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KR20210081147A - 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 듀얼 방사선 디텍터 - Google Patents

곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 듀얼 방사선 디텍터 Download PDF

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KR20210081147A
KR20210081147A KR1020190173400A KR20190173400A KR20210081147A KR 20210081147 A KR20210081147 A KR 20210081147A KR 1020190173400 A KR1020190173400 A KR 1020190173400A KR 20190173400 A KR20190173400 A KR 20190173400A KR 20210081147 A KR20210081147 A KR 20210081147A
Authority
KR
South Korea
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scintillator
radiation
curved
image sensor
sensor substrate
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Pending
Application number
KR1020190173400A
Other languages
English (en)
Inventor
차보경
전성채
양정원
이경희
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020190173400A priority Critical patent/KR20210081147A/ko
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Abstract

본 발명은 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 듀얼 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 본 발명의 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판; 상기 이미지 센서 기판의 상부에 구비되며, 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위를 포함하는 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제2 섬광체 구조물; 및 상기 제2 섬광체 구조물 상부에 구비되며, 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제1 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 이미지 센서 기판, 및 적층형 상기 제1 및 제2 섬광체을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며, 상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제1 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출하고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제2 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출한다.

Description

곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 듀얼 방사선 디텍터{Dual Radiation Detector Having Stack of Curved Scintillator}
본 발명은 간접 방식의 디지털 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 특히, X-선 등 방사선 영상센서로서 적층 구조 섬광체를 이용하여 영상 왜곡을 최소화한 곡면형 고해상도 듀얼 방사선 디텍터에 관한 것이다.
간접 방식 방사선 디텍터는 X-선 등 방사선을 흡수하여 가시광선을 발생하는 섬광체, 및 발생한 가시광선을 전기적 신호로 읽기 위한 포토다이오드(PD)를 포함하는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등의 이미지 센서로 구성된다. 간접 방식의 방사선 디텍터에 사용되는 섬광체로서 수십 내지 수백 μm의 두께를 가지는 Gd2O2S(Tb), Gd2O2(Eu) 물질 등 다양한 분말형 섬광체(powdered phosphor)가 시도되고 있으며, 또한, 빛의 퍼짐을 줄여 공간 분해능을 향상시키기 위한 섬광체로서 물리적 기상증착장비(physical vapor deposition, PVD)를 통하여 바늘기둥형태(columnar or needle shape)로 형성되는 미세 구조형 섬광체(structured phosphor)가 시도되고 있다.
바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도, 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 좀 더 완전하게 빛의 산란을 방지하기 위한 방법이 요구되고 있다. 또한 실리콘 웨이퍼의 RIE(deep reactive ion etching) 공정이나 글래스 위의 절연체에 대한 PDP(Plasma Display Panel) 격벽 구조 공정 등을 통하여 픽셀 구조체를 먼저 제작하고, 이후 격벽으로 구분된 픽셀들의 홈들에 섬광물질 분말을 페이스트와 섞어 채우거나 분말을 녹여 고화시킴으로써 픽셀 구조형 섬광체를 이용하여 선명한 영상 화질을 구현하는 연구가 존재한다.
분말형 섬광체내에서 발생한 가시광선은 산란을 통해 영상의 공간분해능을 저하시키기 때문에, 이에 대한 대책으로 물리적 기상증착장비를 통하여 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조를 형성하여 섬광체내에서 발생하는 빛의 퍼짐을 최소화하는 방법이다. 여기서 사용된 섬광체는 CsI(Na) 또는 CsI(Tl) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이여야 하며, 방출되는 가시광선의 파장이 아래의 광전도체와 Quantum efficiency(양자 효율)가 좋은 도핑 물질이어야 한다.
하지만 바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 완벽한 빛의 산란을 방지하는 방법이 요구되고 있다. 또한 기존의 픽셀 구조형 섬광체를 이용하는 방식에서, 해상도는 향상되지만 민감도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 그리고, X선이 섬광체에서 흡수되지 않고 광다이오드까지 투과되는 X선을 차단하기 위해서 FOP(fiber optic plate) 소재를 섬광체와 광다이오드 사이에 삽입하여 사용하는 경우도 있으나 높은 비용이 요구되는 문제점이 있다.
