KR102393273B1 - 감마선 이미징 - Google Patents

Abstract

코딩된 마스크 장치가 감마선에 제공된다. 상기 장치는 네스트된 마스크들을 사용하고, 네스트된 마스크들 중 적어도 하나의 마스크는 다른 마스크에 대해 회전한다.

Description

감마선 이미징{GAMMA-RAY IMAGING}

본 발명은 방사선(radiation)을 검출하는 것에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 검출기와 코딩된 마스크(coded mask)를 사용하는 압축 센싱 감마선 또는 중성자 이미징 디바이스에 관한 것이다.

감마선 이미징은 감마선을 방출하는 방사성 핵종의 위치와 신원을 제공할 수 있는 중요한 방사선 검출 능력이다. 감마선 이미징은 원전 해체, 오염 제거, 환경 모니터링(즉, 부지 측량, 광산 측량), 의료 이미징(SPECT), 천문학 및 국가 안보 응용(즉, 불법 방사선과 핵 물질 조사)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 많은 응용에 사용될 수 있다.

전통적인 감마선 이미징 기술은 이미지를 매우 값비싼 검출기 어레이에 집속(focus)하는 것에 의존하거나 또는 이미지 평면에 걸쳐 단일 검출기를 천천히 래스터 스캐닝하는 것에 의존한다. 픽셀화된 검출기 어레이의 비용 또는 저속 래스터 스캐닝 시스템은 종종 엄청나게 비싸다. 용이하게 집속되는 가시광의 광자와 달리, 감마선의 광자는 투과성이 매우 높은 특성으로 인해 이 감마선을 집속하는 것이 매우 곤란하다. 픽셀화된 검출기 어레이를 사용하는 감마선 이미징 시스템은 일반적으로 단일 핀홀(pinhole), 다수의 핀홀 또는 평면 코딩된 애퍼처 광학기기(aperture optic)를 사용한다. 이들 시스템은 이미지 또는 인코딩된 이미지를 검출기 어레이에 형성하는데 사용된다. 핀홀과 코딩된 애퍼처 광학기기는 천문학 및 의료 분야에 수 십 년 동안 사용되어 왔다. 이런 유형의 이미징 시스템의 시야(field of view)는 수평 또는 수직 방향으로 대략 30° - 40°이다.

1967년에 메르츠(Mertz)에 의해 제일 먼저 도입된 회전 변조 시준기(Rotating Modulation Collimator: RMC)는 일반적으로 마스크의 전체 길이를 따라 이어지는 평행한 슬릿(slit)을 갖는 2개의 마스크를 사용한다. 이들 마스크가 회전할 때, 전방 마스크로부터 사영(projection)되는 것이 소스에 대하여 후방 마스크 주위를 궤도 운동(orbit)하는 것으로 보인다. 이들 마스크가 회전하면, 소스의 개수, 소스의 세기, 위치 및 사이즈에 따라 변조된 카운트 패턴이 검출기에 형성된다. 이 RMC는, 단일 RMC가 확장된 소스를 이미징하는 것이 곤란하다는 것, 이 RMC가 작은 시야를 갖는다는 것, 단일 RMC를 사용할 때, 회전 중심 축에 있는 소스를 구별하는 것이 불가능하다는 것을 포함하는 다수의 단점을 가지고 있다. B. R. Kowash, A Rotating Modulation Imager for the Orphan Source Search Problem, PhD Thesis, 2008 참조.

많은 감마선 이미징 응용에서 이미징되는 장면은 특성상 희소(sparse)하고, 일반적으로 하나 이상의 점 소스(point source)를 검출할 것을 요구한다. 단일 점 소스를 16 x 16 이미지로 샘플링하는 간단한 경우에 대해, 배경이 0인 것으로 가정하면, 이것은 1개의 0이 아닌 픽셀과 255개의 0인 픽셀을 제공한다. N개(이 경우에 256개)의 측정 - 이들 측정 중 대부분이 0이다 - 을 수행하는 대신, 직관적으로 N개의 측정보다 훨씬 더 적은 횟수로 0이 아닌 픽셀의 위치를 결정할 수 있는 더 스마트한 전략이 있는 것으로 생각된다. 이러한 직관은 최근에 압축 센싱(Compressed Sensing)이라고 알려진 새로운 신호 처리 이론을 개발하는 것을 통해 입증되었다. 압축 센싱은 새로운 접근법으로 이미지를 형성할 수 있게 한다. 압축 센싱 접근법은 (전통적인 이미징 기술에 비해) 일부의 측정으로 이미지를 생성할 수 있고, 적은 비용의 (단일 검출기) 시스템 옵션을 실현할 수 있다. 압축 센싱에 기초한 단일 픽셀 이미징 시스템은, 최근에 가시광, 적외선, 및 THz 파장에 대해 개발되었다. R. G. Baraniuk 등, Method and Apparatus for Compressive Imaging Device, 미국 특허 8,199,244 B2, 2012 참조.

