KR101042567B1 - 컴프턴 카메라 - Google Patents

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KR101042567B1
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Abstract

컴프턴 카메라가 개시된다. x축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제1 검출부; 및 제1 검출부와 인접하도록 y축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제2 검출부를 포함하는 컴프턴 카메라는, 여러 방향으로부터 입사되는 방사선의 위치와 종류를 효율적으로 알아낼 수 있다.
섬광체, 컴프턴 카메라, 전방위

Description

컴프턴 카메라{Compton Camera}
본 발명은 방사선을 검출하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컴프턴 카메라에 관한 것이다.
최근 늘어나는 새로운 현대 질병과 그에 따른 첨단 진단장비의 수요가 급증하는 추세에 발맞추어, 핵의학(nuclear medicine)에 대한 관심이 집중되고 있다. 핵의학이란 방사성 동위원소 약품을 인체에 주입하여 질병 조직의 형태학적인 정보와 생물학적인 정보를 최첨단 의료용 카메라로 획득하여 인체의 생리와 병리현상을 탐구하고 질병의 진단 및 치료에 응용하는 의학의 전문분야이다.
의료용 감마카메라의 원리는 종양에 선택적으로 섭취된 방사선 의약품에서 방출된 감마선을 섬광결정(scintillation crystal)에 입사시켜 저 에너지의 광자로 변환시켜 검출한 후, 이 감마선의 검출위치를 영상화하여 종양의 위치와 크기, 모양을 진단할 수 있게 하는 것이다.
그런데, 종래의 기계적 컬리메이터를 사용하는 감마카메라는 낮은 에너지의 방사선을 검출하기에는 효과적이나, 중간 또는 높은 에너지의 방사선을 검출 시 효 율이 떨어지고 영상잡음이 증가하는 문제를 가지고 있다. 반면, 컴프턴 카메라와 같은 전자적 컬리메이터는 중간 내지는 높은 에너지의 방사선의 영상을 얻는데 있어서 높은 효율을 가지며 영상잡음 또한 적어서 중, 고 에너지 방사선 검출에 적합하다고 할 수 있다.
일반적인 컴프턴 카메라는 1차 산란검출기와 2차 흡수검출기로 구분되어 있다. 다시 말해서 방사선이 1차 검출기에서 산란되어서 2차 검출기에서 흡수되면, 1차와 2차 검출기 각각의 방사선 검출위치정보와 에너지정보를 종합하여 방사선이 들어온 방향을 역투사해 낼 수 있다. 그런데, 차폐체 등을 이용하여 1차 검출기와 2차 검출기로 순서를 구분하는 경우, 검출할 수 있는 방사선 영역이 두 검출기의 위치 및 차폐체에 의하여 제한이 된다. 따라서 검출될 수 있는 방사선 입사 영역이 그만큼 축소되는 한계를 가지고 있다.
반대로, 방사선 차폐체 등을 사용하지 않고, 검출기의 순서를 구분하지 않을 경우, 방사선의 검출영역은 크게 넓어지는 반면 어떠한 검출기부터 반응했는지 순서를 알아내기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 여러 방향으로부터 입사되는 방사선의 위치와 종류를 효율적으로 알아낼 수 있는 컴프턴 카메라를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, x축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제1 검출부; 및 제1 검출부와 인접하도록 y축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제2 검출부를 포함하는 컴프턴 카메라가 제공된다.
제1 검출부 및 제2 검출부와 인접하도록 z축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제3 검출부를 더 구비할 수도 있으며, 이 때, 한 쌍의 제1 검출부 사이의 거리는 160mm 이하일 수 있다. 또한, 제1 검출부, 제2 검출부 및 제3 검출부는 내측에 정육면체 형상의 공간이 형성되도록 배치될 수 있다.
한편, 한 쌍의 제1 검출부는 각각 섬광체, 및 섬광체의 일면에 결합되는 광센서를 주된 구성으로 하여 이루어질 수 있다. 섬광체는 LaCl3(Ce)를 포함하는 재질로 이루어질 수 있으며, 이 때, 섬광체의 두께는 20mm 내지 30mm일 수 있다.
