KR20230100090A - 신틸레이터 잔상 효과를 이용한 SPAD 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법 - Google Patents

신틸레이터 잔상 효과를 이용한 SPAD 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

신틸레이터 잔상 효과를 이용한 SPAD 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출장치는, 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 신틸레이터, 다수의 감지기들로 신틸레이터에서 가시광의 방출 유무를 감지하고 감지기들에서의 가시광 감지 시간들을 계산하는 감지기 어레이 및 감지기 어레이에 의해 계산된 가시광 감지 시간들을 기초로, 방사선 이미지를 생성하는 프로세서를 포함한다. 이에 의해, 신틸레이터의 광 잔상 시간을 SPAD와 카운터를 이용하여 디지털 방식으로 영상화 함으로써, ADC 자체가 필요 없으며 해상도가 높은 X-Ray 검출장치임에도 다중 픽셀의 신호 처리를 위한 발광 시간이 긴 신틸레이터의 개발이 필요 없다.

Description

신틸레이터 잔상 효과를 이용한 SPAD 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법{SPAD Digital X-Ray Detection Apparatus and Method using Scintillator Afterimage Effect}
본 발명은 X-Ray 검출장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신틸레이터의 광 잔상 시간을 디지털 방식으로 측정하여 영상화 하는 X-Ray 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
X-Ray 검출장치는 의료, 조선 등의 분야에서 환자의 내장기관 및 용접 확인과 같은 곳에 사용된다.
X-Ray 검출장치에는 신틸레이터가 주로 사용되는데, 신틸레이터는 X선이나 감마선 등의 방사선이 입사되면 그 에너지를 흡수하여 가시광선을 발하는 물질이다. 이 신틸레이터를 이용하여 방사선을 가시광선으로 변환함으로써 방사선을 이용한 측정 데이터를 기존 이미지 센서를 이용하여 영상화 할 수 있다.
도 1은 기존의 CIS X-Ray 검출장치의 구조를 도시한 도면이다. 도시된 검출장치는 신틸레이터를 이용하여 방사선을 가시광선으로 변환 후 PhotoDiode(PD), Pinned PD와 같은 광 검출 소자를 통해 전류 신호 값으로 변화한다. 전류 신호를 처리하기 위해 AFE 및 ADC를 통해 영상화를 진행한다.
넓은 면적을 영상화 하기 위해서는 픽셀 면적을 증가시키거나 개수를 늘려야 한다. 전체 칩 면적을 감소시키기 위해 다중 픽셀을 하나의 ADC로 데이터 변환하고 있으며, 롤링 셔터 방식으로 데이터 변환을 진행하게 되면 변환 시간동안 신틸레이터의 광이 유지되어야 된다.
따라서, 신틸레이터의 발광 시간을 늘리기 위한 소재 개발이 이루어지거나 고속 ADC가 필요한데 전자는 어렵고 후자는 검출장치의 면적을 증가시킨다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다중 픽셀의 신호 처리를 위한 발광 시간이 긴 신틸레이터 개발과 고속 ADC 없이도 X-Ray 검출장치의 픽셀을 증가시켜 해상도를 높이기 위한 방안으로, 신틸레이터의 광 잔상 시간을 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)와 카운터를 이용한 디지털 방식으로 측정하여 X-Ray를 영상화 하는 X-Ray 검출장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 방사선 검출장치는, 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 신틸레이터; 다수의 감지기들로 신틸레이터에서 가시광의 방출 유무를 감지하고, 감지기들에서의 가시광 감지 시간들을 계산하는 감지기 어레이; 및 감지기 어레이에 의해 계산된 가시광 감지 시간들을 기초로, 방사선 이미지를 생성하는 프로세서;를 포함한다.
다수의 감지기들은, 감지기 어레이에 격자로 배열되어 있으며, 가시광이 감지되면 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력하고, 가시광이 감지되지 않으면 논리레벨 0의 디지털 신호를 출력할 수 있다.
감지기 어레이는, 각 감지기들에서 출력되는 디지털 신호에서 논리레벨 1의 펄스 폭을 계산하는 다수의 카운터들;을 포함할 수 있다.
논리레벨 1의 펄스 폭은, 감지되는 가시광의 광량에 비례할 수 있다.
프로세서는, 계산된 펄스 폭을 각 감지기들의 격자 위치에 대응시켜 영상화 하여, 방사선 이미지를 생성할 수 있다.
감지기들은 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)들일 수 있다. 방사선은 X-Ray일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 방사선 검출방법은, 신틸레이터가, 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 단계; 다수의 감지기들이, 신틸레이터에서 가시광의 방출 유무를 감지하는 단계; 다수의 카운터들이, 감지기들에서의 가시광 감지 시간들을 계산하는 단계; 및 프로세서가, 계산된 가시광 감지 시간들을 기초로 방사선 이미지를 생성하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 신틸레이터의 광 잔상 시간을 SPAD와 카운터를 이용하여 디지털 방식으로 영상화 함으로써, ADC 자체가 필요 없으며 해상도가 높은 X-Ray 검출장치임에도 다중 픽셀의 신호 처리를 위한 발광 시간이 긴 신틸레이터의 개발이 필요 없다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 디지털 회로(SPAD와 카운터) 만으로 구성이 가능하기 때문에, 고속 동작이 가능할 뿐만 아니라, PD를 이용하여 아날로그 신호를 출력하는 기존 검출장치와 달리 픽셀 출력 데이터 라인에 의한 노이즈에 강건하다.
