WO2019212145A1 - 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법 - Google Patents

액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법 Download PDF

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노봉규
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세심광전자기술(주)
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Definitions

  • the present invention relates to an X-ray imaging method, and more particularly, to determine the X-ray image of the liquid crystal X-ray detector that can obtain the X-ray image of the subject using a liquid crystal that changes the polarization transmission characteristics of the lead beam during X-ray irradiation It is about a method.
  • the X-ray imaging apparatus is a device for imaging the inside of the subject by converting the charge distribution of the X-ray absorption layer transmitted through the subject into a digital signal, and is used in various fields such as medical field for patient diagnosis or nondestructive examination of a building.
  • X-ray detectors have introduced digital technologies or liquid crystal devices to improve their technologies.
  • an X-ray detector incorporating a liquid crystal device which is commonly referred to as a liquid crystal X-ray detector or an X-ray sensing liquid crystal detector.
  • the liquid crystal X-ray detector is largely composed of a photoconductive element, a liquid crystal element, a light source, and a photodetector.
  • the liquid crystal X-ray detector exposes X-rays to the photoconductive layer and applies a voltage to both electrodes, so that the X-rays passing through the object pass through the photoconductive layer and cause polarization in the photoconductive layer. This polarization phenomenon then changes the state of the liquid crystal by affecting the liquid crystal layer. Then, the lead beam emitted from the light source passes through the liquid crystal layer and forms an image by the imaging lens, so that an X-ray image of the subject can be photographed.
  • the path of the lead beam incident on the imaging lens is different for each liquid crystal layer transmission position of the lead beam.
  • the light passing through the center of the liquid crystal layer is incident on the imaging lens and formed in the photodetector irrespective of the direction passing through the liquid crystal, whereas the lead beam passing through the edge of the liquid crystal layer enters the imaging lens only after the liquid crystal passes through a certain angle. It forms in a photodetector part.
  • the viewing angle characteristic of each liquid crystal corresponding to each pixel of the photodetector is different, and accordingly, the degree to which light is collected by the imaging lens is different for each pixel.
  • the detection lead beam intensity is distorted. As described above, when an image is output in a state where the detection lead beam intensity of each pixel of the light detector is distorted, an incorrect X-ray image is obtained, and thus, the X-ray image cannot accurately diagnose the subject.
  • Patent Document 1 discloses a method of making an optical system through which a lead beam passes vertically in a liquid crystal layer and photographing an X-ray image several times while moving the optical system.
  • the viewing angle dependence of the lead beam is accompanied, and thus, a method for correcting the difference in transmittance of the lead beam according to the viewing angle dependence is required.
  • An object of the present invention is to provide a method for determining an X-ray image of a liquid crystal X-ray detector capable of correcting a difference in transmittance of a lead beam according to a viewing angle dependency and thus obtaining an X-ray image without distortion.
  • Another object of the present invention is to provide a method for determining an X-ray image of a liquid crystal X-ray detector capable of outputting an accurate X-ray image without using a conventional multiple-time imaging method using a separate moving mechanism.
  • the transmittance of each pixel by changing the bias voltage applied to the X-ray sensing liquid crystal panel
  • a first step of measuring (hereinafter referred to as 'reference transmittance'); Applying a separation voltage to the X-ray sensing liquid crystal panel and irradiating X-rays to separate electrons and holes from the photoconductor unit;
  • a third step of measuring transmittance (hereinafter, referred to as 'detection transmittance') of each pixel by applying a measurement voltage to the X-ray sensing liquid crystal panel; Deriving a bias voltage of a reference transmittance of the pixel corresponding to the detected transmittance of each pixel;
  • the X-ray image determination method of the liquid crystal X-ray detector it is possible to correct the difference in the transmittance of the lead beam generated due to the different viewing angle of each liquid crystal and the distortion of the detected lead beam intensity for each pixel resulting in an accurate X-ray diagnosis image. It can be obtained, and it is possible to secure the linearity of the liquid crystal X-ray detector.
  • the X-ray image determination method of the liquid crystal X-ray detector according to the present invention it is possible to output an accurate X-ray image without using a multiple-time imaging method using a separate moving mechanism as conventional, bar equipment cost and X-ray image It is effective to reduce shooting time.
  • 1 is an overall configuration diagram of a liquid crystal X-ray detector.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an X-ray sensing liquid crystal panel.
  • Figure 3 is a flow chart of the X-ray image determination method of the liquid crystal X-ray detector according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a polarizing plate, a liquid crystal layer and an analyzer used in the test of the X-ray image determination method according to the present invention.
  • FIG. 5 is a coordinate system that defines a viewing angle ( ⁇ , ⁇ ) of the liquid crystal layer.
  • FIG. 7 is a bias waveform measuring a reference transmittance curve of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing a correlation between a charge amount of a photoconductive layer of a pixel corresponding to a viewing angle (0,0) of a liquid crystal layer and a bias voltage of a reference transmittance;
  • Fig. 14 is a graph showing the correlation between the charge amount of the photoconductive layer of the pixel corresponding to the viewing angles (20,225) of the liquid crystal layer and the bias voltage of the reference transmittance.
  • first transparent conductive film 15 insulating film
  • liquid crystal unit 21 second substrate
  • liquid crystal layer 30 liquid crystal layer
  • detector plate 50 X-ray output unit
  • on or above means to be located above or below the target portion, and does not necessarily mean to be located above the gravity direction.
  • a portion such as an area, a plate, etc. is said “on or on top of” another part, it is not only in contact with or spaced apart from another part, but also in the middle of another part. This includes any case.
  • one component when one component is referred to as “connected” or “connected” with another component, the one component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It is to be understood that, unless there is an opposite substrate, it may be connected or connected via another component in the middle.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a liquid crystal X-ray detector according to the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the X-ray sensing liquid crystal panel according to the present invention.
  • the liquid crystal X-ray detector includes an X-ray output unit 50, an X-ray sensing liquid crystal panel 100, a lead beam output unit 60, a driver 70, a polarizer 30,
  • the analyzer 40, the imaging lens 80, and the imaging unit 85 are included.
  • the X-ray output unit 50 generates X-rays and emits them to the outside.
  • the X-rays output from the X-rays are transmitted through the object 90 and then, at the photoconductive layer 17 of the X-ray sensing liquid crystal panel 100. Is absorbed.
  • the X-ray sensing liquid crystal panel 100 has a structure in which the photoconductor unit 10 and the liquid crystal unit 20 are bonded to each other.
  • the photoconductive part 10 is a configuration in which the distribution of electrons and holes changes when X-ray irradiation and electric field are applied.
  • the photoconductive part 10 includes a substrate 11, a transparent conductive film 13, an insulating film 15, a photoconductive layer 17, and an alignment film. (19).
  • the substrate of the photoconductive part 10 (hereinafter referred to as 'first substrate 11') is a substrate for forming the transparent conductive film 13, the insulating film 15, the photoconductive layer 17, and the alignment film, and is transparent glass. It may be formed of a material or a resin material.
  • the transparent conductive film (hereinafter, referred to as 'first transparent conductive film 13') of the photoconductor portion 10 is a configuration for applying a voltage to the photoconductor portion 10 side, and is formed on one surface of the first substrate 11. Is formed in and is electrically connected to the drive unit 70 to be described later.
  • the insulating film 15 of the photoconductor portion 10 is interposed between the first transparent conductive film 13 and the photoconductive layer 17 to prevent charge transfer between the first transparent conductive film 13 and the photoconductive layer 17. Configuration.
  • the photoconductive layer 17 of the photoconductor unit 10 is a structure for making electric charges.