그러나, 기존의 간접 방식 듀얼 방사선 디텍터는, 리지드한(rigid) 평면형(flat) 센서를 이용함으로써, 신체 크기나 형태에 따라 환자마다 영상의 해상도가 달라져 재촬영해야 하는 경우가 빈번해 불편하고, 방사선의 산란으로 인한 영상의 왜곡은 계속해서 개선해야 할 문제이다.
관련 문헌으로서 한국특허출원번호 10-2019-0091440, 10-2019-0091460 등이 참조될 수 있다.
기존의 리지드한 평면형 디텍터는, 고에너지 및 저에너지 영상이 모두 포함된 하나의 영상을 획득하므로 판독 상의 가시성이 떨어지고, 2회 이상의 방사선 조사를 통해 다수의 영상을 얻는 번거로움이 있다. 이와 같은 기존의 리지드한 평면형 디텍터를 본 발명에서는 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 디텍터로 대체하여 재촬영의 불편함 없이 환부 영상에 대한 고민감도의 센싱으로 환자의 편의성을 극대화할 수 있으며, 선명한 고해상도의 영상 제공이 가능한 곡면형 방사선 디텍터를 제공할 수 있도록 하였다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판; 상기 이미지 센서 기판의 상부에 구비되며, 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위를 포함하는 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제2 섬광체 구조물; 및 상기 제2 섬광체 구조물 상부에 구비되며, 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제1 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 이미지 센서 기판, 및 적층형 상기 제1 및 제2 섬광체을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며, 상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제1 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출하고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제2 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출한다.
상기 방사선 디텍터는, 상기 제1 전기적 신호와 상기 제2 전기적 신호 사이의 차등값으로 피사체에 대한 투시 영상을 획득한다.
상기 방사선 디텍터는, 상기 제1 섬광체 구조물 및 제2 섬광체 구조물의 사이에 상기 제2 에너지 준위 보다 낮은 상기 제1 에너지 준위 보다 작은 에너지 준위의 방사선을 필터링하는 필터부를 포함한다.
상기 이미지 센서 기판은, 회로 어레이가 형성된, 곡면형 또는 유연한 플라스틱 기판으로 제작된 형태일 수 있다.
상기 이미지 센서 기판은, 곡면형 또는 유연한 유리 기판 상에 회로 어레이가 형성된 형태, 또는 유리 기판 상에 회로 어레이를 형성한 후 상기 유리 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작된 형태일 수 있다.
상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위해 포토다이오드를 포함한다.
상기 제1 섬광체 구조물 및 제2 섬광체 구조물은, 에어갭에 의해 구분된 섬광체 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 상기 에어갭에 도포된 투과 물질을 포함할 수 있다.
상기 섬광체는 GOS(Gd2O2S:Tb) 또는 CsI:Tl 섬광체를 포함한다.
상기 제1 전기적 신호로부터 상기 제2 전기적 신호를 차감한 신호를 이용하여 경조직에 대한 방사선 투시 영상을 생성하고, 상기 제2 전기적 신호로부터 상기 제1 전기적 신호를 차감한 신호를 이용하여 연조직에 대한 방사선 투시 영상을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판; 및 상기 이미지 센서 기판의 상부에 구비되며, 다중 에너지 준위를 포함하는 방사선을 받아 각각의 준위에 대응된 가시광으로 변환하는, 곡면형 또는 유연한 다중 적층 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 이미지 센서 기판, 및 상기 다중 적층 섬광체 구조물을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며, 상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 다중 적층 섬광체 구조물의 각층에 대응된 상기 방사선의 해당 에너지 준위들에서 상기 다중 적층 섬광체 구조물의 각층에서의 각각의 가시광에 대한 서로 다른 전기적 신호를 독출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 방사선 디텍터의 제작 방법은, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판을 제작하는 단계; 상기 이미지 센서 기판의 상부에 곡면형 또는 유연한 제2 섬광체 구조물을 형성하는 단계; 상기 제2 섬광체 구조물 상에 곡면형 또는 유연한 제1 섬광체 구조물을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 이미지 센서 기판, 및 적층형 상기 제1 및 제2 섬광체 구조물을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며, 각각의 상기 섬광체 구조물은 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제1 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출하고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제2 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출할 수 있다.