광센서로는 위치민감형 광전자 증배관을 이용할 수 있다.
한편, 한 쌍의 제1 검출부가 취득하는 정보를 제공받는 신호처리부를 더 구비할 수 있으며, 신호처리부는 한 쌍의 제1 검출부 각각이 취득하는 에너지 정보를 비교하여 이들 사이의 검출순서를 결정할 수 있다. 입사되는 방사선의 에너지는 1700keV 이하인 경우, 신호처리부는 적은 에너지 정보가 취득된 검출부를 선순위로 결정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 여러 방향으로부터 입사되는 방사선의 위치와 종류를 효율적으로 알아낼 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 컴프턴 카메라의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프턴 카메라를 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 컴프턴 카메라(10), 검출부(11, 12, 13, 14), 섬광체(21, 22, 23, 24), 광센서(31, 32, 33, 34)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10)는, 입사되는 방사선(S1, S2)을 검출하는 한 쌍의 검출부가 x축 방향, 즉 x축과 나란한 방향에만 배치되는 것이 아니라, y축 방향에도 배치되는 구조를 갖는다. 이 때, 검출부가 배치되지 않는 z축 방향에는 별도의 차폐체(미도시)가 배치될 수도 있다.
각각의 검출부(11, 12, 13, 14)는 입사되는 방사선(S1, S2)이 산란되는 1차 검출부와 산란된 방사선이 흡수되는 2차 검출부로 쌍을 이룬다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 검출부(11, 12, 13, 14)가 서로 쌍을 이루어 대향하여 벽을 형성하는 구조를 갖는다. 다만, 본 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10)의 경우, 측면 전방향(x축 방향 및 y축 방향)에서 입사되는 방사선을 모두 검출하기 때문에, 전술한 1차, 2차와 같은 순서는 절대적인 것이 아니라, 입사되는 방사선의 방향에 따라 결정될 수 있는 상대적인 의미를 갖는다.
한편, 4개의 검출부(11, 12, 13, 14)는 모두 동일한 구조, 크기로 이루어질 수 있다. 이와 같이 4개의 검출부(11, 12, 13, 14) 모두가 동일한 구조 및 크기를 갖게 되면, 측면 전방향 대해 고른 측정이 가능해지는 효과를 기대할 수 있게 된다. 그러나, 설계 상의 필요 등에 따라, 일부 검출부의 구조 및 크기 등을 나머지 검출부와 다르게 설계할 수도 있음은 물론이다.
각각의 검출부(11, 12, 13, 14)는 섬광체(scintillator; 21, 22, 23, 24)와 그 일면에 결합되는 광센서(31, 32, 33, 34)로 이루어질 수 있다. 이 때, 각각의 검출부(11, 12, 13, 14)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 섬광체(21, 22, 23, 24)가 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 섬광체(21)로는 LaCl3(Ce)을 이용할 수 있으며, 필요에 따라 NaI(Tl), ZnS(Ag), CsI(Tl), LiI(Tl) 등과 같은 다른 물질을 이용할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴프턴 카메라를 나타내는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 컴프턴 카메라(10'), 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16), 섬광체(21, 22, 23, 24, 25, 26), 광센서(31, 32, 33, 34, 35, 36), 신호처리부(40), 영상처리부(50)가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 실시예는, 도 1에 도시된 실시예와 비교하여 z축 방향에도 한 쌍의 검출부(15, 16)가 배치되는 점에 차이가 있다. 이러한 구조를 통하여, 본 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10')는 전방위에서 입사되는 방사선을 모두 검출할 수 있게 된다. 이하에서는 전술한 실시예와의 차이점을 중심으로 본 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10')에 대해 설명하도록 한다.
본 실시예의 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16)가 서로 쌍을 이루어 대향함으로써 내측에 육면체 형상의 공간을 구획하는 구조를 갖는다.