  • X-rays are irradiated to the photoconductive layer 17, a large number of electron-holes are formed in the photoconductive layer 17. Pairs are created, and their exposure to electric fields causes the movement of electrons and holes, that is, changes in charge distribution.
  • the photoconductive layer 17 may be formed in the form of a thin film on the insulating film 15, and the material may be made of selenium.
  • the photoconductive layer 17 is particularly preferably made of amorphous selenium (a-Se), which may be coated by vacuum deposition or coating at low temperature.
  • the alignment film of the photoconductor portion 10 corresponds to a configuration for uniformly aligning the liquid crystal molecules together with the alignment film 25 of the liquid crystal portion 20.
  • the liquid crystal unit 20 is provided in a structure bonded to the photoconductor unit 10 to change the polarization transmission characteristics of the read beam.
  • the liquid crystal part 20 includes a substrate 21, a transparent conductive film 23, an alignment film 25, and a liquid crystal layer 27.
  • the substrate of the liquid crystal unit 20 (hereinafter referred to as the second substrate 21) is a substrate for forming the transparent conductive film 23, the alignment layer 25, and the liquid crystal layer 27. It may be formed of a material.
  • the transparent conductive film of the liquid crystal part 20 (hereinafter referred to as the “second transparent conductive film 23”) is a configuration for applying a voltage to the photoconductive part 10 side, and is formed on one surface of the second substrate 21. Is formed and electrically connected to the drive unit 70 to be described later.
  • the liquid crystal layer 27 of the liquid crystal unit 20 may change the charge distribution of the photoconductive unit 10 according to X-ray irradiation and voltage application, thereby changing the alignment of the liquid crystals, thereby changing the polarization transmission characteristics of the read beam.
  • An alignment layer of the liquid crystal unit 20 (hereinafter referred to as a “second alignment layer 25”) is formed on the second transparent conductive layer 23, and when the liquid crystal unit 20 is bonded to the photoconductor unit 10, the first alignment layer may be formed. It is provided in a structure opposite to the alignment film 19, and functions to uniformly align the liquid crystal molecules with the first alignment film 19.
  • the lead beam output unit 60 is a device for emitting a lead beam 61 traveling toward the liquid crystal unit 20 side, and may be configured as, for example, an LED (LED) element for outputting light in the visible wavelength range.
  • LED LED
  • the light output from the lead beam output unit 60 should be light in the wavelength range of 680 ⁇ 760nm, preferably 700 ⁇ It should be light in the 750nm wavelength range.
  • the half mirror 65 is disposed on an optical path in front of the lead beam output unit 60 so that the lead beam 61 emitted from the lead beam output unit 60 may travel toward the X-ray sensing liquid crystal panel 100. It is an optical element that switches its light path.
  • the driving unit 70 is configured to separate the electrons and the electrons by applying a predetermined bias voltage Vb to the first and second transparent conductive films 13 and 23.
  • the polarizing plate 30 is disposed on an optical path between the photoconductor 10 and the lead beam emitting unit 60, and the detector plate 40 is disposed on an optical path in front of the liquid crystal unit 20, and the liquid crystal layer It functions to change the transmittance of the lead beam according to the change in polarization transmittance characteristic of (27).
  • the imaging lens 80 is disposed on an optical path in front of the analyzer plate 40, and functions to form an image of the lead beam passing through the detector plate 40 to be imaged in the imaging unit 85.
  • the imaging unit 85 detects the lead beam 61 formed by the imaging lens 80 and analyzes the characteristics thereof to diagnose the subject state.
  • the imaging unit 85 may be composed of, for example, a CCD camera or a CMOS camera.
  • the liquid crystal X-ray detector of the present invention has a structure in which the photoconductor portion 10 and the liquid crystal portion 20 abut each other as shown in FIG. 1.
  • the photoconductor unit 10 When the X-rays are exposed to the photoconductor unit 10, electrons and holes are formed in the photoconductor layer 17.
  • a DC electric field is applied between the first transparent conductive film 13 and the second transparent conductive film 23, the polarization phenomenon in which the electrons and the electrons move to the transparent conductive film side of the opposite polarity occurs.
  • the polarization phenomenon affects the liquid crystal layer 27 to change the state of the liquid crystal. That is, when the charge distribution changes as shown in FIG. 2, the arrangement of the liquid crystals in the liquid crystal layer 27 is changed.
  • the electrons and the holes are separated in the region of the photoconductive layer 17 irradiated with X-rays to shield the electric field inside the photoconductive layer 17.
  • the voltage applied to the liquid crystal layer 27 increases. do.
  • the voltage applied to the liquid crystal cell in the '(a)' area where X-rays are not irradiated and the '(b)' area where X-rays 5 is irradiated is different.
  • the liquid crystal array in the liquid crystal layer 27 is different, and thus the polarization transmission characteristics of the lead beam passing through the liquid crystal layer 27 are changed. Because of the polarization transmittance of the liquid crystal layer 27 that is changed in this way, the lead beam exited from the analyzer 40 through the polarizer 30 is different, and thus, an X-ray image capable of analyzing the state of a subject can be obtained.
  • the lead beam entering the '(a)' area passes through the analyzer plate 40, and the lead beam entering the '(b)' area is blocked by the detector plate 40.
  • the lead beam emitted from the lead beam output unit 60 passes through the polarizer 30, the photoconductor 10, the liquid crystal unit 20, and the detector plate 40 sequentially and selectively enters the imaging lens 80. Done. Then, the imaging unit 85 detects the light formed by the imaging lens 80, thereby obtaining an X-ray image of the subject.
  • the paths of the lead beams incident on the imaging lens 80 are different for each of the transmission positions of the liquid crystal layer 27 of the lead beams.
  • the light transmitted through the center of the liquid crystal layer 27 is incident on the imaging lens 80 and formed on the imaging unit 85 regardless of the direction passing through the liquid crystal, whereas the lead beam passes through the corner portion of the liquid crystal layer 27. Only light passing through the liquid crystal at a specific angle is incident on the imaging lens 80 to form an image on the imaging unit 85.
  • the viewing angle characteristic of each liquid crystal corresponding to each pixel of the imaging unit 85 is different, and accordingly, the degree of collecting light from the imaging lens 80 is different for each pixel.
  • the detection lead beam intensity of each pixel of the imaging unit 85 is distorted. As described above, when an image is output while the detection lead beam intensity of each pixel of the imaging unit 85 is distorted, an incorrect X-ray image is obtained.
  • the present inventors have developed a method of correcting the difference in the transmittance of the lead beam according to the viewing angle dependence of the liquid crystal by measuring the transmittance according to the bias voltage and using it as a reference value.
  • the X-ray image determination method of the liquid crystal X-ray detector according to the present invention includes a lead beam output step S10, a reference transmittance measurement step S20, an electron-hole separation step S30, and a detection transmittance measurement step S40. ), A bias voltage derivation step S50, a correction value calculation step S60, an X-ray image determination step S70, and a charge erase step S80.
  • the lead beam output step S10 is a step of outputting a lead beam by driving the lead beam output unit 60 after inputting power to the liquid crystal X-ray detector S10a.
  • the lead beam output step S10 is configured to wait until the intensity of the lead beam is stabilized (S10b), and then perform the reference transmittance measurement step when the output of the lead beam light source is stabilized.
  • the bias voltage Vb applied to the X-ray sensing liquid crystal panel 100 is changed while X-rays are not irradiated on the X-ray sensing liquid crystal panel, and the transmittance of the pixel [T (x, y, V (i))] is measured.
