WO2011030979A1 - 도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법 - Google Patents

도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2011030979A1
WO2011030979A1 PCT/KR2010/001172 KR2010001172W WO2011030979A1 WO 2011030979 A1 WO2011030979 A1 WO 2011030979A1 KR 2010001172 W KR2010001172 W KR 2010001172W WO 2011030979 A1 WO2011030979 A1 WO 2011030979A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
charged particle
coil
particle beam
energy
measuring
Prior art date
Application number
PCT/KR2010/001172
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이주한
이춘식
김찬형
서희
Original Assignee
중앙대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 중앙대학교 산학협력단 filed Critical 중앙대학교 산학협력단
Publication of WO2011030979A1 publication Critical patent/WO2011030979A1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40—Imaging
    • G01N2223/419—Imaging computed tomograph

Definitions

  • Embodiments of the present invention measures the amount of energy reduction caused by the object to be measured during the progress of the charged particle beam through at least one coil, and using the measured energy reduction amount distribution for the internal configuration of the material to be measured By imaging the image, at least one of the tomographic image and the three-dimensional image of the measurement object can be obtained.
  • CT computed tomography
  • CT is an imaging technique using energy absorption of the charged particle beam by the material.
  • X-ray tomography is based on X-ray measurement through the material. Therefore, even if the measurement efficiency is 100%, the image acquisition is difficult even if the density of the material is low, since it is difficult to distinguish between the amount of X-ray absorption and the background pollution source.
  • the CT using the charged particle beam is based on the energy measurement of the charged particle beam passing through the material, it is possible to acquire an image even when the density of the measurement target is low.
  • the CT using the charged particle beam is low in density, and even when the energy change is small, the image can be obtained through the use of a measurement system with excellent energy resolution. Therefore, the accuracy of the measurement in the CT is very important.
  • Charged particle beam imaging apparatus is a beam irradiation unit for irradiating a charged particle beam (Charged Particle Beam) to the object to be measured, an energy change measuring unit for measuring the energy change of the irradiated charged particle beam, and
  • the image acquisition unit may be configured to acquire an image of the measurement target object by using the measured energy change.
  • Charged particle beam imaging method comprises the steps of irradiating a charged particle beam (Charged Particle Beam) to the object to be measured, measuring the energy change of the irradiated charged particle beam, and the measured energy And using the change, acquiring an image of the measurement object.
  • a charged particle beam Charged Particle Beam
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a charged particle beam imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating in detail a charged particle beam imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining in detail the energy change measurement unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an amplification and signal generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart specifically illustrating a charged particle beam imaging method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a charged particle beam imaging apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 uses three donut coils to reduce beam energy generated while the charged particle beams such as protons and heavy ions pass through the measurement object 103. It is a device to measure the distribution of the internal constituent material of the object by measuring the.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may measure the energy of the incident particle of the charged particle beam and the charged particle beam generated while passing through the measurement target object 103. And a secondary coil 102 and a tertiary coil 104 behind the object to be photographed.
  • the charged particle beam irradiated from a source may include a first coil 101, a second coil 102, an object to be measured 103, And measuring energy decreasing while passing through the third coil 104 in order to reconstruct the tomographic image or the 3D image.
  • the energy of the charged particle beam passing may be reduced.
  • the measurement object 103 exists between the second coil 102 and the third coil 104, and the charged particle beam irradiated from the source has characteristics such as the density of the measurement object 103 and the like. Thereby reducing the speed.
  • the decrease in speed of the charged particle beam irradiated from the source can be directly related to the decrease in energy.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 should know the distance between the first coil 101 and the second coil 102, the distance between the second coil 102 and the third coil 104.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 measures the speed of the charged particle beam in the interval between the first coil 101 and the second coil 102 by using the known distance in order to measure the decreasing energy. It can be measured.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may measure the speed in the section of the second coil 102 and the third coil 104 passing through the measurement object 103 by using the previously known distance. have.
  • the first coil The speed of the charged particle beam may be determined in the section 101 and the second coil 102.
  • the second coil 102 is used.
  • the speed of the charged particle beam in the section of the third coil 103 may be determined.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 compares the calculated energy, so that the charged particle beam passes through the measurement object object 103 and the second coil 102.