한편, 6개의 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16)는 모두 동일한 구조, 크기로 이루어질 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16) 모두가 단면이 사각형을 갖는 직육면체 형상으로 이루어지고, 그 크기 역시 동일하여, 그 내측에 정육면체 형상의 공간이 형성되는 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 6개의 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16) 모두가 동일한 구조 및 크기를 갖게 되면, 전방위에 대해 고른 측정이 가능해지는 효과를 기대할 수 있게 된다. 그러나, 설계 상의 필요 등에 따라, 일부 검출부의 구조 및 크기 등을 나머지 검출부와 다르게 설계할 수도 있음은 물론이다.
이하에서는 각각의 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16)의 구조 및 기능에 대해 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
방사선(S1)이 섬광체(21, 22)로 입사되면, 입사된 방사선(S1)은 섬광체(21, 22) 내에서 광전효과와 컴프턴 산란을 일으키게 되는데, 이러한 상호작용에 의해 발생된 전자는 섬광 메커니즘에 의해 가시광선 영역의 파장을 갖는 광자를 발생시키게 된다. 이렇게 발생된 광자는 광센서(31, 32)로 수집되며, 이로부터 입사된 방사선의 위치정보와 에너지정보를 파악할 수 있게 된다.
이 때, 발생된 섬광의 산란에 의해 공간분해능이 저하될 염려가 있다. 이에, 섬광의 산란을 방지하기 위해, 섬광체(21)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조화될 수 있다. 픽셀 구조화 된 섬광체에서 발생한 섬광들은 섬광체와 공기의 굴절률 차이에 의해 픽셀 벽면에서 전반사가 일어나게 되며, 이로 인해 섬광의 산란을 막을 수 있게 되는 것이다. 픽셀(21a) 각각의 크기 등은 설계 상의 필요 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 이러한 섬광체(21)의 픽셀 구조화를 구현하기 위한 방법으로는 MEMS 공정 등을 이용할 수 있으며, 이 밖의 다양한 방법을 이용할 수도 있음은 물론이다.
섬광체(21, 22)로부터 발생된 광자가 수집되는 광센서(31, 32)로는 위치민감 형 광전자 증배관(PSPMT, position sensitive photomultiplier tubes)를 이용할 수 있다. 광전자 증배관은 광음극(photocathode, 미도시), 다이노드(dynode, 미도시), 양극(anode, 미도시) 등으로 이루어진다. 광전자 증배관은 매우 빠른 증폭기로서, 일반적으로 1ns 동안 입사된 가시광선 펄스를 106배 가량 증폭시킨다.
광전자 증배관의 내부는 진공상태로 되어 있으며, 다이노드의 수는 보통 15개 이상으로 구성되어 있다. 각 다이노드에는 고전압을 점진적으로 증가하도록 가해주게 되면, 이 때 생기는 전기장에 의해 광전자가 다음 다이노드로 진행할 수 있게 된다.
광전자 증배관의 광음극은 섬광체에서 발생된 광자를 광전자로 바꾸는 역할을 하며, 광음극으로 주로 사용되는 금속은 Na2KSb 화합물에 기초한 다중 알칼리 금속물질이다. 진공의 포텐셜 장벽을 통과한 광전자는 여러 다이노드를 거치면서 증배되어 최종적으로 양극에 도달한다. 광전자 증배관의 양극에서 획득한 전자들은 측정 가능한 전기적 출력펄스로 만들어진다.
한편, 본 실시예에서는 광센서(31)로 광전자 증배관을 제시하였으나, 포토다이오드 등과 같은 다른 종류의 광센서를 이용할 수도 있음은 물론이다.
출력펄스는 신호처리부(40)에 제공되어 가공되며, 가공된 신호는 다시 영상처리부(50)에 제공되어 영상으로 변환된다. 신호처리부(40)는 전기적 위치신호를 처리하는 여러 기능적인 모듈(미도시)로 이루어질 수 있으며, 영상처리부(50)는 신호처리부(40)로부터 전달되는 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 영상을 구현할 수 있다.