예를 들어, 랜덤한 마스크(random mask)의 시리즈와 조합하여 단일 픽셀 검출기를 사용하여 고속으로 이미지를 취득할 수 있는 테라헤르츠 이미징 시스템이 알려져 있다. W. L. Chan 등, A Single-Pixel Terahertz Imaging System Based on Compressed Sensing, Applied Physics Letters, Vol. 93, 2008 참조. 이들 단일 픽셀 이미징 시스템은 모두 일종의 렌즈를 사용하여 이미지를 집속하고 나서 랜덤한 압축 측정(random compressive measurement)을 사용하여 이미지 평면을 샘플링한다. 그러나, 이미지를 형성하고 나서 샘플링하는 것이 아니라 장면 평면을 샘플링할 때 압축 측정을 수행하는 것이 가능하여야 한다. Huang 등은 이 접근법을 수행하여 렌즈를 요구치 않는 단일 픽셀 광학 이미징 시스템을 기술한다. Huang 등은 애퍼처 조립체를 사용하여 장면을 랜덤하게 샘플링하고 어떤 단계에서도 '전통적인' 이미지를 형성하지 않는다. G. Huang 등, Lensless Imaging by Compressive Sensing, 2013 참조.

본 발명은 압축 센싱의 원리로 시스템을 설계하는 것에 의해 종래 감마선 이미징 접근법의 단점을 극복한다.

본 발명의 목적은 종래 감마선 이미징 기술보다 더 적은 개수의 측정을 수행하는 감마선 이미징 디바이스를 제공하는 것이다. 장면의 이미지에 있는 픽셀의 개수보다 더 적은 개수의 측정으로 장면의 이미지가 생성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 감마선 이미징 기술에 기초하여 종래 애퍼처보다 더 큰 시야를 가지는 감마선 이미징 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 감마선으로 장면을 랜덤하게 샘플링할 수 있는 마스크 장치를 제공하는 것이다. 장면의 이런 랜덤한 사영은 이미지를 재구성하는데 사용될 수 있다.

따라서, 하나 이상의 회전 마스크에 의해 둘러싸인 단일 검출기를 포함하는 이미징 장치가 제공된다.

바람직한 실시예에서, 상기 마스크는 원통형, 반구형, 또는 구형의 단편(segment), 또는 구형이다.

본 발명을 더 잘 이해하기 위하여 이제 다음 도면을 참조한다.
도 1은 단일 검출기, 마스크, 및 270도 차폐물(shield)의 개략도.
도 2는, 도 1의 단일 검출기, 마스크, 및 추가적인 상부 차폐물과 하부 차폐물을 보여주는 차폐물의 개략도.
도 3은 단일 검출기와 2개의 네스트(nested)된 회전 원통형 마스크의 개략도.
도 4는, 단일 검출기, 및 애퍼처들이 정렬되고 테이퍼진 것을 보여주는 2개의 동심 마스크의 개략도.
도 5는 애퍼처 시스템으로서 이동 슬롯(slot)을 보여주는 2개의 동심 마스크의 개략도.
도 6은 기판에 접합된 부유 요소(floating element)를 구비하는 마스크의 개략도.
도 7은 단일 검출기, 및 공통 평면 위에 있는 2개의 동심 반구형 마스크의 개략도.
도 8 및 도 9는 네스트된 구형 마스크의 개략도.
도 10은 본 발명의 동작 방법을 예시하는 흐름도.
도 11은 별도의 감마선 차단 요소와 중성자 차단 요소를 갖는 코딩된 마스크의 개략도.

이미저(imager) 레이아웃 및 센싱

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 감마선 검출기(10)가 이 검출기(10)를 둘러싸는 마스크(11)의 중심에 위치된다. 검출기는 마스크 또는 마스크들의 중심에 위치된다. 바람직하게는 검출기는 마스크(11)의 중심 또는 회전 축을 차지한다. 원통형 또는 구형 마스크(11)가 사용될 수 있다. 비-중심 위치에 검출기가 사용될 수 있으나, 이 검출기는 약간 상이한 시야를 가질 수 있다. 하나를 초과하는 검출기(12, 13)가 사용될 수 있고, 이들 추가적인 검출기는 상이한 위치에 있을 수 있다. 다수의 검출기를 사용하면 이미징 시간을 감소시킬 수 있다.

선택적인 원통형 또는 다른 형상의 방사선 차폐물(14)은 개구(15)에 의해 한정된 호(arc)로 시야를 제한하는 아치형 개구(15)를 가질 수 있다. 이 마스크(11)는 스테퍼 모터(stepper motor)로 구동되는 턴테이블(turntable)(19)에 의해 또는 직접 기어 연결된 스테퍼 모터(20)에 의해 또는 사용되는 코딩된 마스크 또는 광학기기 방법에 적합하도록 다른 방식으로 연결된 스테퍼 모터에 의해 색인(indexed)되거나 회전될 수 있다. 스테퍼 모터(20), 기어 장치(21), 및 예를 들어 디스플레이 및 인쇄 능력을 구비하고 수집되어 처리된 데이터로부터 이미지를 생성하는 제어 컴퓨터(22)를 사용하는 것을 통해 데이터를 수집하고 마스크를 이동시키거나/회전시키는 것을 조정하는 것이 자동화될 수 있다. 마스크의 움직임은 이산 단계로 이루어지거나 또는 연속적인 움직임으로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 마스크(11)가 사용될 때, 마스크(11)의 개방된 애퍼처(18)를 통과하는 방사선만이 검출기에 도달하고 이 애퍼처를 통과하지 않는 방사선은 차폐되도록 상부와 하부는 통상 차폐물(16, 17)에 의해 커버될 필요가 있다.