  • the energy decreasing in the section of the third coil 103 can be calculated.
  • the energy of decreasing the charged particle beam by the measurement object 103 is calculated, it may be determined that the reduced energy has been absorbed by the measurement object 103. That is, the incident energy of the charged particle beam passing through the first coil 101 and the second coil 102 before passing through the object to be measured 103, and the second coil 102 and the third coil 103. By comparing the transmission energy of the charged particle beam passing through, the energy absorbed by the measurement object 103 can be determined. In addition, the determined absorbed energy may be used to obtain at least one image from tomographic images and three-dimensional images of the object to be measured 103.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may change the incident energy in consideration of characteristics such as the density of the measurement object 103.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may increase the intensity of the charged particle beam irradiated to be photographed at a high resolution even in the case of the measurement object 103 having a high density. have.
  • the distance between the coils is very short, so the measurement of energy may be impossible due to the problem that the flight time is shorter than the threshold value.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may adjust the distance between each coil so that the flight time of the charged particle beam between each coil is greater than the time resolution of a circuit for processing a signal.
  • the object driving device 105 may move the measurement object 103 up, down, left, and right to measure energy change at various angles.
  • the object driving device 105 may move in the rotation direction or the vertical direction of the measurement object 103 to change the incident position of the charged particle beam for reconstruction of the 3D tomography image.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 may be used for imaging soft body tissues that are difficult to discriminate with conventional CT and X-ray tomography of body tissues during cancer treatment. Applicable to medical diagnostic techniques.
  • low-density materials such as gas and liquid can be imaged, they can be applied to non-destructive inspection techniques such as imaging of hydrogen gas distribution in hydrogen fuel cells.
  • Charged particle beam imaging apparatus 100 can be applied to the field of cancer treatment technology using a charged particle beam that relies on theoretical calculation in recent years.
  • a plurality of donut-shaped coils may be used to image characteristics in which the charged particle beam responds to body tissues.
  • the charged particle beam imaging apparatus 100 is capable of high-resolution tomography of low-density material, and in that it can minimize the error of the arrival position of the charged particle beam in the body This can reduce the damage to normal tissues involved in cancer treatment.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating in detail a charged particle beam imaging apparatus 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the charged particle beam imaging apparatus 200 may include a beam irradiator 210, an energy change measurer 220, and an image acquirer 230.
  • the beam irradiator 210 may irradiate a charged particle beam to a measurement object.
  • the beam irradiator 210 may include a cyclotron accelerator, and irradiate the object to be measured with pulsed protons or heavy particles.
  • the energy change measuring unit 220 may measure an energy change of the irradiated charged particle beam.
  • the energy change measuring unit 220 may measure the energy change of the irradiated charged particle beam by using at least one coil.
  • the at least one coil includes a first coil, a second coil, and a third coil
  • the energy change measuring unit 220 is the charged particle beam is the first coil, the second coil, the measurement The energy change occurring while sequentially passing through an object and the third coil may be measured.
  • the energy change measuring unit 220 may measure a first flight time for the irradiated charged particle beam to fly in a section between the first coil and the second coil in order to measure the energy change. have.
  • the energy change measurement unit 220 may further measure a second flight time for the irradiated charged particle beam to reach the third coil through the object to be measured in the second coil.
  • the energy change measuring unit 220 may measure (determine) the amount of energy reduction in which the charged particle beam is irradiated by the measuring object using the measured first flight time and the second flight time. have. In addition, the energy change measuring unit 220 may measure the energy change based on the measured energy reduction amount.
  • the energy change measuring unit 220 will be described in more detail later with reference to FIG. 3.
  • the image acquisition unit 230 may acquire an image of the measurement object by using the measured energy change.
  • the image acquirer 230 may calculate the energy absorbed by the measurement object by using the measured energy change.
  • the image acquisition unit 230 may obtain at least one image from the tomographic image and the three-dimensional image of the measurement object by using the calculated absorbed energy.
  • Acquisition of an image in the present specification may be possible through a general method of acquiring tomographic images and three-dimensional images based on energy absorption measured using image reconstruction software. .