본 발명에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터는, 기존의 리지드한 평면형 디텍터를 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 디텍터로 대체하여 재촬영의 불편함 없이 환부 영상에 대한 고민감도의 센싱으로 환자의 편의성을 극대화할 수 있으며, 선명한 고해상도의 영상 제공이 가능한 곡면형 방사선 디텍터를 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부 도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 곡면형 듀얼 방사선 디텍터의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 섬광체 구조물의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 곡면형 듀얼 방사선 디텍터의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬광체 구조물의 픽셀 어레이의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터의 동작 원리에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 섬광체 구조물의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터에서의 방사선 감도 검출 강도 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 방식 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110), 및 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물(120)을 포함한다. 섬광체 구조물(120)은 적층된 구조의 제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122)를 포함한다. 여기에서, 섬광체 구조물(120)은 제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122)을 포함하는 예를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 제1 섬광체 구조물(121) 상에 하나 이상의 섬광체 구조물을 더 적층하여 3층 이상의 다중 적층 섬광체 구조물 형태로 제작할 수도 있다.
제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122)은 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110) 상부에 구비되며, 그 구조물 자체에 직접 형성되거나 섬광체 쉬트를 부착하거나 접합하는 방식 등에 의해 곡면형 또는 유연하게 형성될 수 있다. 제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122)은 대조도를 향상시키기 위해 에어갭(191)에 의해 구분된 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 포함하도록 형성되어 곡면형 또는 유연 하도록 구성될 수 있다. 이때 GOS(Gd2O2S:Tb) 또는 CsI:Tl 섬광체 등이 방사선 흡수 부분 역할이 가능하고 에어갭(191)이 방사선 투과 부분 역할이 가능하다. 결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 방식 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)는, 이미지 센서 기판(110), 제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122)을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성된다. 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 방식 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)는, 환자(20)의 머리, 흉부, 골반, 무릎 등 다양한 환부나 병변의 상태(예, 뼈골절, 크랙 등)를 진단하기 위하여 X-선 및 감마선 등 방사선(50)을 조사하고 해당 영상을 획득하기 위한 방사선 촬영 장치에 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 방식 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)는, 주로 저가형 대면적 방사선 촬영 장치에 적용이 바람직하지만, 경우에 따라서는 구강 내 치아를 투과한 방사선을 검출하기 위한 치과용 방사선 디텍터 등 소형으로 제작되어 활용될 수도 있다.
X-선, 감마선 등의 방사선이 섬광체 구조물(120)로 입사되면 섬광체 구조물(120)의 섬광체들에서 가시광으로 변환되어 이미지 센서 기판(110)으로 출사될 수 있다. 방사선은 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위를 포함하는 방사선을 방사할 수 있고(3층 이상의 다중 적층 섬광체 구조물의 경우에, 해당 다중 에너지 준위를 포함하는 방사선을 방사), 제1 섬광체 구조물(121)은 제2 에너지 준위 보다 낮은 제1 에너지 준위에서 가시광을 방출할 수 있고, 제2 섬광체 구조물(122)은 제2 에너지 준위에서 가시광을 방출할 수 있다. 일부 방사선은 섬광체 구조물(120)의 섬광체를 투과하여 직접 이미지 센서 기판(110)으로 출사될 수도 있다. 다만, 이미지 센서 기판(110)으로 도달되는 X-선 등 방사선을 차단하기 위해서 FOP(fiber optic plate) 소재를 섬광체 구조물(120)과 이미지 센서 기판(110) 사이에 삽입할 수도 있다. 각각의 밴드갭(Eg)을 갖는 제1 섬광체 구조물(121), 제2 섬광체 구조물(122)의 섬광 물질에 입사된 X-선 등 방사선은 섬광 물질을 각각의 에너지 준위에서 여기시켜서 가전자대의 전자를 여기자(exciton) 밴드를 거쳐 전도대로 올리며, 전도대의 전자가 트랩이나 활성화 센터(activation center)를 거쳐 낮은 에너지 상태로 내려올 때 200~600nm 파장대의 가시광을 방출시킬 수 있게 된다.