한편, 검출부(11, 12, 13, 14, 15, 16)에는 조준기(미도시)가 부착될 수도 있다. 조준기(미도시)는 원하는 방향성을 가진 선원만을 기하학적으로 제한하여 검출할 수 있도록 하는 수단으로서, 검출부위와 목적에 따라 여러 종류가 있다. 대표적인 조준기로는 평형구멍형 조준기(parallel hole collimator)와 확산형 조준기(diverging collimator) 등이 있다.
이하에서는, 도 1에 도시된 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10)의 작동에 대해 설명하도록 한다. 이하에서 설명되는 작동 원리가 도 2에 도시된 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10')에도 적용됨은 물론이다.
이해의 편의를 위해, 도 1의 좌측에 도시된 검출부(11)를 1차 검출부, 우측에 도시된 검출부(12)를 2차 검출부라 칭하도록 한다.
도 1을 기준으로, 좌측(x축의 음의 방향)으로부터 방사선(S1)이 입사되면, 1차 검출부(11)는 입사된 방사선(S1)의 1차 위치정보 및 1차 에너지정보를 취득하게 된다. 이렇게 취득된 1차 정보들은 신호처리부(도 2의 40)에 전달된다.
한편, 1차 검출부(11)에 입사된 방사선(S1)은 1차 검출부(11)의 섬광체(21)를 통과하면서 산란되어 진행하게 되며, 산란된 방사선은 맞은편에 위치한 2차 검출부(12)에 입사된다. 산란된 방사선이 2차 검출부(12)에 입사되면, 2차 검출부(12)는 입사된 방사선의 2차 위치정보 및 2차 에너지정보를 취득하게 된다. 이렇 게 취득된 2차 정보 역시 신호처리부(도 2의 40)에 전달된다.
신호처리부(도 2의 40)는 1차 검출부(11) 및 2차 검출부(12)로부터 각각 전달 받은 1차 정보들과 2차 정보들로부터 방사선원(S1)의 위치 및 종류에 대한 정보를 취득하게 되며, 이는 다시 영상처리부(도 2의 50)에 전달되어 영상으로 구현된다.
이와 함께, y축 음의 방향에서 입사되는 방사선(S2) 역시 y축 방향의 검출부(13, 14)들에 의해 검출되어 신호처리부(도 2의 40) 및 영상처리부(도 2의 50)를 거쳐 영상으로 구현될 수 있게 된다.
이처럼, 본 실시예에 따른 컴프턴 카메라(10)은 x축 방향에서 입사되는 방사선(S1)뿐만 아니라 y축 방향에서 입사되는 방사선(S2) 역시 검출할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다. z축 방향에도 한 쌍의 검출부(15, 16)가 배치된 도 2의 컴프턴 카메라(10')의 경우에는, x축과 y축 방향뿐만 아니라, z축 방향에 대해서도 방사선을 검출할 수 있게 되어, 전방위에 대한 검출이 가능해질 수 있게 된다.
한편, 섬광체(21)가 두꺼워지면 검출효율이 향상되기는 하나 1차 검출부(11)에서 산란된 방사선이 1차 검출부(11) 자체를 빠져나가지 못하고 흡수되어, 2차 검출부(12)에서의 정보를 구할 수 없어 영상을 재구성 할 수 없게 될 염려가 있다. 이러한 점을 고려하여 섬광체(21, 22, 23, 24, 25, 26)가 LaCl3(Ce)를 주된 재질로 하여 이루어지는 경우, 그 두께는 20~30mm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 25mm 일 수 있다.
또한 섬광체(21, 22, 23, 24, 25, 26) 간의 간격이 넓어질 수록 영상의 분해능은 높아지는 반면 검출효율은 감소되는 점을 고려하여, 서로 대향하는 검출부 사이의 거리는 바람직하게 160mm 이하일 수 있다.
본 실시예의 경우, 방사선의 입사방향에 따라 각 검출부가 전술한 1차 검출부(산란 검출부)와 2차 검출부(흡수 검출부)의 역할을 동시에 수행할 수 있으므로, 전방위에서 들어오는 모든 방사선을 방향에 관계없이 검출할 수 있다. 그런데, 이러한 구조의 경우 방사선이 1차/2차 검출이 이루어졌을 때 어떤 검출부부터 반응이 일어났는지 순서를 파악하기 곤란해지는 문제가 발생할 수도 있다. 방사선의 1, 2차 검출은 거의 동시에 일어나므로 시간정보로 검출순서를 구분하는 데에는 한계가 있기 때문이다.
