CT 장치의 기본구성 part.2 (검출기와 자료수집장치 DAS)

안녕하세요 만둥이 입니다.
이번시간에도 CT장치의 기본구성 2번째 시간입니다.
오늘은 영상획득장치중 대표적으로 검출기(Detector)와 자료수집장치인 DAS(data acquisition system)을 알아보도록하겠습니다.

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검출기(Detector)

X선의 발생에서 피사체를 투과한 후 감약 되어진 미세한 에너지를 측정하는 (measurement data) 과정이다.
 

x선이 DAS로 가는 과정

 

검출기의 특성

① 효율성(efficiency)
검출하는 능력이 뛰어나야 한다. 검출기에서 X선 광자의 검출 효율을 말하며 신호대잡음비(SNR)가 높아지며, 많은 X선 광자 에너지가 빛 에너지로 변환되고 보다 많이 전기적 신호로 변환하는 효율이 높아야만 영상의 대조도를 좋게 할 수 있다.
② 안정성(stability)
검출기의 출력이 일정해야 하며 온도와 습도가 일정해야 한다. 검출기가 불안정하면 off set data가 불안정 되어 artifact의 원인이 된다. 이를 보정하기 위해서 두 가지의 calibration을 시행하는데 phantom calibration과 air calibration이 있다. Phantom calibration은 물의 CT값을 기준으로 CT값을 정렬시켜 주는 방법으로, 시간이 많이 소요되므로, tube 교환이나 정기예방 점검 시에 시행하게 되며, air calibration은 공기의 CT값(-1000 HU)을 기준으로 정렬시켜 주며, 시간이 많이 소요되지 않아 매일 시행하는 것이 좋다.
③ 감응시간(response time)
검출기가 X선을 검출하고 난 후 다음 X선을 검출하기 위하여 요구되는 회복시간을 말하며, 잔광(after glow)이나 누적이 적어야 하며, 회복속도가 빨라야 한다(약 백만분의 1초).
④ 직선성(linear response)과 재현성(reproducible response)이 좋아야 한다. 입력신호의 양과 출력신호의 양이 정비례해야 한다.
⑤ 검출기 소자(detector cell) 수가 많을수록, 크기가 작을수록 공간 분해능이 좋아진다.
⑥ 저에너지에서도 반응을 할 수 있는 감도(sensitivity)가 좋아야 한다.
⑦  불감영역이  적어야  한다.  인접한  검출소자와  소자  사이의  공간에  불감영역이  적어야 artifact를 줄일 수 있고 대조도를 높일 수 있다.
 

검출기의 유형
1. 섬광 광증배관 검출기(Scintillation crystal photomultiplier detector)
2. 섬광 광다이오드 검출기(Scintillation crystal photodiode detector)
3. 가스 전리형(Gas ionization detector)

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섬광 광증배관 검출기(scintillation crystal photomultiplier detector)

광증배관(P-M tube)과 NaI, CsI, CaF2, BGO와 같은 형광체들과 결합되어 있는 형태이며 1세대, 2세대의 초창기에 사용되었다. 그 원리는 그림 2-22와 같이 X선이 형광체에 흡수될 경우 섬광이 발생하고 이 섬광은 광전자 증배관(P-M tube)에 유도되며, 증배관 내부에서 dynode간의 전위차에 따라 첫 번째 dynode에 충돌 후, 두 번째 dynode에 충돌할 때 가속이 일어나 더욱 많은 전자를 방출한다. 이런 과정들은 마지막 dynode에 이르기까지 연속적으로 일어나며, 전자 수는 증폭한 결과 약 106의 전자 수로 증가하여 출력신호를 형성한다.

 

섬광 검출기의 구성도

 

섬광 광증배관 검출기의 특징은 다음과 같다
형광체에서의 섬광 발생량은 흡수된 X선 에너지에 비례한다. 광전음극으로부터 방사된 전자 수는 섬광의 양과 비례한다. 형광체는 섬광으로써 변환 효율이 높아야 하고 투과성이 좋아야 하며, 반응시간이 짧고 분광감도가 적합해야 한다. NaI(요오드화나트륨)은 검출 효율이 좋으나 잔광이 많다. CaF2(불화칼슘)은 잔광은 거의 없으나 검출 효율이 낮다. NaI의 약 80% 정도이고, BGO(비스무스 게르마네이트 옥사이드) 는 효율이 좋고 잔광이 적으나 출력이 낮다. 그러므로, 섬광 광증배관 검출기는 대체로 효율성은 좋으나, 잔광이 많이 발생하고 안정성과 감응성이 떨어져 1세대, 2세대, 4세대 초창기 CT에만 사용했고, 요즘에는 사용하지 않는다.
 

섬광 광다이오드 검출기(scintillation crystal photodiode detector)

구조는  실리콘으로  된  광다이오드  표면에  CdWO4(cadmium  tungstate),  Gd2O2S(gadoli-nium  oxysurfide),  (Y,Gd)2O3,  rare  earth  ceramic  등으로  된  섬광체가  있으며  첨가제로 Pr(praseodymium), Eu(europium), Ce(cerium) 등이 있다.

반도체 검출기의 내부 구조

 

가스 전리형 검출기(gas ionization detector)

피사체에 의해 감약된 X선이 전리함내로 들어오면 전리함내에 있는 25기압의 압입된 고불활성 gas인 xenon gas 분자가 전리(ionization)하여 플러스 이온과 마이너스 이온으로 나뉘어져, 전극 사이의 전압에 의해 플러스 이온은 마이너스 전극에, 마이너스 이온은 플러스 전극에 결합한다. 검출기 전리함은 전압을 조정함에 따라 출력신호가 발생하여 전기적 신호로 나타난다. 신호전류는 흡수된 X선양에 비례한다.

Xe gas 검출기의 내부구조

 
가스 전리형 검출기의 특징은 다음과 같다.
Gas 농도가 낮으면 많은 X선이 검출되지 않고 그대로 통과하여 검출효율이 낮아진다. 해결 방법으로는 전리함의 ion들이 많이 결합할 수 있도록 chamber의 길이를 길게 하고 전극에 결합능력을 높이기 위해 전압을 높여 준다. X선속강도에 영향을 안 받는 감응성이 있는데 그 이유는 전리함이 플러스 전극과 마이너스  전극으로 나뉘어져 있기 때문이다. PM tube에 비해 감응성이 좋고 잔광이 없으며, 전극 자체에서 산란선을 제거하기 때문에 산란선에 의한 화질이 떨어지지 않는다. 섬광 광증배관 검출기에 비해 검출 효율이 떨어지는데 그 이유는 gas 봉입 시 gas 자체 압력과 농도가 낮아지기 때문이다. 3세대 초기에 주로 사용했다.

 
DAS(data acquisition system)

검출기에서 감약된 X선 신호는 섬광체를 통해 빛 신호로 바뀐 후 광다이오드를 통해 전기적 신호(analog 신호)로 바뀌며, 이 신호는 wire를 통해 각각의 cable과 연결된 컴퓨터 board들로 전달되어 digital신호로 바꾸어 주며, 이 신호를 영상 처리 컴퓨터로 보내는 일을 한다. DAS는 입력되는 analog 신호의 양만큼 출력되는 digital 신호로 비례하게 전환이 잘되어야 하며, 안정성이 좋고 침윤이 없어야 하며 노이즈가 적어야 하고 검출기에서 반응하는 신호의 범위(동적범위)가 넓어야 한다.

data acquisition system