KR20230072173A - Single Pixel Scintillator-based Detector And Compton Camera Including The Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방사선을 검출하는 장치에 관한 것으로, 섬광체와 그 상하면에 실리콘 광전자 한쌍의 증배관으로 구성되어, 핵종분석 및 조사 선량률 뿐만아니라 동시에 방사선원의 위치를 획득할 수 있는 단일 픽셀형 섬광체 기반 단일 픽셀형 섬광체 기반 검출부 및 이를 포함한 컴프턴 카메라에 관한 것이다. The present invention relates to a device for detecting radiation, and is composed of a scintillator and a pair of silicon photoelectron multiplier tubes on the upper and lower surfaces thereof, and is capable of obtaining the position of a radiation source as well as nuclide analysis and irradiation dose rate at the same time. It relates to a type scintillator-based detector and a Compton camera including the same.
최근 늘어나는 새로운 현대 질병과 그에 따른 첨단 진단장비의 수요가 급증하는 추세에 발맞추어, 핵의학(nuclear medicine)에 대한 관심이 집중되고 있다. 핵의학이란 방사성 동위원소 약품을 인체에 주입하여 질병조직의 형태학적인 정보와 생물학적인 정보를 최첨단 의료용 카메라로 획득하여 인체의 생리와 병리현상을 탐구하고 질병의 진단 및 치료에 응용하는 의학의 전문분야이다.BACKGROUND ART Recently, interest in nuclear medicine has been focused in line with the rapidly increasing demand for new modern diseases and the resulting high-tech diagnostic equipment. Nuclear medicine is a specialized field of medicine that explores the physiology and pathology of the human body and applies it to diagnosis and treatment of diseases by acquiring morphological and biological information of diseased tissue by injecting radioactive isotope drugs into the human body with a state-of-the-art medical camera. am.
의료용 감마카메라의 원리는 종양에 선택적으로 섭취된 방사선 의약품에서 방출된 감마선을 섬광결정(scintillation crystal)에 입사시켜 저 에너지의 광자로 변환시켜 검출한 후, 이 감마선의 검출위치를 영상화하여 종양의 위치와 크기, 모양을 진단할 수 있게 하는 것이다.The principle of a medical gamma camera is to inject gamma rays emitted from radiopharmaceuticals selectively ingested into a tumor into a scintillation crystal, convert them into low-energy photons for detection, and then image the detection location of the gamma rays to locate the tumor. and size, shape can be diagnosed.
그런데, 종래의 기계적 컬리메이터를 사용하는 감마카메라는 낮은 에너지의 방사선을 검출하기에는 효과적이나, 높은 에너지의 방사선을 검출시 효율이 떨어지고 영상잡음이 증가하는 문제를 가지고 있다. 반면, 컴프턴 카메라와 같은 전자적 컬리메이터는 중간 내지는 높은 에너지의 방사선의 영상을 얻는데 있어서 높은 효율을 가지며 영상잡음 또한 적어서 중, 고 에너지 방사선 검출에 적합하다고 할 수 있다.However, a gamma camera using a conventional mechanical collimator is effective in detecting low-energy radiation, but has a problem in that efficiency decreases and image noise increases when detecting high-energy radiation. On the other hand, an electronic collimator such as a Compton camera has high efficiency in obtaining an image of medium to high energy radiation and has little image noise, so it can be said that it is suitable for detecting radiation of medium and high energy.
일반적인 컴프턴 카메라는 1차 산란검출기와 2차 흡수검출기로 구분되어 있다. 다시 말해서 방사선이 1차 검출기에서 산란되어서 2차 검출기에서 흡수되면, 1차와 2차 검출기 각각의 방사선 검출위치정보와 에너지정보를 종합하여 방사선이 들어온 방향을 역투사해 낼 수 있다. 그런데, 차폐체 등을 이용하여 1차 검출기와 2차 검출기로 순서를 구분하는 경우, 검출할 수 있는 방사선 영역이 두 검출기의 위치 및 차폐체에 의하여 제한이 된다.A general Compton camera is divided into a primary scattering detector and a secondary absorption detector. In other words, if the radiation is scattered by the primary detector and absorbed by the secondary detector, the direction in which the radiation came in can be reverse-projected by integrating the radiation detection position information and energy information of the primary and secondary detectors, respectively. However, when the order is divided into a primary detector and a secondary detector using a shield or the like, the detectable radiation area is limited by the positions of the two detectors and the shield.
따라서 검출될 수 있는 방사선 입사 영역이 그만큼 축소되는 한계를 가지고 있다.Therefore, there is a limitation in that the radiation incident area that can be detected is reduced by that much.