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining in detail the energy change measurement unit 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the energy change measuring unit 300 may measure the flight time before and after transmission of the charged particle beam by using a logic signal derived from each coil.
  • the energy change measuring unit 300 may include at least one coil 310, amplification and signal generator 320, at least one flight time measuring instrument 330, and the energy determination device 340. have.
  • At least one coil 310 generates an induced current caused by electromagnetic induction when the irradiated charged particle beam passes, and the first coil 311, the second coil 312, and the third coil 313 It may include.
  • the at least one amplification and signal generator 320 may amplify a signal based on the induced current generated by the at least one coil 310 and generate a logic signal informing the generation of the signal after noise cancellation.
  • the at least one amplification and signal generation discriminator 320 includes an amplification and signal generation discriminator 321, an amplification and signal generation discriminator 322, and an amplification and signal generation discriminator 323. It may include.
  • the at least one flight time measuring instrument 330 may measure the time for which the irradiated charged particle beams fly in sections divided into at least one coil 310 based on the generation of the signal. As shown in FIG. 3, the at least one flight time meter 330 may include a first flight time meter 331 and a second flight time meter 332.
  • the first flight time measuring instrument 331 may measure a first flight time for the irradiated charged particle beam generated in a first section divided into a first coil 311 and a second coil 312. Can be.
  • the second flight time measuring instrument 332 may measure the second flight time of the irradiated charged particle beam generated in the second section divided into the second coil 312 and the third coil 313.
  • the first flight time measuring instrument 331 measures the first flight time based on the induced current generated in the first coil 311 as the irradiated charged particle beam passes through the first coil 311. This can be determined by the start signal required to do so.
  • the first flight time measuring instrument 331 is required to measure the second flight time of the induced current generated in the second coil 312 as the irradiated charged particle beam passes through the second coil 312. Can be determined by the end signal.
  • the first flight time measuring device 331 determining the start signal and the end signal may determine the time that elapses from the time when the start signal occurs to the time when the end signal occurs as the first flight time.
  • the distance of the first section is S1 and the distance of the second section is S2, and the time at which the irradiated charged particle beam reaches the first coil 311 is t1, and the irradiated charged particle beam It can be assumed that the time for reaching the second coil 312 is t2 and the speed in the first section is v.
  • v may be determined by Equation 1 below.
  • the second flight time measuring instrument 332 is required to measure the second flight time of the induced current generated in the second coil 312 as the irradiated charged particle beam passes through the second coil 312. Can be determined by the start signal.
  • the second flight time measuring instrument 332 transmits the induced current generated in the third coil as an end signal necessary for measuring the second flight time as the irradiated charged particle beam passes through the second coil 313. You can decide.
  • the second flight time measuring device 332 determining the start signal and the end signal may determine the time that elapses from the time when the start signal is generated to the time when the end signal is generated as the second flight time.
  • the energy determination device 340 may calculate incident energy and transmission energy of the charged particle beam with respect to the measurement object using at least one measured flight time.
  • the energy determination device 340 may determine the energy change by determining the energy absorbed by the measurement target object by using the calculated incident energy and transmission energy.
  • the energy determination device 340 may determine the energy of the charged particle beam in the first section using the determined first flight time.
  • the energy E of the charged particle beam may be determined through Equation 2 according to a relativistic energy formula.
  • m0 is the mass of the charged particles constituting the charged particle beam
  • c is the speed of light
  • v can be interpreted as the speed of the charged particle beam in the first section or the second section calculated above.
  • the energy E may be calculated by Equation 3. That is, the energy E may use Newton's kinetic energy formula, which is an approximation of Equation 2.
  • m0 is the mass of the charged particles constituting the charged particle beam
  • v may be interpreted as the speed of the charged particle beam in the first section or the second section calculated above.
  • the method of measuring the time that the charged particle beam passes by using a toroidal coil may use an induced current caused by magnetic induction.
  • the toroidal coil may be formed by winding a hollow (vacuum or air) quartz tube in a donut shape to wind a copper wire on the quartz tube.
  • the quartz tube may be replaced by a glass tube
  • the copper wire may be replaced by an enamel wire.
  • the charged particle beam When the charged particle beam passes through the center of the toroidal coil, the charged particle beam acts as if it is a current, which may cause a change in the magnetic field inside the quartz tube according to the relative position with the donut coil.