  • the 'bias voltage Vb' is applied to the first and second transparent conductive layers 13 and 23 of the X-ray sensing liquid crystal panel 100 by the driver 70.
  • the pixel refers to a pixel of the camera of the imaging unit 85
  • the transmittance of the pixel refers to the transmittance of the lead beam with respect to the liquid crystal viewing angle corresponding to the pixel.
  • 'x, y' means pixel coordinates of the imaging unit 85
  • 'V (i)' changes the bias voltage Vb. It means to measure several times as you go.
  • the transmittance of the pixel measured according to step S20 will be referred to as 'reference transmittance [T (x, y, V (i))]'. Therefore, when the reference transmittances collected through the reference transmittance measurement step S20 are converted into a chart form, a reference transmittance curve as shown in FIG. 8 may be generated.
  • a separation voltage Vs is applied to the X-ray sensing liquid crystal panel S30a and X-rays are irradiated S30b to separate electrons and holes from the photoconductor unit.
  • the measurement voltage Vm is applied to the X-ray sensing liquid crystal panel 100 (S40a) to measure the transmittance [T (x, y, i)] of the pixels of the imaging unit 85 (S40b). It's a step.
  • 'x, y' means pixel coordinates of the imaging unit 85
  • 'i' means the corresponding pixel while the liquid crystal layer 27 maintains the voltage. It means that the transmittance of is measured many times.
  • the measurement voltage Vm applied in the detection transmittance measurement step S40 may be configured to keep the measurement voltage constant and measure the detection transmittance, or change the measurement voltage and measure the detection transmittance.
  • the bias voltage derivation step S50 finds a reference transmittance value having the same value as the detection transmittance [T (x, y, i)] of step S40, and from there, the bias voltage [V (x, y) corresponding to the reference transmittance. , i)].
  • the correction value calculating step S60 is an operation of subtracting the bias voltage V (x, y, i) derived in step S50 by the measurement voltage Vm applied in step S40.
  • X-ray image determination step (S70) is a step of determining the X-ray image based on the value calculated in step S60. That is, when the X-ray image of the pixel is determined (that is, the X-ray intensity is determined) by using the value obtained by subtracting the measurement voltage of step S40 from the bias voltage of step S50, the transmittance caused by the difference in the viewing angle of the liquid crystal corresponding to the pixel is determined. Distortion can be corrected.
  • the line image may provide an image from which distortion of the lead beam intensity of each pixel, which has been generated in the conventional X-ray imaging using the liquid crystal, is removed.
  • the charge erasing step is a step of eliminating the charge accumulated in the photoconductive layer 17.
  • the charge erasing step is irradiated with UV to the photoconductive layer 17 while the bias voltage is grounded to 0V or applied a square wave of less than 5Hz to recombine the separated charge of the photoconductive layer 17 It can be configured to.
  • X-ray imaging of the subject may be performed again by repeating steps S10 to S80.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a polarizing plate, a liquid crystal layer and an analyzer used in the test of the X-ray image determination method according to the present invention.
  • the polarizing plate 30 and the analyzer plate 40 are disposed such that their transmission axes are perpendicular to each other. That is, the transmission axis of the polarizing plate 30 is arranged in the X axis direction, and the transmission axis of the analyzer plate 40 is arranged in the Y axis direction orthogonal to the X axis.
  • the first alignment layer 19 corresponding to the alignment layer of the photoconductor unit 10 was treated in a rubbing direction with an azimuth angle of 225 degrees, and the second alignment layer 25 corresponding to the alignment layer of the liquid crystal unit 20 was rubbing with an azimuth angle of 45 degrees. Treated in the direction.
  • FIG. 5 is a coordinate system defining the viewing angles ⁇ and ⁇ of the liquid crystal layer of the present invention, in which ' ⁇ ' represents a polar angle and ' ⁇ ' represents an azimuth angle.
  • ' ⁇ ' represents a polar angle
  • ' ⁇ ' represents an azimuth angle.
  • the angle between the direction in which the lead beam passes through the liquid crystal and the Z axis is ' ⁇ '.
  • FIG. 6 is a test example showing transmittance according to viewing angle characteristics of a liquid crystal layer at a polar angle of 15 degrees.
  • An AC square wave is disposed between the transparent conductive film 13 of the photoconductor part 10 and the transparent conductive film 23 of the liquid crystal part 20. The transmittance is measured by application.
  • test example of FIG. 6 calculates by 45 degree space
  • the transmittance of the lead beam is different depending on the direction in which the lead beam passes through the liquid crystal layer 27, that is, the viewing angle characteristic of the liquid crystal layer, the X-ray intensity is simply measured using only such a transmittance. This triggered x-ray image is obtained.
  • the voltage change of the liquid crystal layer 27 due to the charge separated from the photoconductive layer 17 may be induced according to Equations 1 and 2 below.
  • Equation 1 The voltage 'V (LC)' of the region where the X-rays of the liquid crystal layer 17 are not irradiated is represented by Equation 1, and the voltage 'V (LC') of the region where the X-rays of the liquid crystal layer 17 is irradiated is Equation 2
  • Equations 1 and 2 if the storage capacitance of the liquid crystal layer 17 according to the voltage is known, the voltage change of the liquid crystal layer 17 according to the charge density can be calculated, and the voltage change of the liquid crystal layer 17 is known. Internally, the charge density can be determined. However, the storage capacitance of the liquid crystal layer 17 depends on the thickness of the liquid crystal layer 17 and the voltage applied to the liquid crystal layer 17. Therefore, it is very difficult to determine the charge density inversely from the change in the voltage applied to the liquid crystal layer 17.
  • the present inventors have found that when the transmittance according to the bias voltage is used, the X-ray intensity without distortion can be determined by solving such a problem.
  • step S20 while the X-ray sensing liquid crystal panel is not irradiated with X-rays, the transmittance of the pixel of the imaging unit 85 is changed while changing the bias voltage Vb applied to the X-ray sensing liquid crystal panel 100.
  • the measurement produces a reference transmittance curve.
  • the voltage change of the liquid crystal layer 17 is tracked based on the reference transmittance curve.
  • the reference transmittance curve of the corresponding pixel as shown in FIG. 8 is generated by opening the camera shutter at a certain time of positive polarity and measuring the transmittance of the lead beam while increasing the voltage of the driving wave having a frequency of about 30 Hz. do.
  • the lead beams entering the pixels of the imaging unit 85 camera are different from each other in the direction passing through the liquid crystal layer 27, the above-described reference transmittance is measured for each pixel.
  • FIG. 8 is a reference transmittance curve of a pixel corresponding to a viewing angle (0,0) of a liquid crystal layer according to the present invention. .
  • the liquid crystal layer 27 of the test example of FIG. 8 had a thickness of 10 ⁇ m, the dielectric constant of the liquid crystal was 3.6 in short axis, 8.0 in long axis, and 0.035 in refractive index anisotropy of the liquid crystal.
  • the photoconductive layer 17 of FIG. 8 a dielectric constant of 6.0 and a thickness of 300 ⁇ m were used.
  • the wavelength range of the read beam was 700 to 750 nm, and the light intensity was constant regardless of the wavelength.
  • the threshold voltage Vth the voltage at which the transmittance begins to change through this area. Therefore, X-ray imaging should be performed above the threshold voltage.
  • FIG. 9 is a driving waveform of the liquid crystal X-ray detector according to the present invention, and is composed of three steps including a charge separation period T1, a transmittance measurement period T2, and a charge erasing period T3.
  • the charge separation period T1 electrons and holes are separated by applying a high DC voltage to the photoconductive layer 17, and a transmittance is measured by applying a voltage higher than the threshold voltage in the transmission measurement period T2.
