Radiographic imaging modalities and applications have been expending in medical and industrial fields as one of methods to see inside the world of animate and inanimate, due to the properties of X-rays and X-rays receptors. As one of radiographic solutions, digital X-ray imaging is an alternative instead of analog modality.
This thesis presents two digital X-ray imaging of general radiography and mammography for medical application, and its radiation effects under X-ray exposure conditions, which are all based on Scintillator Coupled Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor (SC CMOS APS) imager.
For the medical application, the experiments are performed to investigate the potential ability of the SC CMOS APS imager under clinical conditions. The image quality is evaluated by image evaluation matrix such as modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), and detective quantum efficiency (DQE). Several candidate scintillators are considered to be coupled CMOS APS array imager. The considered commercially available scintillators are different types such as screen film, needle structured, and fiber optic structured (FOP-scint.). The evaluation results tells that the CMOS APS imager coupled with needle CsI type scintillator shows DQE of 35 % at the frequency of $3mm^{-1}$. The FOP CsI type also guarantees good DQE performance in that field. However, no scintillator satisfies good DQE in mammography condition although the Fine scintillator shows relatively high DQE among others about 5 % at the frequency of $6mm^{-1}$.
For the discrete components of the CMOS APS and the SC CMOS APS imager, two experiments are performed to analyze the radiation effects. Through the radiation test of the discrete components of the CMOS APS, it is verified that the main radiation effect on the CMOS APS shows dark current and or leakage current increase generated in both photosensor and transistor parts. In X-ray imaging, the transmitted X-rays through scintillator mainly degrade MTF as well as DQE exponentially because of reduction of the dynamic range caused by the dark current or the dark signal increase.
엑스레이를 이용한 방사선 영상을 얻는 방법으로 기존의 아날로그 필름을 사용하는 방법에서 최근에는 반도체 기술을 이용한 디지털 방식으로의 전환과 그 응용 영역이 확대되 가고 있다. 이러한 디지털 방식에서도 엑스레이와 검출 센서의 반응 메커니즘 (또는 신티레이터의 사용 여부)에 따라 직접 방식과 간접 방식으로 나눌 수 있다. 현재 상용화되었거나 상용화가 시작된 센서로는 직접 방식인 a-Se기반의 평판형 검출기(Flat Panel Imager)와 GADOX나 CsI (Tl)과 같은 신티레이터를 사용하는 간접 방식인 a-Si기반의 imager, 그리고 CCD기반의 imager로 그 적용 영역은 의료분야 뿐만이 아니라 비파괴 검사와 같은 산업 분야로 확대되어 가고있다.
이와 함께, 1990년에 개발되기 시작한 CMOS 능동 픽셀 센서 (CMOS Active Pixel Image Sensor)는 저전력 소비, 전기적 신호처리부의 일체화, 그리고 비교적 저렴한 제작 비용과 같은 장점 때문에 CCD를 대체하는 또 다른 기술로서 경쟁하고 있으며, 1998년에는 E. R. Fossum에 의해 처음으로 치과용 엑스레이 영상 소자로서 사용하기 시작하였다. 이러한 CMOS 능동 픽셀 센서는 방사선 영상 소자로서 내 방사선이 우수하며 표준화된 반도체 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 실리콘 웨이퍼의 한정된 크기 때문에 비교적 큰 영상이 필요한 일반 엑스레이 진단 분야나 유방암 검출 진단 분야로 확대되지 못하는 현실에 직면에 있다. 하지만 최근 실리콘 웨이퍼의 크기를 30 인치 정도로 확대 할 수 있는 범용기술과 모자?？Mosaic) 이나 타일링 (Tiling) 기술을 통하여 그 크기를 확대 할 수 있는 기술들이 발표되고있다.
