레이 이미지를 도시한다.
도 4는 본 발명의 소정 실시예에 따른 하이브리드 AMFPI에 대한 검출 양자 효율 대 공간 주파수의 플롯이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 광전 변환층을 포함하는 하이브리드 X-레이 이미징 센서의 분해도이다.
도 1a는 하나의 광전도성 층이 X-레이를 전자-정공 쌍으로 직접 변환하는 종래의 X-레이 검출기의 개략도이다.
도 1b는 종래의 X-레이 검출기의 개략도로서, X-레이는 신틸레이터에서 광자로 초기에 변환되고, 이어서 광자들은 포토다이오드에서 전자-정공 쌍으로 변환된다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 하이브리드 X-레이 이미징 센서의 개략도이다.
도 3a는 150 마이크론의 픽셀 피치를 갖는 테르븀-도핑된 가돌리늄 산황화물(oxysulfide) 간접 검출기를 사용하여 생성된 비교 X-레이 이미지를 도시한다.
도 3b는 예시적인 하이브리드 이미징 센서를 사용하여 생성된 개선된 X-레이 이미지를 도시한다.
도 4는 본 발명의 소정 실시예에 따른 하이브리드 AMFPI에 대한 검출 양자 효율 대 공간 주파수의 플롯이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 광전 변환층을 포함하는 하이브리드 X-레이 이미징 센서의 분해도이다.
이제 본 발명의 다양한 실시예들이 설명될 것인바, 이들 중 일부 실시예들이 도면과 함께 도시된다. 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다.
도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 하이브리드 X-레이 이미징 센서(200)는 저 X-레이 감쇠 기판(low x-ray attenuating substrate)(210), 전자 판독부(220), 제 1 전하 차단층(230), 광전도성 소자(240), 제 2 전하 차단층(250), 투명 전도성 전극(260) 및 광전도성 소자(240)에 광학적으로 결합된 신틸레이터(270)를 포함한다.
상부에 있는 층들 및 구조물들에 대한 기계적인 지지를 제공하는 저 X-레이 감쇠 기판(210)은 20 ~ 100 마이크론의 두께를 갖는 유리 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 저 바륨 유리 기판(low barium glass substrate) 또는 폴리머 기판일 수 있다. 저 X-레이 감쇠 기판은 X-레이가 광전도성 소자(240) 및 신틸레이터(270)까지 통과할 수 있게 한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "저 X-레이 감쇠"는 기판(210)을 통한 X-레이의 투과가 적어도 75%, 예컨대, 75, 80, 90, 95, 97 또는 98% 이고, 전술한 값들 중 임의의 것들 사이의 범위들을 포함함을 의미한다.
소정 실시예에서, 저 X-레이 감쇠 기판(210)은 가요성(flexible) 기판일 수 있다. 예를 들어, 임의의 얇은 가요성 유리가 기판으로 사용될 수 있다. 적절한 가요성 기판은 3 내지 4 cm의 곡률 반경으로 구부러질 수 있다. 전자 판독부(220)가 기판(210) 위에 형성될 수 있다.
전자 판독부(220)는 소스 영역(S), 드레인 영역(D) 및 게이트(G)를 갖는 박막 트랜지스터(224)에 각각 연결되는 픽셀 전극들(222)의 어레이를 포함할 수 있다. 상기 어레이는 컬럼들 및 로우들로 직선형으로 배열된 복수의 개별 셀들로 분할된다. 각각의 박막 트랜지스터(224)는 저장 커패시터에 전기적으로 연결될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 전자 판독부(220)는 X-레이 투과성이고 방사선 비민감성이다. 전자 판독부(220)는 기판(210)에 근접하게, 즉 기판과 광전도성 소자(240) 사이에 배치되어, 샘플링이 센서의 X-레이 입사면 근처에서 발생한다. 이러한 기하학적 구조로 인하여, 신틸레이터의 공간 해상도가 향상된다.