  • the electromotive force V induced in the toroidal coil may be calculated by Equation 4.
  • N is the number of times the coil is wound around the donut-shaped quartz tube
  • A is the size of the inner cross section of the quartz tube
  • I is the current caused by the charged particle beam
  • F (r) is the quartz tube with respect to the position of the charged particle beam.
  • the position function for any position in the interior, da means a small area at any position inside the quartz tube.
  • the amplification and signal generation discriminator can measure the moment when the charged particle beam passes through each coil based on [Equation 4].
  • V 0 is satisfied at the moment passing through the center of the donut-shaped coil.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an amplification and signal generator according to an embodiment of the present invention.
  • the amplification and signal generation discriminator may include a differential amplifier 401, a high pass filter 402, and a comparator 403.
  • the differential amplifier 401 amplifies the signal generated by the toroidal coil with a predetermined gain, and the high pass filter 402 may remove low frequency noise from the amplified signal.
  • the comparator 403 may generate and output a logic signal corresponding to the signal from which the noise is removed.
  • the amplification and signal generator can reduce the measurement error generated during the measurement of the flight time. To this end, the amplification and signal generator can significantly reduce the electrical noise generated during the measurement of the flight time.
  • the toroidal coil acts as a kind of antenna, which also captures a variety of electrical noise, which must be removed to accurately capture the signal at the moment the charged beam passes through the donut coil.
  • the most potent of the electrical noise that can be picked up is the RF signal used to pulse the charged particle beam.
  • the RF signal can be removed from the captured signal by passing the high pass filter 402 of 100MHz or more.
  • the high pass filter 402 also helps to remove the electrical noise in the natural state.
  • the energy of the charged particle beam can be derived very precisely through the amplification and signal generation discriminator including the high pass filter 402.
  • the energy of the derived very precise charged particle beam can be directly related to the acquisition of a good quality CT image.
  • the amplification and signal generation discriminator may measure a time at which the charged particle beam passes through the center of the toroidal coil based on the generated logic signal.
  • a logic signal is generated at each instant by the amplification and signal generator.
  • the time interval of these two signals is the time taken for the charged particle beam to pass through the gap between the two coils.
  • the center of the primary coil and the secondary coil may be disposed in the path through which the charged particle beam travels.
  • the energy after the charged particle beam has passed through the object is determined in the same manner as the incident energy of the charged particle beam using the primary and secondary coils, using the secondary and tertiary coils. You can decide.
  • the image acquisition unit Since the charged particle beam is incident on a point of the object, the image acquisition unit according to an embodiment of the present invention needs a process of scanning the object with the charged particle beam in order to obtain a tomographic image of the object.
  • the charged particle beam imaging apparatus may include a target object driving device for moving the measurement target object up, down, left, and right to measure energy changes at various angles of the measurement object. .
  • the object driving device moves and rotates the charged particle beam extraction device and the beam energy determination device 340 together for scanning the object to be measured, or moves only the object to be measured up and down, left and right and You can rotate it.
  • the object driving device moves and rotates together with the beam energy determining device 340, the movement of the object to be measured may be minimized to obtain a high quality acquired image.
  • the driving system may be simply implemented.
  • Image acquisition unit tomography and three-dimensional to use the energy absorption amount of the charged particle beam for each position and direction of the measurement object obtained through the scanning process in conventional X-ray tomography
  • the image reconstruction algorithm can be used as it is.
  • the amount of measurement required by the image reconstruction algorithm of the conventional X-ray tomography is the amount of X-ray absorption for each position and direction of the object
  • the amount of energy absorption (reduction amount) of the charged particle beam is reduced instead of the amount of X-ray absorption. Can be replaced.
  • the energy measurement error can be reduced without affecting the charged particle beam energy.
  • FIG. 5 is a flowchart specifically illustrating a charged particle beam imaging method according to an embodiment of the present invention.
  • a charged particle beam is irradiated to an object to be measured (step 501).
  • the charged particle beam may include charged particles such as protons and heavy ions.
  • the charged particle beam imaging method can measure the first flight time between the first coil and the second coil, the second flight time between the second coil and the third coil. (Step 502).
