Detector는 하나의 기준으로만 분류되지 않습니다

Digital X-ray Detector는 Sensor Arrangement, X-ray Conversion, Signal Acquisition, Energy Acquisition / Energy Discrimination 등 서로 다른 관점에서 구분할 수 있습니다.

Sensor Arrangement의 대표적인 예는 Line Detector와 Area Detector·Flat Panel Detector이고, X-ray Conversion은 Indirect Conversion과 Direct Conversion, Signal Acquisition은 Energy-Integrating과 Photon Counting으로 나눌 수 있습니다. Energy Acquisition / Energy Discrimination 관점에서는 Single-Energy, Dual-Energy, Spectral·Multi-Energy와 같은 구분이 사용될 수 있습니다.

이러한 분류들은 서로 배타적이지 않습니다. 예를 들어 하나의 Detector가 Line Array + Indirect Conversion + Energy-Integrating 구조일 수 있고, 다른 Detector는 Area Array + Direct Conversion + Photon Counting 구조일 수 있습니다.

또한 Single-Energy, Dual-Energy, Spectral·Multi-Energy와 같은 구분은 Detector 자체만으로 결정되지 않고 X-ray Source와 Acquisition Architecture를 포함한 시스템 구성에 의해 구현될 수도 있습니다. 따라서 “Line Detector인가 Photon Counting Detector인가?”와 같은 질문은 엄밀히 말하면 동일한 기준의 비교가 아닙니다.

배열 구조에 따른 구분 — Line Detector와 Area Detector

Line Detector 또는 Line Detector Array(LDA)는 Sensor Element가 주로 한 방향으로 배열된 1D Detector입니다. 한 번의 Acquisition에서는 한 줄의 X-ray Data를 얻고, 검사 대상물이 이동하거나 Detector와 대상물 사이에 상대적인 이동이 발생하면서 Line Data를 반복 취득하면 2D 영상을 구성할 수 있습니다.

이러한 구조는 Conveyor 기반 연속 검사, 길이가 긴 대상물의 연속 Imaging, 일정한 방향으로 대상물이 이동하는 Inline Inspection 등에 적합할 수 있습니다. 다만 최종 영상 품질은 Detector 자체뿐 아니라 Line Rate, Conveyor Speed, Integration Time 및 Motion Synchronization의 영향을 함께 받습니다.

Area Detector는 Sensor Element가 2차원 Matrix 형태로 배열되어 한 영역의 X-ray 정보를 동시에 취득할 수 있는 Detector입니다. 대표적인 형태가 Flat Panel Detector(FPD)이며, 다수의 Detector Element가 행과 열 방향으로 배열되어 2D Projection Data를 직접 취득할 수 있습니다.

FPD는 고정된 대상물의 Radiography나 한 번에 일정 면적의 Projection을 취득하는 시스템에 널리 사용되며, 여러 방향의 Projection을 취득하는 Cone-Beam CT 등의 시스템에도 사용될 수 있습니다.

신호 변환 방식 — Indirect Conversion과 Direct Conversion

Line / Area가 Sensor의 공간적 배열을 설명한다면, Indirect / Direct Conversion은 X-ray 에너지가 전기적 신호로 변환되는 방식을 설명합니다.

Indirect Conversion에서는 Scintillator가 X-ray 에너지를 Visible Light로 변환하고, Photodiode와 같은 Photosensor가 이 빛을 Electrical Charge로 변환합니다. 대표적인 흐름은 X-rays → Scintillator → Light → Photosensor → Electrical Charge로 정리할 수 있습니다.

Direct Conversion에서는 중간의 Visible Light 변환 없이 X-ray가 Conversion Material에서 직접 Electrical Charge를 생성합니다. amorphous selenium(a-Se) 또는 CdTe 계열과 같은 재료가 Direct Conversion 구조에 사용될 수 있습니다.