도 1은 기존의 CIS X-Ray 검출장치의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 X-Ray 검출장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 신틸레이터에서 출사되는 가시광량에 따른 SPAD의 출력 데이터를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 X-Ray 검출 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 신틸레이터 잔상 효과를 이용한 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법을 제시한다. 신틸레이터에서 출사되는 가시광의 광량을 직접 측정하는 것이 아닌, 가시광 잔상 시간을 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)와 카운터를 이용한 디지털 방식으로 측정하여 X-Ray를 영상화 하는 방식이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 X-Ray 검출장치의 구성을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 디지털 X-Ray 검출장치는, 도시된 바와 같이, 신틸레이터(110), SPAD 어레이(120), 디코더(130), 디지털 프로세서(140)를 포함하여 구성된다.
신틸레이터(110)는 X-Ray 등의 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 소재이다.
SPAD 어레이(120)는 다수의 SPAD(121)들과 다수의 카운터(122)들이 격자로 배열되어 있는 구조이다. SPAD 어레이(120)를 구성하는 SPAD(121)들은 신틸레이터(110)에서 가시광의 방출 유무를 감지하는 감지기들이다.
신틸레이터(110)에서 가시광이 방출되어 감지되면 SPAD(121)는 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력하고, 신틸레이터(110)에서 가시광이 방출되지 않아 감지되지 않으면 SPAD(121)는 논리레벨 0의 디지털 신호를 출력한다.
신틸레이터(110)에서 출사되는 가시광의 광량에 따른 SPAD(121)의 출력 데이터를 도 3에 도시하였다. X-Ray가 신틸레이터(110)로 조사되면 신틸레이터(110)에서는 도 3의 상부에 도시된 바와 같이, 가시광이 출사되는데, 조사되는 X-Ray 량에 따라 출사되는 가시광의 광량이 달라진다.
도 3의 상부에서 남색은 조사되는 X-Ray 량이 많아 많은 가시광량이 출사되는 것을, 파란색은 조사되는 X-Ray 량이 중간이어서 중간 정도의 가시광량이 출사되는 것을, 초록색은 조사되는 X-Ray 량이 적어 적은 가시광량이 출사되는 것을, 각각 나타내었다.
신틸레이터(110)에서 출사되는 가시광을 수광하는 SPAD(121)는 신틸레이터(110)의 발광 시간 동안 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력한다. 이상적인 SPAD(121)의 이득은 무한대이나 실질적인 이득은 무한대가 아니라 105~106 이므로, 입사되는 가시광량이 어느 정도 이상이 되어야 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력하게 되며, 이는 도 3의 하부에 나타낸 바와 같다.
이에 따라, SPAD(121)에서는 도 3에 나타낸 SPAD Output_1, SPAD Output_2, SPAD Output_3와 같이 신틸레이터(110)에서 출사되는 가시광량에 따라 펄스 폭(Pulse Width)이 비례하는 디지털 신호가 출력된다.
카운터(122)들은 SPAD(121)들에서 출력되는 디지털 신호들에서 논리레벨 1인 구간의 펄스 폭을 계산하는데, 계산된 펄스 폭은 신틸레이터(110)에서 출사되는 가시광량, 즉, X-Ray 량이 된다.
디지털 프로세서(140)는 각 카운터(122)들에서 계산된 펄스 폭을 각 SPAD(121)들의 격자 위치에 대응시켜 영상화 하여, X-Ray 이미지를 생성한다.
디코더(130)는 SPAD 어레이(120)를 구성하는 카운터(122)들에서 계산된 펄스 폭 데이터들이 열 단위로 디지털 프로세서(140)에 순차적으로 출력되도록 제어한다.
디코더(130)는 구체적으로 1) 1열에 위치한 카운터(122)들에서 디지털 프로세서(140)로 펄스 폭 데이터들이 출력, 2) 2열에 위치한 카운터(122)들에서 디지털 프로세서(140)로 펄스 폭 데이터들이 출력, ... n) n열에 위치한 카운터(122)들에서 디지털 프로세서(140)로 펄스 폭 데이터들이 출력되도록 제어한다.
이에 의해, 디지털 프로세서(140)는 SPAD 어레이(120)를 구성하는 각 SPAD(121)들에서의 가시광 감지 시간들을 기초로 X-Ray 이미지를 생성할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 X-Ray 검출 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
X-Ray 이미지를 생성하기 위해, 먼저, SPAD 어레이(120)를 구성하는 SPAD(121)들이 신틸레이터(110)에서 가시광 방출시 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력한다(S210).
그러면, SPAD 어레이(120)를 구성하는 카운터(122)들은 S210단계에서 출력되는 디지털 신호들의 펄스 폭을 계산한다(S220).
다음, 디지털 프로세서(140)는 S220단계에서 계산된 펄스 폭을 각 SPAD(121)들의 격자 위치에 대응시켜 영상화 하여, X-Ray 이미지를 생성한다(S230).
지금까지, 신틸레이터(100)의 잔상 효과를 이용한 디지털 X-Ray 검출장치 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
X-Ray 검출장치의 해상도를 증가시키기 위해 픽셀의 개수가 점차 증가하고 있으며, 증가된 다중 픽셀의 신호 처리를 위해 발광 시간이 긴 신틸레이터의 개발이 필요하고, 고속 ADC가 필요하게 된다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 발광 시간이 긴 신틸레이터가 필요 없고, ADC는 아예 필요가 없으며, 디지털 회로만으로 노이즈 없이 고속 동작이 가능하다는 장점이 있다,
또한, 본 발명의 실시예에서는 디지털 회로인 SPAD, 카운터, 디지털 프로세서로 구성이 가능하기 때문에, 고속 동작이 가능할 뿐만 아니라, PD를 이용하여 아날로그 신호를 출력하는 기존 X-Ray 검출장치와 달리 픽셀 출력 데이터 라인에 의한 노이즈에 강건하다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 신틸레이터
120 : SPAD 어레이
121 : SPAD
122 : 카운터
130 : 디코더
140 : 디지털 프로세서