  • the UV accumulated in the photoconductive layer 17 is removed by grounding the bias voltage to 0V to remove the charges accumulated in the photoconductive layer 17.
  • the charge erase period of FIG. 9 grounds the bias voltage, but may apply a square wave of less than 5 Hz.
  • the separation voltage Vs applied during the charge separation period T1 depends on the material and the thickness of the photoconductive layer 17.
  • the photoconductive layer 17 is formed of amorphous selenium, it takes about 10V per 1 ⁇ thickness. For example, if the thickness of the photoconductive layer 17 is 300 ⁇ m, a separation voltage Vs of 3 KV is applied.
  • the measurement voltage Vm higher than the threshold voltage Vth of the reference transmittance curve is applied, and the detection transmittance is measured several times to reduce the error.
  • a commercial liquid crystal used in a TFT LCD has a voltage retention of about 99.9% for 17 ms, so that the measurement transmittance is measured a plurality of times to reduce measurement noise.
  • the measurement noise is inversely proportional to the square root of the number of measurements. Therefore, if the measured noise is ⁇ ⁇ in one measurement, the measurement is averaged four times and becomes ⁇ ⁇ / 2.
  • FIG. 10 is a transmittance curve according to charges per unit cm 2 of the photoconductive layer of the present invention, which is generated by measuring the transmittance of the photoconductive layer charges of the pixel corresponding to the viewing angle (0,0) at the measurement voltage (Vm) 36V.
  • the transmittance transmittance curve as shown in FIG. 10 can be generated, the transmittance can be known and thus the X-ray image can be determined.
  • the transmittance transmittance can be known and thus the X-ray image can be determined.
  • it is necessary to measure the transmittance while increasing the X-ray dose and in this case, it is difficult to uniformly irradiate the X-ray dose, and since the charge must be erased every measurement, the curve as shown in FIG. 10 is actually obtained. Is very difficult and inefficient.
  • the present inventors solved the above-mentioned problem by finding a correlation between the charge and the bias voltage corresponding to the same transmittance in the reference transmittance curve of FIG. 8 and the charge versus transmittance curve of FIG. 10.
  • FIG. 11 is a graph illustrating bias voltages of reference transmittances corresponding to charges in the photoconductive layer according to the present invention, and the reference transmittance curves of the pixels corresponding to the viewing angles (0,0) at the measurement voltage (Vm) 36V are illustrated. .
  • the detection transmittance of the pixel is measured by applying the measurement voltage Vm, and if the bias voltage of the reference transmittance curve corresponding to the detection transmittance is 'Vb', the charge density ⁇ of the photoconductive layer 17 corresponding to the pixel is It can be derived according to the following equation (3).
  • the proportional constant k is '0.172808'.
  • the present inventors obtained a reference transmittance curve in a pixel having a polar angle ⁇ of 20 ° and an azimuth angle ⁇ of 225 °, and tested a case of measuring voltage Vm of 60V.
  • FIG. 12 is a reference transmittance curve of a pixel corresponding to the viewing angles 20 and 225 of the liquid crystal layer according to the present invention
  • FIG. 13 is a transmittance curve of the charge amount of the photoconductive layer corresponding to the pixel of the imaging unit according to the present invention.
  • 14 is a graph showing a bias voltage of a reference transmittance curve versus a charge amount of a photoconductive layer corresponding to a pixel of an image pickup unit according to the present invention. Specific pixels of FIG. 14 correspond to viewing angles 20 and 225 at a measurement voltage of 60V. .
  • the proportional constant k is '0.17285'.
  • a reference transmittance curve measured by varying a bias voltage while X-rays are not irradiated is generated, a measurement transmittance is measured by applying a measurement voltage, and then a reference corresponding to the detected transmittance Determine the bias voltage on the transmittance curve. Then, it can be seen that the value obtained by subtracting the measurement voltage from the predetermined bias voltage is proportional to the amount of charge generated by X-ray irradiation regardless of the pixel.
  • the charge density ⁇ of the pixel may be calculated from the predetermined bias voltage and the measured voltage according to Equation 3, and through this, an X-ray image of the pixel may be determined.

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Abstract

본 발명은 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은, 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않은 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며 각 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 각 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계와; 상기 각 화소의 검출 투과도에 대응되는 상기 화소의 기준 투과도의 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 측정전압만큼을 차감하여 상기 각 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함한다.

Description

액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법
본 발명은 엑스선 영상 촬영 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 X선 조사시 리드빔의 편광투과 특성을 변화시키는 액정을 이용하여 피검체의 X선 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엑스선 촬영장치는 피사체를 투과한 X선 흡수층의 전하 분포를 디지털 신호로 변환하여 피사체의 내부를 영상화하는 장치로서, 환자진단을 위한 의료분야 내지 건축물의 비파괴검사 등에 다양하게 이용되고 있다.
최근 들어 엑스선 검출기는 디지털 기술을 도입하거나 액정소자를 도입하여 그 기술개선을 꾀하고 있다. 대표적인 예로, 액정소자를 도입한 엑스선 검출기가 있는데, 이는 통상적으로 액정 엑스선 검출기 내지 엑스선 감지 액정 검출기라고 칭하고 있다. 이러한 액정 엑스선 검출기는 크게 광도전소자, 액정소자, 광원, 및 광검출부로 구성된다.
액정 엑스선 검출기는 광도전층에 X선을 쬐어주고, 양쪽 전극에 전압을 걸어주면, 피검체를 지나온 X선이 광전도층을 지나면서 광전도층에 분극현상을 일으킨다. 그러면 이 분극현상은 액정층에 영향을 줌으로써 액정의 상태를 변화시킨다. 그리고, 광원으로부터 나온 리드빔이 이와 같은 액정층을 지나 결상렌즈에 의해 결상됨으로써 피검체의 X선 영상을 촬영할 수 있게 된다.
그런데, 결상렌즈에 입사되는 리드빔의 경로는 리드빔의 액정층 투과 위치마다 상이하다. 액정층의 중심으로 투과하는 빛은 액정을 지나는 방향에 상관없이 결상렌즈에 입사되어 광검출부에 결상되는 반면, 액정층의 모서리 부위로 투과하는 리드빔은 특정한 각도로 액정을 지난 빛만 결상렌즈에 입사되어 광검출부에 결상된다.
즉, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우, 광검출부의 각 화소마다 이에 대응되는 각 액정의 시야각 특성이 상이하고, 이에 따라 각 화소마다 결상렌즈에서 빛을 모으는 정도가 달라, 결국 광검출부의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된다. 이와 같이 광검출부의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된 상태에서 영상을 출력하면 부정확한 엑스선 영상을 얻게 되고, 결국 해당 엑스선 영상으로는 피검체를 정밀하게 진단할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 미국등록특허 제7,687,792호(특허문헌 1)는 액정층에 리드빔이 수직으로 투과하는 광학계를 만들고, 이 광학계를 이동시키면서 엑스선 영상을 여러번 촬영하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같은 엑스선 영상 촬영 방법에 따르면, 축 이동이 가능한 별도의 기구가 추가적으로 필요하여 엑스선 검출기의 비용을 증대시키고, 엑스선 영상을 다수회 촬영함에 따른 시간 경과에 따라 액정층에 누설전류가 발생되어 이 역시 엑스선 영상을 왜곡시키는 요인으로 작용하는 또 다른 문제점이 있었다.