도 1 에서, 이미지 센서 기판(110)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 각각의 픽셀 센서는 각 픽셀에서의 위와 같이 도달하는 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위해 포토다이오드를 포함하는 간접 방식으로 이루어질 수 있다. 이미지 센서 기판(110)의 회로 어레이(112)는 포토다이오드를 통해 출력되는 전기적 신호를 독출한다. 다만, 경우에 따라 이미지 센서 기판(110)가 광전도체층(미도시)을 포함하여 각각의 픽셀 센서가 이미지 센서 기판(110)의 회로 어레이(112)를 이용해 광전도체층에서 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하는 방식의 하이브리드 방식으로 구동될 수도 있다. 소형의 치과용 구강 방사선 디텍터로서 작동을 위하여는 저선량으로 고속, 고감도 및 고해상도를 실현하여야 하므로 위와 같은 광전도체층 등 없이 간접 방식으로 구동되는 것이 바람직하다. 다만, 제어 장치(미도시)의 제어에 따라, 회로 어레이(112)는 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 제1 섬광체 구조물(121)로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출할 수 있고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 제2 섬광체 구조물(122)로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출할 수 있다. 제어 장치(미도시)의 제어에 따라, 방사선을 2회 방사하고 순차적으로 제1 전기적 신호의 독출 후 제2 전기적 신호를 독출할 수 있다. 제어 장치(미도시)의 영상처리부는 상기 제1 전기적 신호와 상기 제2 전기적 신호 사이의 차등값으로 피사체에 대한 투시 영상을 획득할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 섬광체 구조물(121, 122)의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2와 같이, 섬광체 구조물(120)은 제1 섬광체 구조물(121)와 제2 섬광체 구조물(122)이 이미지 센서 기판(110) 상에 형성된 후, 반도체 소잉(sawing) 장비로 가공하거나 펄스 레이저에 의한 가공으로 섬광체 구조물(120)에 에어갭(191)이 형성된 형태일 수 있다. 즉, 제1 섬광체 구조물(121)와 제2 섬광체 구조물(122)은 에어갭(191)에 의해 구분된 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 포함하는 형태일 수 있다. 제1 섬광체 구조물(121)의 에어갭과 제2 섬광체 구조물(122)의 에어갭의 위치는 일치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 에어갭(119)를 통해 입사되는 산란 방사선의 영향을 제거해 영상의 대조도를 높일 수 있다. 에어갭(191)에 의해 구분된 섬광체 픽셀 어레이는 도 2와 같이, 예를 들어, 복수의 가로 어레이(a), 복수의 세로 어레이(b), 또는 가로/세로 에어갭을 갖는 격자 어레이(c) 등으로 형성될 수 있다. 필요에 따라 위와 같이 형성된 에어갭(191)에는 Al, Carbon 등 투과 물질이 도포될 수 있다. 위와 같은 에어갭(191) 만으로도 산란 방사선의 영향을 줄일 수 있지만, 에어갭(191)에 Al, Carbon 등 투과 물질을 도포(또는 코팅)할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110)을 제작한다(S110).
곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110)은 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 이를 위하여 곡면형 또는 유연한 플라스틱 또는 유리 기판(111) 위에 이미지 센서 기판(110)의 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 포토다이오드와 회로 어레이(112)를 포함한다. 회로 어레이(112) 위에는, 섬광체 구조물(120)로부터 들어오는 가시광 등을 투과시킬 수 있는, 투명 절연막 등의 보호층이 포함될 수 있다. 또한, 이미지 센서 기판(110)는 유연성이 부족한 두꺼운 유리 기판(111) 상에 회로 어레이(112)를 형성한 후 유리 기판(111)의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작된 형태일 수도 있다.
여기서, 회로 어레이(112)는 비정질 실리콘을 활성층으로 사용하여 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조로 형성되는 TFT(Thin Film Transistor) 어레이, 또는 CCD(Charge Coupled Device) 어레이 등의 회로 어레이를 포함할 수 있다. 다만, 치과용 구강 방사선 디텍터로서 작동을 위하여는, 저선량으로 고속, 고감도 및 고해상도를 실현하여야 하므로 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 회로 어레이(112) 방식으로 구동되는 것이 바람직하다.
다음에, 섬광체 구조물(120) 중 제2 섬광체 구조물(122)이 먼저 이미지 센서 기판(110)의 상부에 형성된다(S120). 제2 섬광체 구조물(122)은 이미지 센서 기판(110) 상에 직접 형성될 수도 있고 섬광체 쉬트 형태로 부착되거나 접합될 수도 있다.
