KR102042342B1 - Method for detecting position of radiation source using rotating modulation collimator and imaging device for performing the method - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은, 회전 변조 시준기(RMC: Rotating Modulation Collimator)의 회전에 의해 검출된 광자 수에 따른 변조 패턴의 분산 안정화 변환을 수행하여 상기 변조 패턴의 평균과 분산의 연관성이 제거된 제1 검출 계수를 산출하는 단계; 상기 제1 검출 계수에 상기 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출하는 단계; 및 상기 제2 검출 계수와 상기 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 상기 방사선원의 분포를 추정하여 영상을 재구성하는 단계;를 포함한다.In the radiation source position detection method using the rotation modulation collimator according to the present invention, by performing a dispersion stabilization transformation of the modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of the rotation modulation collimator (RMC) and the average of the modulation pattern and Calculating a first detection coefficient from which the correlation of variance has been removed; Calculating a second detection coefficient from which noise is removed by applying a weight calculated based on a similarity between a patch centered on a first angle and a second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient; And reconstructing the image by estimating the distribution of the radiation source based on a probability that the calculated radiation source is detected according to the second detection coefficient and the rotation angle of the rotation modulation collimator.
Description
본 발명은 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법 및 이를 수행하기 위한 영상화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a radiation source position using a rotation modulated collimator and an imaging apparatus for performing the same.
구 소련의 체르노빌 원전 폭발사고는 심각한 방사선 누출로 환경재앙을 초래하였고 30년 가까운 시간의 경과에도 현재까지 후유증이 지속되고 있다. 또한, 일본 후쿠시마 원전사고에서도 주변 대기 및 해양으로 고준위의 방사능이 누출되는 결과가 발생함에 따라 수년이 경과한 지금도 여전히 사고 처리에 어려움을 겪고 있다. The Chernobyl nuclear explosion in the former Soviet Union caused severe environmental leaks and caused environmental disasters. In the Fukushima nuclear accident in Japan, high levels of radioactivity leak into the surrounding atmosphere and ocean, which is still difficult to deal with.
이처럼, 원전이나 방사선 관련시설에서 사고가 발생할 경우 방사능 유출의 조기 차단은 대형 사고나 환경재앙을 방지하는 가장 시급하고 중요한 대응절차로 다루어지고 있다. 방사선 누출 사고의 초기 대응 및 처리를 위해서는 신속히 방사선 오염원을 구분하고 그 위치를 파악할 수 있는 방사선 탐지 및 방사능 오염상태 영상화 기술 등이 필요하다.As such, if an accident occurs in a nuclear power plant or a radiation-related facility, early blockage of radioactive leakage is treated as the most urgent and important response procedure to prevent large accidents or environmental disasters. For early response and treatment of radiation leakage incidents, radiation detection and radioactive contamination imaging techniques are needed to quickly identify and locate radiation sources.
이와 관련하여, 방사선 영상화 장치는 누출 방사선 오염원의 체내 흡입 가능성을 최소화하여 작업자에게 안정성을 담보한 상태에서 방사선원의 위치를 탐지하고, 이를 이용하여 방사선 오염원의 검출 및 제거 계획을 신속히 수립할 수 있도록 한다. In this regard, the radiographic imaging apparatus minimizes the possibility of inhalation of the leaked radiation pollutant in the body to detect the location of the radiation source while ensuring the safety of the operator, and uses it to quickly establish a plan for the detection and removal of the radiation pollutant. .
본 발명의 일 목적은 변조 패턴의 노이즈가 제거된 결과를 산출하는 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a radiation source position detection method using a rotation modulation collimator for calculating a result of removing the noise of the modulation pattern.
또한, 본 발명의 다른 목적은 검출 광자수가 적은 경우에도 방사선원의 위치를 정확히 검출하는 영상화 장치를 제공하는데 있다. It is another object of the present invention to provide an imaging apparatus that accurately detects the position of a radiation source even when the number of detected photons is small.
본 발명의 실시 예를 따르는 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 회전 변조 시준기(RMC: Rotating Modulation Collimator)의 회전에 의해 검출된 광자 수에 따른 변조 패턴의 분산 안정화 변환을 수행하여 상기 변조 패턴의 평균과 분산의 연관성이 제거된 제1 검출 계수를 산출하는 단계; 상기 제1 검출 계수에 상기 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출하는 단계; 및 상기 제2 검출 계수와 상기 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 상기 방사선원의 분포를 추정하여 영상을 재구성하는 단계;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for detecting a radiation source position using a rotation modulated collimator may perform dispersion stabilization transformation of a modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of a rotation modulation collimator (RMC). Calculating a first detection coefficient from which the association between the mean and the variance has been removed; Calculating a second detection coefficient from which noise is removed by applying a weight calculated based on a similarity between a patch centered on a first angle and a second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient; And reconstructing the image by estimating the distribution of the radiation source based on a probability that the calculated radiation source is detected according to the second detection coefficient and the rotation angle of the rotation modulation collimator.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 상기 검출된 광자 수가 임계치 이하인 경우, 기설정된 필터를 적용하여 가중치를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for detecting the position of the radiation source using the rotation modulation collimator according to the embodiment of the present invention may further include calculating a weight by applying a predetermined filter when the number of detected photons is equal to or less than a threshold.
또한, 상기 영상을 재구성하는 단계는 상기 제2 검출 계수의 분포를 기초로 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘(MLEM: Maximum Likelihood Expectation Maximization)을 적용하여 반복 알고리즘을 유도할 수 있다.The reconstructing of the image may induce a repetition algorithm by applying a maximum likelihood expectation maximization algorithm (MLEM) based on the distribution of the second detection coefficients.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 영상화 장치는, 회전 변조 시준기의 회전에 의해 검출된 광자 수에 따른 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하여 상기 변조 패턴의 평균과 분산의 연관성이 제거된 제1 검출 계수를 산출하는 변환부; 상기 변환부에서 산출된 상기 제1 검출 계수에 상기 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출하는 필터링부; 및 상기 필터링부에서 산출한 제2 검출 계수와 상기 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 상기 방사선원의 분포를 추정하여 상기 방사선원의 위치 정보를 획득하는 검출부;를 포함한다.In addition, the imaging apparatus according to the embodiment of the present invention, the first detection is removed from the correlation between the average and the variance of the modulation pattern by performing a dispersion stabilization transformation on the modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of the rotation modulation collimator A conversion unit for calculating a coefficient; Calculating a second detection coefficient from which noise is removed by applying a weight calculated based on a similarity between a patch centered on a first angle and a second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient calculated by the converter; Filtering unit; And a detector for estimating the distribution of the radiation source based on a probability that the calculated radiation source is detected according to the second detection coefficient calculated by the filtering unit and the rotation angle of the rotation modulation collimator. Include.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 영상화 장치는, 상기 검출부에서 획득된 상기 위치 정보를 기초로 상기 방사선원의 영상을 재구성하는 출력부;를 더 포함할 수 있다. The imaging apparatus according to an embodiment of the present invention may further include an output unit configured to reconstruct an image of the radiation source based on the position information acquired by the detector.