Claims (8)

  1. 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 신틸레이터;
    다수의 감지기들로 신틸레이터에서 가시광의 방출 유무를 감지하고, 감지기들에서의 가시광 감지 시간들을 계산하는 감지기 어레이;
    감지기 어레이에 의해 계산된 가시광 감지 시간들을 기초로, 방사선 이미지를 생성하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    다수의 감지기들은,
    감지기 어레이에 격자로 배열되어 있으며,
    가시광이 감지되면 논리레벨 1의 디지털 신호를 출력하고,
    가시광이 감지되지 않으면 논리레벨 0의 디지털 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    감지기 어레이는,
    각 감지기들에서 출력되는 디지털 신호에서 논리레벨 1의 펄스 폭을 계산하는 다수의 카운터들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    논리레벨 1의 펄스 폭은,
    감지되는 가시광의 광량에 비례하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    프로세서는,
    계산된 펄스 폭을 각 감지기들의 격자 위치에 대응시켜 영상화 하여, 방사선 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    감지기들은,
    SPAD(Single Photon Avalanche Diode)들인 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    방사선은,
    X-Ray인 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  8. 신틸레이터가, 방사선을 흡수하면 가시광을 방출하는 단계;
    다수의 감지기들이, 신틸레이터에서 가시광의 방출 유무를 감지하는 단계;
    다수의 카운터들이, 감지기들에서의 가시광 감지 시간들을 계산하는 단계; 및
    프로세서가, 계산된 가시광 감지 시간들을 기초로 방사선 이미지를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출방법.
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