KR102527267B1 - The method of deriving the optimal structure of a detector configured in a three-dimensional distribution imaging device of radionuclide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 특성(핵종 종류/방사능)과 방사성핵종의 분포(깊이/위치)를 평가할 수 있는 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기에 대한 구조 설계 시, 영상해상도 및 영상효율에 직접적인 영향을 미치는 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께에 대한 영상장치 성능 최적화 조건을 도출할 수 있는 효과적인 기준 및 방법을 제공하고, 검출기에 대한 부적절한 구조적 특성으로 영상장치의 성능을 저하시키거나, 불필요한 검출기 두께 사용에 따른 경제적 손실을 방지할 수 있도록 한다.The present invention relates to a method for deriving an optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector.
To this end, the present invention is a three-dimensional distribution imaging device that can evaluate the characteristics (nuclide type / radioactivity) and the distribution (depth / location) of radionuclides present inside structures such as nuclear power plant concrete. When designing a structure for a detector, Provides an effective standard and method to derive imaging device performance optimization conditions for the distance between the scattering and absorbing portion detectors and the thickness of each detector in the imaging device, which directly affect image resolution and imaging efficiency, As a characteristic, it is possible to reduce the performance of the imaging device or prevent economic loss due to the use of unnecessary detector thickness.
Description
본 발명의 실시예는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사성핵종의 삼차원 분포 영상장치의 영상해상도 및 영상효율에 직접적인 영향을 미치는 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께에 대한 구조적 특성을 Geant4 전산코드로 모델링하여 영상장치 내 검출기의 구조적 특성에 따른 해당 영상해상도 및 영상효율을 효과적으로 도출하고, 영상장치 내 검출기의 구조적 특성별로 서로 양립할 수 없는 특성을 가지는 영상해상도 및 영상효율 두 인자에 대한 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)와 영상장치 내 검출기의 구조적 특성별 경제적 비용지수를 종합적으로 고려하여 영상장치 내 검출기에 대한 최적구조를 효율적으로 도출할 수 있도록 한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a method for deriving an optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector, and more particularly, a scattering unit in an imaging device that directly affects the image resolution and imaging efficiency of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device. and the distance between the detectors of the absorbing part and the structural characteristics of each detector thickness are modeled with Geant4 computer code to effectively derive the corresponding image resolution and image efficiency according to the structural characteristics of the detectors in the imaging device, and each structural characteristic of the detectors in the imaging device The optimal figure of merit (FOM) for the two factors of image resolution and image efficiency, which have incompatible characteristics, and the economic cost index for each structural characteristic of the detector in the image device are comprehensively considered. This is to make the structure more efficient.
주지하다시피 국내를 포함하여 전 세계적으로 원전 노후화로 인한 영구 정지 원전 수가 증가함에 따라 원전 해체시장은 지속적으로 증가되고 있다. As is well known, the nuclear power plant decommissioning market is continuously increasing as the number of permanently shut down nuclear power plants due to deterioration of nuclear power plants increases worldwide, including in Korea.
상기 원전 해체 작업 시, 천문학적인 해체 비용을 절감하고 해체 작업자의 안전을 확보하기 위해서는 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 특성(핵종 종류/방사능)과 방사성핵종의 분포(깊이/위치)를 정확하게 결정하는 것이 매우 중요하다.In order to reduce astronomical dismantling costs and secure the safety of dismantling workers during the nuclear power plant dismantling work, the characteristics of radionuclides (nuclide type / radioactivity) and the distribution (depth / location) of radionuclides present inside structures such as nuclear power plant concrete It is very important to accurately determine
상기 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 특성(핵종 종류/방사능)과 방사성핵종의 분포(깊이/위치) 정보는 산란부와 흡수부로 구분되는 위치민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상 기법을 사용하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치를 활용하여 획득할 수 있으며, 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 분포(깊이/위치) 평가 정보에 대한 정확성은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치의 영상효율 및 영상해상도와 직접적인 관련이 있다.The radionuclide characteristics (nuclide type/radioactivity) and radionuclide distribution (depth/location) information present inside the structure, such as the nuclear power plant concrete, are divided into scattering and absorbing sections, and a position-sensitive large-area detector and Compton imaging technique It can be obtained by using a radionuclide three-dimensional distribution imaging device that uses radionuclides, and the accuracy of the evaluation information of the distribution (depth/position) of radionuclides present inside structures such as nuclear power plant concrete is the imaging efficiency of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device. and is directly related to image resolution.
상기 영상효율과 영상해상도는 영상장치를 구성하는 구성 검출기의 두께와 산란부 검출기와 흡수부 검출기간의 거리에 의해서 직접적으로 영향을 받으며, 일반적으로 구성 검출기가 두꺼운 경우 영상장치의 효율은 증가하지만, 두께가 두꺼워짐에 따라 구성 검출기의 위치분해능 값은 나빠지기 때문에 이로 인해 영상장치의 영상해상도는 좋지 않게 평가될 수 있다. 반면, 산란부 및 흡수부 검출기간 거리가 멀어지는 경우에는 영상장치의 영상효율을 감소하지만, 구성 검출기의 위치분해능과 에너지분해능이 영상에 미치는 영향이 상대적으로 작아지기 때문에 영상해상도는 더 좋게 평가될 수 있다. 따라서 영상장치 구성 검출기의 두께와 산란부 및 흡수부간 거리는 영상장치의 성능에 복합적으로 영향을 미치는 인자이며, 영상장치의 영상해상도와 영상효율은 서로 양립할 수 없다는 특징을 가진다.The imaging efficiency and image resolution are directly affected by the thickness of the component detector constituting the imaging device and the distance between the scattering detector and the absorbing detector. In general, when the component detector is thick, the efficiency of the imaging device increases. As the thickness increases, the positional resolution of the component detector deteriorates, and therefore, the image resolution of the imaging device may be poorly evaluated. On the other hand, if the distance between the detectors of the scattering part and the absorbing part increases, the image efficiency of the imaging device decreases, but the image resolution can be evaluated better because the effect of the positional resolution and energy resolution of the constituent detectors on the image is relatively small. there is. Therefore, the thickness of the imaging device component detector and the distance between the scattering part and the absorbing part are factors that affect the performance of the imaging device in a complex manner, and the image resolution and image efficiency of the imaging device are incompatible with each other.
또한 영상장치 내 핵심 부품인 검출기는 매우 고가이므로 검출기 두께 증가는 영상장치 제작비용 증가를 초래하므로 검출기 두께 결정 시 검출기 성능과 함께 경제성이 추가적으로 고려되어야 한다.In addition, since a detector, which is a core component of an imaging device, is very expensive, an increase in the thickness of the detector causes an increase in the manufacturing cost of the imaging device. Therefore, when determining the thickness of the detector, economic feasibility as well as performance of the detector must be additionally considered.