따라서, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우 리드빔의 시야각 의존성이 수반되는 바, 이러한 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌] 미국등록특허 제7,687,792호 (2010.03.30 등록)
본 발명의 목적은 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있어 왜곡이 없는 엑스선 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래와 같은 별도의 이동기구를 이용한 다수회 촬영방식을 사용하지 않고도, 정확한 엑스선 영상을 출력할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은, 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않은 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며 각 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 각 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계와; 상기 각 화소의 검출 투과도에 대응되는 상기 화소의 기준 투과도의 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 제3 단계의 측정전압 만큼을 차감하여 상기 각 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 의하면, 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있게 되었고, 액정 엑스선 검출기의 선형성을 확보할 수 있게 되었다.
또한, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 의하면 종래와 같이 별도의 이동기구를 이용한 다수회 촬영방식을 사용하지 않고도, 정확한 엑스선 영상을 출력할 수 있는 바, 장치 비용 및 X선 영상 촬영 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 액정 엑스선 검출기의 전체 구성도.
도 2는 엑스선 감지 액정패널의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법의 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 엑스선 영상 결정 방법의 테스트에 사용된 편광판, 액정층 및 검광판 구조를 나타낸 도면.
도 5는 액정층의 시야각(θ,φ)을 정의하는 좌표계.
도 6은 극각 15도에서 액정층의 방위각(φ)에 따른 투과도 곡선.
도 7은 본 발명의 기준 투과도 곡선을 측정하는 바이어스 파형.
도 8은 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선.
도 9는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 구동 파형.
도 10은 액정층의 시야각(0,0)에서 광도전층에 축적된 전하에 따르는 투과도 곡선.
도 11은 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 광도전층의 전하량과 기준 투과도의 바이어스 전압의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 12는 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선.
도 13은 액정층의 시야각(20,225)에서 광도전층에 축적된 전하에 따르는 투과도 곡선.
도 14는 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 광도전층의 전하량과 기준 투과도의 바이어스 전압의 상관 관계를 나타낸 그래프.
[부호의 설명]
10: 광도전체부 11: 제1 기판
13: 제1 투명도전막 15: 절연막
17: 광도전층 19: 제1 배향막
20: 액정부 21: 제2 기판
23: 제2 투명도전막 25: 제2 배향막
27: 액정층 30: 편광판
40: 검광판 50: X선 출력부
60: 리드빔 출력부 65: 반투과 거울
70: 구동부 80: 결상렌즈
85: 촬상부
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엑스선 감지 액정패널의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기는 엑스선 출력부(50), 엑스선 감지 액정패널(100), 리드빔 출력부(60), 구동부(70), 편광판(30), 검광판(40), 결상렌즈(80) 및 촬상부(85)를 포함한다.
엑스선 출력부(50)는 X선을 발생시켜 외부로 출사하는 장치로서, 이로부터 출력된 X선은 피검체(90)를 투과한 후, 엑스선 감지 액정패널(100)의 광도전층 (17)에서 흡수된다.
엑스선 감지 액정패널(100)은 광도전체부(10)와 액정부(20)가 합착된 구조로 이루어진다.
광도전체부(10)는 X선 조사 및 전기장 인가시 전자와 정공의 분포가 변화하는 구성으로서, 세부적으로 기판(11), 투명도전막 (13), 절연막(15), 광도전층(17) 및 배향막(19)을 포함한다.
광도전체부(10)의 기판(이하, '제1 기판(11)'이라 칭함)은 투명도전막(13), 절연막(15), 광도전층(17) 및 배향막을 형성하기 위한 기재로서, 투명한 유리 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
광도전체부(10)의 투명도전막(이하, '제1 투명도전막(13)'이라 칭함)은 광도전체부(10) 측에 전압을 인가하기 위한 구성으로서, 제1 기판(11)의 일면 상에 형성되어 후술할 구동부(70)와 전기적으로 연결된다.
후술할 구동부(70)에 의해 광도전체부(10)의 투명도전막과 액정부(20)의 투명도전막에 전압이 인가되면 이들 사이에 DC 전기장이 형성되고, 이에 의해 광도전층(17) 내 전자와 전공의 이동 즉, 전자-전공 분포 변화가 발생된다.
광도전체부(10)의 절연막(15)은 제1 투명도전막(13)과 광도전층(17) 사이에 개재되어, 제1 투명도전막(13)과 광도전층(17) 간의 전하 이동을 방지하기 위한 구성이다.
광도전체부(10)의 광도전층(17)은 전하를 만들기 위한 구성으로서, 광도전층(17)에 X선이 조사되면 광도전층(17) 내부에 많은 수의 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되고, 이를 전기장에 노출시키면 전자와 전공의 이동 즉, 전하 분포의 변화가 유발된다.
광도전층(17)은 절연막(15) 상에 박막 형태로 형성될 수 있고, 그 재질은 셀레늄(Selenium)으로 이루어질 수 있다. 광도전층(17)은 특히 비정질 셀레늄(a-Se)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이러한 비정질 셀레늄(a-Se)은 저온에서 진공 증착 내지 코팅하여 피막될 수 있다.
광도전체부(10)의 배향막(이하, '제1 배향막(19)'이라 칭함)은 액정부(20)의 배향막(25)과 함께 액정분자를 균일하게 배향시키기 위한 구성에 해당한다.
액정부(20)는 광도전체부(10)와 합착된 구조로 구비되어 리드빔(Read Beam)의 편광투과특성을 변화시키는 기능을 한다. 이러한 액정부(20)는 기판(21), 투명도전막(23), 배향막(25) 및 액정층(27)을 포함한다.
액정부(20)의 기판(이하, '제2 기판(21)'이라 칭함)은 투명도전막(23), 배향막(25) 및 액정층(27)을 형성하기 위한 기재로서, 투명한 유리 재질 또는 폴리머 재질로 형성될 수 있다.
액정부(20)의 투명도전막(이하, '제2 투명도전막(23)'이라 칭함)은 광도전체부(10) 측에 전압을 인가하기 위한 구성으로서, 제2 기판(21)의 일면 상에 형성되어 후술할 구동부(70)와 전기적으로 연결된다.
구동부(70)에 의해 제1,2 투명도전막(13,23)에 전압이 인가되면 이들 사이에 DC 전기장이 형성되고, 이에 의해 광도전층(17) 내 전자와 전공의 이동 즉, 전자-전공 분포 변화가 발생된다.
액정부(20)의 액정층(27)은 엑스선 조사 및 전압 인가에 따른 광도전체부(10)의 전하 분포 변화시, 이에 연동하여 액정 배열이 달라짐으로써 리드빔(Read Beam)의 편광투과특성을 변화시키도록 작용하는 구성으로서, 제1 배향막(19)과 제2 배향막(25)에 주입되는 다수의 액정 분자를 포함한다.
액정부(20)의 배향막(이하, '제2 배향막(25)'이라 칭함)은 제2 투명도전막(23) 위에 형성되고, 액정부(20)를 광도전체부(10)와 합착시 제1 배향막(19)과 대향하는 구조로 구비되어, 제1 배향막(19)과 함께 액정분자를 균일하게 배향시키는 기능을 한다.
리드빔 출력부(60)는 액정부(20)측으로 진행하는 리드빔(61)을 출사하는 장치로서, 예컨대 가시광선 파장대의 빛을 출력하는 엘이디(LED) 소자로 구성할 수 있다.
한편, 광도전층(17)을 비정질 셀레늄으로 형성할 경우, 리드빔 출력부(60)로부터 출력되는 빛(즉, 리드빔(61))은 680 ~ 760nm 파장대의 빛이어야 하고, 바람직하게는 700 ~ 750nm 파장대의 빛이어야 한다.