CMOS 능동 픽셀 센서도 이러한 기술들을 이용할 수 있다는 가정 하에서 엑스레이 진단 분야나 유방암 검출 진단 분야에 적용 가능 한지의 선행 연구가 필요하며, 본 논문에서는 이 두 분야를 대상으로 진단 및 치료 조건에서의 CMOS 능동 픽셀 센서의 엑스레이 영상을 평가하고 그 가능성에 대해서 실험을 통한 분석을 시도하였다. 이러한 실험에서는 여러 형태의 신티레이터를 CMOS 능동 픽셀 센서와 결합하여 영상 평가인자인 modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), and detective quantum efficiency (DQE) 등을 이용하여 분석을 시도 하였다. 그 결과 엑스레이 진단 분야에서는 여러 신티레이터 중에서도 바늘형태의 구조를 갖는 (needle structured) CsI (Tl) 신티레이터가 결합된 CMOS 능동 픽셀 센서가 공간주기 (spatial frequency) $3mm^{-1}$에서 DQE가 약 35 %로 나타나 아날로그 방식이나 a-Se 또는 a-Si방식의 공간주기 정도의 성능을 나타남을 확인 할 수 있었다. 또한 광섬유를 기초로 한 CsI (Tl) 구조의 신티레이터를 이용한 방법에서도 그 가능성을 확인 할 수 있었다. 그러나 유방암 진단분야에서는 스크린 형태의 신티레이터인 Lanex Fine이 공간주기 $6mm^{-1}$ 에서 약 5 % 정도의 비교적 높은 DQE값을 얻었지만 아날로그나 CCD방식에서 얻을 수 있는 공간주기 $10mm^{-1}$ 이상은 어떤 신티레이터도 만족할 수 없는 결과를 얻었다. 이러한 원인은 주로 유방암 진단 영상의 해상도에 영향을 미치는 엑스레이와 신티레이터의 반응 방향성과 또한 CMOS 능동 픽셀 센서가 갖는 고유한 잡음에 기인하고 있다는 것을 분석 과정을 통해서 얻었다. 그리고 이러한 분석과정에서 CMOS 능동 픽셀 센서가 다른 영상 센서들과 비교하여 저 공간 주기 영상에서 NPS값이 상대적으로 크게 나타나며 이 것은 이 센서의 고유 잡음에 기인하고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 영향은 저 주기 영상에서 일반적인 DQE의 왜곡을 유발함을 알 수 있었다.
또한 일반적으로 알려진 CMOS 능동 픽셀 센서의 내 방사선 특성을 고찰하기 위하여 CMOS 능동 픽셀 센서의 구성 요소인 포토다이오드, 트렌지스터, 밴드겝레퍼런스 회로 (band gap reference circuit:BGR)를 대상으로 방사선 조사 전후의 전기적 신호를 분석하였으며, 신티레이터가 결합된 형태의 CMOS 능동 픽셀 센서에 대해서는 비파괴 엑스레이 검사 조건에 대하여 방사선에 대한 그 영상의 변화 정도를 측정 및 분석하였다. 그 결과 CMOS 능동 픽셀 센서에 대한 방사선의 영향은 주로 포토다이오드의 dark current와 transistor의 leakage current가 방사선 조사 양에 따라 증가함을 검증 할 수 있었고 이로 인한 영상의 질이 떨어 짐을 알 수 있었으며, 해상도를 표시하는 MTF나 영상의 종합적인 질을 평가하는 DQE가 지수 함수적으로 감소하여 MTF나 DQE가 단순이 센서를 구성하는 기하학적 구조만의 함수가 아닌 방사선이 신티레이터를 투과한 정도의 함수로 모델링을 할 수 있었다.
따라서 본 연구는 CMOS 능동 픽셀 센서를 기초로 한 디지털 엑스레이 영상 장치 설계 시, 각각의 신티레이터와 엑스레이 조사 조건이 주어지면 해당 분야의 영상 평가뿐만 아니라 영상의 변화정도를 예측할 수 있는 중요한 참고 자료를 제공하는데 그 의의가 있다고 하겠다.