특히 종래 기술은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기에 대한 구조 설계 시, 영상해상도 및 영상효율에 직접적인 영향을 미치는 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께에 대한 최적화 조건을 도출할 수 있는 적절한 기준 또는 방법이 마련되어 있지 않아, 부적절한 검출기의 구조적 특성으로 인해 영상장치의 성능이 저하되거나, 불필요한 검출기 두께 사용에 따른 경제적 손실을 초래할 수도 있다. In particular, in the prior art, when designing the structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector, it is possible to derive optimization conditions for the distance between the detectors of the scattering and absorbing portions in the imaging device and the thickness of each detector, which directly affect the image resolution and imaging efficiency. However, the performance of an imaging device may deteriorate due to inappropriate structural characteristics of a detector, or economic loss may occur due to the use of an unnecessary detector thickness.
따라서 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께를 결정하기 위해 종래에는 아래와 같은 일부 선행기술문헌들이 개발되었으나, 서로 양립할 수 없는 영상해상도 및 영상효율과 관련된 상기한 문제점 그리고 경제성과 관련된 문제점을 일거에 해결하지 못하는 커다란 문제점이 있다.Therefore, in order to determine the distance between the detectors of the scattering part and the absorbing part and the thickness of each detector in the radionuclide three-dimensional distribution imaging device, some prior art documents as below have been developed in the past, but the above related to image resolution and image efficiency are incompatible with each other. There is a big problem that cannot solve problems and problems related to economic feasibility at once.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 위치민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상 기법을 사용하여 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 특성(핵종 종류/방사능)과 방사성핵종의 분포(깊이/위치)를 평가할 수 있는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 구조 설계 시, 방사성핵종의 분포(깊이/위치) 평가 정보의 정확성과 관련되고 서로 양립할 수 없는 특성을 가지는 영상해상도 및 영상효율에 직접적인 영향을 미치는 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께에 대한 최적화 성능지수와 검출기 두께에 대한 경제적 비용지수를 효과적으로 도출하고, 이를 활용하여 효율적으로 영상장치 구성 검출기의 최적구조를 도출할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention was devised to solve the problems of the prior art as described above, and the characteristics of radionuclides present inside structures such as nuclear power plant concrete (nuclide type / radioactivity) and radionuclide distribution (depth/location) configuration of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device that can evaluate the distribution (depth/location) of radionuclides when designing the structure of a detector. Effectively derive the optimized figure of merit for each detector thickness and the distance between the scattering and absorbing part detectors in the imaging device, which directly affect the image resolution and image efficiency, and the economic cost index for the detector thickness. Provides a method for deriving the optimal structure of an imaging device configuration detector.
이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법에 관한 것으로, 몬테칼로 전산모사 툴킷인 Geant4를 이용한 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성을 상세히 모델링하는 단계; Geant4 코드를 이용하여 상세하게 모사한 구성 검출기 모델을 이용하여 영상장치 구성 검출기의 두께와 산란부 및 흡수부 검출기간 거리에 따른 영상장치의 영상해상도와 영상효율을 평가하는 단계; 서로 양립할 수 없는 특징을 가지는 영상해상도 및 영상효율 두 인자에 대한 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)를 평가하는 단계; 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 구성 검출기 제작을 위한 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하는 단계; 및 최적화 성능지수와 경제적 비용지수를 종합적으로 고려하여 영상장치 구성 검출기의 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)를 평가하고, 이를 활용하여 영상장치 내 검출기의 최적구조를 도출하는 단계;가 포함됨을 특정으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법을 제공한다.In order to achieve this object, the present invention relates to a method for deriving an optimal structure of a radionuclide 3D distribution imaging device component detector, modeling the structure and characteristics of a 3D distribution imaging device component detector using Geant4, a Monte Carlo computational simulation toolkit; Evaluating the image resolution and image efficiency of the imaging device according to the thickness of the imaging device component detector and the distance between the scattering and absorbing portion detectors using a component detector model simulated in detail using Geant4 code; Evaluating an optimization figure of merit (FOM) for each structural characteristic of an imaging device configuration detector for two factors, image resolution and image efficiency, which have incompatible characteristics; Evaluating an economic cost index (ECI) for manufacturing a component detector for each structural characteristic of an imaging device component detector; and evaluating the Optimal Structure Index (OSI) of the imaging device configuration detector by comprehensively considering the optimization performance index and the economic cost index, and deriving the optimal structure of the detector in the imaging device by utilizing the OSI. Provides a method for deriving the optimal structure of a specific radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector.
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기에 대한 구조 설계 시, 검출기의 구조적 특성에 따라 서로 양립할 수 없는 영상해상도 및 영상효율 두 인자를 모두 고려한 영상장치 성능 최적화를 위한 검출기의 구조적 특성 도출 시에 활용될 수 있고, 검출기의 최적구조 도출 시 추가적으로 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용효과도 함께 고려함으로써 영상장치 구성 검출기에 대한 성능적 측면과 경제적 측면을 모두 만족시킬 수 있는 영상장치 내 검출기 구조의 최적화에 활용될 수 있다.As described above, the present invention is for optimizing the performance of an imaging device considering both the imaging resolution and imaging efficiency factors that are incompatible with each other according to the structural characteristics of the detector when designing the structure of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector. It can be used when deriving the structural characteristics of the detector, and when deriving the optimal structure of the detector, it can satisfy both the performance and economic aspects of the imaging device configuration detector by considering the economic cost effect according to the structural characteristics of the detector. It can be used for optimizing the structure of a detector in an imaging device.
특히 본 발명은 상기한 효과로 인해 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 내 검출기 구조 최적화에 따른 영상장치의 영상해상도 및 영상효율을 최적화시켜, 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 분포(깊이/위치) 평가 정보에 대한 정확성을 향상시킴으로써 원전 해체 시 효과적인 해체전략 수립과 방사선 방호계획 등으로 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있고, 원전 해체 작업 시 불필요한 방사성폐기물 발생을 최소화시켜 해체비용을 저감시키고 방사성폐기물 처분시설 포화로 인한 사회적 우려를 낮춤으로써 원전 관련 분야에 대한 국민적 신뢰 향상에 기여할 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.In particular, the present invention optimizes the image resolution and image efficiency of the imaging device according to the optimization of the detector structure in the radionuclide three-dimensional distribution imaging device due to the above effects, and the distribution (depth/location) of radionuclides present inside structures such as nuclear power plant concrete ) By improving the accuracy of evaluation information, it is possible to improve the safety of workers by establishing an effective decommissioning strategy and radiation protection plan when dismantling nuclear power plants. It is a very useful invention that can contribute to improving public trust in nuclear power-related fields by lowering social concerns due to facility saturation.
이하에서는 이러한 효과 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention for achieving these effects will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명이 적용되는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치의 기본 구성
도면.
도 2 는 본 발명이 적용되는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치의 실제 제품
사진.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 따른 전체적인 영상장치 구성 검출기의 최적구
조 도출 방법을 나타내는 순서도.