반투과 거울(Half Mirror,65)은 리드빔 출력부(60) 전방의 광경로 상에 배치되어 리드빔 출력부(60)에서 출사되는 리드빔(61)이 엑스선 감지 액정패널(100) 측으로 진행할 수 있도록 그 광경로를 전환하는 광학소자이다.
구동부(70)는 제1,2 투명도전막(13,23)에 소정의 바이어스 전압 (Vb)을 걸어주어 전자와 전공을 분리하는 구성이다.
편광판(30)은 광도전체부(10)와 리드빔 출사부(60) 사이의 광경로 상에 배치되고, 검광판(40)은 액정부(20) 전방의 광경로 상에 배치되어, 액정층(27)의 편광투과특성 변화에 따라 리드빔의 투과도가 달라질 수 있도록 기능한다.
결상렌즈(80)는 검광판(40) 전방의 광경로 상에 배치되어 검광판(40)을 투과한 리드빔을 결상시켜 촬상부(85)에 결상될 수 있도록 기능한다.
촬상부(85)는 결상렌즈(80)에 의해 결상된 리드빔(61)을 검출하여 그 특성을 분석함으로써 피검체 상태를 진단할 수 있도록 하는 장치이다. 촬상부(85)는 예컨대 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 액정 엑스선 검출기의 동작 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 액정 엑스선 검출기는 도 1과 같이 광도전체부(10)와 액정부(20)가 상호 맞닿는 구조로 구성된다. 광도전체부(10)에 엑스선을 쬐여주면 광도전층(17) 내부에 전자(electron)와 정공(hole)이 만들어진다. 이와 같은 상태에서, 제1 투명도전막(13)과 제2 투명도전막(23) 사이에 DC 전기장을 걸어주면, 전자와 전공이 각각 반대극성의 투명도전막 측으로 이동하는 분극현상이 일어나게 된다.
이와 같은 분극현상은 액정층(27)에 영향을 줌으로써 액정의 상태를 변화시키게 된다. 즉, 도 2와 같이 전하 분포가 변하게 되면, 액정층(27) 내 액정 배열이 달라지게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 엑스선이 조사된 광도전층(17) 영역에는 전자와 전공이 분리되어 광도전층(17) 내부 전기장을 차폐하게 되고, 이에 대한 대응으로 액정층(27)에 걸리는 전압이 커지게 된다.
도 2 예시의 경우, 엑스선이 조사되지 못한 '(가)'영역과 엑스선(5)이 조사된 '(나)'영역의 액정셀에 걸리는 전압이 상이하게 된다. 이에 의해, 액정층(27)에서 액정배열이 달라서 액정층(27)을 지나온 리드빔의 편광투과특성이 달라진다. 이렇게 달라지는 액정층(27)의 편광투과특성 때문에 편광판(30)을 거쳐 검광판(40)에 나온 리드빔은 투과도가 달라지므로, 피검체 상태를 분석할 수 있는 X선 영상을 얻을 수 있게 된다.
참고로, 도 2의 경우 '(가)'영역으로 들어온 리드빔은 검광판(40)을 투과하고, '(나)'영역으로 들어온 리드빔은 검광판(40)에서 차단된다.
따라서, 리드빔 출력부(60)에서 출사된 리드빔은 편광판(30), 광도전체부 (10), 액정부(20) 및 검광판(40)을 순차적으로 지나 결상렌즈(80)에 선택적 입사하게 된다. 그리고, 결상렌즈(80)에 의해 결상된 빛을 촬상부(85)가 검출함으로써 피검체의 X선 영상을 획득할 수 있게 된다.
그런데, 결상렌즈(80)에 입사되는 리드빔의 경로는 리드빔의 액정층(27) 투과 위치마다 상이하다. 액정층(27)의 중심으로 투과하는 빛은 액정을 지나는 방향에 상관없이 결상렌즈(80)에 입사되어 촬상부(85)에 결상되는 반면, 액정층(27)의 모서리 부위로 투과하는 리드빔은 특정한 각도로 액정을 지난 빛만 결상렌즈(80)에 입사되어 촬상부(85)에 결상된다.
즉, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우, 촬상부(85)의 각 화소마다 이에 대응되는 각 액정의 시야각 특성이 상이하고, 이에 따라 각 화소마다 결상렌즈(80)에서 빛을 모으는 정도가 달라, 결국 촬상부(85)의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된다. 그리고 이와 같이 촬상부(85)의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된 상태에서 영상을 출력하면 부정확한 엑스선 영상을 얻게 된다.
이에 본원 발명자는 바이어스 전압에 따른 투과도를 측정한 후 이를 기준치로 활용함으로써 전술한 액정의 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 방법을 개발하였다.
이하에서는, 액정의 시야각에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 엑스선 영상 결정 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은 리드빔 출력 단계(S10), 기준 투과도 측정 단계(S20), 전자-정공 분리 단계(S30), 검출 투과도 측정 단계(S40), 바이어스 전압 도출 단계(S50), 보정치 산출 단계(S60), 엑스선 영상 결정 단계(S70), 및 전하 소거 단계(S80)를 포함한다.
리드빔 출력 단계(S10)는 액정 엑스선 검출기에 전원을 입력(S10a)한 후, 리드빔 출력부(60)를 구동하여 리드빔을 출사하는 단계이다.
바람직하게는, 리드빔 출력 단계(S10)는 리드빔의 세기가 안정화될 때까지 대기(S10b)한 후, 리드빔 광원의 출력이 안정되면 기준 투과도 측정 단계를 수행하도록 구성된다.
기준 투과도 측정 단계(S20)는 엑스선 감지 액정패널에 X선이 조사되지 않은 상태에서, 엑스선 감지 액정패널(100)에 인가되는 바이어스 전압(Vb)을 변화시키며 화소의 투과도[T(x,y,V(i))]를 측정하는 단계이다.
여기서, 상기 '바이어스 전압(Vb)'은 구동부(70)에 의해 엑스선 감지 액정패널(100)의 제1,2 투명도전막(13,23)에 인가된다. 상기 '화소'는 촬상부(85) 카메라의 화소를 지칭하고, 상기 '화소의 투과도'는 해당 화소에 대응되는 액정 시야각에 대한 리드빔의 투과도를 지칭한다. 단계 S20의 투과도[T(x,y,V(i))]에서 'x,y'는 촬상부(85)의 화소 좌표를 의미하고, 'V(i)'는 바이어스 전압(Vb)을 바꿔가면서 여러 번 측정하는 것을 의미한다.
이하에서, 단계 S20에 따라 측정되는 화소의 투과도를 '기준 투과도 [T(x,y,V(i))]'라 칭하기로 한다. 따라서, 기준 투과도 측정 단계(S20)를 통해 모집되는 기준 투과도들을 차트 형태로 변환하면 도 8과 같은 기준 투과도 곡선이 생성될 수 있다.
전자-정공 분리 단계(S30)는 엑스선 감지 액정패널에 분리전압(Vs)을 인가(S30a)하고 엑스선을 조사(S30b)하여, 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 단계이다.
광도전체부(10)에 엑스선을 쬐여주면 광도전층(17) 내부에 전자(electron)와 정공(hole)이 만들어진다. 이와 같은 상태에서, 제1 투명도전막(13)과 제2 투명도전막(23) 사이에 DC 전기장을 걸어주면, 전자와 전공이 각각 반대극성의 투명도전막 측으로 이동하는 분극현상이 일어나게 된다.