본 발명의 실시 예에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법 및 이를 수행하기 위한 영상화 장치는 방사선원에서 방출되는 방사능이 약하거나 방사선원이 차폐되어 검출되는 광자의 수가 적은 환경에서도, 분산 안정화 변환과 가중치를 이용한 노이즈 필터링 및 최대 가능성 기대값 최대화(MLEM: Maximum Likelihood Expectation Maximization) 알고리즘을 적용하여 유도한 반복 알고리즘을 통해 회전 변조 시준기로부터 획득한 변조 패턴 및 영상화 과정에서 발생한 노이즈를 최소화하여 신뢰도가 향상된 방사선원 위치 검출 결과를 제공할 수 있다. Radiation source position detection method using a rotationally modulated collimator according to an embodiment of the present invention and an imaging apparatus for performing the same are distributed stabilization transformation and weighting in an environment where the radiation emitted from the radiation source is weak or the number of photons detected by shielding the radiation source is small Iterative algorithm derived by applying noise filtering and Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) algorithm to minimize the modulation pattern obtained from the rotation modulation collimator and the noise generated during the imaging process, which improves reliability The detection result can be provided.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영상화 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실험 예에서 사용된 회전 변조 시준기의 마스크를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 대조군인 회전 변조 시준기를 이용하여 검출된 광자의 변조 패턴을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 안정화 변환 단계를 통해 획득한 광자의 제1 변조 패턴을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 대조군인 분산 안정화 변환 단계 이후 가우시안 필터를 적용해 획득한 광자의 변조 패턴을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법을 통해 획득한 광자의 제2 변조 패턴을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법 및 각 대조군의 영상화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 다양한 세기의 방사선원에서 최대 신호 대 잡음비(PSNR: Peak signal to noise ratio)의 수행결과를 나타낸 그래프이다.1 is a flow chart of a radiation source position detection method using a rotation modulated collimator according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of an imaging apparatus according to another exemplary embodiment.
3 is a schematic diagram for explaining a mask of the rotation modulation collimator used in the experimental example of the present invention.
4 shows a modulation pattern of photons detected using a rotation modulation collimator, which is a control of the present invention.
5 illustrates a first modulation pattern of photons obtained through the dispersion stabilization transformation step according to an embodiment of the present invention.
6 shows a modulation pattern of photons obtained by applying a Gaussian filter after the dispersion stabilization transformation step, which is a control of the present invention.
FIG. 7 illustrates a second modulation pattern of photons obtained through a radiation source position detection method using a rotation modulation collimator according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph illustrating a method of detecting a radiation source position using a rotation modulation collimator and an imaging result of each control group according to an exemplary embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a result of performing peak signal to noise ratio (PSNR) in radiation sources of various intensities.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, with reference to the contents described in the accompanying drawings will be described in detail the present invention. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members that perform substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention may be naturally understood or more apparent from the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 변조 시준기(RMC: Rotating Modulation Collimator)를 이용한 방사선원 위치 검출 방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method for detecting a radiation source position using a Rotating Modulation Collimator (RMC) according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은, 종래의 방사선 영상화 장치 및 이를 이용한 방사선 탐지 방법이 광자수가 적은 방사선원의 위치 검출시 노이즈로 인해 정확한 위치를 검출하지 못하는 문제점을 개선하기 위한 것이다.The radiation source position detection method using the rotation modulation collimator according to the present invention is to improve the problem that the conventional radiation imaging apparatus and the radiation detection method using the same does not detect the exact position due to noise when detecting the position of the radiation source with a small number of photons. .
이를 위해, 본 발명은 회전 변조 시준기의 회전에 따라 획득한 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하여 평균과 분산의 연관성을 제거하고, 회전 변조 시준기의 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈를 제거하여, 방사선원에서 방출되는 방사능이 약하거나 장애물에 의해 검출되는 광자수가 미미한 경우에도 신뢰도가 향상된 방사선원의 위치를 추정할 수 있다.To this end, the present invention performs a dispersion stabilization transformation on the modulation pattern obtained by the rotation of the rotation modulation collimator to remove the correlation between the mean and the dispersion, and the weight calculated according to the similarity of the patch centered on the angle of the rotation modulation collimator By removing the noise, the location of the radiation source with improved reliability can be estimated even when the radiation emitted from the radiation source is weak or the number of photons detected by the obstacle is insignificant.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 분산 안정화 변환 단계(S1), 노이즈 제거 단계(S3) 및 영상 재구성 단계(S5)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a radiation source position detection method using a rotation modulation collimator according to the present invention includes a dispersion stabilization conversion step S1, a noise removal step S3, and an image reconstruction step S5.
분산 안정화 변환 단계(S1)는 회전 변조 시준기의 회전에 의해 검출된 광자 수에 따른 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하여 변조 패턴의 평균과 분산의 연관성이 제거된 제1 검출 계수를 산출할 수 있다.In the dispersion stabilization transformation step (S1), the dispersion stabilization transformation may be performed on a modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of the rotation modulation collimator to calculate a first detection coefficient from which the correlation between the average of the modulation patterns and the dispersion is removed. .
노이즈 제거 단계(S3)는 제1 검출 계수에 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출할 수 있다.In the noise removing step S3, the second detection coefficient from which the noise is removed may be calculated by applying a weight calculated based on the similarity of the patch centering on the first angle and the second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient. have.
영상 재구성 단계(S5)는 제2 검출 계수와 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 방사선원의 분포를 추정하여 영상을 재구성할 수 있다. 영상 재구성 단계(S5)는 제2 검출 계수의 분포를 기초로 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘(MLEM: Maximum Likelihood Expectation Maximization)을 적용하여 반복 알고리즘을 유도할 수 있다.The image reconstruction step S5 may reconstruct the image by estimating the distribution of the radiation source based on the probability that the calculated radiation source is detected according to the second detection coefficient and the rotation angle of the rotation modulation collimator. The image reconstruction step S5 may derive an iterative algorithm by applying a maximum likelihood expectation maximization algorithm (MLEM) based on the distribution of the second detection coefficients.
또한, 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 검출된 광자 수가 임계치 이하인 경우, 기설정된 필터를 적용하여 가중치를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for detecting the position of the radiation source using the rotation modulation collimator may further include calculating a weight by applying a predetermined filter when the number of detected photons is equal to or less than a threshold.
한편, 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 후술되는 영상화 장치(1, 도 2)를 통해 수행될 수 있다. 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법을 수행하기 위해서는 영상화 알고리즘이 요구될 수 있다. 이하에서는, 영상화 장치(1, 도 2)의 설명과 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법에 대하여 상술하도록 한다.On the other hand, the radiation source position detection method using a rotation modulation collimator may be performed through the imaging device (1, 2) described later. An imaging algorithm may be required to perform the radiation source position detection method using the rotation modulation collimator. Hereinafter, the description of the imaging apparatus 1 (FIG. 2) and the radiation source position detection method using the rotation modulation collimator will be described in detail.