임의의 감마선 센싱 센서(10, 12, 13)와 함께 압축 센싱 감마선 이미저가 사용될 수 있다. NaI(Sodium Iodide), CsI(Caesium Iodide), BGO(Bismuth Germanate), CdTe(Cadmium Telluride), CZT(Cadmium Zinc Telluride), HPGe(High Purity Germanium), SrI₂(Strontium Iodide) 및 CLYC와 같은 물질에 기초한 일반적인 감마선 검출기 시스템이 사용될 수 있다. 각 측정된 광자의 에너지를 결정하는 분광 검출기가 이미징되는 방사성 핵종을 식별하는데 사용될 수 있다. 총 카운트를 레코드하는 비-분광 검출기는 방사선 핫스팟에 대한 일반적인 정보를 제공한다. 선량률계(dose rate meter)와 같은 다른 방사선 검출 장비가 센서로 사용될 수 있고, 이 경우에 시야의 선량을 맵핑할 수 있다.

바람직한 실시예는 검출되는 각 감마선 광자의 에너지를 측정하는 분광 검출기를 사용한다. 임의의 특정 에너지 빈(energy bin) 또는 에너지 빈 범위로부터 광자 카운트 값은 측정값 세트로부터 관찰된 데이터로 사용될 수 있다. 관심 있는 주어진 피크 구역(예를 들어, 60 keV ²⁴¹Am 라인)에 대해 관찰된 광자 카운트 데이터를 재구성하면, 방사성 핵종이 존재하는 경우, ²⁴¹Am의 위치를 제공할 수 있다. 관심 있는 추가적인 구역에 대해 관찰된 광자 데이터를 재구성하면, 추가적인 방사성 핵종의 위치를 제공할 수 있다.

임의의 중성자 센싱 센서 또는 센서들(10, 12, 13)과 함께 압축된 센싱 중성자 이미저가 사용될 수 있다.

CLYC를 포함하지만 이로 제한되지 않는 이중 방식(dual modality) 센서(10, 12, 13)가 감마선과 중성자 모두의 변조를 측정하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 내용은 적절한 마스크와 검출기를 사용하는 것에 의해 임의의 파장(또는 임의의 입자)의 방사선에도 적용될 수 있는 것으로 이해된다.

마스크 및 마스크 애퍼처

마스크 패턴 개구 또는 애퍼처는 바람직하게는 행과 열로 배열된다. 마스크 패턴 개구(18)의 위치는, 예를 들어, 랜덤하게 생성될 수 있다. 예를 들어, 16 x 16의 가능한 애퍼처 마스크에는 총 256개의 애퍼처가 있다. 랜덤 수 생성기가 1 내지 256의 애퍼처 수 중에서 128개를 랜덤하게 선택하는데 사용된다. 이 128개의 수는 개방된 애퍼처인 것으로 설정된다. (원래 256개의 수 중에서) 나머지 128개의 위치는 0인 (폐쇄된) 것으로 설정된다. 이것은 50% 개방된 마스크 패턴을 제공한다. 마스크의 열이 색인되거나 또는 회전되는 회전 마스크에서, 개방되거나/폐쇄된 애퍼처를 랜덤하게 선택하는 것은 전체 마스크가 아니라 각 행에 대해 이루어질 수 있다. 이것은 각 마스크 행이 (예를 들어) 50% 개방된 것을 보장하고, 이것은, 행이 너무 많거나 또는 너무 적은 개수의 개방된 애퍼처를 가져서 이미지 재구성에 영향을 미칠 수 있는 상황을 방지할 수 있다.

시스템의 기하학적 형상은 공간적 해상도를 한정할 수 있다. 애퍼처 사이즈는 바람직하게는 검출기 크기 이상이어야 한다. 예를 들어, 시스템은 0.5cm x 0.5cm의 크기를 갖는 애퍼처(18)를 구비할 수 있고, 검출기의 단면적은 또한 0.5cm x 0.5cm 이하이어야 한다. 검출기가 마스크로부터 멀면 멀수록, 공간적 해상도가 더 좋아진다.

애퍼처의 크기보다 더 큰 크기를 갖는 검출기가 사용될 수 있으나, 이 경우에는 인접한 애퍼처의 시야들 사이에 오버랩(overlap)이 증가된다. (공간적 해상도의 저하/흐려짐(degradation/blurriness)을 나타내는) 이 오버랩은 마스크의 응답 함수를 디콘볼루션(deconvolving)하는 것에 의해 제거될 수 있다.

바람직한 애퍼처 단면 형상은 정사각형이다. 애퍼처의 바람직한 개수는 2의 멱수(즉, 64, 128, 256, 512, 1024) 개이지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 마스크 애퍼처들 사이에 분리가 없거나 최소인 것이 바람직하다.

마스크의 두께는 응용 분야에 따라 좌우된다. 고에너지 광자(예를 들어, ⁶⁰Co로부터 1.3 MeV 광자)를 이미징하기 위해, 총 마스크 두께가 2cm인 납은 1.3 MeV 광자의 대략 72%를 감쇠시킬 수 있다.

마스크 물질은 입사하는 방사선의 세기를 충분히 변조할 수 있는 몸체 물질(body material)로 만들어진다. 고에너지 감마선에 대해 감마선 방사선을 흡수(감쇠)할 수 있는 이 물질은 일반적으로 원자 번호(Z)가 높을 수 있고, 밀도가 높을 수 있다. 일반적인 물질은 텅스텐, 납, 금, 탄탈륨, 하프늄, 및 그 합금 또는 복합물(즉, 3D 인쇄 - 텅스텐 분말과 에폭시의 혼합)을 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다. 저에너지 감마선 광자에 대해서는, 광자의 세기를 변조하는데 강철과 같은 낮은 내지 중간 Z 물질도 충분하다. 바람직한 실시예에서 마스크 물질은 광자를 감쇠시켜 광자의 세기를 변조할 수 있다. 다른 실시예에서는, 광자의 세기를 상당히 변조할 수 있는 경우, 콤프턴 산란(Compton scattering)과 같은 다른 상호작용 메커니즘을 사용할 수 있다.