도 2를 기준으로 설명하면, 제1 투명도전막(13)에 (+)전압이 걸리므로, 광도전층(17) 내부의 하부영역(즉, 액정층(27) 인접영역)에는 정공이 분포하게 되고, 광도전층(17) 내부의 상부영역(즉, 제1 투명도전막(13) 인접영역)에는 전자가 분포하게 된다.
검출 투과도 측정 단계(S40)는 엑스선 감지 액정패널(100)에 측정전압(Vm)을 인가(S40a)하여 촬상부(85) 화소의 투과도[T(x,y,i)]를 측정(S40b)하는 단계이다. 단계 S40의 투과도[T(x,y,i)]에서 'x,y'는 촬상부(85)의 화소 좌표를 의미하고, 'i'는 액정층(27)이 전압을 유지하는 동안에 해당 화소의 투과도를 다수 회 측정하는 것을 의미한다.
검출 투과도 측정 단계(S40)에서 인가되는 측정전압(Vm)은 이 측정전압을 일정하게 유지시키며 검출 투과도를 측정하도록 구성되거나, 또는 이 측정전압을 변화시키며 검출 투과도를 측정하도록 구성될 수 있다.
바이어스 전압 도출 단계(S50)는 단계 S40의 검출 투과도[T(x,y,i)]와 동일한 값을 갖는 기준 투과도 값을 찾고, 이로부터 해당 기준 투과도에 대응되는 바이어스 전압[V(x,y,i)]을 도출하는 단계이다.
보정치 산출 단계(S60)는 단계 S50에서 도출된 바이어스 전압[V(x,y,i)]에서 단계 S40에서 인가한 측정전압(Vm)만큼을 차감하는 연산을 수행하는 단계이다.
엑스선 영상 결정 단계(S70)는 단계 S60에서 산출된 값에 근거하여 X선 영상을 결정하는 단계이다. 즉, 단계 S50의 바이어스 전압에서 단계 S40의 측정전압을 뺀 값을 이용하여 화소의 X선 영상을 결정(즉, X선 강도 결정)하면, 해당 화소에 대응되는 액정의 시야각 다름에 의해 유발되는 투과도 왜곡이 보정될 수 있다.
그리고, 촬상부(85) 모든 화소에 대하여 전술한 단계 S20 내지 S70를 적용하게 되면, 모든 화소(즉, 피검체의 진단부위 전체)에 대한 X선 영상을 결정할 수 있게 되고, 이에 따라 출력되는 X선 영상은 종래 액정을 이용한 X선 영상 촬영시 발생하였던 각 화소별 리드빔 강도의 왜곡이 제거된 영상을 제공할 수 있게 된다.
전하 소거 단계는 광도전층(17)에 축적된 전하를 없애는 단계이다. 일 실시예에 따르면, 전하 소거 단계는 바이어스 전압을 0V로 접지시킨 상태 또는 5Hz 미만의 구형파를 걸어준 상태에서, 광도전층(17)에 UV를 조사하여 광도전층(17)의 분리된 전하가 재결합하도록 구성될 수 있다.
전하 소거 단계가 완료되면, 단계 S10 내지 단계 S80 과정을 반복함으로써 피검체에 대한 X선 영상 촬영을 재수행할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 4 내지 도 14에 도시한 시험예 및 그 결과를 참조하여, 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 엑스선 영상 결정 방법의 테스트에 사용된 편광판, 액정층 및 검광판 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 편광판(30)과 검광판(40)은 그 투과축이 상호 직교하도록 배치된다. 즉, 편광판(30)의 투과축은 X축 방향으로 배치되고, 검광판(40)의 투과축은 상기 X축과 직교하는 Y축 방향으로 배치된다.
그리고, 광도전체부(10)의 배향막에 해당하는 제1 배향막(19)은 방위각 225도의 러빙방향으로 처리하였고, 액정부(20)의 배향막에 해당하는 제2 배향막(25)은 방위각 45도의 러빙방향으로 처리하였다.
도 5는 본 발명의 액정층의 시야각(θ,φ)을 정의하는 좌표계로서, 'θ'는 극각을 나타내고, 'φ'는 방위각을 나타낸다. 도 5에서 리드빔이 액정을 지나는 방향과 Z축이 이루는 각이 'θ'이다.
도 6은 극각 15도에서 액정층의 시야각 특성에 따른 투과도를 나타낸 시험예로서, 광도전체부(10)의 투명도전막(13)과 액정부(20)의 투명도전막(23) 사이에 AC 구형파를 인가하여 투과도를 측정한 것이다.
그리고, 도 6의 시험예는 방위각 0°에서 315°까지 45°간격으로 계산한 것이다. 따라서, 도 6의 그래프에는 모두 8개의 투과도 곡선이 나타나야하나, 3개의 투과도 곡선은 다른 투과도 곡선과 중첩되어 결국 5개의 투과도 곡선만 도시된 것이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 리드빔이 액정층(27)을 지나온 방향 즉, 액정층의 시야각 특성에 따라 각각 투과도가 상이하게 나타나기 때문에, 단순히 이와 같은 투과도만을 이용하여 X선 강도를 측정하게 되면 왜곡이 유발된 X선 영상을 얻게 된다.
광도전층(17)에서 분리된 전하에 의한 액정층(27)의 전압변화는 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 따라 유도될 수 있다.
광도전층(17)의 축적용량이 'C(P)', 액정층(27)의 축적용량이 'C(LC)', 광도전층(17)에 분리된 전하밀도를 '±σ'라 하면, 액정층(17)의 X선이 조사되지 않는 영역의 전압 'V(LC)'은 수학식 1과 같고, 액정층(17)의 X선이 조사된 영역의 전압 'V(LC')'는 수학식 2와 같다.
Figure PCTKR2019003109-appb-M000001
Figure PCTKR2019003109-appb-M000002
수학식 1,2에서 알 수 있듯이, 전압에 따르는 액정층(17)의 축적용량을 알면 전하밀도에 따른 액정층(17)의 전압변화를 계산할 수 있고, 액정층(17)의 전압변화를 알아내면 역으로 전하밀도를 결정할 수 있게 된다. 그러나, 액정층(17)의 축적용량은 액정층(17)의 두께와 액정층(17)에 걸린 전압에 따라 달라진다. 따라서 액정층(17)에 걸린 전압의 변화로부터 전하밀도를 역으로 정하는 것은 매우 어려운 한계가 있다.
그런데, 본원발명자는 바이어스 전압에 따른 투과도를 이용할 경우 이와 같은 문제를 해결하여 왜곡이 없는 X선 강도를 결정할 수 있음을 알아내었다.
즉, 전술한 단계 S20과 같이, 엑스선 감지 액정패널에 X선이 조사되지 않은 상태에서, 엑스선 감지 액정패널(100)에 인가되는 바이어스 전압(Vb)을 변화시키며 촬상부(85) 화소의 투과도를 측정하여 기준 투과도 곡선을 생성한다. 그리고, 이 기준 투과도 곡선을 기준으로 액정층(17)의 전압변화를 추적하는 것이다.
도 7은 본 발명의 기준 투과도 곡선을 측정하는 바이어스 파형이다. 도 7을 참조하면, 주파수가 30Hz 정도인 구동파의 전압을 올려가면서 (+)극성의 일정한 시간대에서 카메라 셔터를 열어 리드빔의 투과도를 측정함으로써, 도 8과 같은 해당 화소의 기준 투과도 곡선을 생성한다. 한편, 촬상부(85) 카메라의 화소에 들어온 리드빔은 액정층(27)을 지나온 방향이 모두 다르기 때문에, 각각의 화소마다 전술한 기준 투과도를 측정한다.