이후, 마찬가지 방식으로 제2 섬광체 구조물(122) 상에 제1 섬광체 구조물(121)이 형성된다(S130). 제1 섬광체 구조물(121)은 제2 섬광체 구조물(122) 상에 직접 형성될 수도 있고 섬광체 쉬트 형태로 부착되거나 접합될 수도 있다.
예를 들어, 위와 같이 제2 섬광체 구조물(122), 제1 섬광체 구조물(121)은 이미지 센서 기판(110)의 상부에 순차로 CsI:Tl 섬광체 등(경우에 따라, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능)을 진공 증착 장비를 이용하여 직접 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 쵸크랄스키 방식, 브릿지만 방식, Liquid Phase Epitaxy(LPE)법 등 성장 방식을 이용하여 이미지 센서 기판(110)의 상에 단결정 또는 다결정 섬광체 구조체를 형성할 수 있다. 이에 따라 결정립계(Grain boundary)가 많이 존재하지 않기 때문에 빛의 산란이 없고, 즉 영상의 해상도를 크게 향상시킬 수 있다. 이와 같은 단결정/다결정 구조물은 밀도가 높기 때문에, X-선 등 방사선을 많이 흡수하기 때문에 X-선 차폐를 위한 추가적인 FOP가 필요 없을 수도 있다.
다른 예로서, 제2 섬광체 구조물(122), 제1 섬광체 구조물(121)은 이미지 센서 기판(110)의 상부에 순차로 GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체(경우에 따라, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능) 입자를 페이스트 형태로 제작한 후 스프레이 또는 스크린 프린팅 방식으로 코팅하여 형성될 수도 있다. GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체 입자는 마이크로입자 또는 나노 분말 형태일 수 있다. 나노 분말 형태는 수 마이크로미터 이내 크기의 분말을 파쇄 또는 그라인딩 공정, 또는 나노 분말 합성을 통해서 획득될 수 있다. 마이크로미터 크기를 가진 섬광체를 사용할 경우, 섬광체 내에서 빛의 산란이 매우 높기 때문에, 블러링(Blurring) 발생 등으로 인해 최종적인 영상의 해상도가 떨어질 수 있으나, 나노 분말의 사용으로 훨씬 높은 해상도를 가진 영상 구현이 가능하게 된다.
제2 섬광체 구조물(122), 제1 섬광체 구조물(121)은 곡면형 또는 유연하게 개별적으로 제작하여 섬광체 쉬트 형태로 제작한 후, 압착 공정을 통해 이미지 센서 기판(110)의 상부에 순차로 부착할 수도 있다.
제2 섬광체 구조물(122), 제1 섬광체 구조물(121)의 두께는 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
다만, 이와 같이 본 발명에서는 특히 이미지 센서 기판(110) 상에 직접 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 직접 성장 또는 코팅방식으로 곡면 형태가 되었을 때, 뒤틀림 방지가 가능하고, 정렬을 할 필요가 없는 이점이 있다. 또한, 기존 공정 대비 직접 코팅시, 가시광 발광량 및 해상도를 향상시킬 수 있다.
위에서, 제1 섬광체 구조물(121)은 제2 에너지 준위 보다 낮은 제1 에너지 준위에서 가시광을 방출할 수 있도록 하고, 제2 섬광체 구조물(122)은 제2 에너지 준위에서 가시광을 방출할 수 있도록, 섬광체 물질이 적절히 선택되어야 한다. 제1 섬광체 구조물(121) 상에 하나 이상의 섬광체 구조물을 더 적층하여 3층 이상의 다중 적층 섬광체 구조물 형태로 제작할 수도 있으며, 이때에는 각각의 섬광체 구조물이 서로 다른 에너지 준위에서 가시광을 방출할 수 있도록 섬광체 물질이 적절히 선택될 수 있다.