  • the charged particle beam imaging method measures the first flight time for the irradiated charged particle beam to fly in the interval between the first coil and the second coil,
  • the second flight time of the total particle beam passing through the measurement object from the second coil to the third coil may be measured.
  • the amount of energy reduction of the charged particle beam may be determined in consideration of the measured first flight time and the second flight time (step 503).
  • the energy change of the irradiated charged particle beam may be measured using the determined energy reduction amount (step 504).
  • the charged particle beam imaging method measuring the energy change that occurs while sequentially passing through the first coil, the second coil, the measurement object, and the third coil. can do.
  • the measured energy change may be measured using a change in speed in each section.
  • the energy change can be measured.
  • the charged particle beam imaging method can obtain an image for the measurement object by using the measured energy change (505).
  • Charged particle beam imaging method is implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means may be recorded on a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

하전입자 빔(charged particle beam)에 영향을 미치지 않는 복수의 도넛형 코일(toroidal coil)들을 이용하여, 상기 하전입자 빔이 측정대상물체에 의하여 감소되는 에너지를 결정하고, 상기 결정된 에너지를 이용하여 단층영상 및 3차원 영상을 재구성하는 하전입자 빔 촬영 장치 및 방법을 개시한다.

Description

도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법
본 발명의 실시예들은 적어도 하나 이상의 코일을 통해 하전입자 빔의 진행 중, 측정대상물체에 의해 발생하는 에너지 감소량을 측정하고, 상기 측정된 에너지 감소량을 이용하여 상기 측정대상물질의 내부 구성에 대한 분포를 영상화함으로써, 상기 측정대상물체의 단층영상 및 3차원 영상 중에서 적어도 하나의 영상을 획득할 수 있다.
하전입자 빔을 이용한 단층촬영(computed tomography, 이하 CT)의 관건은 하전입자 빔에 대한 에너지 측정의 정밀도에 있다. 다시 말해, 에너지가 어느 정도 정밀하게 측정되는지에 따라서, CT 촬영에 따른 결과물의 정밀도가 결정될 수 있다.
X-선이 물질 내에서 투과되는 정도를 이용하여 영상화하는 X-선 단층촬영과는 달리 CT는 물질에 의한 하전입자 빔의 에너지 흡수 정도를 이용하여 영상화하는 기술이다.
다시 말해, X-선 단층촬영의 경우, 물질을 투과한 X-선 계측에 기반을 두고 있다. 따라서, X-선의 흡수량과 배경오염원과의 판별이 어렵다는 점에서 계측효율이 100%라 할지라도 물질의 밀도가 낮은 경우에는 영상획득이 어렵다.
그러나 하전입자 빔을 이용하는 CT는 물질을 투과한 하전입자 빔의 에너지 측정에 기반을 두기 때문에, 측정대상의 밀도가 낮은 경우에도 영상획득이 가능하다.
즉, 하전입자 빔을 이용하는 CT는 밀도가 낮아 에너지 변화가 작은 경우에도 에너지 분해능이 우수한 계측시스템의 이용을 통해 영상획득이 가능하고, 이러한 점으로 인해 CT에 있어서 측정의 정밀도가 매우 중요하다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치는 측정대상물체에 하전입자 빔(Charged Particle Beam)을 조사하는 빔 조사부, 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정하는 에너지 변화 측정부, 및 상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득하는 영상 획득부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 측정대상물체에 하전입자 빔(Charged Particle Beam)을 조사하는 단계, 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치를 구체적으로 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 변화 측정부를 구체적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 및 신호발생판별기의 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)를 개략적으로 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 세 개의 도넛형 코일들을 이용하여 양성자 및 중이온 등의 하전입자 빔이 측정대상물체(103)를 통과하는 동안에 발생하는 빔 에너지의 감소를 측정하여 물체의 내부 구성 물질에 대한 분포를 영상화하는 장치이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 하전입자 빔의 입사 에너지와 측정대상물체(103)를 통과하면서 생긴 하전입자 빔의 에너지 감소를 측정하기 위해 1차 코일(101)과 2차 코일(102), 그리고 촬영 대상물체의 뒤에 놓인 3차 코일(104)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 소스로부터 조사되는 하전입자 빔이 제1 코일(101), 제2 코일(102), 측정대상물체(103), 및 제3 코일(104)을 순서대로 통과하면서 감소하는 에너지를 측정하여 단층영상 또는 3차원 영상으로 재구성할 수 있다.
