스펙트럼 광자계수 X선 · HR-GaAs:Cr기술 원리
디지털 X선은 수십 년 동안 섬광체와 광전 소자의 조합에 의존해 왔습니다. 이 방식은 공간, 대비, 시간 분해능의 물리적 한계에 도달했습니다. 돌파구를 찾기 위해 25~30년간 100억 유로 이상이 투입되었습니다. Zeelta의 답은 광자를 세고 그 에너지를 측정하는 직접 변환형 HR-GaAs:Cr 센서입니다.
01 · 한계
섬광체 검출기가 더 볼 수 없는 이유
섬광체에서는 흡수된 X선 양자가 모든 방향으로 퍼지는 빛을 냅니다. 빛의 일부만 광전 소자에 닿고 여러 셀이 동시에 켜집니다. 가까운 사건들은 하나의 큰 사건으로 합쳐집니다. 검출기는 사건의 위치를 정확히 찾지 못하고 양자의 에너지도 측정하지 못합니다. 검출 양자 효율(DQE)은 약 35~40%입니다.
지금까지 세 가지 방향이 연구되었습니다. 두 번 촬영하는 이중 에너지 방식은 진단 정보를 크게 늘리지 못했습니다. 수학적 영상 처리는 진단 보조를 개선했지만 데이터가 늘지 않으면 더 나아갈 수 없습니다. 유망한 방향은 새로운 검출기 기반, 즉 a-Se, CdTe, CdZnTe, GaAs:Cr 같은 단일체 직접 변환형 반도체 센서입니다.
02 · 직접 변환
HR-GaAs:Cr 기반 광자계수
단일체 반도체 센서에서는 X선 양자가 에너지에 비례하는 양의 전하를 만듭니다. 바이어스 전압에 의해 전하는 반대 방향으로 이동해 하나의 픽셀 전극에 모입니다. 판독 ASIC이 펄스를 증폭하고 에너지 문턱값과 비교해 계수합니다.
- 각 사건의 위치가 명확히 정해지며, 공간 분해능은 픽셀 피치(35 µm부터)를 따릅니다
- 전하량이 양자의 에너지를 알려 줍니다: 에너지 분산, 색각에 해당하는 기능입니다
- 가까운 시점에 동시에 일어난 두 사건도 따로 기록됩니다
- DQE 90% 이상: 양자 계수 모드가 가능해집니다
03 · 비교
섬광체 + Si와 HR-GaAs:Cr 비교
| 공간 분해능 | 스펙트럼(컬러) | 밀도 분해능 | |
|---|---|---|---|
| 섬광체 + Si | 픽셀 피치 최소 110 µm, 실제 분해능 330 µm부터 | 불가능. 이중 에너지 방식은 반복 촬영이나 두 개의 선원이 필요 | 일반 X선 촬영 256단계, 전문 유방 촬영 512단계, 64채널 CT 4,960단계 회색조 |
| HR-GaAs:Cr | 픽셀 피치 35 µm부터, 실제 분해능은 센서 구조와 일치 | 정성·정량 원소 분석이 가능할 만큼 정확하게 양자 에너지를 측정 | 에너지 구간마다 독립적으로 약 4,000단계 회색조 |
| 서로 대체할 수 있는가? | 부분적으로 가능 | 불가능: 스펙트럼 영상은 섬광체 시스템으로 구현할 수 없음 | 불가능: 에너지 채널별 독립 회색조는 섬광체 시스템으로 구현할 수 없음 |
04 · 소재
기술 지형
채널별 판독 ASIC에 적합한 단일체 반도체 센서:
| 소재 | 장점 | 한계 |
|---|---|---|
| 실리콘(Si) | 매우 저렴 | 의료에 쓰이지 않는 매우 낮은 에너지에서만 효과적, 방사선 열화가 빠름 |
| 비정질 셀레늄(a-Se) | 처음으로 양자 계수를 가능하게 한 소재 | 온도 안정화와 수평 설치 패널이 필요, 실제 시스템에는 쓰이지 않음 |
| CdTe, CdZnTe (CZT) | 10~120 keV에서 높은 효율, 내구성 우수 | 그램당 약 293달러, 패널 최대 84.5 × 28.16 mm |
| HR-GaAs:Cr | DQE 40 keV에서 95% 이상, 120 keV에서 약 75%, 최대 70 °C, 내방사선성 최대 10 GGy | 그램당 약 7.2달러, 평판 패널 430 × 430 mm 초과 |
05 · 성과
스펙트럼 X선으로 보이는 것
06 · 의료
새로운 진단법
스펙트럼 X선은 해부학적 영상을 넘어 기능 진단을 가능하게 합니다. 임상 파트너를 찾고 있는 연구 분야:
- 실시간 생체 선량 측정(VDRT)
- 새로운 콘빔 CT 시스템
- 눈 유리체의 X선 영상과 평가
- 의료 팀과의 전임상 시험 및 공동 연구