한편, 전술한 단계를 통해 수행되는 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Meanwhile, the radiation source position detection method using the rotation modulation collimator performed through the above-described steps may be implemented in an application form or in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. . The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium are those specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software arts.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of computer readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the process according to the invention, and vice versa.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영상화 장치(1)의 모식도이다.2 is a schematic diagram of an
도 2를 참조하면, 영상화 장치(1)는 변환부(11), 필터링부(13), 검출부(15) 및 출력부(17)를 포함한다. 영상화 장치(1)의 각 구성은 통합 모듈로 형성되거나 하나 이상의 모듈로 이루어질 수 있다. 또는, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, the
영상화 장치(1)는 비교적 단순한 구조를 가짐에 따라 휴대가 용이하여 협소한 공간에서도 사용될 수 있다. 또한, 영상화 장치(1)는 회전 변조 시준기(RMC: Rotating Modulation Collimator) 또는 통신장비와 연결하여 원격으로 방사선원의 위치를 검출할 수 있으나, 영상화 장치(1)의 연결형태 또는 사용형태는 이에 제한되지 않는다. 또한, 영상화 장치(1)는 전술한 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법을 수행하기 위한 구성요소가 추가 또는 제거되어 제공될 수 있다. Since the
회전 변조 시준기(9)를 통해 방사선원으로부터 방출되는 광자의 변조 패턴을 획득할 수 있다. 획득한 광자의 변조 패턴은 프아송 분포로 모델링 될 수 있다. 회전 변조 시준기(9)는 다수의 슬릿을 가지고 있는 두 개의 평행한 마스크와 검출기를 포함할 수 있다. 회전 변조 시준기(9)가 회전함에 따라 매 각도에서 열린 공간의 면적이 달라지며, 검출기에서 카운트 되는 광자의 수를 기초로 변조 패턴을 생성할 수 있다. 이러한 변조 패턴으로부터 방사선원의 위치를 시각화 할 수 있다.Through the
변환부(11)는 회전 변조 시준기(9)의 회전에 의해 검출된 광자 수에 따른 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하여 변조 패턴의 평균과 분산의 연관성이 제거된 제1 검출 계수를 산출할 수 있다. 예를 들어, 변환부(11)는 회전 변조 시준기(9)에서 획득한 변조 패턴의 프아송 분포에 대해 분산 안정화 변환을 수행하여 제1 검출 계수를 산출할 수 있다. The
변환부(11)는 회전 변조 시준기(9)로부터 프아송 분포로 얻어지는 변조 패턴의 관측값에서 각도에 따라 정도가 달라지는 노이즈를 제거할 수 있다. 변환부(11)가 산출한 제1 검출 계수는 회전 변조 시준기(9)에서 획득한 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행한 각각의 패턴을 의미하며, 이러한 제1 검출 계수의 집합을 의미하는 제1 변조 패턴은 분산이 1인 가우시안 분포로 근사할 수 있다. The
변환부(11)에서 수행하는 분산 안정화 변환은 바틀릿(Bartlett) 변환을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 분산 안정화 변환 및 바틀릿(Bartlett) 변환에 관한 자세한 특징은 방사선원 위치 검출 방법에서 상술하도록 한다.The distributed stabilization transform performed by the
필터링부(13)는 변환부(11)에서 산출된 제1 검출 계수에 회전 변조 시준기(9)의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출할 수 있다. 필터링부(13)는 변환부(11)에서 변조된 패턴이 통과하며, 변조된 패턴에 포함된 노이즈를 제거하는 비지역 평균(NLM: Non-local means) 알고리즘을 수행하여 제2 검출 계수를 산출할 수 있다. The
특히, 필터링부(13)는 회전 변조 시준기(9)에서 획득한 변조 패턴의 노이즈를 제거하기 위한 구성으로, 필터링 시 특정 각도의 주변값을 사용하는 대신에 패치를 기반으로 비슷한 구조를 보이는 각도에서의 값을 사용할 수 있으며, 상세하게는 변환부(11)에서 분산 안정화 변환을 수행한 각각의 제1 검출 계수에 직접 비지역 평균 알고리즘을 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출할 수 있다. In particular, the
본 발명에서는 비지역 평균 알고리즘을 제1 검출 계수에 각각 적용한 결과를 제2 검출 계수로 정의하며, 이러한 제2 검출 계수의 집합인 제2 변조 패턴은 대체적으로 가우시안 분포를 나타낼 수 있다. 또한, 방사선원에서 방출되는 방사능이 약하거나 검출되는 광자의 수가 적은 경우 비지역 평균 알고리즘의 성능을 향상시키기 위해 가중치()를 계산하는 과정에서 평균 필터(mean filter)를 선택적으로 적용할 수 있다. 비지역 평균 알고리즘에 관한 자세한 특징은 방사선원 위치 검출 방법에서 상술하도록 한다.In the present invention, a result of applying the non-local averaging algorithm to the first detection coefficients is defined as a second detection coefficient, and the second modulation pattern, which is a set of the second detection coefficients, may generally exhibit a Gaussian distribution. In addition, if the radiation emitted from the radiation source is weak or if the number of detected photons is small, the weight ( You can optionally apply a mean filter in the process of calculating. Detailed features of the non-regional average algorithm will be described later in the radiation source position detection method.