도 4 은 본 발명의 실시 예에 따른 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출
과정 중 도 3 의 Geant4 전산코드 활용 영상장치 구성 검출기 구조
및 특성 상세 모델링 단계에 대한 상세 순서도.
도 5 는 본 발명 Geant4 전산코드를 이용하여 모델링한 검출기로, 검출기의
물리적인 구조에 대한 모델링 예이다.
도 6 은 본 발명 Geant4 전산코드를 이용하여 모사한 섬광의 거동으로, 검출
기 모델을 활용한 섬광 거동모사 예이다.
도 7 은 본 발명 검출기 두께와 검출기간 거리에 따른 최적구조지수 분포도
로, 최적구조지수 적용 예이다.
도 8 은 본 발명 검출기간 거리 25 cm 조건에서 구성 검출기 두께에 따른 최
적구조지수 분포도이다.1 is a basic configuration of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device to which the present invention is applied
floor plan.
2 is an actual product of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device to which the present invention is applied
picture.
3 is an optimal sphere of the overall image device configuration detector according to an embodiment of the present invention
Flowchart showing the group derivation method.
4 is an optimal structure derivation of an imaging device configuration detector according to an embodiment of the present invention
Image device configuration detector structure using Geant4 computational code in FIG. 3 during the process
and a detailed flow chart for the feature detailed modeling steps.
5 is a detector modeled using the Geant4 computer code of the present invention,
This is an example of modeling a physical structure.
Figure 6 is the behavior of the flash simulated using the Geant4 computer code of the present invention, detection
This is an example of scintillation behavior simulation using the existing model.
7 is a distribution diagram of the optimal structure index according to the thickness of the present invention detector and the distance between detectors
, which is an example of optimal structure index application.
Figure 8 is the maximum according to the thickness of the configuration detector under the condition of the present invention distance between
It is the red structure index distribution map.
본 발명에 적용된 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법은 도 1 내지 도 8 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.The method for deriving the optimal structure of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector applied to the present invention is configured as shown in FIGS. 1 to 8 .
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described later are terms set in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the producer, so the definitions should be made based on the contents throughout this specification.
또한 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.
먼저, 본 발명은 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조를 도출하는 방법에 관한 것이다.First, the present invention relates to a method of deriving an optimal structure of a three-dimensional distribution imaging device configuration detector of radionuclides present inside a structure such as nuclear power plant concrete.
본 발명이 적용되는 방사성핵종의 삼차원 분포 영상장치는 도 1, 2 에 도시된 바와 같이 NaI(Tl) 섬광체 플레이트(110)와 PMT(Photomultiplier)(12)로 구성된 검출기(Detector head)(10), FPGA(Field Programmable Gate Array) board(20), 고전압공급모듈(30), 휴대용 전원 공급장치 및 영상장치 제어/운영 PC(40)로 구성되어 있다. As shown in FIGS. 1 and 2, the three-dimensional distribution imaging device of radionuclides to which the present invention is applied includes a
상기 검출기(10)는 전단에 위치하여 입사되는 광자와 콤프턴(Compton) 산란반응을 일으키는 산란부 검출기와 후단에 위치하여 산란부 검출부에서 산란된 광자와 흡수반응을 일으키는 흡수부 검출기로 구성되어져 있다. The
상기 각 검출기는 하나의 검출기 프레임 내에 복수개의 유닛검출기가 배치되어 있으며, 유닛검출기는 1개의 단결정 NaI(Tl) 섬광체 플레이트에 복수개의 PMT가 광결합되어 있는 구조를 가진다.Each detector has a plurality of unit detectors disposed in one detector frame, and the unit detector has a structure in which a plurality of PMTs are optically coupled to a single crystal NaI(Tl) scintillator plate.
또한 상기 FPGA board(20)는 각 검출기로부터 발생하는 신호를 획득하고 처리하며, 복수개의 PMT 신호에 대하여 ADC(Analog-to-Digital Conversion)로 샘플링을 수행 한 후 채널별 신호의 최대 높이 정보를 추출하고, 이러한 정보를 영상장치 제어/운영 PC로 전달한다. In addition, the
그리고 상기 고전압공급모듈 및 휴대용 전원 공급장치는 PMT와 FPGA board에 요구되는 전압의 전원을 공급하며, 영상장치 제어/운영 PC는 영상장치를 제어하고 취득되는 정보를 관리한다.Further, the high voltage supply module and the portable power supply supply power of required voltage to the PMT and the FPGA board, and the imaging device control/operating PC controls the imaging device and manages acquired information.
한편, 본 발명이 적용되는 상기 시스템의 용어설명은 다음과 같다.Meanwhile, the terminology of the system to which the present invention is applied is as follows.
NaI(Tl) 섬광체 플레이트(11): 감마(γ)선 측정용으로 미량의 탈륨(Tl)을 함유하는 요드화나트륨(NaI) 결정으로 된 판형태의 신틸레이션 물질.NaI (Tl) scintillator plate 11: A plate-shaped scintillation material made of sodium iodide (NaI) crystals containing trace amounts of thallium (Tl) for measuring gamma (γ) rays.
PMT(Photomultiplier)(12): 광전자증배관.Photomultiplier (PMT) (12): Photomultiplier tube.
FPGA(Field Programmable Gate Array) board(20): 설계 가능 논리 소자와 프로그래밍이 가능한 내부 회로가 포함된 반도체 소자 기판FPGA (Field Programmable Gate Array) board 20: Semiconductor device substrate containing designable logic devices and programmable internal circuits
ADC(Analog-to-Digital Conversion): 연속성 아날로그 신호를 표본화(Sampling), 양자화(Quantizing), 부호화(Encoding)을 거쳐, 이진 디지털 신호(Binary Digital Signal)로 변환하는 장치.ADC (Analog-to-Digital Conversion): A device that converts a continuity analog signal into a binary digital signal through sampling, quantizing, and encoding.
한편 본 발명이 적용되는 상기 영상장치의 구성은 상기에서 설명한 구성품 이외에 다른 추가적인 구성품들이 포함될 수 있다.Meanwhile, the configuration of the imaging device to which the present invention is applied may include other additional components in addition to the components described above.
한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.Meanwhile, the present invention may be variously modified and take various forms in applying the above components.
그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.And it should be understood that the present invention is not limited to the particular forms mentioned in the above detailed description, but rather includes all modifications, equivalents and substitutes within the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. should be understood as
상기와 같이 구성된 본 발명 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.The effect of the method for deriving the optimal structure of the radionuclide three-dimensional distribution imaging apparatus configuration detector of the present invention configured as described above will be described as follows.
우선, 본 발명인 영상장치 내 구성 검출기의 최적구조 도출 방법은 도 3의 순서도로 수행되며, 총 5단계로 구성되어 있다.First of all, the method for deriving the optimal structure of the component detector in the imaging device according to the present invention is performed in the flowchart of FIG. 3 and consists of a total of 5 steps.