중성자 방사선을 이미징하기 위해, 마스크 몸체는 중성자 세기를 변조할 필요가 있어서, 마스크 물질은 높은 중성자 상호작용 단면을 요구한다. 중성자 마스크 몸체 물질은 하프늄(Hafnium), 가돌리듐(Gadolinium), 카드뮴, 붕소로 도핑된 물질, 수소가 풍부한 물질, 및 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다.

마스크는 감마선과 중성자를 모두 변조할 수 있는 물질로 설계될 수 있다. 하프늄과 같은 단일 물질이 감마선과 중성자의 세기를 모두 변조하는데 적절할 수 있다. 다수의 물질, 예를 들어, 텅스텐과 카드뮴의 조합을 사용하면, 감마선과 중성자의 세기를 모두 변조하는데 적절할 수 있다. 감마선 마스크에 대해, 개방된 애퍼처는 감마선 세기의 변조에 영향을 미치지 않는 수소가 풍부한 일부 물질로 구성될 수 있다. 이 수소가 풍부한 애퍼처는 중성자 마스크에 대해 폐쇄된 애퍼처 또는 변조 구역을 나타낼 수 있다. 더 나아가, 이 마스크 물질은 임의의 EM 파장(즉, 가시광, 적외선, THz 등) 또는 임의의 입자(즉, 전자, 양성자 등)의 세기를 변조하는데 사용될 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 코딩된 마스크는 감마선과 중성자를 개별적으로 모두 변조할 수 있는데, 즉, 일부 마스크 구역은 감마선만을 차단하는데 사용되고, 일부 마스크 구역은 중성자만을 차단하는데 사용된다. 도 11의 예에서, (흑색으로 표시된) 마스크 구역의 하나의 서브세트는 감마선만을 변조하는 물질로 제조된다. (백색으로 표시된) 마스크 구역(92)의 다른 서브세트는 중성자만을 변조시키고 감마선을 변조시키지는 않는다. 이런 유형의 마스크는 본 명세서에 개시되거나 제안된 기술과 물질, 형상 또는 구성 중 임의의 것에 따라 제조될 수 있다.

마스크는 단수 개 또는 다수 개일 수 있고, 네스트된, 직사각형, 원형, 아치형, 반구형 또는 구형일 수 있다. 코딩된 마스크를 센싱하는데 요구되는 연속적인 측정은, 현재 마스크를 새로운 마스크로 교체하는 것에 의해 또는 마스크 또는 마스크들을 일부 회전시키는 것에 의해 획득된 새로운 마스크 패턴을 요구한다. 평탄한 마스크 형상은 전방향(forward direction)만을 볼 때 제한된 시야를 가지는데, 여기서 시야 각도는 검출기와 마스크의 기하학적 형상으로 결정된다.

아치형, 원통형 또는 구형 마스크의 잇점은 큰 시야(field of view: FOV)가 가능하다는 것이다. 현재 상업적으로 이용가능한 핀홀/코딩된 애퍼처 감마선 카메라는 대략 30° 내지 40°의 수평 및 수직 FOV를 가진다. 직립 원통형 마스크 실시예는 360°의 수평 FOV를 가지고, 반구형 마스크 실시예는 2πFOV를 가지고, 구형 마스크 실시예는 근 4πFOV를 가진다. 다른 실시예에서는, 타원면, 원추형, 입방체 또는 육각형 형상의 마스크를 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다.

단일 원통형 마스크 실시예의 경우에, 마스크를 하나의 열만큼 회전시키면, 새로운 측정을 위해 원하는 FOV를 보는 새로운 마스크 패턴을 구성할 수 있다. 단일 원통형 마스크 실시예에서, 방사선 차폐물은 FOV를 제한하는데 사용될 수 있고, 그리하여 많은 수의 열(column)을 가져서 더 많은 측정을 가능하게 할 수 있다(도 2 참조). 단일 원통형 마스크 접근법의 단점은 더 많은 측정을 수행하는데 더 많은 열이 요구되어, 원통의 직경과 전체 시스템의 물리적 사이즈를 증가시킨다는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 마스크 몸체(35, 36)가 컴퓨터(22)에 의해 독립적으로 이동하거나 색인될 수 있는, 마스크 내에 네스트된 마스크를 사용하는 접근법(또는 이중 또는 다수의 마스크 접근법)에 의해, 2개의 마스크 패턴으로부터 가능한 조합의 개수로부터 훨씬 더 많은 측정을 할 수 있다. 바람직한 실시예에서 이중 마스크 접근법은 원통 내에 원통이 있는 것으로 구성될 수 있다(도 3 참조). 각 마스크는, 검출기가 위치될 수 있는 센싱 축 또는 이미징 축 주위로, 도 2의 단일 마스크에 대해 제안된 방식으로 독립적으로 회전된다. 많은 개수의 마스크 패턴(및 그리하여 많은 개수의 측정)은 360° FOV를 이미징할 수 있는 (하나의 원통 내에 열의 총 개수가 더 적은) 보다 콤팩트한 시스템을 가능하게 한다. 이중 반구형 및 구형의 마스크 설계에 대하여 유사한 논증(argument)이 또한 이루어질 수 있다. 이중 마스크 접근법에서, 마스크에서 결합된 개방된 부분은 50%에 근접할 수 있으나, 이것은 마스크가 회전할 때 변할 수 있다. 하나의 마스크는 다른 마스크가 단일 열에 의해 색인되기 전에 1회전에 대한 회전 각도로 색인될 수 있어서, 열의 개수의 제곱인 개수의 가상 마스크(virtual mask)를 생성한다. 다른 실시예에서 마스크는 교번하는 배열 또는 비-교번하는 배열로 하나의 열만큼 반대방향으로 회전된다. 각 가상 마스크는 그 다음 마스크가 생성되기 전에 방사선을 측정하기 위해 사용된다. 각 마스크는 하나의 방향으로만 회전할 필요가 있다.