검출부(15)는 필터링부(13)에서 산출한 제2 검출 계수와 회전 변조 시준기(9)의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 방사선원의 분포를 추정하여 방사선원의 위치 정보를 획득할 수 있다. 검출부(15)는 필터링부(13)를 통과한 패턴에 최대 가능성 기대값 최대화(MLEM: Maximum Likelihood Expectation Maximization) 알고리즘을 적용하여 방사선원의 위치 정보를 획득할 수 있다. The
검출부(15)는 제2 변조 패턴에 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘을 적용할 수 있다. 이를 통해, 검출부(15)는 반복 알고리즘을 획득 및 수행하여 방사선원의 위치 정보를 획득할 수 있다. 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘에 관한 자세한 특징은 방사선원 위치 검출 방법에서 상술하도록 한다.The
출력부(17)는 검출부(15)에서 획득된 위치 정보를 기초로 방사선원 위치의 영상을 재구성할 수 있다. 출력부(17)는 방사선원의 위치를 좌표계를 기초로 출력할 수 있다. 사용되는 좌표계는 출력부(17)의 종류에 따라 1차원 좌표계, 2차원 극좌표계, 2차원 직교좌표계, 3차원 원기둥좌표계, 3차원 구면좌표계, 3차원 직교좌표계 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The
이하, 본 발명의 실시 예를 따르는 회전 변조 시준기(9)를 이용한 방사선원 위치 검출 방법에 대하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서 영상화 장치(1)의 구성 및 특성과 관련되어 중복된 부분은 생략하며, 회전 변조 시준기(9)를 이용한 방사선원 위치 검출 방법에 관련한 서술을 추가적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, according to the embodiment of the present invention The radiation source position detection method using the
최초, 영상화 장치(1)로 제공되는 변조 패턴()은 회전 변조 시준기(9)를 통해 획득한 변조 패턴일 수 있으며, 변조 패턴()은 프아송 분포를 나타낼 수 있다. 회전 변조 시준기(9)는 방사선원의 위치를 3차원 직교좌표계를 기초로 인식할 수 있다. 획득한 변조 패턴()을 기초로 한 프아송 분포는 하기의 [수학식 1]과 같이 모델링 될 수 있다.Initially, the modulation pattern provided to the imaging device 1 ) May be a modulation pattern obtained through the
[수학식 1][Equation 1]
이때 사용된 각 문자는 하기에서도 동일한 의미로 적용될 수 있다. 상세하게, i는 회전 변조 시준기(9) 마스크의 회전 각도이고, 는 각도 i에서 머무는 시간, 는 방사선원에서 방출되는 방사능, 는 에너지에 따른 회전 변조 시준기(9) 검출기의 검출효율이다. 는 입체각으로 3차원 직교좌표계의 임의의 일 지점인 (x, y, z)에 위치한 방사선원에서 방출된 방사선이 마스크의 앞면으로 들어올 확률이고, 전면에 위치한 마스크로 들어온 방사선이 열린 공간을 통해 검출기까지 도달할 확률을 로 정의하고, 마스크에서 방사선이 차단될 확률을 로 정의하며 두 확률의 합은 1이다. 이때, 마스크의 열린 공간이 아닌 곳에서 광자가 도달하더라도 물질과 에너지에 따라 방사선이 투과하는 비율은 이며, 는 백그라운드 입자 수를 의미한다. In this case, each character used may have the same meaning in the following. In detail, i is the rotation angle of the
분산 안정화 변환 단계(S1)에서는 영상화 장치가 회전 변조 시준기에서 획득한 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하여 제1 검출 계수를 산출할 수 있다. 분산 안정화 변환 단계(S1)는 프아송 분포를 나타내는 변조 패턴()을 기초로 바틀릿(Bartlett) 변환을 포함하는 분산 안정화 변환을 수행할 수 있다. [수학식 1]과 같이 프아송 분포로 얻어지는 변조 패턴의 관측값에서, 통계적 특성에 따라 프아송 잡음의 분산은 프아송 분포의 평균값()과 동일할 수 있다. 따라서, 분산 안정화 변환 단계(S1)에서는 이러한 평균과 분산의 연관성을 제거하기 위해 분산 안정화 변환을 수행할 수 있으며, 특히, 바틀릿(Bartlett) 변환을 사용하여 제1 검출 계수의 제1 변조 패턴()을 획득할 수 있다. 바틀릿(Bartlett) 변환은 다음의 [수학식 2]를 통해 수행될 수 있다.In the dispersion stabilization transformation step (S1), the imaging apparatus may calculate the first detection coefficient by performing dispersion stabilization transformation on the modulation pattern acquired by the rotation modulation collimator. The variance stabilization conversion step (S1) comprises a modulation pattern ( Can be performed on a distributed stabilization transformation including Bartlett transformation. In the observation of the modulation pattern obtained by the Poisson distribution as shown in [Equation 1], the variance of the Poisson noise according to the statistical characteristics is obtained from the average value of the Poisson distribution. May be the same as). Therefore, in the dispersion stabilization transformation step S1, a dispersion stabilization transformation may be performed to remove the association between the mean and the variance, and in particular, the first modulation pattern of the first detection coefficient (Bartlett transformation) may be used. ) Can be obtained. Bartlett transformation can be performed through
[수학식 2][Equation 2]
바틀릿 변환을 통해 변환된 제1 변조 패턴()은 근사 평균()이 이고, 분산이 1인 가우시안 분포로 근사할 수 있다. The first modulation pattern (transformed via Bartlet transform) ) Is an approximate mean )this And a Gaussian distribution with a variance of 1.
노이즈 제거 단계(S3)는 영상화 장치에서 분산 안정화 단계(S1)를 수행한 이후, 제1 검출 계수에 비지역 평균(NLM) 알고리즘을 수행하여 노이즈가 제거된 변조 패턴의 제2 검출 계수를 산출할 수 있다. 노이즈 제거 단계(S3)는 분산 안정화 변환 단계(S1)에서 획득한 제1 변조 패턴()에 가중치 를 적용하여, 회전각도 i 에서의 카운트 값을 패치기반 가중평균으로 필터링 할 수 있으며, 이를 통해 제2 검출 계수의 집합인 제2 변조 패턴()을 획득할 수 있다. 제2 변조 패턴은 하기의 [수학식 3]을 통해 획득될 수 있다.In the noise removing step S3, after performing the dispersion stabilization step S1 in the imaging apparatus, the NLM algorithm may be performed on the first detection coefficient to calculate the second detection coefficient of the modulation pattern from which the noise is removed. Can be. The noise removing step S3 may include the first modulation pattern obtained in the dispersion stabilization conversion step S1. Weight on) By applying, it is possible to filter the count value at the rotation angle i by the patch-based weighted average, through which the second modulation pattern (a set of second detection coefficients) ) Can be obtained. The second modulation pattern may be obtained through Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
이때, 가중치 는 조건에 따라 상이하게 적용될 수 있으며 조건은 다음과 같다.At this time, the weight May be applied differently depending on the conditions, and the conditions are as follows.
해당 조건에 따른 는 [수학식 4]를 따를 수 있다.According to the conditions Can follow Equation 4.
[수학식 4][Equation 4]
여기서 는 변조 패턴()에서 기준이 되는 각도 i를 중심으로 하는 패치, 는 변조 패턴에서의 다른 각도를 의미하며 또한 i와 동일한 범위의 값을 가질 수 있다. 또한, 는 대역폭(bandwidth)이며, 는 각도 k를 중심으로 하는 패치이다. 일 예로, i가 10 도 일 때 는 , 는 80도 일 때 는 으로 나타내며, 이때 가중치()는 으로 표기되어 적용될 수 있다.here Is the modulation pattern ( A patch centered on the angle i as a reference, Means different angles in the modulation pattern It may also have a value in the same range as i. Also, Is the bandwidth, Is a patch centered at angle k. For example, when i is 10 degrees Is , Is at 80 degrees Is Where the weight ( ) It can be applied as indicated.
노이즈 제거 단계(S3)에서 비지역 평균(NLM) 필터링을 적용할 때, 를 선택적으로 적용할 수 있다. 예를 들어, 를 적용하지 않은 가중치()를 [수학식 3]에 바로 적용할 수 있으며, 제2 변조 패턴()의 디테일을 유지하기 위해 를 초과하는 가중치()를 적용할 수 있다. 또한, 노이즈 제거 단계(S3)에서는 비지역 평균(NLM) 필터링을 적용함에 따라 추후 획득하게 되는 영상에서 아티팩트와 같은 노이즈가 효과적으로 제거될 수 있다. 한편, 가중치()를 계산하는 과정에서 제1 변조 패턴()에 평균 필터(mean filter)를 추가적으로 적용할 수 있다.When non-local mean (NLM) filtering is applied in the noise reduction step (S3), Can be optionally applied. E.g, Weight without ) Can be directly applied to Equation 3, and the second modulation pattern ( To keep the details of Weights exceeding ) Can be applied. In addition, in the noise removing step S3, noise, such as an artifact, may be effectively removed from an image obtained later by applying NLM filtering. On the other hand, weights ( In the process of calculating the first modulation pattern ( ) Can be additionally applied to the mean filter.