반대로, 방사선 차폐체 등을 사용하지 않고, 검출기의 순서를 구분하지 않을 경우, 방사선의 검출영역은 크게넓어지는 반면 어떠한 검출기부터 반응했는지 순서를 알아내기 어려운 문제가 있다.Conversely, if a radiation shield is not used and the order of the detectors is not distinguished, the radiation detection area is greatly widened, but it is difficult to determine the order in which detector reacted first.
기존의 부호화구경 기반 방사선 영상장치는 URA(Uniformly Redundant Array)나 MURA(Modified Uniformly Redundant Array)등의 패턴을 갖는 마스크와 함께 구성되며， 마스크와 방사선원간의 상호작용을 통해 방사선원의 위치를 획득하는 방식이다. 부호화구경방식의 경우 우수한 각 분해능을 가지며 측정 가능 에너지 범위가 30 keV ~ 10 MeV 정도이다. 또， 2 μSv/h - 10 Sv/h 까지 선량 측정이 가능하다. 그러나 부호화구경 방식의 경우 마스크와 겸출기의 크기에 따라 시야각(Field of View)에 제한이 따르며 가까운 거리에 있는 방사선원의 위치를 제공하지 못하는 Near-field limitaion 이 있다. 또한， 에너지 분해능이 검출기의 종류에 따라 의존적이다.A conventional coded aperture-based radiation imaging device is composed of a mask having a pattern such as URA (Uniformly Redundant Array) or MURA (Modified Uniformly Redundant Array), and the position of the radiation source is acquired through interaction between the mask and the radiation source. . In the case of the coded aperture method, it has excellent angular resolution and the measurable energy range is about 30 keV to 10 MeV. In addition, it is possible to measure doses from 2 μSv/h to 10 Sv/h. However, in the case of the coded aperture method, the field of view is limited according to the size of the mask and detector, and there is a near-field limitaion that cannot provide the location of a radiation source at a close distance. In addition, energy resolution is dependent on the type of detector.
반면， 컴프턴 카메라는 산란층과 흡수층으로 나뒤어 구성된다. 산란층에서는 산란반응이 일어나는 동안 축척된 에너지를 통해 산란각을 추정하며， 흡수층에서 광자가 흡수된 위치는 입사 광자의 방탤을 추정할 수 있게 한다. 각 원뿔(cone)은 산란 각도와 방향을 추정하고 방사선원은 각 원뿔의 표면에 위치한다. 카메라에 입사한 광자에 대해 여러 개의 원뿔이 생성되며，생성된 원뿔의 교차점을 통해 방사선원의 위치를 획득하는 방식이다. 이러한 컴프턴 방식의 경우 컴프턴 산란이 일어나는 250 keV 이상의 에너지를 갖는 광자에 대해서만 영상 획득이 가능하며, 시야각에 제한이 없고 화합물 반도체 센서를 사용했을 경우 약 1% 미만의 높은 에너지 분해능을 갖는다. 그러나， 부호화 구경 방식보다 각 분해능이 현저히 낮으며，선량측정이 불가능하다.On the other hand, the Compton camera is composed of a scattering layer and an absorption layer. In the scattering layer, the scattering angle is estimated through the energy accumulated during the scattering reaction, and the location where the photon is absorbed in the absorption layer makes it possible to estimate the emission of the incident photon. Each cone estimates the scattering angle and direction, and a radiation source is placed on the surface of each cone. Several cones are created for the photons incident on the camera, and the position of the radiation source is acquired through the intersection of the created cones. In the case of this Compton method, image acquisition is possible only for photons having energy of 250 keV or higher where Compton scattering occurs, and there is no limit to the viewing angle, and when a compound semiconductor sensor is used, it has a high energy resolution of less than about 1%. However, the angular resolution is significantly lower than that of the coded aperture method, and dosimetry is impossible.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 단일 픽셀형 섬광체만을 이용하여 산란선의 3차원 위치 정보를 계측하고, 이 정보를 이용하여 입사 방사선의 위치를 필터링된 역투영(Filtered back projection, FBP) 기법이나 MLEM 등의 반복적 영상 재구성 기법을 사용하여 가시화가 가능한 소형화 휴대용 방사선 가시화 장비를 구현하는 핵심구성을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention measures the 3D location information of the scattered rays using only a single pixel-type scintillator, and uses this information to determine the location of the incident radiation using a filtered back projection (FBP) technique. Provides a core configuration for realizing miniaturized portable radiation visualization equipment that can be visualized using repetitive image reconstruction techniques such as or MLEM.