광전도성 소자(240)와 전자 판독부(220) 사이에 위치된 제 1 전하 차단층(230)은 광전도성 소자(240)와 전자 판독부(220), 즉 픽셀 전극들(222) 사이에서 전하(예컨대, 전자들)의 통과를 방지하도록 구성된다. 제 1 전하 차단층(230)은 예를 들어 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 유전 물질을 포함할 수 있으며, 열 증발 또는 스퍼터링을 포함하는 물리 기상 증착(PVD)과 같은 진공 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
광전도성 소자(240)는 비정질 셀레늄(a-Se)의 층을 포함할 수 있고 50 내지 1000 마이크론의 두께, 예를 들어 50, 100, 200, 400, 600, 800 또는 1000 마이크론의 두께를 가질 수 있으며, 전술한 값들 중 임의의 값들 사이의 범위들을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 비정질 셀레늄 광전도성 소자(240)는 비소 또는 염소와 같은 하나 이상의 도펀트를 포함할 수 있다. 비정질 셀레늄 대신에, 광도전성 소자(240)는 다른 광전도성 물질, 가령, 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 납 요오드화물(PbI2), 납(II) 산화물(PbO), 요오드화제이수은(mercuric iodide: HgI2) 또는 티탄산 지르콘산 납(lead zirconate titanate: PZT) 혹은 바륨 스트론튬 티탄산염(barium strontium titanate: BTS)과 같은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 광전도성 소자는 하나 이상의 이러한 물질들의 퀀텀 도트(quantum dots)를 포함할 수 있다.
광전도성 소자(240)는 열 증발법, 스퍼터링, 또는 졸 겔 프로세스(sol gel process)와 같은 용액-기반 프로세스와 같은 임의의 적절한 기술에 의해 형성되는 광전도성 박막 필름일 수 있다. 광전도성 박막 필름을 조밀화하기 위하여 하나 이상의 소성 단계들이 이용될 수 있다.
광전도성 소자와 신틸레이터(270) 사이에 위치된 제 2 전하 차단층(250)은 광전도성 소자(240)와 고전압(HV) 전극(260) 사이에서 전하(예를 들어, 정공)가 통과하는 것을 방지하도록 구성되지만, 신틸레이터(270)로부터 방출된 광학 방사선(optical radiation)이 광전도성 소자(240) 내로 통과할 수 있게 한다. 예시적인 제 2 전하 차단층(250)은 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 유전 물질을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 화합물인 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물은 SiO2 및 Si3N4 로 각각 명목상으로 표시되는 조성을 갖는다. 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물이라는 용어는, 이들 화학량론적 조성(stoichiometric compositions)을 지칭할 뿐만 아니라, 상기 화학양론적 조성을 벗어나는 산화물 및 질화물 조성을 지칭할 수 있다.
광전도성 소자(240)는 고전압 전극(260)으로 바이어싱될 수 있으며, 그리고 제 1 및 제 2 전하 차단층(230, 250) 각각에 의해서 픽셀 전극(222) 및 고전압 전극(260)으로부터 분리될 수 있다. 고전압 전극(260)은 신틸레이터(270)로부터 광전도성 소자(240)로의 광자들의 광학적 전송을 허용하는 투명 전도성 전극일 수 있다. 예시적인 투명 전도성 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 전도성 금속 산화물 또는 폴리(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)와 같은 전도성 유기 폴리머를 포함할 수 있다.
신틸레이터 스크린(270)은 X-레이 방사선을 흡수하고, 흡수된 X-레이 방사선을 광학 방사선으로 변환하도록 구성된다. 신틸레이터(270)에 적합한 물질의 일례는 비도핑 또는 도핑된 세슘 요오드화물(cesium iodide: CsI), 예컨대, 약 550 nm에서 피크 방출을 갖는 탈륨-도핑 세슘 요오드화물(CsI:Tl)이다. 더 크거나 더 작은 파장들을 방출하는 신틸레이터가 또한 사용될 수도 있다. 신틸레이터(270)는 예를 들어 청색광 또는 녹색광을 방출할 수 있다. 다른 예시적인 신틸레이팅 물질들은 비스무스 게르마네이트(bismuth germinate: BGO), 루테인 오드로실리케이트(lutetium orthosilicate: LSO), 루테인 이트륨 오드로실리케이트(lutetium yttrium orthosilicate: LYSO) 및 신틸레이팅 글래스(scintillating glasses)를 포함할 수 있다.