이상에서 설명한 각 문자는 하기에서 동일하게 적용될 수 있다. 이때, 프아송 분포로 모델링된 변조 패턴은 분산 안정화 변환 단계(S1) 및 노이즈 제거 단계(S3)를 통해 하기의 [수학식 5]와 같은 가우시안 분포와 유사한 형태로 근사하게 된다.Each character described above may be equally applied to the following. In this case, the modulation pattern modeled as the Poisson distribution is approximated in a form similar to the Gaussian distribution as shown in
[수학식 5][Equation 5]
이처럼, 변환된 분포를 갖는 변조 패턴은 기존의 프아송 분포를 기반으로 하는 baseline 알고리즘을 사용할 수 없게되며, 새로운 영상화 알고리즘이 요구될 수 있다. 이때, 제2 변조 패턴()의 근사 평균()은 이다. As such, the modulation pattern having the transformed distribution cannot use the baseline algorithm based on the existing Poisson distribution, and a new imaging algorithm may be required. At this time, the second modulation pattern ( Approximation mean of )silver to be.
영상 재구성 단계(S5)는 영상화 장치에서 노이즈가 제거된 제2 변조 패턴()에 최대 가능성 기대값 최대화(MLEM) 알고리즘을 적용할 수 있다. 상세하게, 영상 재구성 단계(S5)는 제2 검출 계수에 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘을 적용하여 방사선원의 위치 정보를 검출하고, 방사선원의 위치 정보를 기초로 재구성된 방사선원의 영상을 출력할 수 있다. 영상 재구성 단계(S5)에서는 전술한 바와 같이 분산 안정화 변환 단계(S1) 및 노이즈 제거 단계(S3)를 통해 대체적인 가우시안 분포를 나타내는 제2 변조 패턴()에 종래의 Baseline 알고리즘과는 상이한 영상화 알고리즘이 적용될 수 있다. The image reconstruction step S5 may include a second modulation pattern in which noise is removed from the imaging apparatus. ) Can be applied to the maximum likelihood expectation maximization (MLEM) algorithm. In detail, in the image reconstruction step S5, the position information of the radiation source may be detected by applying the maximum likelihood expected value maximization algorithm to the second detection coefficient, and the image of the reconstructed radiation source may be output based on the position information of the radiation source. In the image reconstruction step S5, as described above, a second modulation pattern (e.g., a Gaussian distribution) representing a general Gaussian distribution is obtained through the dispersion stabilization conversion step S1 and the noise removal step S3. ), An imaging algorithm different from the conventional Baseline algorithm may be applied.
특히, 기존의 Baseline 알고리즘은 방사선원에서 방출되는 방사능이 약하거나, 방사능이 강하더라도 차폐물이나 장애물로 인해 검출기에 카운트되는 검출 계수가 적을 경우, 영상화 결과에 다수의 아티팩트와 같은 노이즈가 발생하는 문제가 있다. 또한, 기존의 Baseline 알고리즘은 회전 변조 시준기로부터 획득한 변조 패턴()로부터 방사선원의 분포를 영상화하게 되며, 분산 안정화 변환 및 노이즈 필터링이 수행되지 않은 상태로 최대 가능성 기대값 최대화(MLEM) 알고리즘을 수행하여 방사선원의 분포()에 대하여 반복 알고리즘을 획득할 수 있다. In particular, the existing baseline algorithm has a problem in that noise such as a number of artifacts is generated in the imaging result when the radiation emitted from the radiation source is weak or the radiation is strong, but the detection coefficient counted by the detector due to a shield or an obstacle is small. . In addition, the existing baseline algorithm uses a modulation pattern obtained from a rotation modulation collimator ( Image of the radiation source, and perform a maximum likelihood expectation (MLEM) algorithm without dispersion stabilization transformation and noise filtering. We can obtain an iterative algorithm for.
반면, 본 발명의 영상 재구성 단계(S5)에서는 노이즈 제거 단계(S3)에서 획득한 제2 변조 패턴()에 최대 가능성 기대값 최대화(MLEM) 알고리즘을 적용하여 하기의 [수학식 6]과 같은 반복 알고리즘을 획득할 수 있다.In contrast, in the image reconstruction step S5 of the present invention, the second modulation pattern obtained in the noise removing step S3 ( ) Can be obtained by applying a maximum likelihood expectation maximization (MLEM) algorithm to Equation 6 below.
[수학식 6][Equation 6]
여기서, 는 평균적으로 얻어지는 광자 수이다. 이때, 는 픽셀 j에서 방출된 방사선이 회전각도 i에서 검출될 확률이며, 검출기의 검출효율 및 입체각과 검출확률을 고려해 사전에 계산할 수 있다. 또한, 은 근사 평균의 도함수이다. [수학식 6]의 수식을 반복하는 반복 알고리즘을 통해 방사선원의 분포()를 추정할 수 있다. here, Is the number of photons obtained on average. At this time, Is the probability that the radiation emitted from the pixel j is detected at the rotation angle i, and can be calculated in advance in consideration of the detector's detection efficiency, solid angle, and detection probability. Also, Is an approximate mean Is a derivative of. Distribution of the radiation source through an iterative algorithm that repeats the equation in [Equation 6] ) Can be estimated.
상세하게, 관측 영역(field of view, FOV)를 21 * 21 (441)개의 픽셀 단위로 나누어 각 픽셀에서 방사선원의 방사선의 분포를 로 나타낼 수 있다. 특히, 픽셀 j에서 방출된 방사선이 회전 변조 시준기(9)의 회전각도 i에서 검출될 확률을 로 나타낼 수 있다. 유사하게, 픽셀 j에서 방출된 방사선이 회전 변조 시준기(9)의 회전각도 에서 검출될 확률은 로 나타낼 수 있다. [수학식 6]의 분모와 분자에서 인덱스를 구분하기 위해 i와 가 구분되어 사용되었다. 반복 알고리즘을 통해 획득한 방사선원의 분포를 나타낸 예시를 도 8에 나타내었다. Specifically, the field of view (FOV) is divided into 21 * 21 (441) pixel units to determine the distribution of radiation of the radiation source at each pixel. It can be represented as. In particular, the probability that the radiation emitted from pixel j will be detected at rotation angle i of
이하에서는 본 발명에 따른 방사선원 위치 검출 방법의 결과를 각각의 대조군과 비교하기 위한 실험예를 설명하도록 한다.Hereinafter will be described an experimental example for comparing the results of the radiation source position detection method according to the present invention with each control.
<실험예>Experimental Example
해당 실험예에서는 3차원 직교좌표계인 (x, y, z)에서 방사선원의 위치를 검출하였다. 방사선원의 위치는 (25, 25, 500)cm이며 0.356MeV의 감마선을 방출하는 Ba-133 점선원이 존재한다고 가정한다. 영상화 알고리즘은 Matlab R2014b(Mathworks, USA)를 이용해 구현하였다.In this experimental example, the position of the radiation source was detected in (x, y, z), which is a three-dimensional rectangular coordinate system. The location of the radiation source is (25, 25, 500) cm and it is assumed that there is a Ba-133 dotted line that emits gamma rays of 0.356 MeV. The imaging algorithm was implemented using Matlab R2014b (Mathworks, USA).