제2 섬광체 구조물(122), 제1 섬광체 구조물(121)이 형성된 후, 반도체 소잉(sawing) 장비로 가공하거나 펄스 레이저에 의한 가공으로 섬광체 구조물(120)에 에어갭(191)이 형성될 수 있다(S140). 즉, 제1 섬광체 구조물(121)와 제2 섬광체 구조물(122)은 에어갭(191)에 의해 구분된 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬광체 구조물의 픽셀 어레이의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 같이, GOS(Gd2O2S:Tb) 또는 CsI:Tl 섬광체 등 섬광체 구조물(120)의 섬광체 물질 부분은 방사선 흡수 부분 역할이 가능하고 에어갭(191)이 방사선 투과 부분 역할이 가능하다. 여기서, 에어갭(191)의 가공은, 제1 섬광체 구조물(121), 제2 섬광체 구조물(122)을 반도체 소잉(sawing) 장비로 가공함으로써 이루어질 수도 있고, 도 4와 같이 레이저 발생기(10)에서 섬광체 구조물(121, 122)로 조사되는 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저에 의한 가공으로 형성될 수도 있다. 이를 통해 입사되는 산란 방사선의 영향을 제거해 영상의 대조도를 높일 수 있다. 에어갭(191)에 의해 구분된 섬광체 픽셀 어레이는 도 2와 같이, 예를 들어, 복수의 가로 어레이(a), 복수의 세로 어레이(b), 또는 격자 어레이(c) 등으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 소잉(sawing) 장비 또는 레이저를 이용하는 경우에, 픽셀 가로/세로 피치 30~500μm 정도(예, 50μm, 100μm, 150μm, 200μm), 픽셀간 이격 거리(간격) 2~50μm 정도로, 정사각형, 직사각형, 벌집형, 일자형(linear), 원형(circle) 등 그 응용 분야에 맞게 설계된 다양한 픽셀 모양이 형성되도록 미세가공(micro machining)이 가능하다. 예를 들어, 수십~수백 와트 또는 수십~수백 mJ 고출력 에너지의 다양한 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저 등 적절한 파워의 레이저, 예를 들어, 엑시머(Excimer) 레이저, 반도체(예, GaAs) 레이저, 기체 레이저(예, CO2 레이저), 고체 레이저(예, Nd:YAG) 등을 이용하여 섬광체 픽셀 어레이를 위한 패터닝 식각 공정이 이루어질 수 있다.
필요에 따라 위와 같이 형성된 에어갭(191)에는 Al, Carbon 등 투과 물질이 도포될 수 있다. 위와 같은 에어갭만으로도 산란 방사선의 영향을 줄일 수 있지만, 에어갭(191)에 Al, Carbon 등 투과 물질을 도포(또는 코팅)할 수도 있다. 예를 들어, CVD(chemical vapor deposition) 등을 위한 진공 증착 장비에 의한 반도체 공정을 이용하여 에어갭 부분이 선택적으로 도포 되도록 할 수 있으며, 경우에 따라서는 스프레이 방식으로도 투과 물질의 도포가 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터(100)의 동작 원리에 대한 설명도이다.
도 5의 (a)를 살펴보면, 엑스선이 투과되는 조직에서의 종류(뼈, 연조직, 지방)에 따라 엑스선의 감쇄 지수(attenuation coefficient)가 달라지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 도 5의 (a)의 저에너지 준위(A1)에서는 상대적으로 뼈 조직의 감쇄 지수가 높아지게 되고, 이에 따라 도 5의 (b)의 B1 영상에서 볼 수 있는 바와 같이 뼈 조직의 영상이 높은 대조도(contrast)를 보이면서 뚜렷하게 보이게 되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 5의 (a)의 고에너지 준위(A2)에서는 상대적으로 뼈 조직의 감쇄 지수 비중이 낮아지고 연조직과 지방 조직의 비중이 높아지면서, 도 5의 (b)의 B2 영상에서 볼 수 있는 바와 같이 뼈 조직의 영상이 대조도(contrast)가 낮아지게 되고, 이에 따라 뼈 조직과 주변 조직의 경계가 흐릿하게 나타나는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치의 영상처리부에서는 상기 저에너지 준위에 의한 제1 전기적 신호의 검출 데이터(B1 영상)에서 고에너지 준위에 의한 제2 전기적 신호의 검출 데이터(B2 영상)을 차감하여 방사선 투시 영상을 생성함으로써 도 5의 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이 뼈 등 경조직에 대하여 높은 대조도(contrast)를 가지는 방사선 투시 영상을 도출할 수 있게 된다.