청색 파장들을 방출하는 신틸레이터들은 예컨대, 바륨 플루오로브롬화물(barium fluorobromide), 바륨 플루오로염화물(barium fluorochloride), 바륨 플루오로요오드화물(barium fluoroiodide) 등과 같은 바륨 플루오로할라이드(barium fluorohalides) 및 텅스텐산 칼슘(calcium tungstate)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 청색광은 a-Se에서 높은 광학 양자 효율(> 80 %)을 가지므로, a-Se가 청색 신틸레이터에 직접 결합되게 할 수 있다.
녹색 파장들을 방출하는 예시적인 신틸레이터(270)는 탈륨-도핑된 세슘 요오드화물(CsI:Tl) 및 테르븀 도핑된 가돌리늄 옥시설파이드(terbium-doped gadolinium oxysulfide: GOS)를 포함한다. 녹색광을 방출하는 신틸레이터의 광학 양자 효율이 20 % 미만일 수 있기 때문에, 특정 실시예에서는 추가적인 녹색 민감성 광전도성 층(미도시)이 a-Se 층(240)과 고전압(HV) 층 사이에 포함될 수 있다. 추가적인 광전도성 층은 예를 들어, 텔루륨 도핑된(tellurium-doped) a-Se 또는 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide)와 같은 다른 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 신틸레이터의 조성 및 기하학적 형상(예컨대, 두께)은 특정 애플리케이션을 위해 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 신틸레이터(270)의 유효 EHP 생성 에너지(W±)는 a-Se의 그것(W±= 50)과 매칭되며, 따라서 모든 X-레이들이 동등하게 카운트된다.
방사선 촬영 세션 동안, X-레이 빔은 환자에 충돌하며 그리고 환자의 해부학적 구조(anatomy)를 통과할 때 이미지와 같이 변경된다. 환자의 해부학적 구조에 관한 정보를 포함하고 있는 공간적으로 변경된 방사선은 이미징 센서(200)에 충돌한다.
동작 동안, X-레이(201)는 기판(210)을 통해 그리고 전자 판독부(TFT 어레이)(220)를 통해 센서(200)로 입사한다. 예를 들어, X-레이(201)는 광전도체 층(240)를 통과할 수 있는바, 광전도체 층(240)에서는 X-레이의 제 1 부분이 감쇠되며 그리고 전자-정공 쌍으로 직접 변환된다. 직접 변환은 도 2에 개략적으로 도시된다.
X-레이의 제 2 부분이 광전도체 층(240)을 통과할 수 있다. 엑스레이의 제 2 부분은 신틸레이터(270)에 의해 흡수될 수 있으며 그리고 광학 광자들(optical photons)로 변환된다. 다음으로, 상기 광학 광자들은 광전도체 층(240)에서 전자-정공 쌍으로 변환된다.
따라서, 다양한 실시예에서, 입사 X-레이(201)는, 광전도체(240)에서의 직접 상호작용 및 신틸레이터(270)를 이용한 간접 상호작용 둘다에 의해서 흡수되고 그리고 전자-정공 쌍으로 변환된다. 특정 실시예에서, 광전도체(240)는 X-레이와 광학 광자들 모두를 감지하도록 구성된다. 이러한 하이브리드 구조는 직접 검출기 또는 간접 검출기 단독으로 획득할 수 있었던 것에 비하여, 개선된 공간 해상도 및 도즈 효율(dose efficiency)를 가능케한다.
계속해서 도 2를 참조하면, 입사 X-레이(201)는 신틸레이터(270)와 상호작용하기 전에 광전도체(240)와 상호작용한다. X-레이의 제 1 부분, 예를 들어, 고 에너지 X-레이 보다 더 높은 방사선촬영(radiography) 콘트라스트를 갖는 저 에너지 X-레이는 광전도체(240)에 의해 흡수될 수 있으며 그리고 전자-정공 쌍으로 직접 변환될 수 있다.