한편, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변조 시준기의 마스크를 나타낸 모식도이며, 도 3을 참조하면 회전 변조 시준기의 전면 및 후면 마스크는 모두 두께가 1.27cm 인 납으로 이루어져 있고, 6개의 슬릿을 갖는다. 중점(o)를 기준으로 마스크의 지름(R)은 60mm이고, 각 슬릿의 너비(w)는 4mm, 피치는 8mm이고, 각 슬릿 높이(hs)는 지름(r)이 50mm인 원에 맞추었다. 또한, 관측영역(field of view)는 21 * 21 (441)개의 픽셀로 나누어 계산하였다. 방사선원의 방사선은 0.2mCi인 경우에 변조 패턴을 획득하였으며, 비지역 평균(NLM) 필터의 패치() 사이즈는 3, 윈도우 사이즈는 360이고, 는 10-0.8, 는 0.9이다. On the other hand, Figure 3 is a schematic diagram showing a mask of the rotation modulation collimator according to an embodiment of the present invention, referring to Figure 3, both the front and rear mask of the rotation modulation collimator is made of lead having a thickness of 1.27cm, six slits Has Based on the midpoint (o), the diameter (R) of the mask is 60 mm, the width (w) of each slit is 4 mm, the pitch is 8 mm, and each slit height (h s ) fits a circle with a diameter (r) of 50 mm. It was. In addition, the field of view was calculated by dividing into 21 * 21 (441) pixels. The modulation pattern was obtained when the radiation of the radiation source was 0.2 mCi, and the patch (NLM) filter ( ) Size is 3, window size is 360, Is 10 -0.8 , Is 0.9.
<실험결과><Experiment Result>
도 4 내지 7은 조건별 광자수 측정에 따른 변조 패턴을 나타낸다. 상세하게, 도 4는 측정된 변조 패턴() 및 변조 패턴의 평균값(mean ), 도 5는 측정된 제1 변조 패턴() 및 제1 변조 패턴의 평균값(mean ), 도 6은 제1 변조 패턴에 가우시안 필터를 적용한 변조 패턴() 및 제1 변조 패턴의 평균값(mean ), 도 7은 제2 변조 패턴() 및 제1 변조 패턴의 평균값(mean )을 나타낸다. 4 to 7 show modulation patterns according to photon measurement for each condition. In detail, FIG. 4 shows the measured modulation pattern ( ) And the mean of the modulation pattern (mean 5 shows the measured first modulation pattern ( ) And the mean value of the first modulation pattern 6 illustrates a modulation pattern in which a Gaussian filter is applied to a first modulation pattern ( ) And the mean value of the first modulation pattern ), FIG. 7 shows a second modulation pattern ( ) And the mean value of the first modulation pattern ).
특히, 도 5의 제1 변조 패턴()에서 상이한 방법으로 노이즈를 각각 제거한 측정 결과가 도 6 및 도 7에 나타난다. 도 6에서는 가우시안 필터를 적용하였고, 도 7에서는 비지역 평균(NLM) 필터를 적용하여 각각의 측정 결과를 비교하였다.In particular, the first modulation pattern of FIG. In Fig. 6 and Fig. 7, the measurement results in which the noises are removed in different manners) are shown in Figs. In FIG. 6, Gaussian filters were applied, and in FIG. 7, non-local mean (NLM) filters were applied to compare the respective measurement results.
도 4 및 5를 참조하면, 분산 안정화 변환 단계(S1)를 통해 최초 변조 패턴()의 단일 각도에서 검출된 광자의 평균값과 큰 차이를 나타내는 각각의 값들이 필터링되어 제1 변조 패턴()을 획득한 것을 확인할 수 있다. 도 4에서는 프아송 분포로 모델링 된 변조 패턴의 평균값(mean )과 각도에 따라 검출된 변조 패턴의 각 광자의 측정값()의 차이가 평균값에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 측정되는 회전 각도에 따라 노이즈 크기가 상이하게 나타날 수 있다. 이러한 차이는 프아송 분포의 특성에 의한 것으로, 분산 안정화 변환 단계(S1)를 통해 도 4에 나타난 이러한 특성을 제거하여 도 5의 결과가 산출될 수 있다. 4 and 5, through the dispersion stabilization conversion step (S1) the initial modulation pattern ( Each value representing a large difference from the average value of the photons detected at a single angle of is filtered to obtain a first modulation pattern ( You can check that you have obtained. 4 shows the mean value of the modulation pattern modeled as the Poisson distribution. ) And the measured value of each photon of the detected modulation pattern according to the angle ( You can see that the difference of) depends on the mean value. That is, the noise level may be different depending on the rotation angle to be measured. This difference is due to the characteristics of the Poisson distribution, and the result of FIG. 5 may be calculated by removing such characteristics shown in FIG. 4 through the dispersion stabilization conversion step S1.
도 5를 참조하면, 변조 패턴의 전체적인 측정값()과 평균값(mean )의 차이가 도 4보다 감소한 것을 확인할 수 있다. 상세하게, 도 4의 변조 패턴()의 약 140도 지점에서는 약 14 이상으로 검출된 광자가 확인되지만, 분산 안정화 변환 단계(S1) 수행 이후 획득한 제1 변조 패턴()의 유사 지점에서는 약 8 에 가까운 광자가 검출된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 분산 안정화 변환 단계(S1)는 평균과 분산의 연관성을 제거할 수 있다. Referring to Figure 5, the overall measured value of the modulation pattern ( ) And mean It can be seen that the difference of) decreases from FIG. 4. Specifically, the modulation pattern of FIG. At about 140 degrees, photons detected at about 14 or more are identified, but the first modulation pattern (A) obtained after performing the dispersion stabilization conversion step (S1) In the similar point of), it can be seen that photons of about 8 were detected. As such, the dispersion stabilization transformation step S1 may remove the correlation between the mean and the variance.
한편, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 변조 패턴()과 제1 변조 패턴에 가우시안 필터를 적용한 패턴의 평균값의 변화는 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 다만, 제1 변조 패턴에 가우시안 필터를 적용함으로써 단일 각도에서 카운트 되는 광자 수가 검출된 광자수의 평균값에 밀집된 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 5 and 6, the first modulation pattern ( ) And the average value of the pattern in which the Gaussian filter is applied to the first modulation pattern do not change significantly. However, it can be confirmed that by applying a Gaussian filter to the first modulation pattern, the number of photons counted at a single angle appears in a dense form at an average value of the detected number of photons.