우선, 도 3의 1 단계는 Geant4 전산코드를 활용하여 원전 콘크리트와 같은 구조물 내부에 존재하는 방사성핵종의 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성을 상세히 모델링하는 단계로써, 도 4에 본 단계의 상세한 수행 절차 및 내용이 제시되어 있다.First,
상기 Geant4 전산코드를 활용한 검출기 모델링이 완료되면 연속해서 도 3의 2 단계 내지 5 단계를 수행하며, 2 단계는 영상장치 구성 검출기 모델을 활용하여 구조적 특성(두께 및 간격)별 영상해상도 및 영상효율을 평가하는 단계이고, 3 단계는 검출기의 구조적 특성별 영상해상도 및 영상효율 성능평가 결과를 활용하여 각 구조적 특성에 대한 최적화 성능지수를 평가하는 단계이며, 4 단계는 검출기의 구조적 특성별 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하는 단계이고, 마지막 5 단계는 검출기의 구조적 특성별 최적화 성능지수와 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 활용하여 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)를 평가하고, 이를 활용하여 영상장치 구성 검출기의 최적구조를 도출하는 단계이다.When the detector modeling using the Geant4 computer code is completed, steps 2 to 5 of FIG. 3 are continuously performed.
본 발명에 적용된 상기 몬테칼로 전산모사 툴킷인 Geant4를 이용한 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성을 상세히 모델링하는 단계는, 검출기의 물리적 구조를 상세히 모델링하는 단계; 검출기 각 구성요소의 물성 정보를 입력하는 단계; 검출기의 실험적 특성 정보를 입력하는 단계; 및 검출기 기능 구현을 위한 프로그램을 입력하는 단계;로 총 4개의 세부단계로 구분된다.The step of modeling the structure and characteristics of the three-dimensional distributed imaging device configuration detector in detail using Geant4, the Monte Carlo computational simulation toolkit applied to the present invention, includes modeling the physical structure of the detector in detail; inputting physical property information of each component of the detector; inputting experimental characteristic information of the detector; and inputting a program for realizing the detector function; it is divided into a total of four detailed steps.
이하에서 상기한 본 발명의 작용효과를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operational effects of the present invention described above will be described in more detail.
본 발명은 방사성핵종의 삼차원 분포 영상장치의 영상해상도 및 영상효율에 직접적인 영향을 미치는 영상장치 내 산란부 및 흡수부 검출기간 거리와 각 검출기 두께에 대한 구조적 특성을 Geant4 전산코드로 모델링하여 영상장치의 구조적 특성에 따른 해당 영상해상도 및 영상효율을 효과적으로 도출하고, 서로 양립할 수 없는 특성을 가지는 영상해상도 및 영상효율 두 인자에 대한 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)와 검출기의 구조적 특성별 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하고, 이를 종합적으로 고려하여 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)를 평가하고, 이를 활용하여 영상장치 내 검출기의 최적구조를 효율적으로 도출할 수 있도록 한 것이다.In the present invention, the three-dimensional distribution of radionuclides is modeled with Geant4 computer code for the structural characteristics of the distance between the detectors of the scattering and absorbing parts and the thickness of each detector in the imaging device, which directly affect the image resolution and imaging efficiency of the imaging device. Effectively derives the corresponding image resolution and image efficiency according to structural characteristics, and optimizes the figure of merit (FOM) for the two factors of image resolution and image efficiency that have incompatible characteristics and economic cost for each structural characteristic of the detector Evaluate the Economic Cost Index (ECI), consider it comprehensively, evaluate the Optimal Structure Index (OSI) for each structural characteristic of the imaging device composition detector, and utilize it to determine the optimal structure of the detector in the imaging device. This is so that it can be extracted efficiently.
이를 위해 본 발명은 먼저 도 3의 1 단계에서 Geant4 전산코드를 이용하여 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 구조 및 특성을 정밀하게 모델링하는 단계를 거치며, 본 단계에 대한 상세한 수행 절차 및 내용은 도 4에 제시되어 있다. 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치를 구성하는 각 검출기는 크게 섬광체 부분, PMT 부분 및 섬광체와 PMT의 광결합 부분의 세 가지의 주요 요소로 구분되며, 섬광체 부분은 (1) NaI(Tl) 섬광체 플레이트와 (2) 알루미늄 프레임 케이스, 그리고 (3) reflective paint로 구성되며, PMT 부분은 (4) photocathode, (5) PMT case, (6) PMT PCB circuit, (7) PMT 지지를 위한 pillar, (8) holder로 구성된다. 마지막으로, 섬광체와 PMT의 광결합 부분은 (9) optical window와 (10) optical glue, (11) optical grease로 구성되며, 검출기를 구성하는 이러한 11가지 구성 요소의 물리적인 구조를 먼저 상세하게 모델링한다.(도5)To this end, the present invention first goes through the steps of precisely modeling the structure and characteristics of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector using the Geant4 computer code in
상기 검출기의 물리적인 구조에 대한 모델링이 수행되면, 검출기 각 구성요소에 대한 물성 정보를 입력한다. 즉 Geant4 전산코드를 이용하여 검출기에서 발생하는 섬광의 거동을 정밀하게 모사하기 위해서 검출기 구성물질인 NaI(Tl) 섬광물질의 단위 에너지 흡수 당 발생하는 섬광의 양과 발생하는 섬광의 파장 영역, 섬광 발생의 붕괴시간(decay time), NaI(Tl) 섬광물질과 optical window, optical glue, optical grease의 굴절률, reflective paint의 반사면 종류와 반사율, PMT의 광-전자 변환 효율의 특성을 모두 반영한다.(도6)When modeling of the physical structure of the detector is performed, physical property information for each component of the detector is input. That is, in order to accurately simulate the behavior of the scintillation generated by the detector using the Geant4 computer code, the amount of scintillation generated per unit energy absorption of NaI(Tl) scintillating material, the component of the detector, the wavelength range of the scintillation, and the It reflects all characteristics of decay time, NaI(Tl) scintillation material and optical window, refractive index of optical glue and optical grease, reflective surface type and reflectance of reflective paint, and optical-to-electronic conversion efficiency of PMT (Fig. 6)
본 발명 상기 검출기를 이용한 실제 실험에서는 신호의 통계적 오차, 광-전자 변환 효율, 전기적 노이즈 등의 외부 요인으로 인해 측정한 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보에 오차가 발생하게 되며, 이는 위치분해능과 에너지분해능의 형태로 나타난다. In an actual experiment using the detector of the present invention, an error occurs in the measured reaction position information and absorption energy information due to external factors such as statistical error of the signal, optical-to-electron conversion efficiency, and electrical noise. appears in the form of
이와 같이 실험적으로 발생할 수 있는 오차를 전산모사 결과값에 반영하기 위해서 Geant4 전산코드를 통해 획득한 각 이벤트별 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보에 대해 실제 실험을 통해서 획득된 검출기의 위치분해능과 에너지분해능을 바탕으로 위치 추정 시의 오차와 에너지 추정 시의 오차를 고려해야 한다.In order to reflect such errors that may occur experimentally in the results of computational simulation, the positional resolution and energy resolution of the detector obtained through actual experiments for each event's reaction position information and absorption energy information acquired through the Geant4 computational code were used. Based on this, errors in position estimation and energy estimation should be considered.