또한, 이와 유사하게 고에너지 준위에 의한 제2 전기적 신호의 검출 데이터(B2 영상)에서 저에너지 준위에 의한 제1 전기적 신호의 검출 데이터(B1 영상)을 차감하여 방사선 투시 영상을 생성하는 경우에는, 도 5의 (d)에서 볼 수 있는 바와 같이 연조직이나 지방 조직을 보다 명확하게 확인할 수 있는 방사선 투시 영상을 생성할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(미도시)는, 방사선 방사부를 제어하여 상기 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위에서의 방사선의 강도를 조절함으로써, 상기 영상 처리부에서 생성되는 방사선 투시 영상의 대조도를 조절할 수 있게 된다. 소정의 방사선 투시 촬영 장치(fluoroscopy system)는 정형외과나 신경외과 등에서 골절 부위 등을 엑스선 등 방사선을 사용하여 촬영한 후 컴퓨터로 영상을 처리해서 모니터에 실시간으로 동영상처럼 볼 수 있도록 해주게 되므로, 제1 시점에서 생성된 방사선 투시 영상의 대조도 수치를 산출한 후 상기 산출된 대조도 수치를 미리 정해진 기준치와 비교할 수 있다. 이때, 상기 산출된 대조도 수치가 미리 정해진 기준치에 미치지 못하는 경우, 제어 장치(미도시)는, 방사선 방사부에서 방사되는 방사선의 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위에서의 방사선의 강도를 변화시키면서 제2 시점에서 생성된 방사선 투시 영상의 대조도 수치를 산출한 후, 이를 미리 정해진 기준치와 다시 비교할 수 있다. 또한, 이때 상기 제2 시점에서 생성된 방사선 투시 영상의 대조도 수치와 상기 제1 시점에서의 대조도 수치와 비교하여, 상기 방사선 방사부에서 방사되는 방사선의 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위에서의 방사선의 강도를 어떻게 조절할 것인지 결정할 수도 있다. 방사선 투시 촬영 장치(fluoroscopy system)에서는 실시간으로 방사선 투시 영상을 반복하여 생성하게 되므로, 상기 방사선 투시 영상의 대조도를 파악하면서 상기 방사선 방사부(210)에서 방사되는 방사선의 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위에서의 방사선의 강도를 반복적으로(iterative) 조절하여 줌으로써, 방사선 투시 영상의 대조도 등 품질을 개선할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 섬광체 구조물(120)의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 저에너지인 제1 에너지 준위 방사선을 검출하는 제1 섬광체 구조물(121)(A 영역)가 고에너지인 제2 에너지 준위 방사선을 검출하는 제2 섬광체 구조물(122)(B 영역)의 상부에 적층될 수 있다.
이때, 방사선이 제1 섬광체 구조물(121)(A 영역)의 상부에서 인가되면, 이미지 센서 기판(110)은 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 제1 섬광체 구조물(121)로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출할 수 있고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 제2 섬광체 구조물(122)로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출할 수 있다.
도 6의 (b)와 같이, 제1 섬광체 구조물(121) 및 제2 섬광체 구조물(122) 사이에 상기 제1 에너지 준위 보다 작은 에너지 준위의 방사선을 필터링하는 필터부(예, 0.7mm Cu 필터)가 구비될 수 있다. 이는 불필요한 에너지에 의한 제2 섬광체 구조물(122)에서의 빛의 산란을 억제해 해상도, 민감도 등을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 필터부는 제1 섬광체 구조물(121)을 투과한 방사선 중 소정의 에너지 준위 미만(예를 들어, 상기 제1 에너지 준위 미만)의 방사선을 제거하여줌으로써, 제2 섬광체 구조물(122)에서 검출되는 낮은 에너지 준위의 엑스선을 억제할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터에서의 방사선 감도 검출 강도 그래프이다.