마스크 애퍼처의 단면 형상 또는 사영된 형상은 정사각형, 직사각형, 원형, 삼각형, 및 육각형을 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다. 마스크 애퍼처들 사이에 분리가 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 단일 마스크 시스템의 바람직한 실시예에서, 마스크 애퍼처 형상은 정사각형이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이중 마스크 실시예에서 내부 마스크(30)와 외부 마스크(31)는 검출기(33)에 대해 동일한 FOV를 생성하도록 내부 마스크와 외부 마스크가 테이퍼(32)지도록(그러나 그 에지에 대해 정렬되도록) 이들 마스크의 크기와 배향이 상이할 수 있다. 이 애퍼처(34)의 3차원 형상은 사다리꼴 프리즘과 원추형을 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다.

도 5에 도시된 바와 같이, 개방된 애퍼처는, 연속적인 개방 구조를 오버랩시키는 것에 의해, 하나의 마스크 상에 나선형 라인(41)으로 형성되거나 또는 일부 다른 구조 형태로 및 다른 마스크 상에 수직 슬릿(43)과 같은 다른 형상으로 형성될 수 있다. 서로에 대해 마스크(42, 44)를 회전시키면, 코딩된 애퍼처를 생성할 수 있다.

마스크 패턴은 랜덤하거나, 의사-랜덤(pseudo-random)하거나, 비-랜덤하거나 또는 설계시 결정될 수 있다. 마스크 패턴은 일반적으로 작업할 압축된 센싱을 위한 한정된 조건을 충족하는데 요구될 수 있다. 마스크 패턴의 표현은 행렬 형태로 재구성 공정에 사용될 수 있다. 재구성에 사용되는 센싱 행렬은 순환(Circulant) 행렬 또는 토플리츠(Toeplitz) 행렬일 수 있고, 이는 더 빠른 연산 시간을 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에서 의사-랜덤한 마스크 패턴이 생성되고, 여기서 각 마스크 요소는 1 (개방된 - 100% 투과) 또는 0 (폐쇄된 - 0% 투과)과 동일한 확률을 가진다. 폐쇄된 마스크 요소에 대해 퍼센트 투과는 100% 미만의 일정 값, 예를 들어, 바람직하게는 0% 이어야 하지만, 50%의 투과가 세기를 효과적으로 변조하여 이미지를 재구성하기에 여전히 충분할 수 있다. 이 퍼센트 투과는 보다 고에너지 감마선의 증가된 투과 특성과 관련된다. 예를 들어, 10mm 납으로 구성된 폐쇄된 마스크 요소는 60 keV 감마선 광자에 대해 0% 투과를 가질 수 있으나, 그 퍼센트 투과는 1332 keV 감마선 광자에 대해서는 대략 53%일 수 있다. 개방된 애퍼처와 폐쇄된 애퍼처에 대한 투과 퍼센트는 서로 너무 근접해 있어 이미지를 재구성할 만큼 충분히 광자 세기를 변조할 수 있는 점이 있을 수 있다. 일례로서, 개방된 애퍼처와 폐쇄된 애퍼처에 대해 각각 100%와 90%의 투과 퍼센트는 서로 너무 근접해 있어 광자 세기를 충분히 변조할 수 있다. 주어진 에너지에 대해 마스크 내에 2개를 초과하는 투과 레벨이 있을 수 있고, 예를 들어, 3개의 투과 레벨은 33%, 66% 및 100%일 수 있다. 다른 투과 레벨은 25%, 50%, 75% 및 100% 또는 .16%, 4% 및 100%일 수 있다. 후자의 예에서, 2개의 더 낮은 투과 상태는 근접해 있는 것에 의해, 3개의 투과 레벨이 효과적으로 2개의 레벨과 유사하게 되어서, 잠재적으로 더 신속한 재구성 시간, 더 높은 품질 재구성, 및 더 적은 측정을 제공한다. 이 투과 레벨은 0% 내지 100%에서 2개 이상의 레벨을 커버할 수 있다. 센싱 행렬 값은 특정 감마선 에너지에 대한 감쇠 값일 수 있다. 상이한 감쇠 값 및 그리하여 상이한 센싱 행렬은 상이한 감마선 에너지를 재구성하는데 사용될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 마스크 구조가 자가 지지(self-supporting)되도록 하는 마스크 패턴이 임의의 형상의 마스크에 생성될 수 있다. 예를 들어, 부유하는 또는 부착되지 않은 "폐쇄된" 요소(50)의 어레이를 갖는 마스크 패턴이 비-마스크 기판(51)에 고정되거나, 접착되거나 또는 부착된다. 따라서, 방사선에 불투명한 마스크 요소(50)는 기판(51)에 의한 것 외에는 서로 부착될 필요가 없다. 대안적으로, 기판(51)을 요구하지는 않지만, 외부 폐쇄된 요소(50)가 공통 구조에 부착될 것을 요구하는, 부유하는 또는 부착되지 않은 "폐쇄된" 요소(50)를 갖지 않는 마스크 패턴이 선택될 수도 있다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 마스크 또는 마스크들은 반구형, 구형 또는 구형의 일부, 예를 들어, 임의의 주어진 할선(secant) 평면 위의 캡(cap) 또는 선택적으로 2개의 평면들 사이의 단편일 수 있다. 도 7은 구형 캡의 형상인 2개의 네스트된 동심 마스크, 내부 캡(61), 및 외부 캡(62)을 도시하고, 이 내부 캡과 외부 캡은 공통 평면에서 둘 모두의 림(rim)(또는 최저 행)을 갖는 반구형이다. 하나 또는 두 개의 마스크(61, 62)는 데이터 샘플링 위치로 회전되고, 여기서, 데이터가 샘플링되거나 또는 요구될 때, 둘 모두의 열(63, 64)과 행이 정렬되거나 또는 정합(in registry)된다. 둘 모두는 동일한 수의 열과 행을 가진다. 각 행은 2개의 평행한 평면들 사이에 구형 영역을 차지한다. 하나의 예에서, 내부 반구형 마스크(61)는 하나의 방향으로 하나의 열만큼 색인되고, 외부 마스크(62)는 도 3에 따라 반대 방향으로 단일 열만큼 한정된 각도만큼 색인되거나 회전된다. 하나의 마스크가 고정되고 다른 마스크가 이동하는 것에 비해, 두 마스크가 동시에 이동하면, 마스크 요소가 개방되거나 또는 폐쇄되는 변형 상태가 더 많이 제공될 수 있다. 이 배열에 의해 단일 검출기는 코딩된 마스크로 림(65, 66)을 포함하는 평면 위 전체 공간을 이미징할 수 있다.