다음으로 Geant4 전산코드로 모델링한 검출기 내에서 방사선이 반응하는 경우, 해당 방사선의 반응 위치 정보와 반응 에너지 정보를 기록할 수 있도록 검출기 기능을 구현한다. Next, when radiation reacts in the detector modeled with Geant4 computer code, the detector function is implemented to record the reaction position information and reaction energy information of the corresponding radiation.
또한, Geant4 전산코드 내의 GetLocalTime 함수를 이용하여 방사선원으로부터 감마선 등의 방사선이 방출된 이후 검출기에서 반응한 시간 정보를 기록하여 방사선 검출기의 기능을 실제 실험과 유사하게 모사한다. 방사선원으로부터 하나의 감마선이 방출된 이후, 검출기 내에서 해당 감마선이 반응한 경우, 검출기 내에서 해당 반응의 삼차원 위치 정보(X, Y, Z)와 검출기에 흡수된 에너지(E) 정보, 그리고 반응 시간(T) 정보를 리스트모드 데이터(list-mode data) 형식으로 아웃풋 파일로 기록하도록 Geant4 전산코드를 작성한다. In addition, by using the GetLocalTime function in the Geant4 computer code, the function of the radiation detector is simulated similarly to the actual experiment by recording the response time information from the detector after radiation such as gamma rays is emitted from the radiation source. After one gamma ray is emitted from the radiation source, when the corresponding gamma ray reacts in the detector, the three-dimensional position information (X, Y, Z) of the corresponding reaction in the detector, energy (E) information absorbed by the detector, and response time (T) Create Geant4 computer code to record information in the form of list-mode data as an output file.
또한, 방사선원으로부터 방출된 감마선이 산란부 검출기에서 콤프턴 산란 반응이 일어난 후, 흡수부 검출기에서 동시에 흡수되는 동시계수 이벤트에 대해서는 산란부 검출기와 흡수부 검출기 내의 삼차원 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보를 아웃풋 데이터에 각각 순서대로 기록하도록 한다. In addition, after the Compton scattering reaction of gamma rays emitted from the radiation source occurs in the scattering detector, for the simultaneous counting event in which the absorption detector simultaneously absorbs the three-dimensional reaction position information and absorbed energy information in the scattering detector and the absorption detector, output Record the data in order, respectively.
동시계수 이벤트에 대해 최종적으로 획득하는 결과 데이터는 산란부 검출기 내의 반응 위치(X1, Y1, Z1)와 흡수 에너지(E1), 반응 시간(T1), 흡수부 검출기 내의 반응 위치(X2, Y2, Z2)와 흡수 에너지(E2), 반응 시간(T2)의 형태를 갖고 기록된다. The result data finally obtained for the simultaneous counting event is the reaction position (X1, Y1, Z1) and absorption energy (E1), reaction time (T1), and reaction position (X2, Y2, Z2 ), absorbed energy (E2), and reaction time (T2).
추가적으로 앞서 모사한 섬광의 발생 및 거동 정보를 이용하여 방사선이 검출기 내 섬광체와 반응하여 발생하는 섬광이 PMT에서 흡수되는 경우에 대한 PMT 신호 정보를 결과 파일에 기록하도록 Geant4 전산코드를 작성한다. In addition, Geant4 computer code is prepared to record the PMT signal information for the case where the flash generated by the reaction of radiation with the scintillator in the detector is absorbed in the PMT using the information on the occurrence and behavior of the flash simulated above in the result file.
상기 각 PMT 신호는 광센서로 입사하는 섬광이 광-전자 변환 효율에 따라 광전자로 전환된 양과 같으므로, 출력되는 아웃풋 파일에서는 하나의 이벤트에 대해 복수개의 PMT에 흡수된 섬광의 개수가 기록된다. Since each PMT signal is equal to the amount of light incident on the photosensor converted to photoelectrons according to the light-to-electron conversion efficiency, the number of light rays absorbed by the plurality of PMTs for one event is recorded in the output file.
상기한 도 3의 1 단계인 Geant4 전산코드를 활용한 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성에 대한 상세 모델링이 완료되면, 연속해서 수행되는 도 3의 2 단계에서는 이러한 영상장치 구성 검출기 모델을 활용하여 구조적 특성(두께 및 간격)별 영상해상도 및 영상효율을 평가하며, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.When the detailed modeling of the structure and characteristics of the imaging device configuration detector using the Geant4 computer code, which is the first step of FIG. 3, is completed, the structural characteristics of the imaging device configuration detector model are used in the second step of FIG. 3, which is continuously performed. The image resolution and image efficiency for each (thickness and interval) are evaluated, and more specifically described as follows.
상기 Geant4 전산코드 내에서 상기한 도 3의 1 단계에서 모델링한 구성 검출기의 두께와 산란부 및 흡수부 검출기간 거리를 바꿔가면서 전산모사를 수행한다. 산란부 검출기의 두께(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 mm)와 흡수부 검출기의 두께(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 mm), 그리고 산란부 및 흡수부간 거리(25, 30, 35 cm)를 각각 바꿔가면서 총 192개의 케이스에 대한 전산모사를 수행한다. 전산모사 시, 방사선원으로는 영상장치의 전면부로부터 3 m 거리에 위치한 20 μCi Cs-137 점선원을 모델링하며, 해당 방사선원을 5분 동안 충분히 측정한 상황을 가정하여 전산모사를 수행하고, 각 케이스별 영상해상도와 영상효율을 평가한다. 영상효율은 방사선원으로부터 방출된 감마선 개수에 대한 영상화에 이용된 유효 이벤트 개수의 비율로 계산하며, 영상해상도는 단순역투사(backprojection) 영상재구성을 이용하여 획득한 콤프턴 영상에서 X축과 Y축을 기준으로, 최대 영상값에 대한 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)을 계산한 후, 두 값의 평균값으로 계산한다. Within the Geant4 computational code, computational simulation is performed while changing the thickness of the component detector modeled in
상기한 바와 같이 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치의 영상해상도와 영상효율은 서로 양립할 수 없다는 특징을 가지므로, 도 3의 3 단계에서는 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 영상해상도와 영상효율, 두 인자에 대한 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)를 평가하며, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.As described above, since the imaging resolution and imaging efficiency of the three-dimensional distribution imaging device for radionuclides are incompatible with each other, in
상기 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 영상해상도와 영상효율, 두 인자에 대한 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)는 [수학식 1]을 이용하여 산출한다.An optimization figure of merit (FOM) for two factors, image resolution and image efficiency, for each structural characteristic of the image device configuration detector is calculated using [Equation 1].