또한 본 발명은 pulse shape discrimination(PSD) 기능을 가지는 유기섬광체나 CLYC과 같은 무기섬광체를 적용하면 감마선과 중성자의 선원의 위치를 동시에 구현이 가능한 핵심구성을 제공한다. In addition, the present invention provides a core configuration capable of realizing the positions of gamma-ray and neutron sources at the same time by applying an organic scintillator having a pulse shape discrimination (PSD) function or an inorganic scintillator such as CLYC.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 육면체의 픽셀형 섬광체;상기 섬광체를 사이로 양옆에 한쌍의 실리콘 광전자 증배관(Silicon photomultiplier)이 연결된 것에 특징이 있는 검출부를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a hexahedral pixel-type scintillator; a detection unit characterized by a pair of silicon photomultipliers connected to both sides of the scintillator.
또한 본 발명은 상기 섬광체는 픽셀화 구조인 것에 특징이 있는 검출부를 제공한다. In addition, the present invention provides a detection unit characterized in that the scintillator has a pixelated structure.
또한 본 발명은 상기 섬광체의 각 픽셀 사이에는 반사체가 있는 구조인 것에 특징이 있는 검출부를 제공한다. In addition, the present invention provides a detection unit characterized in that the structure has a reflector between each pixel of the scintillator.
또한 본 발명은 상기 섬광체의 외부는 반사체로 감싸진 구조이며, 상기 반사체 외부는 추가로 알루미늄으로 감싸진 구조인 것에 특징이 있는 검출부를 제공한다. In addition, the present invention provides a detection unit characterized in that the outside of the scintillator has a structure wrapped with a reflector, and the outside of the reflector has a structure additionally wrapped with aluminum.
또한 본 발명은 상기 검출부로부터 제공받는 신호처리부 및 상기 신호처리부로부터 가공된 신호를 영상으로 제공하는 영상처리부로 구성된 컴프턴 카메라를 제공한다. In addition, the present invention provides a Compton camera composed of a signal processing unit received from the detection unit and an image processing unit providing an image of a signal processed by the signal processing unit.
본 발명은 소형 휴대용 방사선 장비로써 단일 픽셀형 섬광체만을 이용하여 산란선의 3차원 위치 정보를 계측하고 이 정보를 이용하여 입사 방사선의 위치를 필터링된 역투영(Filtered back projection, FBP) 기법이나 MLEM 등의 반복적 영상 재구성 기법을 사용하여 가시화가 가능한 특징이 있다. The present invention is a compact portable radiation equipment that measures 3-dimensional location information of scattering rays using only a single pixel-type scintillator and uses this information to determine the location of incident radiation using a filtered back projection (FBP) technique or MLEM. There is a feature that can be visualized using an iterative image reconstruction technique.
또한 본 발명은 pulse shape discrimination(PSD) 기능을 가지는 유기섬광체나 CLYC과 같은 무기섬광체를 적용하여 감마선과 중성자의 선원의 위치를 동시에 구현이 가능한 특징이 있다. In addition, the present invention is characterized in that it is possible to realize the positions of gamma-ray and neutron sources at the same time by applying an organic scintillator having a pulse shape discrimination (PSD) function or an inorganic scintillator such as CLYC.
도 1은 본 발명의 단일 픽셀형 섬광체 기반 검출부에 대한 모식도이다.
도 2는 본 밞영의 섬광체의 픽셀화 구조에 대한 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a single-pixel scintillator-based detector of the present invention.
2 is a schematic diagram of the pixelation structure of the scintillator of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. First of all, in describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted in order not to obscure the gist of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms 'about', 'substantially', and the like are used in a sense at or approximating that number when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given, and are intended to convey an understanding of the present invention. Accurate or absolute figures are used to help prevent exploitation by unscrupulous infringers of the disclosed disclosure.
종래기술의 경우 섬광체 및 섬광체에서 방사선과 반응으로 발생 된 빛을 검출하는 수광부의 조합은 산란선 측정을 위한 검출기와 광전자 흡수 반응을 검출하는 검출부로 나누어진 구조의 검출기들을 이용하게 되므로 전체 시스템의 체적이 클 수 밖에 없어 소형화하는데 한계가 있다. 또한, 감마선 영상장치에만 국한되어 사용되고 있다.In the case of the prior art, since the combination of a scintillator and a light receiver for detecting light generated by reaction with radiation in the scintillator uses detectors having a structure divided into a detector for measuring scattering rays and a detector for detecting photoelectron absorption reaction, the volume of the entire system is reduced. It can only be large, so there is a limit to miniaturization. In addition, it is used only for gamma ray imaging devices.