또한, 도 5 및 도 7을 참조하면, 검출된 광자수의 제1 변조 패턴()과 제2 변조 패턴()의 평균값의 변화는 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 반면, 제1 변조 패턴()과 제2 변조 패턴()의 동일한 회전 각도에 대하여 검출되는 광자의 평균값에 대한 밀집도가 상이해진 것을 확인할 수 있다.5 and 7, the first modulation pattern of the detected photons ( ) And the second modulation pattern ( It can be seen that the change in the mean value of) does not change significantly. On the other hand, the first modulation pattern ( ) And the second modulation pattern ( It can be seen that the density of the average value of the photons detected with respect to the same rotation angle of) is different.
상세하게, 도 5에서는 각각의 제1 변조 패턴()의 평균값을 기준으로 약 -4 내지 +4 범위의 변조 패턴이 확인되며, 도 7에서는 각각의 제2 변조 패턴() 의 평균값을 기준으로 약 -3 내지 +3 범위의 변조 패턴이 확인된다. 이처럼, 노이즈 제거 단계(S3)를 통해 제1 변조 패턴()에서 노이즈가 제거되어 제2 변조 패턴()을 획득할 수 있다. In detail, in FIG. 5, each first modulation pattern ( A modulation pattern in the range of about -4 to +4 is identified based on the average value of), and in FIG. 7, each second modulation pattern ( A modulation pattern in the range of about −3 to +3 is identified based on the average value of. In this way, the first modulation pattern ( ) Is removed from the second modulation pattern ( ) Can be obtained.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법 및 각 대조군의 영상화 결과를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph illustrating a method of detecting a radiation source position using a rotation modulation collimator and an imaging result of each control group according to an exemplary embodiment of the present invention.
상세하게, 도 8(a)는 변조 패턴()에 Baseline 알고리즘을 적용한 도 4의 영상화 결과, 도 8(b)는 도 5의 제1 변조 패턴()의 영상화 결과, 도 8(c)는 도 6의 제1 변조 패턴()에 가우시안 필터를 적용한 영상화 결과, 도 8(d)는 도 7의 제2 변조 패턴()의 영상화 결과를 각각 나타낸다. In detail, FIG. 8 (a) shows a modulation pattern ( As a result of the imaging of FIG. 4 applying the baseline algorithm to FIG. 4, FIG. 8B illustrates the first modulation pattern of FIG. FIG. 8C shows the first modulation pattern of FIG. 6. FIG. 8 (d) shows the second modulation pattern (FIG. 7) of the Gaussian filter. Each of the imaging results.
도 8의 (a) 내지 (d)에서 빨간 원이 있는 위치는 실제 방사선원이 존재하는 위치이며, 선명한 검은색 박스들의 위치는 영상화를 통해 추정한 방사선원의 위치이다. 방사선원의 위치가 대칭적으로 나타나는 이유는 회전 변조 시준기의 마스크가 회전하면서 180°를 기준으로 열린 공간의 모양이 같아지는 구조적 한계에 기인한다. In FIGS. 8A to 8D, positions with red circles represent positions where actual radiation sources exist, and positions of clear black boxes represent positions of radiation sources estimated through imaging. The reason for the symmetrical location of the radiation source is due to the structural limitation that the shape of the open space is the same with respect to 180 ° as the mask of the rotation modulation collimator rotates.
한편, 도 8(a) 내지 (d)를 통해, 실제 방사선원의 위치 이외에 다른 위치에 연한 검은색 박스들이 생성된 것을 확인할 수 있다. 이는, 방사선원이 없는 곳에 방사선원이 있다고 잘못 추정한 아티팩트이다. 특히, 도 8(c)의 결과는 도 6의 제1 변조 패턴에 가우시안 필터링을 수행하여 획득한 변조 패턴 결과에서는 상대적으로 평균값에 밀집된 형태의 필터링된 변조 패턴을 나타낸 결과와는 상이하게, 연한 검정색 박스들이 다수 생성되어 다수의 아티팩트가 검출되는 것을 확인할 수 있다. Meanwhile, it can be seen from FIG. 8 (a) to (d) that light black boxes are generated at positions other than the actual radiation source. This is an artifact that incorrectly assumes that there is a radiation source where there is no radiation source. In particular, the result of FIG. 8 (c) is light black, unlike the result of the modulation pattern obtained by performing Gaussian filtering on the first modulation pattern of FIG. 6. It can be seen that a number of boxes are generated to detect a large number of artifacts.
이처럼, 도 8의 (a) 내지 (d)의 비교를 통해 도 8(d)에서 연한 검정색 박스가 가장 적게 확인됨을 알 수 있다. 도 8의 결과를 정량적으로 평가하기 위하여 각 영상화 결과에 대하여 최대 신호 대 잡음비(PSNR: Peak signal to noise ratio)를 수행하였다. 본 발명에서 수행한 PSNR의 수학식은 다음과 같다.As such, it can be seen from the comparison of FIGS. 8A to 8D that the light black box is the least identified in FIG. 8D. In order to quantitatively evaluate the results of FIG. 8, a peak signal to noise ratio (PSNR) was performed for each imaging result. Equation of PSNR performed in the present invention is as follows.
[수학식 7][Equation 7]
여기서 은 픽셀의 수를 나타내고, 는 실재 방사선원의 분포를, 는 추정한 방사선원의 분포를 나타낸다. here Represents the number of pixels, Is the distribution of the actual radiation source, Denotes the distribution of the estimated radiation source.
도 9는 다양한 세기의 방사선원에서 최대 신호 대 잡음비(PSNR: Peak signal to noise ratio)의 수행결과 그래프이다.9 is a graph showing results of peak signal to noise ratio (PSNR) in radiation sources of various intensities.
상세하게, 도 9는 방사선원에서 방출되는 방사능을 0.1 내지 1.4 mCi의 범위로 가정하고 각 방사선원에서 같은 PSNR 실험을 100번 반복하여 획득한 평균의 그래프이다.In detail, FIG. 9 is a graph of the average obtained by repeating the
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법의 결과가 적용된 방사선원에서 방출된 방사선 세기의 모든 영역에서 가장 높은 수치를 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, 방사능이 약한 영역에서 다른 알고리즘을 통한 결과보다 PSNR이 향상된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the result of the method for detecting the position of the radiation source using the rotation modulation collimator according to the present invention exhibits the highest value in all regions of the radiation intensity emitted from the applied radiation source. In particular, it can be seen that the PSNR is improved in comparison with the results of other algorithms in the region of low radiation.
상세하게는, 방사선원의 방사능이 0.2 mCi인 지점에서 도 4의 Baseline 알고리즘의 PSNR이 41.30(±0.43)dB 이고, 도 5의 분산 안정화 변환을 하면 44.17(±0.64)dB로 증가한다. 또한, 도 6의 분산 안정화 변환 후 가우시안 필터를 통해 노이즈를 제거하면 36.82(±0.25)dB로 측정되며, 도 7의 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법의 결과는 전술한 결과들보다 증가한 값인 47.19(±0.86)을 나타냄을 확인할 수 있다. In detail, the PSNR of the baseline algorithm of FIG. 4 is 41.30 (± 0.43) dB at the point where the radioactivity of the radiation source is 0.2 mCi, and increases to 44.17 (± 0.64) dB by the dispersion stabilization conversion of FIG. 5. In addition, when the noise is removed through the Gaussian filter after the dispersion stabilization transformation of FIG. 6, the measurement is 36.82 (± 0.25) dB, and the result of the radiation source position detection method using the rotation modulation collimator of FIG. It can be seen that (± 0.86).