X-레이의 제 2 부분, 예컨대, 광전도체(240)와 상호작용하지 않는 고 에너지 X-레이는 신틸레이터(270)에 흡수될 수 있으며, 신틸레이터(270)는 광전도체(240) 보다 더 높은 차단 파워(stopping power)(하지만, 더 낮은 공간 해상도를 가짐)를 갖는다. 이러한 고 에너지 X-레이의 전자-정공 쌍으로의 간접 변환은, 검출기의 전체 흡수 효율을 개선할 수 있다.
다양한 실시예에서, a-Se 광전도체(240)는 X-레이의 직접 검출기 및 그리고 광학 광자 검출기 둘다로서 기능하도록 적응된다. 다양한 실시예에 따라, a-Se의 광학적 커플링 및 양자 효율은, 신틸레이터에 흡수된 X-레이와 a-Se에 흡수된 X-레이 사이의 양호한 매칭된 신호 이득을 달성하기 위해 사용된다.
본 발명의 하이브리드 검출기(200)를 이용함으로 인한 이미징의 향상은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 이해될 수 있다. 도 3a를 참조하면, 비교 간접 검출기를 사용하여 도출된 시뮬레이션된 이미지가 도시되어 있다. 도 3a의 팬텀 이미지는 150 ㎛의 픽셀 피치를 갖는 표준적인 테르븀 도핑된 가돌리늄 옥시설파이드(GOS) 형광체 스크린을 사용하여 생성된다. 도 3b를 참조하면, 본 명세서에 개시된 하이브리드 검출기를 사용하여 도출된 동일한 시뮬레이션된 이미지가 도시되어 있다. 하이브리드 검출기로 인한 선명도(sharpness) 향상은 명백하다. 시뮬레이션된 팬텀에서의 300 마이크론 라인 그룹의 콘트라스트 변조(하단 우측의 2번째 것)는, 예를 들어 3 배 향상되었다.
하이브리드 검출기의 개선된 이미징 효율은 도 4를 참조하여 이해될 수 있는바, 도 4는 검출 양자 효율(detective quantum efficiency: DQE) 대 공간 주파수의 플롯으로서, (A) 본 명세서에 개시된 하이브리드 AMFPI, (B) 비교용 a-Se 기반 직접 검출기, 및 (C) 비교용 형광-기반 간접 검출기에 대한 것이다.
검출 양자 효율은 이미징 시스템의 신호 및 노이즈 성능의 결합 효과에 대한 척도이다. 의료용 방사선촬영에서, DQE는 이미징 시스템이 이상적인 검출기와 비교하여 높은 신호 대 잡음비를 갖는 이미지를 얼마나 효과적으로 생성할 수 있는지를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 0 내지 7 사이클/mm의 도메인에 대하여, 하이브리드 AMFPI에 대한 DQE가 직접 또는 간접 검출기에 대한 DQE 보다 더 크다는 것을 용이하게 식별할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 평면 하이브리드 X-레이 이미징 센서는 아래에서부터 위쪽으로, 전자 판독부(220), 제 1 전하 차단층(230), 광전도성 소자(240), 버퍼층(242), 광전 변환층(244), 제 2 전하 차단층(250), 투명 전도성 전극(260), 및 광전 변환층(244)과 광전도성 소자(240)에 광학적으로 결합된 신틸레이터(270)를 포함한다.
전자 판독부(220)는 저장 캐패시터(518)에 각각 연결된 픽셀 전극들(514) 및 박막 트랜지스터들(TFT) 또는 다이오드들(516)의 어레이를 갖는 고체 소자를 포함할 수 있다. 스캐닝 제어 시스템(522) 및 멀티플렉서(524)는 이미지 데이터를 축적하고 전자적으로 처리하도록 구성된다.