기존 특허는 다수의 섬광체와 위치민감형 광증배관(PSPMT)를 이용하여 검출부를 구성하고 동시 계수를 이용하여 컴프턴 산란이 두개 이상의 센서에 신호가 검출되었을 때 컴프턴(Compton) 반응식을 이용하여 방사선원의 위치를 구현하는 기술이 대부분이다.In the existing patent, a detection unit is constructed using a plurality of scintillators and a position-sensitive photomultiplier tube (PSPMT), and when Compton scattering signals are detected by two or more sensors using simultaneous counting, a radiation source is used using the Compton reaction equation. Most of the technologies that implement the location of
본 발명은 하나의 픽셀형태의 섬광체(10)에 서로 마주 보고 있는 두 개의 실리콘 광전자 증배관(20)(Silicon photomultiplier) 또는 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC)어레이를 결합하여 섬광체(10) 내부에서 발생하는 방사선의 컴프턴 반응 정보에 대한 3차원 위치 정보를 동시 계수(Coincident event)하여 입사한 방사선의 위치를 가시화 하는 장비이다. The present invention combines two silicon photomultiplier tubes 20 (Silicon photomultiplier) or multi-pixel photon counter (MPPC) arrays facing each other to one pixel-
도 1은 본 발명의 단일 픽셀형 섬광체(10) 기반 검출부에 대한 모식도이고, 도 2는 본 밞영의 섬광체(10)의 픽셀화 구조에 대한 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a detection unit based on a
본 발명은 도 1과 같이 육면체의 픽셀형 섬광체(10) 및 상기 섬광체(10)를 사이로 양옆에 한쌍의 실리콘 광전자 증배관(20)(Silicon photomultiplier)이 연결형태를 갖는다. 도 1은 검출부에 대한 모식도이고 실제 섬광체(10)와 증배관(20)은 결합된 형태를 갖는다. As shown in FIG. 1, the present invention has a hexahedral pixel-
상기 섬광체(10)는 픽셀화 구조인 것으로, 픽셀구조의 개수는 일정한 개수에 한정되는 것은 아니나, 본 발명에서는 총 144개로 구성된다. The
또한 상기 섬광층은 산란층과 흡수층이 구분되어있지 않다. 산란과 흡수 반응이 모두 일어나야 산란된 에너지와 위치를 추정할 수 있으므로 충분한 두께와 높은 밀도를 가진 섬광체(10)로 구성하여야 한다. 섬광체(10)의 각 픽셀 사이에는 반사체가 들어가있으며, 섬광체(10)의 외부는 반사체와 알루미늄으로 구성된다. In addition, the scintillation layer is not divided into a scattering layer and an absorption layer. Since the scattered energy and position can be estimated only when both scattering and absorption reactions occur, the
본 발명은 상기 검출부로부터 제공받는 신호처리부 및 상기 신호처리부로부터 가공된 신호를 영상으로 제공하는 영상처리부를 추가 구성하면 컴프턴 카메라로 활용할 수 있다. According to the present invention, a Compton camera can be utilized by additionally configuring a signal processing unit provided from the detection unit and an image processing unit providing an image of a signal processed by the signal processing unit.
기존의 컴프턴 카메라의 방사선 영상 획득방식은 산란반응을 통해 컴프턴 산란의 위치와 산란반응을 통해 발생하는 반동 전자의 위치와 에너지(recoil electron energy)를 결정하며, 광전흡수 반응을 통해서는 흡수된 광자의 위치와 에너지를 결정한다. 입사 에너지는 두 반응을 통해 검출기 내에 흡수된 에너지의 합으로 나타낼 수 있으므로, 컴프턴 산란 방정식을 이용하여 산란 각도를 추정하는 방식이 대부분이다. The radiation image acquisition method of the existing Compton camera determines the position of the Compton scattering and the position and energy of the recoil electrons generated through the scattering reaction through the scattering reaction, and through the photoelectric absorption reaction, the absorbed Determine the photon's position and energy. Since the incident energy can be expressed as the sum of the energies absorbed in the detector through the two reactions, most methods estimate the scattering angle using the Compton scattering equation.
본 발명은 선량률을 제공할 수 있으며 그 원리는 산란반응을 통해 전달되는 에너지는 광자가 첫 번째 반응을 일으킨 후 두 번째 반응을 일으키기까지 걸리는 비행시간 (time-of-flight, Δt)과 이동 거리(Δd) 정보를 통해 계산할 수 있다.The present invention can provide a dose rate, and the principle is that the energy transmitted through the scattering reaction is the time-of-flight (Δt) and the moving distance ( Δd) can be calculated from the information.