이때, 제1 코일(101)을 지나서 제2 코일(102)을 통과하는 순간까지 소스로부터 조사되는 하전입자 빔의 에너지는 감소하지 않고, 제2 코일(102)을 지나서 제3 코일(104)을 통과하는 상기 하전입자 빔의 에너지는 감소될 수 있다.
다시 말해, 제2 코일(102) 및 제3 코일(104)의 사이에는 측정대상물체(103)가 존재하고, 상기 소스로부터 조사되는 하전입자 빔은 측정대상물체(103)의 밀도 등의 특성에 의하여 속력이 감소된다.
상기 소스로부터 조사되는 하전입자 빔의 속력 감소는 에너지의 감소와 직접적으로 연관될 수 있다.
이를 위해, 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 제1 코일(101)과 제2 코일(102) 간의 거리, 제2 코일(102) 및 제3 코일(104) 간의 거리를 알고 있어야 한다.
하전입자 빔 촬영 장치(100)는 감소하는 에너지를 측정하기 위해서, 상기 미리 알고 있는 거리를 이용하여, 제1 코일(101)과 제2 코일(102)의 구간에서의 상기 하전입자 빔의 속력을 측정할 수 있다.
또한, 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 상기 미리 알고 있는 거리를 이용하여, 측정대상물체(103)를 통과하는 제2 코일(102) 및 제3 코일(104)의 구간에서 속력을 측정할 수 있다.
구체적으로, 제1 코일(101)과 제2 코일(102) 구간의 거리를, 상기 하전입자 빔이 상기 제1 코일(101)과 제2 코일(102)을 지나는 비행시간으로 나누면, 제1 코일(101)과 제2 코일(102) 구간에서 상기 하전입자 빔의 속력이 결정될 수 있다.
마찬가지로, 제2 코일(102)과 제3 코일(103) 구간의 거리를 상기 하전입자 빔이 상기 제2 코일(102)과 제3 코일(103)을 지나는 비행시간으로 나누면, 제2 코일(102)과 제3 코일(103) 구간에서 상기 하전입자 빔의 속력이 결정될 수 있다.
속력을 이용하면, 각 구간에서의 에너지가 산출되고 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 상기 산출된 에너지를 비교하여, 상기 하전입자 빔이 측정대상물체(103)를 지나는 제2 코일(102)과 제3 코일(103)의 구간에서 감소하는 에너지를 산출할 수가 있다.
상기 하전입자 빔이 측정대상물체(103)에 의해서 감소하는 에너지가 산출되면, 감소된 에너지가 측정대상물체(103)에 흡수되었다고 판단할 수 있다. 즉, 측정대상물체(103)를 통과하기 전, 제1 코일(101)과 제2 코일(102)을 지나는 상기 하전입자 빔의 입사 에너지와, 제2 코일(102)과 제3 코일(103)을 지나는 상기 하전입자 빔의 투과 에너지를 비교하여, 측정대상물체(103)에 흡수된 에너지가 결정될 수 있다. 또한, 결정된 흡수된 에너지는 측정대상물체(103)의 단층영상 및 3차원 영상 중에서 적어도 하나의 영상을 획득하는데 이용될 수 있다.
영상의 획득은 영상재구성 소프트웨어를 이용하여 측정된 에너지 흡수량을 인자로 단층영상 및 3차원 영상을 획득하는 일반적인 방법을 통해 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 측정대상물체(103)의 밀도 등의 특징을 고려하여 입사 에너지의 변화를 줄 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 밀도가 높은 측정대상물체(103)의 경우에도, 높은 해상도로 촬영될 수 있도록 조사하는 하전입자 빔의 강도를 높일 수 있다.
이 경우에는, 각 코일 간의 거리가 매우 짧아, 비행시간이 임계값 보다 짧아지는 문제로 인해 에너지의 측정이 불가능할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 각 코일 간 하전입자 빔의 비행시간을 신호를 처리하기 위한 회로의 시간 분해능 보다 크게 되도록 각 코일 간 거리를 조정할 수 있다.