본 실시예에서, 버퍼층(242) 및 광전 변환층(244)이 광전도성 소자(240)와 전하 차단층(250) 사이에 배치된다. 도핑된 비정질 셀레늄(예를 들어, 비소-도핑된 비정질 셀레늄)을 포함할 수 있는 버퍼층(242)은, 안정성을 향상시키고 광전도성 소자(240)의 결정화를 방지하도록 적응될 수 있다. 특정 실시예에서, 버퍼층(242)은 생략될 수도 있다. 광전 변환층(244)은 예를 들어, 셀렌화 카드뮴(CdSe) 또는 카드뮴 설파이드(CdS)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 광전 변환층(244)은 광전도성 소자(240)를 보충하도록 구성될 수도 있다. 사용 중에, 다양한 실시예들에 따르면, X-레이는 도 5의 평면형 하이브리드 센서의 상부 표면(예를 들어, 신틸레이터 270) 또는 하부 표면(예를 들어, 전자 판독부 220) 상에 입사할 수 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 하이브리드 센서 아키텍처들은 하나 이상의 통상적인 박막 증착 공정들 가령, 스퍼터링, 열 증발법, 전자빔 증착법 또는 용액-기반 증착 방법 등등을 이용하여 층별로(layer-by-layer) 제작될 수 있다. 다시 도 5를 참조하면, 예시적인 제조 공정 프로세스는 전자 판독부(220) 위에 광전도성 소자(240)를 형성하는 것을 포함한다. 비정질 셀레늄을 포함하는 광 전도성 소자(240)는 증발법에 의해 형성될 수 있다. 광전도성 소자(240)는 X-레이를 전자 전하로 변환하기 위한 변환층으로서 및/또는 광-생성(photo-generated) 전하를 전자 판독부(220) 쪽으로 이동시키는 드리프트 층으로서 기능할 수 있다. 특정 실시예에서, 도핑된 셀레늄 층이 예컨대, 증발법에 의해서 광전도성 소자(240) 바로 위에 증착되어, 버퍼층(242)을 형성할 수 있다. 광전 변환층(244)은 버퍼층(242) 상에 형성될 수도 있으며(만일, 버퍼층이 있다면), 또는 광전도성 소자(240) 바로 위에 형성될 수 있다. 광전 변환층(244)은 예를 들어, 열 증발법, 전자 빔 증발법, 스퍼터링 또는 솔루션 프로세싱, 예를 들어 퀀텀 도트의 액체 현탁액을 스핀-코팅함으로써 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 광전 변환층(244)은 30℃ 이하의 증착 온도로 형성된다. 특정 어플리케이션에서, 광전 변환층(244)은 상부 전극으로부터 광전도성 소자(240)로의 전하 주입을 차단 혹은 방지하는 전하 차단층(예컨대, 정공 차단층)으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 전하 차단층(250)(예컨대, 산화 아연층(ZnO))이 광전 변환층(244) 상에 형성된다. 전하 차단층(250)은 30℃ 이하의 증착 온도에서 열 증발법, 전자 빔 증발법, 스퍼터링 또는 솔루션 프로세싱, 예를 들어 콜로이드성 ZnO 입자 또는 콜로이드성 퀀텀 도트들의 액체 현탁액을 이용하여 형성될 수 있다. 전하 차단층(250) 위에 투명 전도성 전극(260)이 형성될 수 있으며 그리고 X-레이를 광자로 변환시키는 신틸레이터(270)가 투명 전도성 전극(260) 위에 형성될 수 있다.
본 발명의 출원인은 간접 변환 X-레이 평판 이미저와 고효율 광전 변환층(244)의 조합이, 디지털 방사선 촬영에 유리한 개선된 동적 범위 및 민감도를 제공한다는 것을 입증하였다. 광전도성 소자(240)(예를 들어, a-Se)와 신틸레이터(예를 들어, CsI) 사이에 광전 변환층(244)을 도입하면, 센서의 광자 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
개선된 광자 변환 효율은 다양한 어플리케이션에 대한 실질적인 장점들을 제공하는바, 이러한 장점들은 높은 신호 대 잡음 성능 및 저선량 형광투시(low-dose fluoroscopy)에서의 전자 노이즈의 부정적인 영향의 감소를 포함한다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 하이브리드 검출기는 직접 검출기와 간접 검출기의 장점들을 취할 수 있으면서도, 각각의 단점을 최소화할 수 있다. 셀레늄에서의 X-레이의 직접적인 상호 작용은 이미지 선명도를 유지하는데 도움을 주며 그리고 높은 공간 주파수에서 전자 노이즈를 극복할 수 있다. 비록, 신틸레이팅 층으로부터의 X-레이 신호는 a-Se의 X-레이 신호와 비교하여 흐리게 보이지만(blur), 높은 흡수 효율은 전체적인 검출기 신호를 증가시키고 저선량 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 하이브리드 검출기는 종래의 직접 변환 검출기에 비하여 개선된 선량 효율(dose efficiency)을 나타내며, 종래의 간접 변환 검출기에 비하여 더 우수한 공간 해상도를 나타낸다. 높은 공간 해상도와 결합된 높은 흡수 효율은 특히 미세 디테일 및 낮은 콘트라스트 객체들에 대하여, 더욱 향상된 양자 효율 및 개선된 이미징을 제공한다.