FOM i : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적화 성능지수(Figure Of Merit). FOM i : Optimization figure of merit according to the structural characteristics of the detector.
Efficiency i : 검출기의 구조적 특성에 따른 영상효율. Efficiency i : Imaging efficiency according to the structural characteristics of the detector.
Imaging resolution i : 검출기의 구조적 특성에 따른 영상해상도. Imaging resolution i : Image resolution according to the structural characteristics of the detector.
본 발명 영상장치 구성 검출기의 구조 최적값 도출을 위한 최적화 성능지수 평가가 완료되면, 연속해서 수행되는 도 3의 4 단계에서는 각 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하며, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.When the evaluation of the optimization figure of merit for deriving the optimal structure of the imaging device configuration detector of the present invention is completed, in step 4 of FIG. Evaluate, and more specifically described as follows.
영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)는 [수학식 2]를 이용하여 산출한다.The economic cost index (ECI) for each structural characteristic of the imaging device configuration detector is calculated using [Equation 2].
ECI i : 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용지수(Economic Cost Index). ECI i : Economic Cost Index according to the structural characteristics of the detector.
Detector Volume i : 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 부피. Detector Volume i : The volume according to the structural characteristics of the imaging device component detector.
Weighting Factor i : 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 부피에 적용되는 비용 가중치. Weighting Factor i : Cost weight applied to the volume according to the structural characteristics of the imaging device configuration detector.
일반적으로 검출기의 부피가 증가할수록, 검출기 제작 어려움 등으로 제작비용이 선형적으로 증가하지 아니하고 지수 함수적으로 증가하는 특성을 가진다. 이러한 검출기 비용 증가 특성을 고려하기 위해, 상기 [수학식 2]의 Weighting Factor는 검출기 부피 증가에 따른 비용증가의 가중치 값이다. 즉 Weighting Factor는 검출기 부피를 일정 구간으로 구분하여 각 부피구간에 대한 임의의 상수값 형태로 주어질 수 있고 부피에 따른 함수식을 사용하여 산출되는 값으로 주어 질 수 있다.In general, as the volume of the detector increases, the manufacturing cost does not increase linearly due to difficulty in manufacturing the detector, but increases exponentially. In order to consider this detector cost increase characteristic, the weighting factor of [Equation 2] is It is a weighted value of the cost increase according to the increase in the detector volume. That is, the weighting factor can be given in the form of an arbitrary constant value for each volume section by dividing the detector volume into certain sections, and can be given as a value calculated using a function formula according to the volume.
연속하여 수행되는 도 3의 5 단계는 상기의 최적화 성능지수와 경제적 비용지수에 대한 함수식을 활용하여 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 내 구성 검출기의 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI) 평가하고, 이를 이용하여 최적구조를 도출하는 단계이며, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)는 [수학식 3]을 이용하여 산출한다.An Optimal Structure Index (OSI) for each structural characteristic of an imaging device configuration detector is calculated using [Equation 3].
OSI i : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적구조지수(Optimal Structure Index). OSI i : Optimal Structure Index according to the structural characteristics of the detector.
FOM i : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적화 성능지수(Figure Of Merit). FOM i : Optimization figure of merit according to the structural characteristics of the detector.
ECI i : 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용지수(Economic Cost Index). ECI i : Economic Cost Index according to the structural characteristics of the detector.
도 7 은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 내 검출기의 두께 및 검출기간 거리에 따른 구조적 특성별 상기한 최적구조지수 값이 가장 큰 구조가 영상장치의 성능적 관점과 경제적 관점에서 가장 최적화된 구조이다.FIG. 7 shows that the structure having the largest optimal structure index value for each structural characteristic according to the thickness of the detector and the distance between detectors in the radionuclide 3D distribution imaging device is the most optimized structure from the viewpoint of performance and economy of the imaging device.
도 8 은 검출기간 거리 25 cm 조건에서 구성 검출기 두께에 따른 최적구조지수 분포도이다.8 is a distribution diagram of the optimal structure index according to the thickness of the constituent detectors under the condition that the distance between detectors is 25 cm.
상기한 결과 본 발명은 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기에 대한 구조 설계 시, 검출기의 구조적 특성에 따라 서로 양립할 수 없는 영상해상도 및 영상효율 두 인자를 모두 고려한 영상장치 성능을 최적화할 수 있는 검출기 최적구조을 도출할 수 있도록 하고, 최적구조 도출 시 추가적으로 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용효과도 함께 고려할 수 있는 방법을 제공함으로써 영상장치에 대한 성능적 측면과 경제적 측면을 모두 만족시킬 수 있는 영상장치 내 검출기 구조의 최적화 방법을 제공한다.As a result of the above, the present invention is a detector capable of optimizing the performance of an imaging device considering both the imaging resolution and imaging efficiency factors that are incompatible with each other according to the structural characteristics of the detector when designing the structure of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector. In an imaging device that can satisfy both the performance and economic aspects of imaging devices by providing a method to derive an optimal structure and to consider economic cost effects according to the structural characteristics of the detector additionally when deriving the optimal structure. A method for optimizing the detector structure is provided.