도 8 및 도 9는 구형 및 동심형인 2개의 마스크 또는 선택적으로 2개의 쌍의 네스트된 마스크들(71, 72)의 사용을 도시한다. 이런 방식으로, 중심 검출기 또는 검출기들 주위 모든 공간이 이미징될 수 있다. 각 구형 마스크 또는 마스크 쌍(71, 72)은 도 7에 도시된 바와 같이 2개의 반구형 마스크 또는 마스크 쌍으로 형성될 수 있다. 이 배열에서 각 마스크는 시스템의 컴퓨터(22)에 의해 구동되는 턴테이블 또는 스테퍼 모터 배열을 포함하는 자체 구동 시스템을 가진다(도 2 참조).

마스크 기하학적 형상의 설계

마스크 설계는 해당 방사선 이미징 응용의 요구조건에 의해 지정될 수 있다. 시스템의 기하학적 형상은 공간적 해상도, FOV, 및 감도와 같은 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다. 중요한 기하학적 형상 파라미터는 검출기 크기, 검출기로부터 마스크까지의 거리, 애퍼처 크기(즉, 두께, 길이 및 폭), 마스크로부터 소스까지의 거리, 격벽의 두께, 마스크 애퍼처의 개수, 및 검출기의 중심과 2개의 인접한 마스크 애퍼처가 이루는 각도를 포함한다. 예를 들어, 더 작은 마스크 애퍼처는 더 높은 공간적 해상도를 제공한다.

재구성 알고리즘

다수의 재구성 알고리즘이 압축된 센싱을 위해 사용되어 왔다. 예를 들어, 구배 사영 방법, 반복 수축(iterative shrinkage)/임계값 설정(thresholding) 방법, 및 매칭 추구(matching pursuit) 방법이 있다. R. M. Willett, R. F. Marcia 및 J. M. Nichols, Compressed Sensing for Practical Optical Imaging Systems: a Tutorial, Optical Engineering Vol. 50(7), July 2011 참조. 이들 방법 중 임의의 것 또는 일부 다른 적절한 방법이 압축된 센싱 측정을 재구성하는데 사용될 수 있다. ANSTO 압축된 센싱 구현은 희소 재구성(Sparse Reconstruction)(GPSR) 알고리즘을 위한 구배 사영을 사용한다. Gradient Projection for Sparse Reconstruction: Application to Compressed Sensing and Other Inverse Problems, by M. A. Figueiredo, R. D. Nowak, S. J. Wright, Journal of Selected Topics in Signal Processing, December 2007 참조.

이미지 융합

압축 센싱 측정 후에 생성된 감마선 이미지는 동일한 시야에 정합된 광학 이미지와 오버레이(overlayed)될 수 있다. 중성자 이미지는 광학 이미지와 오버레이될 수 있다. 광학 이미지와 방사선 이미지를 오버레이하면, 사용자가 방사선 소스의 위치를 시각화하는 것을 도와줄 수 있다. 방사선 이미지는 임의의 다른 파장(즉, 적외선)의 이미지와 오버레이될 수 있다.

방법

도 10에 도시된 바와 같이, 소스는 방사선(80)을 방출한다. 이 방사선(80)은 전술된 바와 같이 마스크 또는 마스크들(81)을 통과한다. 시스템의 컴퓨터(22)에 의해 검출기(10)는 동작 검출기(82)를 동작시키거나 이 동작 검출기로부터 판독을 수행한다. 검출기는 측정된 값(83)을 컴퓨터(22)로 전달한다. 컴퓨터는 마스크 또는 마스크들의 값과 위치를 저장하고, 이 값과 위치를 사용하여 이미지로 재구성될 수 있는 데이터를 편집할 수 있다. 컴퓨터에 의해 모터 또는 모터들은 마스크 또는 마스크들을 제어하여 그 다음 측정 위치로 회전하거나 색인된다. 공정이 반복될 때, 방사선은, 실제, 새로운 마스크 또는 마스크 배향(81)을 통과한다.