다음을 유의해야 하는바, 본 명세서에 개시된 센서는 가령, 일반적인 방사선촬영 및 유방조영술(mammography)과 같은 다양한 진단 영상용 X-레이 시스템에 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은, "a" , "an" 및 "the" 등의 단수형들은 문맥에서 명백히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 대상들을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "픽셀 전극" 이라는 언급은, 문맥에서 명백히 달리 지시하지 않는 한, 2개 이상의 "픽셀 전극들"을 갖는 일례들을 포함한다.
달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에 기재된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서대로 수행될 것을 요구하는 것으로서 해석되는 것은 결코 아니다. 따라서, 방법 청구항은 그 단계들에 뒤따라야할 순서를 실제로 암시하지 않거나 또는 단계들이 특정 순서에 한정되어야한다는 것이 청구항들 또는 설명들에 달리 명시적으로 언급되지 않은 경우, 임의의 순서가 유추될 수 있다. 임의의 청구 범위에서 인용된 단일 또는 다수의 특징들 또는 양태들은 임의의 다른 청구 범위 또는 청구항에서 인용된 다른 특징들 또는 양태들 조합되거나 치환될 수 있다.
다음을 유의해야 하는바, 층, 영역, 또는 기판 등의 요소가 다른 요소 "상에(on)" 혹은 "위에(over)" 형성, 증착 및 배치되는 것으로 지칭될 때, 이들 요소는 다른 요소 위에 직접 있을 수도 있으며, 또는 개재 요소가 또한 존재할 수 있다. 이와 달리, 요소가 다른 요소 "바로 상에" 또는 "바로 위에" 있는 것으로 언급될 때는, 중간에 요소들이 존재하지 않는다.
특정 실시예의 다양한 특징들, 요소들 또는 단계들이 "comprising" 이라는 연결 어구를 이용하여 개시될 수 있지만, "consisting" 또는 "consisting essentially of" 라는 연결 어구를 이용하여 서술된 것들을 포함하는 대안적인 실시예가 함축될 수 있음을 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어, 비정질 셀레늄을 포함하는 광 검출기에 대한 암시된 대안적인 실시예는 광 검출기가 본질적으로 비정질 셀레늄으로 구성된 실시예들 및 광 검출기가 비정질 셀레늄으로 이루어진 실시예들을 포함한다.