본 발명 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법의 기술적 사상은 실제로 동일결과를 반복 실시 가능한 것으로, 특히 이와 같은 본원발명을 실시함으로써 기술발전을 촉진하여 산업발전에 이바지할 수 있어 보호할 가치가 충분히 있다.The technical idea of the optimal structure derivation method of the radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector of the present invention is that the same result can be repeatedly performed in practice. Well worth it.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 검출기(Detector head)
11: NaI(Tl)섬광체 플레이트
12: PMT(Photomultiplier)
20: FPGA(Field Programmable Gate Array) board
30: 고전압공급모듈
40: 영상장치 제어/운영 PC<Description of symbols for main parts of drawings>
10: Detector head
11: NaI (Tl) scintillator plate
12: Photomultiplier (PMT)
20: Field Programmable Gate Array (FPGA) board
30: high voltage supply module
40: video device control/operating PC
Claims (9)
몬테칼로 전산모사 툴킷인 Geant4를 이용한 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성을 상세히 모델링하는 단계; Geant4 코드를 이용하여 상세하게 모사한 구성 검출기 모델을 이용하여 영상장치 구성 검출기의 두께와 산란부 및 흡수부 검출기간 거리에 따른 영상장치의 영상해상도와 영상효율을 평가하는 단계; 서로 양립할 수 없는 특징을 가지는 영상해상도 및 영상효율 두 인자에 대한 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)를 평가하는 단계; 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 구성 검출기 제작을 위한 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하는 단계; 및 최적화 성능지수와 경제적 비용지수를 종합적으로 고려하여 영상장치 구성 검출기의 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)를 평가하고, 이를 활용하여 영상장치 내 검출기의 최적구조를 도출하는 단계;가 포함되되,
상기 몬테칼로 전산모사 툴킷인 Geant4를 이용한 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기 구조 및 특성을 상세히 모델링하는 단계는, 검출기의 물리적 구조를 상세히 모델링하는 단계; 검출기 각 구성요소의 물성 정보를 입력하는 단계; 검출기의 실험적 특성 정보를 입력하는 단계; 및 검출기 기능 구현을 위한 프로그램을 입력하는 단계;로 총 4개의 세부단계로 구분되고,
상기 검출기의 물리적 구조를 상세히 모델링하는 단계는, 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치를 구성하는 각 검출기를 크게 섬광체 부분, PMT 부분 및 섬광체와 PMT의 광결합 부분의 세 가지의 주요 요소로 구분하되, 섬광체 부분은 NaI(Tl) 섬광체 플레이트와, 알루미늄 프레임 케이스, 그리고 reflective paint로 구성하고, PMT 부분은 photocathode, PMT case, PMT PCB circuit, PMT 지지를 위한 pillar, holder로 구성하며, 마지막으로, 섬광체와 PMT의 광결합 부분은 optical window와, optical glue, optical grease로 구성하여 각 검출기 구성요소에 대한 물리적인 구조를 상세히 모델링함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
It relates to a method for deriving the optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector,
Detailed modeling of the structure and characteristics of a 3D distributed imaging device configuration detector using Geant4, a Monte Carlo computational simulation toolkit; Evaluating the image resolution and image efficiency of the imaging device according to the thickness of the imaging device component detector and the distance between the scattering and absorbing portion detectors using a component detector model simulated in detail using Geant4 code; Evaluating an optimization figure of merit (FOM) for each structural characteristic of an imaging device configuration detector for two factors, image resolution and image efficiency, which have incompatible characteristics; Evaluating an economic cost index (ECI) for manufacturing a component detector for each structural characteristic of an imaging device component detector; And evaluating the Optimal Structure Index (OSI) of the imaging device composition detector by comprehensively considering the optimization performance index and the economic cost index, and deriving the optimal structure of the detector in the imaging device by using it. ,
The step of modeling the structure and characteristics of the three-dimensional distributed imaging device configuration detector in detail using Geant4, the Monte Carlo computational simulation toolkit, includes modeling the physical structure of the detector in detail; inputting physical property information of each component of the detector; inputting experimental characteristic information of the detector; And inputting a program for implementing the detector function; divided into a total of four detailed steps,
In the step of modeling the physical structure of the detector in detail, each detector constituting the radionuclide three-dimensional distribution imaging device is largely divided into three main elements: a scintillator part, a PMT part, and an optical coupling part between the scintillator and PMT. It consists of a NaI(Tl) scintillator plate, aluminum frame case, and reflective paint, and the PMT part consists of a photocathode, PMT case, PMT PCB circuit, pillar and holder for PMT support, and finally, the scintillator and PMT A method for deriving an optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector, characterized in that the optical coupling part is composed of an optical window, optical glue, and optical grease to model the physical structure of each detector component in detail.
상기 검출기 각 구성요소의 물성 정보를 입력하는 단계는,
Geant4 전산코드를 이용하여 검출기에서 발생하는 섬광의 거동을 정밀하게 모사하기 위해서,
검출기 구성물질인 NaI(Tl) 섬광물질의 단위 에너지 흡수 당 발생하는 섬광의 양과 발생하는 섬광의 파장 영역;
섬광 발생의 붕괴시간(decay time); NaI(Tl) 섬광물질과 optical window, optical glue, optical grease의 굴절률;
reflective paint의 반사면 종류와 반사율; 및
PMT의 광-전자 변환 효율 특성;을 검출기 각 구성요소의 물성 정보로 입력함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
The method of claim 1,
The step of inputting the physical property information of each component of the detector,
In order to accurately simulate the behavior of the scintillation generated from the detector using the Geant4 computer code,
The amount of scintillation generated per unit energy absorption of the NaI(Tl) scintillation material, which is a component of the detector, and the wavelength range of the generated scintillation;
decay time of flash generation; The refractive index of NaI(Tl) scintillation materials, optical windows, optical glue, and optical grease;
Type of reflective surface and reflectance of reflective paint; and
A method for deriving an optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector, characterized by inputting PMT's photo-electronic conversion efficiency characteristics as physical property information of each component of the detector.
상기 검출기의 실험적 특성 정보를 입력하는 단계는,
검출기를 이용한 실제 실험에서 신호의 통계적 오차, 광-전자 변환 효율, 전기적 노이즈 등의 외부 요인으로 인한 측정한 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보 오차를 전산모사 결과값에 반영하기 위해서 Geant4 전산코드를 통해 획득한 각 이벤트별 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보에 대해서 검출기의 실제 위치분해능과 에너지분해능 실험값을 이용하여 전산모사를 통해 획득되는 위치 추정 값의 오차와 에너지 추정 값의 오차를 고려함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
The method of claim 1,
In the step of inputting experimental characteristic information of the detector,
Obtained through Geant4 computer code to reflect the measured reaction position information and absorption energy information error due to external factors such as signal statistical error, optical-electronic conversion efficiency, and electrical noise in an actual experiment using a detector to the result of computer simulation. For each event-specific reaction position information and absorption energy information, radionuclides characterized by considering the error of the position estimation value and the energy estimation value obtained through computer simulation using the actual position resolution and energy resolution experimental value of the detector Method for Deriving the Optimal Structure of 3D Distributed Imaging Device Configuration Detector.