본 발명은 특정 예를 참조하여 설명되었으나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 많은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 공통인 대상을 설명하기 위해, 서수 형용사 "제1", "제2", "제3", 등을 사용하는 것은, 단지, 동일한 대상이 상이한 경우를 나타내는 것일 뿐, 그렇게 설명된 대상이, 주어진 시퀀스로, 시간적으로, 공간적으로, 순서로, 또는 임의의 다른 방식으로 있어야 하는 것을 의미하는 것으로 의도된 것이 아닌 것을 나타낸다. 본 명세서에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "예"라는 언급은 이 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에 "일 실시예에서" 또는 "예에서"라는 어구의 등장은 모두 동일한 실시예 또는 예를 나타낼 수도 있으나, 반드시 동일한 실시예 또는 예를 의미하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특징, 구조 또는 특성들은, 하나 이상의 실시예에서 본 발명으로부터 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 명백할 수 있는 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

유사하게 본 발명의 예시적인 실시예의 상기 설명에서, 본 발명의 여러 특징들은 종종 본 발명을 간결하게 하기 위해 및 여러 본 발명의 측면들 중 하나 이상의 측면을 이해하는 것을 도와주기 위해 본 발명의 단일 실시예, 도면, 또는 설명에서 함께 그룹화된 것으로 이해된다. 그러나, 본 발명의 방법은, 청구된 발명이 각 청구항에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 다음 청구항이 반영하듯이, 본 발명의 측면은 단일 상기 설명된 실시예의 모든 특징보다 더 적다. 상세한 설명에 따라 오는 임의의 청구항은 본 상세한 설명에 명시적으로 포함된 것이고, 각 청구항은 본 발명의 별도의 실시예로 각자 존재한다.

구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 다음 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 명세서 전체에 걸쳐 "처리", "컴퓨팅", "계산", "결정" 등과 같은 용어를 사용하는 설명은, 데이터를 조작하거나 및/또는 변환하는 마이크로프로세서, 제어기 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 유사한 전자 컴퓨팅 또는 신호 처리 디바이스의 액션 및/또는 공정을 말하는 것으로 이해된다.

나아가, 본 명세서에서 설명된 일부 실시예는 다른 실시예에 포함된 다른 특징을 제외한 일부를 포함하지만, 상이한 실시예들의 특징들의 조합은 본 발명의 범위 내에 있는 것을 의미하고, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해되는 바와 같이 상이한 실시예를 형성한다. 예를 들어, 다음 청구항에서, 청구된 실시예 중 임의의 실시예는 임의의 조합으로 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예인 것으로 생각되는 사항들이 설명되었으나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 다른 변형과 추가적인 변형이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이고, 이러한 모든 변화와 변형은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

본 발명은 특정 구성 상세를 참조하여 개시되었으나, 이들 상세는 본 발명의 사상과 범위를 제한함이 없이 단지 예시를 위하여 제공된 것으로 이해되어야 한다.

Claims (19)