이러한 점을 고려하여, 두 개의 검출부에서 얻어진 에너지의 크기를 비교하여 검출순서를 파악하는 방법을 이용할 수 있다. 즉, 첫번째 검출된 에너지가 두번째 검출된 에너지보다 작다고 정한 경우와 그 반대 경우를 나누어서 결과영상을 비교하여 어떤 경우가 우수한 영상을 획득할 수 있는지 파악하는 것이다.
도 3을 참조하면, 영상분해능(FWHM)의 경우 입사되는 방사선의 에너지에 관계없이 모든 영역에서 첫번째 검출의 에너지가 두번째 검출의 에너지 보다 작다고 정한 경우(E1<E2)가 그 반대의 경우(E1>E2)보다 우수한 것을 확인할 수가 있다. 또한 도 4를 참조하면, 점선원 영상의 최대점의 표준편차(검출효율에 반비례)를 구해 보아도 1700keV보다 낮은 입사 방사선에서는 첫번째 검출의 에너지가 두번째 검출의 에너지 보다 작다고 정한 경우가 우수한 것을 알 수가 있다. 단, 1700keV를 넘어서는 방사선의 경우 두번째 검출의 에너지가 첫번째 검출의 에너지 보다 작다고 정한 경우가 표준편차가 낮게 나왔다.
따라서 1700keV 이하의 경우 검출에너지가 낮은 검출부를 1차 검출부로 정하고, 1700keV 이상의 경우 영상분해능을 우선시하는 경우에는 검출에너지가 낮은 검출부를 1차 검출부로, 검출효율을 중시하는 경우에는 검출에너지가 높은 검출부를 1차 검출부로 정하는 방법을 이용할 수 있을 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프턴 카메라를 나타내는 평면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴프턴 카메라를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프턴 카메라의 섬광체를 나타내는 사시도.
도 4는 공간분해능(FWHM)과 입사방사선의 에너지(Energy)와의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 표준편차와 입사방사선의 에너지(Energy)와의 관계를 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 10' : 컴프턴 카메라
11, 12, 13, 14, 15, 16 : 검출기
21, 22, 23, 24, 25, 26 : 섬광체
21a : 픽셀
31, 32, 33, 34, 35, 36 : 광센서
40 : 신호처리부
50 : 영상처리부

Claims (10)

  1. x축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제1 검출부(11, 12);
    상기 제1 검출부와 인접하도록 y축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제2 검출부(13, 14); 및
    상기 한 쌍의 제1 검출부가 취득하는 정보를 제공받는 신호처리부를 포함하며,
    상기 신호처리부는 상기 한 쌍의 제1 검출부 각각이 취득하는 에너지 정보를 비교하여 검출순서를 결정하는, 컴프턴 카메라.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부와 인접하도록 z축과 나란한 방향으로 배치되며, 서로 이격되어 대향하는 한 쌍의 제3 검출부(15, 16)를 더 포함하는 컴프턴 카메라.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 검출부, 상기 제2 검출부 및 상기 제3 검출부는 내측에 정육면체 형상의 공간이 형성되도록 배치되는 컴프턴 카메라.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 검출부 사이의 거리는 160mm 이하인 컴프턴 카메라.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 검출부는,
    각각 섬광체, 및 상기 섬광체의 일면에 결합되는 광센서를 포함하는 컴프턴 카메라.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 섬광체는 LaCl3(Ce)를 포함하는 재질로 이루어지는 컴프턴 카메라.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 섬광체의 두께는 20mm 내지 30mm인 컴프턴 카메라.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광센서는 위치민감형 광전자 증배관인 컴프턴 카메라.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    입사되는 방사선의 에너지는 1700keV 이하이며,
    상기 신호처리부는 적은 에너지 정보가 취득된 검출부를 선순위로 결정하는 컴프턴 카메라.
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