상기 검출기 기능 구현을 위한 프로그램을 입력하는 단계는,
Geant4 전산코드로 모델링한 검출기 내에서 방사선이 반응하는 경우, 해당 방사선의 반응 위치 정보와 반응 에너지 정보를 기록할 수 있도록 검출기 기능을 구현하는 단계;
Geant4 전산코드 내의 GetLocalTime 함수를 이용하여 방사선원으로부터 감마선 등의 방사선이 방출된 이후 검출기에서 반응한 시간 정보를 기록하도록 검출기 기능을 구현하는 단계;
방사선원으로부터 하나의 감마선이 방출된 이후, 검출기 내에서 해당 감마선이 반응한 경우, 검출기 내에서 해당 반응의 삼차원 위치 정보(X, Y, Z)와 검출기에 흡수된 에너지(E) 정보, 그리고 반응 시간(T) 정보를 리스트모드 데이터(list-mode data) 형식으로 아웃풋 파일로 기록하도록 검출기 기능을 구현하는 단계;
방사선원으로부터 방출된 감마선이 산란부 검출기에서 콤프턴 산란 반응이 일어난 후, 흡수부 검출기에서 동시에 흡수되는 동시계수 이벤트에 대해서 산란부 검출기와 흡수부 검출기 내의 삼차원 반응 위치 정보와 흡수 에너지 정보를 아웃풋 데이터에 각각 순서대로 기록하도록 하여 동시계수 이벤트에 대해 최종적으로 획득하는 결과 데이터는 산란부 검출기 내의 반응 위치(X1, Y1, Z1)와 흡수 에너지(E1), 반응 시간(T1), 흡수부 검출기 내의 반응 위치(X2, Y2, Z2)와 흡수 에너지(E2), 반응 시간(T2)의 형태를 갖고 기록하도록 검출기 기능을 구현하는 단계; 및
전산모사한 섬광의 발생 및 거동 정보를 이용하여 방사선이 검출기 섬광체와 반응하여 발생하는 섬광이 PMT에서 흡수되는 경우에 대한 PMT 신호 정보를 결과 파일에 기록하도록 하여 출력되는 아웃풋 파일에 하나의 이벤트에 대해 검출기 내에 구성되어 있는 각 PMT에 흡수된 섬광의 개수가 기록되도록 검출기 기능을 구현하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
The method of claim 1,
In the step of inputting a program for implementing the detector function,
Implementing a detector function to record reaction position information and reaction energy information of the corresponding radiation when radiation reacts in a detector modeled with Geant4 computer code;
Implementing a detector function to record response time information in a detector after radiation such as gamma rays is emitted from a radiation source using the GetLocalTime function in Geant4 computer code;
After one gamma ray is emitted from the radiation source, when the corresponding gamma ray reacts in the detector, the three-dimensional position information (X, Y, Z) of the corresponding reaction in the detector, energy (E) information absorbed by the detector, and response time (T) implementing a detector function to record information into an output file in the form of list-mode data;
After the Compton scattering reaction of the gamma rays emitted from the radiation source occurs in the scattering detector, the three-dimensional reaction position information and absorbed energy information in the scattering detector and the absorbing detector are output data for the simultaneous counting event that is simultaneously absorbed in the absorbing detector. The result data finally obtained for the simultaneous counting event by recording each in order is the reaction position (X1, Y1, Z1) and absorption energy (E1), reaction time (T1), and reaction position in the absorption detector in the scattering detector. implementing a detector function to have and record (X2, Y2, Z2), absorbed energy (E2), and response time (T2); and
For one event in the output file by recording the PMT signal information for the case where the scintillation generated by the reaction of radiation with the detector scintillator is absorbed in the PMT using the computer simulated flash generation and behavior information in the result file Implementing a detector function so that the number of flashes absorbed by each PMT configured in the detector is recorded; a method for deriving an optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device component detector, characterized in that it is included.
상기 서로 양립할 수 없는 특징을 가지는 영상해상도 및 영상효율 두 인자에 대한 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 최적화 성능지수(Figure Of Merit, FOM)를 평가하는 단계는,
영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 서로 양립할 수 없다는 특징을 가지는 영상해상도와 영상효율, 두 인자에 대해서 [수학식 1]을 적용하여 최적화 성능지수를 평가함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
[수학식 1]
FOMi : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적화 성능지수(Figure Of Merit).
Efficiencyi : 검출기의 구조적 특성에 따른 영상효율.
Imaging resolutioni : 검출기의 구조적 특성에 따른 영상해상도.
The method of claim 1,
In the step of evaluating the figure of merit (FOM) optimized for each structural characteristic of the imaging device constituent detector for the two factors of image resolution and image efficiency, which have incompatible characteristics,
Radionuclide three-dimensional distribution imaging device, characterized in that the optimized figure of merit is evaluated by applying [Equation 1] to the two factors, image resolution and image efficiency, which are incompatible with each other for each structural characteristic of the imaging device configuration detector. A method for deriving the optimal structure of a component detector.
[Equation 1]
FOM i : Optimization figure of merit according to the structural characteristics of the detector.
Efficiency i : Imaging efficiency according to the structural characteristics of the detector.
Imaging resolution i : Image resolution according to the structural characteristics of the detector.
상기 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성별 검출기 제작을 위한 경제적 비용지수(Economic Cost Index, ECI)를 평가하는 단계는,
영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 해당 검출기 부피와 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 해당 검출기 부피에 대한 비용 가중치, 두 인자에 대해서 [수학식 2]을 적용하여 경제적 비용지수를 평가함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
[수학식 2]
ECIi : 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용지수(Economic Cost Index).
Detector Volumei : 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 부피.
Weighting Factori : 영상장치 구성 검출기의 구조적 특성에 따른 부피에 적용되는 비용 가중치.
The method of claim 1,
In the step of evaluating the economic cost index (ECI) for manufacturing the detector for each structural characteristic of the imaging device configuration detector,
The economic cost index is evaluated by applying [Equation 2] to the corresponding detector volume according to the structural characteristics of the imaging device configuration detector and the cost weight for the corresponding detector volume according to the structural characteristics of the imaging device configuration detector. A method for deriving the optimal structure of a radionuclide three-dimensional distribution imaging device configuration detector.
[Equation 2]
ECI i : Economic Cost Index according to the structural characteristics of the detector.
Detector Volume i : The volume according to the structural characteristics of the imaging device component detector.
Weighting Factor i : Cost weight applied to the volume according to the structural characteristics of the imaging device configuration detector.
상기 최적화 성능지수와 경제적 비용지수를 종합적으로 고려하여 영상장치 구성 검출기의 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI)를 평가하여 영상장치 구성 검출기의 최적구조를 도출하는 단계는,
최적화 성능지수와 경제적 비용지수에 대해서 [수학식 3]을 적용하여 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 내 구성 검출기의 구조적 특성별 최적구조지수(Optimal Structure Index, OSI) 평가하고, 이를 활용하여 최적구조지수가 가장 큰 구조를 가지는 검출기 구조를 영상장치 내 검출기의 최적구조로 도출함을 특징으로 하는 방사성핵종 삼차원 분포 영상장치 구성 검출기의 최적구조 도출방법.
[수학식 3]
OSIi : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적구조지수(Optimal Structure Index).
FOMi : 검출기의 구조적 특성에 따른 최적화 성능지수(Figure Of Merit).
ECIi : 검출기의 구조적 특성에 따른 경제적 비용지수(Economic Cost Index).The method of claim 1,
The step of deriving the optimal structure of the imaging device configuration detector by evaluating the Optimal Structure Index (OSI) of the imaging device configuration detector in comprehensive consideration of the optimization performance index and the economic cost index,
For the optimized performance index and the economic cost index, [Equation 3] is applied to evaluate the Optimal Structure Index (OSI) for each structural characteristic of the detector in the three-dimensional distribution imaging system for radionuclides. A method for deriving an optimal structure of a three-dimensional distribution imaging device configuration detector for radionuclides, characterized in that a detector structure having the largest structure is derived as an optimal structure for a detector in an imaging device.
[Equation 3]
OSI i : Optimal Structure Index according to the structural characteristics of the detector.
FOM i : Optimization figure of merit according to the structural characteristics of the detector.
ECI i : Economic Cost Index according to the structural characteristics of the detector.
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