따라서 Line Detector와 Flat Panel Detector, Indirect Conversion과 Direct Conversion은 서로 다른 분류 축이며, 하나의 Detector Architecture 안에서 서로 조합될 수 있습니다. 변환 원리 자체는 07. What Is an X-ray Detector?에서 자세히 설명했습니다.

신호를 읽는 방식 — Energy-Integrating과 Photon Counting

Detector는 검출된 X-ray 신호를 어떤 방식으로 측정하는가에 따라서도 구분할 수 있습니다.

Energy-Integrating Detector에서는 측정 시간 동안 여러 X-ray Photon에 의해 생성된 신호를 누적하여 하나의 측정값으로 취득합니다. 일반적으로 각 Photon은 Detector에 전달한 Energy에 따라 측정 신호에 기여하므로, 개별 Photon을 하나씩 계수하는 Photon Counting 방식과 차이가 있습니다. 많은 conventional scintillator–photodiode 기반 Digital X-ray Detector가 이러한 Energy-Integrating 방식으로 동작합니다.

Photon Counting Detector는 개별 X-ray Photon의 검출 Event에 의해 발생한 Pulse를 구분하여 계수합니다. Energy-resolving Photon Counting Detector에서는 각 검출 Pulse의 크기를 하나 이상의 Energy Threshold와 비교하여 Photon을 Energy Bin별로 구분할 수 있습니다.

Hybrid Photon Counting Detector에서는 Sensor Layer와 Readout Electronics를 별도로 최적화한 구조가 사용될 수 있습니다. 다만 높은 Photon Flux 조건에서는 Count Rate Capability, Pulse Pile-up 및 Dead-Time과 같은 요소가 실제 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

Photon Counting은 Line Detector나 Flat Panel Detector와 같은 분류 축이 아닙니다

Line Detector / Area Detector는 “Sensor가 공간적으로 어떻게 배열되어 있는가?”, Indirect / Direct Conversion은 “X-ray 에너지가 어떻게 전기적 신호로 변환되는가?”, Energy-Integrating / Photon Counting은 “생성된 신호를 어떻게 측정하는가?”에 답하는 분류입니다.

따라서 Photon Counting 기술도 Line 형태 또는 Area Array 형태로 구현될 수 있습니다. 실제 Detector를 이해할 때는 하나의 명칭만 보는 것이 아니라 배열 구조, 변환 방식, 신호 취득 방식을 함께 살펴봐야 합니다.

대표적인 조합의 예로 Line + Indirect + Energy-Integrating, Area + Indirect 또는 Direct + Energy-Integrating, Line 또는 Area + Direct + Photon Counting과 같은 구조를 생각할 수 있습니다. 이는 가능한 모든 조합을 나열한 것이 아니라 서로 다른 분류 축이 조합될 수 있음을 보여주는 예입니다.

어떤 Detector가 더 좋은가?

Detector Type 자체만으로 어느 기술이 항상 더 우수하다고 판단할 수는 없습니다. Line Detector는 Conveyor 기반 연속 검사처럼 대상물이 일정하게 이동하는 시스템에 적합할 수 있고, Flat Panel Detector는 일정 면적의 Projection을 직접 취득하거나 Cone-Beam CT와 같이 여러 방향의 Projection을 사용하는 시스템에 유리할 수 있습니다.

Photon Counting은 개별 Photon Event 또는 Energy Information이 중요한 응용에서 장점을 가질 수 있지만, Count Rate Capability, Detector Material, Electronics, Cost 및 Data Processing 조건까지 함께 고려해야 합니다.

따라서 실제 Detector 선택은 검사 대상, 필요한 Spatial Resolution, X-ray Energy, 검사 속도, Signal / Noise, Detector Geometry 및 System Architecture를 함께 고려해야 합니다. Pixel Pitch, Dynamic Range, Active Length, Line Rate 등 구체적인 Specification은 다음 09. Understanding Key Detector Specifications에서 별도로 다룹니다.