도 8은 본 발명에 따른 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선으로서, 액정층(27)을 수직으로 지나온 리드빔의 바이어스 전압에 따른 투과도를 각각 측정하여 생성한 것이다.
보다 구체적으로, 도 8 시험예의 액정층(27)은 두께가 10㎛이고, 액정의 유전율 상수는 단축이 3.6, 장축이 8.0이며, 액정의 굴절율 이방성은 0.035인 것을 사용하였다. 그리고, 도 8 시험예의 광도전층(17)은 유전율 상수가 6.0이고, 두께는 300㎛인 것을 사용하였다. 그리고, 리드빔(Read Beam)의 파장 범위는 700 ~ 750nm이고, 빛의 강도는 파장에 관계없이 일정하게 하였다.
한편, 기준 투과도 측정시, 바이어서 전압이 달라져도 투과도가 변하지 않는 영역이 있는데, 이 영역을 지나 투과도가 변하기 시작하는 전압을 문턱치 전압(Vth)라 한다. 따라서, 엑스선 영상 촬영은 이와 같은 문턱치 전압 이상에서 수행되어야 한다.
도 9는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 구동 파형으로서, 전하 분리기간(T1), 투과도 측정기간(T2) 및 전하 소거기간(T3)으로 이루어진 3 단계로 구성된다.
전하 분리기간(T1)에서는 광도전층(17)에 높은 DC 전압을 걸어서 전자와 정공을 분리하고, 투과도 측정기간(T2)에는 문턱치 전압보다 높은 전압을 인가하여 투과도를 측정한다. 그리고 전하 소거기간(T3)에는 바이어스 전압을 0V로 접지시키면서 광도전층(17)에 UV를 조사함으로써 광도전층(17)에 축적된 전하를 제거한다. 한편, 도 9의 전하 소거기간은 바이어스 전압을 접지시켰으나, 5Hz 미만의 구형파를 걸어줄 수도 있다.
전하 분리기간(T1) 동안 걸어준 분리전압(Vs)은 광도전층(17)의 재질과 두께에 따라 다르다. 광도전층(17)이 비정질 셀레늄으로 형성될 경우, 두께 1㎛당 약 10V 정도 걸리게 한다. 예컨대, 광도전층(17) 두께가 300㎛라면 3KV의 분리전압(Vs)를 걸어준다.
투과도 측정기간(T2)에는 기준 투과도 곡선의 문턱치 전압(Vth)보다 높은 측정전압(Vm)을 인가하고, 검출 투과도를 여러 번 측정해서 오차를 줄일 수 있도록 한다.
참고로, TFT LCD에 쓰이는 상용 액정은 17ms 동안 전압 유지율이 99.9% 정도이므로, 검출 투과도를 다수 회 측정하여 측정 노이즈를 줄이도록 한다. 이때, 측정 노이즈는 측정 횟수의 제곱근에 역비례한다. 따라서, 1회 측정 시 측정노이즈가 ±δ라면, 4번 측정하여 평균하면 ±δ/2가 된다.
도 10은 본 발명의 광도전층 단위 ㎠당 전하에 따르는 투과도 곡선으로서, 측정전압(Vm) 36V에서 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 광도전층 전하량 대비 투과도를 측정하여 생성한 것이다.
도 10과 같은 전하 대비 투과도 곡선을 생성할 수 있으면 투과도를 알 수 있고 따라서 X선 영상을 결정할 수 있다. 그러나, 도 10과 같은 곡선을 실제로 얻으려면 X선 조사량을 늘려가면서 투과도를 측정해야 하는데, 이때 X선 조사량을 균일하게 조사하기도 어렵고, 매 측정마다 전하를 소거해야하므로 실제로 도 10과 같은 곡선을 얻는 것은 매우 어렵고 비효율적이다.
이에, 본원 발명자는 도 8의 기준 투과도 곡선과 도 10의 전하 대비 투과도 곡선에서, 동일 투과도에 대응되는 전하와 바이어스 전압 간의 상관관계를 알아냄으로써 전술한 문제를 해결하였다.
도 11은 본 발명에 따른 광도전층의 전하에 각각 대응되는 기준 투과도의 바이어스 전압을 나타낸 그래프로서, 측정전압(Vm) 36V에서 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선을 대상으로 하였다.
측정전압(Vm)을 걸어 화소의 검출 투과도를 측정하고, 이 검출 투과도에 대응되는 기준 투과도 곡선의 바이어스 전압이 'Vb'라면, 해당 화소에 대응되는 광도전층(17)의 전하밀도(σ)는 다음의 수학식 3에 따라 도출될 수 있다.
Figure PCTKR2019003109-appb-M000003
(여기서, σ: 전하밀도, Vb: 단계 S50에서 도출된 바이어스 전압, Vm: 단계 40에서 인가한 측정전압, k: 비례상수)
참고로, 도 11 및 수학식 3에서 비례상수(k)는 '0.172808'이다.
본원 발명자는 시야각이 다른 경우를 검증하기 위하여, 극각(θ)이 20°이고, 방위각(φ)이 225°인 화소에서 기준 투과도 곡선을 구하고, 측정전압(Vm)이 60V인 경우를 테스트하였다.
도 12는 본 발명에 따른 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선이고, 도 13은 본 발명에 따른 촬상부의 화소에 대응되는 광도전층의 전하량 대비 투과도 곡선으로서, 도 13의 화소는 측정전압 60V에서 시야각(20,225)에 대응되는 화소이다. 그리고, 도 14은 본 발명에 따른 촬상부의 화소에 대응되는 광도전층의 전하량 대비 기준 투과도 곡선의 바이어스 전압을 나타낸 그래프로서, 도 14의 특정 화소는 측정전압 60V에서 시야각(20,225)에 대응되는 화소이다. 참고로, 도 14의 경우 비례상수(k)는 '0.17285'이다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, X선이 조사되지 않는 상태에서 바이어스 전압을 변화시키며 측정한 기준 투과도 곡선을 생성하고, 측정전압을 인가하여 검출 투과도를 측정한 후, 이 검출 투과도에 대응되는 기준 투과도 곡선 상의 바이어스 전압을 정한다. 그리고, 이에 따라 정해진 바이어스 전압에서 측정전압을 빼준 값은 화소에 관계없이 일정하게 X선 조사로 생기는 전하량에 비례하는 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 정해진 바이어스 전압과 상기 측정전압으로부터 수학식 3에 따라 해당 화소의 전하밀도(σ)를 산출할 수 있고, 이를 통해 해당 화소의 엑스선 영상을 결정할 수 있다.
결국, 전술한 엑스선 영상 결정 방법에 따르면, 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있게 되었고, 액정 엑스선 검출기의 선형성을 확보할 수 있게 되었다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 광도전체부; 및 상기 광도전체부 상에 구비되는 액정부를 포함하는 엑스선 감지 액정패널을 이용한 엑스선 영상 결정 방법으로서,
    상기 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않은 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계;
    상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계;
    상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 상기 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계;
    상기 화소의 검출 투과도에 대응되는 상기 화소의 기준 투과도의 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및
    상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 제3 단계의 측정전압을 빼서 상기 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 측정전압을 일정하게 유지시키며 상기 검출 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 측정전압을 변화시키며 상기 검출 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제5 단계는,
    수학식 3에 따라 산출되는 전하밀도(σ)를 통해 상기 화소의 엑스선 영상을 결정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
    수학식 3
    전하밀도(σ) = k(Vb - Vm)
    (여기서, Vb: 상기 제4 단계의 바이어스 전압, Vm: 상기 제3 단계의 측정전압, k: 비례상수)
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 화소의 검출 투과도를 다수 회 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
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