광자가 검출기에 도달하기까지 걸리는 시간과 입사 감마 에너지를 기록하여 에너지 스펙트럼을 획득할 수 있으며, 획득된 에너지 스펙트럼은 핵종 분석에 사용되며, 핵종 분석을 통해 획득된 데이터는 선량률 계산에 이용될 수 있다.The energy spectrum can be obtained by recording the time it takes for photons to reach the detector and the incident gamma energy. The obtained energy spectrum is used for nuclide analysis, and the data obtained through nuclide analysis can be used for dose rate calculation. .
산란 이후 흡수 반응을 통한 데이터는 타이밍 및 위치 추정의 목적으로 사용하므로 이를 통해 방사선원의 2차원 좌표를 획득할 수 있다. 따라서, 핵종 분석 및 조사 선량률을 제공하며 방사선원의 위치를 획득할 수 있다.Since the data through the absorption reaction after scattering is used for the purpose of timing and position estimation, it is possible to obtain the two-dimensional coordinates of the radiation source through this. Therefore, it is possible to obtain the location of the radiation source while providing nuclide analysis and irradiation dose rate.
또한 사용하고자 하는 섬광체(10)를 pulse shape discrimination(PSD) 기능을 가지고 있는 스틸벤, organic glass scintillator, 플라스틱 섬광체 등의 유기섬광체나, CLYC과 같은 무기섬광체를 적용하면 감마선 및 중성자의 영상을 동시 획득이 가능한 휴대형 영상장치로 활용이 가능하다.In addition, if the
또한 단일 픽셀형 섬광체만을 이용하여 산란선의 3차원 위치 정보를 계측하고 이 정보를 이용하여 입사 방사선의 위치를 Filtered back projection 기법이나 MLEM 등의 반복적 영상 재구성 기법을 사용하여 가시화할 수 있으며 콤팩트(Compact)한 소형화가 가능해 휴대용 방사선 가시화 장비로 구현이 가능하다.In addition, by using only a single pixel-type scintillator, the 3D location information of the scattering line is measured, and using this information, the location of the incident radiation can be visualized using a filtered back projection technique or an iterative image reconstruction technique such as MLEM. It can be miniaturized, so it can be implemented as a portable radiation visualization device.
또한, 본 발명은 감마선 영상장비 뿐만 아니라 pulse shape discrimination(PSD) 기능을 가지는 유기섬광체나 CLYC과 같은 무기섬광체를 적용하면 감마선과 중성자의 선원의 위치를 동시에 구현이 가능한 휴대형 이중입자 영상장치로 구현이 가능하다.In addition, the present invention can be implemented as a portable double particle imaging device capable of realizing the positions of gamma-ray and neutron sources at the same time by applying an organic scintillator having a pulse shape discrimination (PSD) function or an inorganic scintillator such as CLYC as well as gamma-ray imaging equipment. possible.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다. The present invention described above is not limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within a range that does not deviate from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have knowledge of
10 : 섬광체 20 : 실리콘 광전자 증배관10: scintillator 20: silicon photomultiplier tube
Claims (5)
상기 섬광체를 사이로 양옆에 한쌍의 실리콘 광전자 증배관(Silicon photomultiplier)이 연결된 것에 특징이 있는 검출부.
a hexahedral pixelated scintillator;
A detection unit characterized in that a pair of silicon photomultipliers are connected to both sides through the scintillator.
상기 섬광체는 픽셀화 구조인 것에 특징이 있는 검출부.
According to claim 1,
The scintillator is characterized by a pixelated structure.
상기 섬광체의 각 픽셀 사이에는 반사체가 있는 구조인 것에 특징이 있는 검출부.
According to claim 2,
The detection unit characterized in that the structure has a reflector between each pixel of the scintillator.
상기 섬광체의 외부는 반사체로 감싸진 구조이며,
상기 반사체 외부는 추가로 알루미늄으로 감싸진 구조인 것에 특징이 있는 검출부.
According to claim 1,
The outside of the scintillator is a structure wrapped with a reflector,
The outside of the reflector is characterized in that the structure is additionally wrapped with aluminum.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158639A KR20230072173A (en) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | Single Pixel Scintillator-based Detector And Compton Camera Including The Same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158639A KR20230072173A (en) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | Single Pixel Scintillator-based Detector And Compton Camera Including The Same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230072173A true KR20230072173A (en) | 2023-05-24 |
Family
ID=86540971
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210158639A KR20230072173A (en) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | Single Pixel Scintillator-based Detector And Compton Camera Including The Same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230072173A (en) |
-
2021
- 2021-11-17 KR KR1020210158639A patent/KR20230072173A/en not_active Application Discontinuation
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