1. 입사하는 방사선을 압축 센싱하는데 사용되는 마스크 장치로서,
   하나 이상의 코딩된 마스크(coded mask)를 포함하고, 각 마스크는 상기 입사하는 방사선의 세기를 변조하는 물질로 형성되는 몸체(body)를 구비하고;
   하나 이상의 마스크 각각은 압축 센싱 측정을 허용하기에 충분한 하나 이상의 코딩된 마스크의 다른 부분과 관계하는 방사선의 더 높은 전달을 허용하는 복수의 마스크 애퍼처 구역(aperture region)을 구비하며;
   하나 이상의 상기 코딩된 마스크는 회전하도록 구성되며; 그리고
   상기 장치는 하나 초과의 코딩된 마스크를 포함하며, 상기 코딩된 마스크 중 적어도 하나는 상기 코딩된 마스크 중 다른 하나에 대하여 회전하도록 구성되는,
   마스크 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마스크 장치는 두 개의 코딩된 마스크를 갖는,
   마스크 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   i) 하나 이상의 마스크는 원통형이거나,
   ii) 하나 이상의 마스크는 반구형, 구형의 세그먼트 또는 구형이거나,
   iii) 하나 이상의 마스크는 반구형이고 상기 마스크 장치는 2π 의 시야를 가지거나, 또는
   iv) 하나 이상의 마스크는 구형이고 상기 마스크 장치는 4π 의 시야를 갖는,
   마스크 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   하나 이상의 마스크 각각은 상부와 하부를 구비하고, 상기 마스크 장치는 입사하는 방사선의 세기를 변조하는 방사선 차폐물을 더 포함하고,
   상기 방사선 차폐물은 상기 마스크의 상부와 하부를 커버하는,
   마스크 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   하나 이상의 상기 마스크 각각의 복수의 마스크 애퍼처 구역은 2의 멱수와 같은 개수인,
   마스크 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   하나 이상의 마스크는,
   i) 텅스텐, 납, 금, 탄탈륨, 하프늄 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료;
   ii) 입사하는 감마 방사선을 변조하는 재료;
   iii) 입사하는 광학 방사선을 변조하는 재료;
   iv) 입사하는 적외선 또는 THz 파장 방사선을 변조하는 재료;
   v) 입사하는 중성자 방사선을 변조하는 재료; 또는
   vi) 입사하는 감마 방사선과 중성자를 변조하는 재료;로부터 형성되는,
   마스크 장치.
7. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 마스크 각각은 입사하는 감마 방사선과 중성자 모두를 변조하는 재료로부터 형성되고,
   상기 마스크 애퍼처 구역의 일부는 감마선을 변조하는 영역이고,
   상기 마스크 애퍼처 구역의 일부는 중성자를 변조하는 영역인,
   마스크 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   복수의 마스크를 포함하고, 상기 복수의 마스크는 동심인,
   마스크 장치.
9. 제1항에 있어서,
   입사하는 방사선의 세기를 변조하는 재료로 형성되고 하나 이상의 마스크를 에워싸는 방사선 차폐물을 더 포함하고,
   상기 방사선 차폐물은 하나 이상의 코딩된 마스크 내에 위치되는 방사선 센서의 시야를 한정하는 개구를 갖는,
   마스크 장치.
10. 제9항에 있어서,
    하나 이상의 마스크 각각은 상부와 하부를 가지며, 상기 마스크 장치는 입사하는 방사선의 세기를 변조하는 추가 방사선 차폐물을 더 포함하고 상기 추가 방사선 차폐물은 상기 마스크의 상부와 하부를 커버하는,
    마스크 장치.
11. 방사선 검출방법에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 기재된 마스크 장치 및 적어도 하나의 방사선 센서로 하나 이상의 방사선 소스의 압축된 센싱 측정을 하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 코딩된 마스크 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함하며,
    상기 마스크 장치가 하나 초과의 코딩된 마스크를 포함할 때 상기 방법은 코딩된 마스크 중 적어도 하나를 코딩된 마스크 중 다른 하나에 대하여 회전시키는 단계를 포함하며; 그리고
    하나 이상의 방사선 소스로부터의 입사하는 방사선은, 적어도 하나의 방사선 센서에 의한 검출 전에 하나 이상의 코딩된 마스크를 관통하는,
    방사선 검출방법.
12. 제11항에 있어서,
    i) 하나 이상의 마스크는 원통형이거나,
    ii) 하나 이상의 마스크는 반구형, 구형의 세그먼트 또는 구형이거나,
    iii) 하나 이상의 마스크는 반구형이고 상기 마스크 장치는 2π 의 시야를 가지거나, 또는
    iii) 하나 이상의 마스크는 구형이고 상기 마스크 장치는 4π 의 시야를 갖는,
    방사선 검출방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 검출방법은 압축 센싱 재구성 알고리즘을 사용하여 압축 센싱 측정으로부터의 방사선 이미지 데이터를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 압축 센싱 재구성 알고리즘은:
    

    

    구배 사영 방법,
    

    

    반복 수축/임계값 설정 방법,
    

    

    매칭 추구 방법, 또는
    

    

    희소 재구성(GPSR) 알고리즘을 위한 구배 사영을 포함하는,
    방사선 검출방법.
14. 제11항에 있어서,
    상기 검출방법은 원전 해체, 오염 제거, 환경 모니터링, 의료 이미징, 천문학 및 국가 안보 응용을 포함하는,
    방사선 검출방법.
15. 압축 센싱 방사선 이미저에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 기재된 마스크 장치; 및
    상기 마스크 장치 내에 위치되는 적어도 하나의 방사선 센서를 포함하며,
    상기 이미저는 압축 센싱 측정을 형성하고 상기 압축 센싱 측정으로부터 방사선 이미지 데이터를 생성하도록 구성되는,
    압축 센싱 방사선 이미저.
16. 제15항에 있어서,
    상기 이미저는 압축 센싱 재구성 알고리즘을 사용하여 압축 센싱 측정으로부터의 방사선 이미지 데이터를 생성하도록 구성되며, 상기 압축 센싱 재구성 알고리즘은:
    

    

    구배 사영 방법,
    

    

    반복 수축/임계값 설정 방법,
    

    

    매칭 추구 방법, 또는
    

    

    희소 재구성(GPSR) 알고리즘을 위한 구배 사영을 포함하는,
    압축 센싱 방사선 이미저.
17. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 방사선 센서는,
    i) 적어도 하나의 감마 방사선 센서 ― 상기 방사선 이미저는 감마 방사선 이미저를 구성함 ―;
    ii) 적어도 하나의 중성자 방사선 센서 ― 상기 방사선 이미저는 중성자 방사선 이미저를 구성함 ―;
    iii) 적어도 하나의 감마 방사선 센서 및 적어도 하나의 중성자 방사선 센서 ― 상기 방사선 이미저는 감마 방사선과 중성자 방사선 이미저를 구성함 ―; 또는
    iv) 적어도 하나의 이중방식센서;를 포함하며,
    상기 이중방식센서는 감마선과 중성자 모두를 검출하는,
    압축 센싱 방사선 이미저.
18. 제15항에 있어서,
    광학, 적외선 또는 다른 파장 이미지를 캡쳐하고 이미지 데이터를 출력하도록 추가로 구성되는,
    압축 센싱 방사선 이미저.
19. 제18항에 있어서,
    상기 이미저는, 방사선 이미지 데이터와 공통시야에 대응하는 이미지 데이터를 중첩하도록 구성되는,
    압축 센싱 방사선 이미저.

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