이와 같이, 방사선원의 세기가 약할 경우에 아티팩트가 발생하는 문제를 해결한 본 발명의 방사선원 위치 검출 방법은 기존의 Baseline 알고리즘 및 본 발명의 일부 단계만을 수행한 결과보다 방사선원의 세기가 약한 영역에서 영상화 품질이 더욱 향상된 결과를 제공하는 것을 확인할 수 있다. As described above, the method for detecting the position of the radiation source according to the present invention, which solves the problem of artifacts when the intensity of the radiation source is weak, results in imaging quality in a region where the intensity of the radiation source is weaker than the result of performing only the existing baseline algorithm and some steps of the present invention. It can be seen that this provides further improved results.
한편, 방사선원의 위치 및 변조 패턴의 획득 방법에 따라, 0.2 mCi의 방사선 세기에서 상이한 PSNR의 결과를 나타내는 데이터가 포함된 [표 1]을 첨부하며, 이를 통해 본 발명의 방사선원 위치 검출 방법이 다양한 조건에서도 높은 PSNR의 결과값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, according to the method of obtaining the position of the radiation source and the modulation pattern, it is attached [Table 1] containing the data indicating the results of the different PSNR at the radiation intensity of 0.2 mCi, through which the radiation source position detection method of the present invention various conditions It can be seen that also shows a high PSNR result.
정리하자면, 본 발명의 영상화 장치(1) 및 회전 변조 시준기 이용한 방사선원 위치 검출 방법은 회전 변조 시준기(9)를 이용하여 방사선원의 위치를 빠르게 시각화 할 수 있으며, 특히 방사선원의 적거나 장애물에 의한 방해요소가 존재하는 경우, 프아송 분포로 모델링된 변조 패턴에 분산 안정화 변환을 수행하고, NLM 필터를 통해 노이즈를 제거하여, MLEM 알고리즘을 적용하여 향상된 품질의 방사선원 검출 결과를 획득할 수 있다. 뿐만 아니라, 다양한 세기의 방사선에서 기존의 영상화 방법에 비해 개선된 영상을 제공할 수 있다. In summary, the radiation source position detection method using the
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through the representative embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the claims and the equivalent concepts as well as the claims below.
1: 영상화 장치
11: 변환부
13: 필터링부
15: 검출부
17: 출력부
9: 회전 변조 시준기
S1: 분산 안정화 변환 단계
S3: 노이즈 제거 단계
S5: 영상 재구성 단계1: imaging device
11: converter
13: filtering section
15: detector
17: output unit
9: rotationally modulated collimator
S1: Variance Stabilization Conversion Step
S3: Noise Reduction Step
S5: Image Reconstruction Step
Claims (5)
상기 제1 검출 계수에 상기 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출하고, 상기 제1 변조 패턴에 상기 가중치를 적용하고, 상기 제1 각도에서의 카운트 값을 패치기반 가중평균으로 필터링하여 상기 제2 검출계수의 집합인 제2 변조 패턴을 산출하는 단계; 및
상기 제2 검출 계수 및 상기 제2 변조 패턴 중 적어도 하나와 상기 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 상기 방사선원의 분포를 추정하여 영상을 재구성하는 단계;를 포함하는, 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법.
A first detection coefficient and a first detection coefficient whose correlation between the mean and the variance of the modulation pattern are removed by performing dispersion stabilization transformation of the modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of a rotation modulation collimator (RMC) Calculating a first modulation pattern of coefficients;
The second detection coefficient from which the noise is removed is calculated by applying a weight calculated based on the similarity of the patch centering on the first angle and the second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient, and the first modulation pattern Calculating a second modulation pattern that is the set of the second detection coefficients by applying the weight to the filter and filtering the count value at the first angle with a patch-based weighted average; And
Reconstructing an image by estimating a distribution of the radiation source based on a probability that a calculated radiation source is detected according to at least one of the second detection coefficient and the second modulation pattern and the rotation angle of the rotation modulation collimator; A radiation source position detection method using a rotation modulated collimator.
상기 검출된 광자 수가 임계치 이하인 경우, 기설정된 필터를 적용하여 가중치를 계산하는 단계를 더 포함하는, 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법.
The method of claim 1,
And calculating a weight by applying a predetermined filter when the number of detected photons is equal to or less than a threshold, the radiation source position detecting method using the rotation modulation collimator.
상기 영상을 재구성하는 단계는,
상기 제2 검출 계수의 분포를 기초로 최대 가능성 기대값 최대화 알고리즘(MLEM: Maximum Likelihood Expectation Maximization)을 적용하여 반복 알고리즘을 유도하는, 회전 변조 시준기를 이용한 방사선원 위치 검출 방법.
The method of claim 1,
Reconstructing the image,
And applying a maximum likelihood expectation maximization algorithm (MLEM) to derive an iterative algorithm based on the distribution of the second detection coefficients.
상기 변환부에서 산출된 상기 제1 검출 계수에 상기 회전 변조 시준기의 제1 각도와 제2 각도를 중심으로 하는 패치의 유사도에 따라 계산된 가중치를 적용하여 노이즈가 제거된 제2 검출 계수를 산출하고, 상기 제1 변조 패턴에 상기 가중치를 적용하고, 상기 제1 각도에서의 카운트 값을 패치기반 가중평균으로 필터링하여 제2 변조 패턴을 산출하는 필터링부; 및
상기 필터링부에서 산출한 제2 검출 계수 및 상기 제2 변조 패턴 중 적어도 하나와 상기 회전 변조 시준기의 회전 각도에 따라 기산출된 방사선원이 검출될 확률을 기초로 상기 방사선원의 분포를 추정하여 상기 방사선원의 위치 정보를 획득하는 검출부;를 포함하는, 영상화 장치.
A transform unit for performing a dispersion stabilization transformation of the modulation pattern according to the number of photons detected by the rotation of the rotation modulation collimator to calculate a first detection coefficient and a first modulation pattern in which the correlation between the mean and the dispersion of the modulation patterns is removed;
The second detection coefficient from which the noise is removed is calculated by applying a weight calculated based on the similarity of the patch centering on the first angle and the second angle of the rotation modulation collimator to the first detection coefficient calculated by the converter. A filtering unit applying the weight to the first modulation pattern and filtering a count value at the first angle with a patch-based weighted average to calculate a second modulation pattern; And
The distribution of the radiation source is estimated by estimating the distribution of the radiation source based on a probability that the calculated radiation source is detected according to at least one of the second detection coefficient and the second modulation pattern calculated by the filtering unit and the rotation angle of the rotation modulation collimator. And a detector for acquiring position information.
상기 검출부에서 획득된 상기 위치 정보를 기초로 상기 방사선원의 영상을 재구성하는 출력부;를 더 포함하는, 영상화 장치.
The method of claim 4, wherein
And an output unit configured to reconstruct an image of the radiation source based on the position information acquired by the detector.
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