도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 상부에 적층되는 제1 섬광체 구조물(121)에서 검출되는 방사선은 약 40kVp ~ 70kVp 영역에서 높은 수치를 보이는데 반하여, 제2 섬광체 구조물(122)에서 검출되는 방사선을 살펴보면, 100kVp의 에너지 준위를 피크치로 하여 상대적으로 고에너지 영역에서 높은 수치를 보여준다는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 곡면형 듀얼 방사선 디텍터는, 기존의 리지드한 평면형 디텍터를 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 디텍터로 대체하여 재촬영의 불편함 없이 환부 영상에 대한 고민감도의 센싱으로 환자의 편의성을 극대화할 수 있으며, 선명한 고해상도의 영상 제공이 가능한 곡면형 방사선 디텍터를 제공할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이미지 센서 기판(110)
기판(111)
회로 어레이(112)
섬광체 구조물(120)
제1 섬광체 구조물(121)
제2 섬광체 구조물(122)

Claims (12)

  1. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판;
    상기 이미지 센서 기판의 상부에 구비되며, 제1 에너지 준위 및 제2 에너지 준위를 포함하는 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제2 섬광체 구조물; 및
    상기 제2 섬광체 구조물 상부에 구비되며, 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한, 곡면형 또는 유연한 제1 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 이미지 센서 기판, 및 적층형 상기 제1 및 제2 섬광체을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며,
    상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제1 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출하고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제2 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기적 신호와 상기 제2 전기적 신호 사이의 차등값으로 피사체에 대한 투시 영상을 획득하기 위한 방사선 디텍터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬광체 구조물 및 제2 섬광체 구조물의 사이에 상기 제2 에너지 준위 보다 낮은 상기 제1 에너지 준위 보다 작은 에너지 준위의 방사선을 필터링하는 필터부를 포함하는 방사선 디텍터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 회로 어레이가 형성된, 곡면형 또는 유연한 플라스틱 기판으로 제작된 방사선 디텍터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 곡면형 또는 유연한 유리 기판 상에 회로 어레이가 형성된 형태, 또는 유리 기판 상에 회로 어레이를 형성한 후 상기 유리 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작된 방사선 디텍터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위해 포토다이오드를 포함하는 방사선 디텍터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬광체 구조물 및 제2 섬광체 구조물은, 에어갭에 의해 구분된 섬광체 픽셀 어레이
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에어갭에 도포된 투과물질을 포함하는 방사선 디텍터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체는 GOS(Gd2O2S:Tb) 또는 CsI:Tl 섬광체를 포함하는 방사선 디텍터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기적 신호로부터 상기 제2 전기적 신호를 차감한 신호를 이용하여 경조직에 대한 방사선 투시 영상을 생성하고, 상기 제2 전기적 신호로부터 상기 제1 전기적 신호를 차감한 신호를 이용하여 연조직에 대한 방사선 투시 영상을 생성하는 방사선 디텍터.
  11. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판; 및
    상기 이미지 센서 기판의 상부에 구비되며, 다중 에너지 준위를 포함하는 방사선을 받아 각각의 준위에 대응된 가시광으로 변환하는, 곡면형 또는 유연한 다중 적층 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 이미지 센서 기판, 및 상기 다중 적층 섬광체 구조물을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며,
    상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 다중 적층 섬광체 구조물의 각층에 대응된 상기 방사선의 해당 에너지 준위들에서 상기 다중 적층 섬광체 구조물의 각층에서의 각각의 가시광에 대한 서로 다른 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  12. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판을 제작하는 단계;
    상기 이미지 센서 기판의 상부에 곡면형 또는 유연한 제2 섬광체 구조물을 형성하는 단계;
    상기 제2 섬광체 구조물 상에 곡면형 또는 유연한 제1 섬광체 구조물을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 이미지 센서 기판, 및 적층형 상기 제1 및 제2 섬광체 구조물을 포함하는 전체적인 구조물이 곡면형 또는 유연하게 형성되며,
    각각의 상기 섬광체 구조물은 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 이미지 센서 기판은, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 제1 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제1 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제1 전기적 신호를 독출하고, 상기 제2 에너지 준위의 방사선에 의한 상기 제2 섬광체 구조물로부터의 가시광에 대하여 제2 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터의 제작 방법.
KR1020190173400A 2019-12-23 2019-12-23 곡면형 적층 구조 섬광체를 갖는 듀얼 방사선 디텍터 Pending KR20210081147A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115480282A (zh) * 2022-09-06 2022-12-16 中国科学技术大学 一种柔性x射线放射治疗辐射剂量测量装置
WO2023121391A1 (ko) * 2021-12-24 2023-06-29 주식회사 레이언스 엑스선 디텍터
WO2023237070A1 (zh) * 2022-06-08 2023-12-14 北京纳米维景科技有限公司 一种柔性ct探测器及其静态ct系统
CN117747628A (zh) * 2024-02-19 2024-03-22 杭州钛光科技有限公司 一种彩色x射线探测器的制备方法及其应用

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