본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 다양한 수정예들 및 변형예들이 본 발명에 대해 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 사상 및 본질을 포함하는 개시된 실시예들의 변형들, 조합들, 서브조합들 및 수정들이 당업자에게 발생할 수 있으므로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (20)
- 방사선 이미징 센서로서,
저 X-레이 감쇠 기판(low x-ray attenuating substrate);
상기 기판 위에 배치된 광전도성 소자; 및
상기 광전도성 소자 위에 배치된 신틸레이터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 가요성 기판인 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 광전도성 소자 사이의 전하 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광전도성 소자와 상기 신틸레이터 사이에 전하 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 광전도성 소자 사이의 제 1 전하 차단층 및 상기 광전도성 소자와 상기 신틸레이터 사이의 제 2 전하 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 광전도성 소자 사이의 픽셀 전극 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광전도성 소자와 상기 신틸레이터 사이의 투명한 전도성 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 신틸레이터의 유효 전자-정공 쌍(EHP) 생성 에너지(W±)는 상기 전도성 소자의 유효 전자-정공 쌍(EHP) 생성 에너지(W±)와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광전도성 소자와 상기 신틸레이터 사이에 배치된 광전 변환층을 더 포함하고, 상기 광전 변환층은 텔루륨-도핑된(tellurium-doped) a-Se, 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide) 또는 카드뮴 설파이드(cadmium sulfide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 방사선 이미징 센서로서, 상기 방사선 이미징 센서는 하부로부터 상부까지,
저 X-레이 감쇠 기판;
복수의 픽셀 전극들을 포함하는 픽셀 전극 어레이;
제 1 전하 차단층;
광전도성 소자;
제 2 전하 차단층;
투명 전도성 전극; 및
상기 광전도성 소자에 광학적으로 연결된 신틸레이터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 픽셀 전극들 각각과 전기적으로 통신하는 박막 트랜지스터 및 저장 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제10항에 있어서,
상기 광전도성 소자는 비정질 셀레늄, 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 텔루라이드, 납 요오드화물, 납(II) 산화물, 요오드화제이수은(mercuric iodide) 또는 티탄산 지르콘산 납(lead zirconate titanate) 및 바륨 스트론튬 티탄산염(barium strontium titanate)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하고, 그리고 상기 신틸레이터는 세슘 산화물(cesium oxide), 비스무스 게르마네이트(bismuth germinate), 루테인 오드로실리케이트(lutetium orthosilicate), 루테인 이트륨 오드로실리케이트(lutetium yttrium orthosilicate), 텅스텐산 칼슘(calcium tungstate), 탈륨-도핑 세슘 요오드화물(thallium-doped cesium iodide), 테르븀 도핑된 가돌리늄 옥시설파이드(terbium-doped gadolinium oxysulfide), 바륨 플루오로할라이드(barium fluorohalides) 및 신틸레이팅 글래스(scintillating glasses)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제10항에 있어서,
상기 광전도성 소자와 상기 신틸레이터 사이에 배치된 광전 변환층을 더 포함하고, 상기 광전 변환층은 텔루륨 도핑된 a-Se, 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide) 또는 카드뮴 설파이드(cadmium sulfide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - 제13항에 있어서,
상기 광전도성 소자와 상기 광전 변환층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서. - X-레이 방사선을 이미징하는 방법으로서,
광전도성 소자 및 신틸레이터를 포함하는 방사선 이미징 센서를 X-레이 방사선에 노출하는 단계;
상기 광전도성 소자에 의한 상기 방사선의 제 1 부분의 흡수에 응답하여 상기 광전도성 소자 내에 전하 캐리어들을 직접적으로 생성(directly generating)하는 단계, 상기 방사선의 제 2 부분은 상기 광전도성 소자를 통과하고;
상기 신틸레이터에 의한 상기 방사선의 제 2 부분의 흡수에 응답하여 상기 신틸레이터 내에 광학 광자들(optical photons)을 생성하는 단계; 및
상기 광전도성 소자에 의한 상기 광학 광자들의 흡수에 응답하여 상기 광 전도성 소자 내에 전하 캐리어를 간접적으로 생성(indirectly generating)하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-레이 방사선을 이미징하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 X-레이 방사선은 저 X-레이 감쇠 기판을 통해 상기 센서로 들어가는 것을 특징으로 하는 X-레이 방사선을 이미징하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 저 X-레이 감쇠 기판과 상기 광전도성 소자 사이에 위치된 픽셀 전극 어레이 상에 전하 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-레이 방사선을 이미징하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 광전도성 소자는 상기 이온화 방사선의 제 1 부분을 흡수하고 그리고 상기 광학 광자들을 감지하는 것을 특징으로 하는 X-레이 방사선을 이미징하는 방법. - 방사선 이미징 센서를 형성하는 방법으로서,
저 X-레이 감쇠 기판 위에 광전도성 소자를 형성하는 단계;
상기 광전도성 소자 위에 광전 변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전 변환층 위에 신틸레이터를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서를 형성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 광전 변환층을 형성하기 전에 상기 광전도성 소자 위에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미징 센서를 형성하는 방법.
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