대상물체 구동장치(105)는 여러 각도에서 에너지 변화를 측정하도록, 측정대상물체(103)를 상하좌우로 이동시킬 수 있다.
즉, 대상물체 구동장치(105)는 3차원 단층영상의 재구성을 위해 하전입자 빔의 입사위치의 변화를 주기 위해 측정대상물체(103)의 회전방향 또는 상하 방향으로 이동시킬 수 있다.
이러한 특징적 구성들로 인해서, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 암 치료 시 신체 조직에 대한 기존 CT 및 X-ray 단층촬영으로 판별하기 어려운 부드러운 신체 조직의 영상화 등의 의료용 진단 기술에 적용될 수 있다.
뿐만 아니라, 가스 및 액체 같은 저밀도의 물질에 대한 영상화가 가능하므로 수소연료전지 내 수소가스 분포의 영상화 등의 비파괴 검사기술에 적용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 근래 이론적 계산에 의존하고 있는 하전입자 빔을 이용한 암치료기술 분야에 적용이 가능하다.
또한, 실제로 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)가 암 치료에 상용화될 경우, 복수의 도넛형 코일을 이용하여 하전입자 빔이 신체조직에 반응하는 특성을 영상화할 수 있다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(100)는 저밀도 물질에 대한 고해상도의 단층촬영이 가능하며, 신체 내에서 하전입자 빔의 도달 위치에 대한 오차를 최소화할 수 있다는 점에서, 암 치료 시 수반되는 정상조직의 손상을 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치(200)를 구체적으로 설명하는 블록도이다.
하전입자 빔 촬영 장치(200)는 빔 조사부(210), 에너지 변화 측정부(220), 및 영상 획득부(230)를 포함할 수 있다.
빔 조사부(210)는 측정대상물체에 하전입자 빔(Charged Particle Beam)을 조사할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 빔 조사부(210)는 사이클로트론 가속기를 포함할 수 있고, 펄스화된 양성자 또는 중입자 등을 측정대상물체에 조사할 수 있다.
에너지 변화 측정부(220)는 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정할 수 있다.
에너지 변화 측정부(220)는 적어도 하나 이상의 코일을 이용하여 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나 이상의 코일은 제1 코일, 제2 코일, 및 제3 코일을 포함하고, 에너지 변화 측정부(220)는 상기 하전입자 빔이 상기 제1 코일, 상기 제2 코일, 상기 측정대상물체, 및 상기 제3 코일을 순차적으로 지나는 동안에 발생하는 상기 에너지 변화를 측정할 수 있다.
예를 들어, 에너지 변화 측정부(220)는 상기 에너지 변화를 측정하기 위해서, 상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 사이의 구간에서 비행하는 제1 비행시간을 측정할 수 있다.
뿐만 아니라, 에너지 변화 측정부(220)는 상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제2 코일에서 상기 측정대상물체를 지나 상기 제3 코일에 도달하는 제2 비행시간을 더 측정할 수 있다.
이후, 에너지 변화 측정부(220)는 상기 측정된 제1 비행시간 및 상기 제2 비행시간을 이용하여 상기 측정대상물체에 의하여 상기 조사된 하전입자 빔이 감소된 에너지 감소량을 측정(결정)할 수 있다. 또한, 에너지 변화 측정부(220)는 상기 측정된 에너지 감소량에 기초하여 상기 에너지 변화를 측정할 수 있다.
에너지 변화 측정부(220)는 이후 도 3에서 보다 구체적으로 설명한다.
다음으로, 영상 획득부(230)는 상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득할 수 있다.
영상 획득부(230)는 상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 흡수된 에너지를 산출할 수 있다. 또한, 영상 획득부(230)는 상기 산출된 흡수 에너지를 이용하여, 상기 측정대상물체의 단층영상 및 3차원 영상 중에서 적어도 하나의 영상을 획득할 수 있다.
본 명세서에서 영상의 획득은 영상재구성 소프트웨어를 이용하여 측정된 에너지 흡수량을 인자로 단층영상 및 3차원 영상을 획득하는 일반적인 방법을 통해 가능할 수 있으며, 주지된 관용기술이 적용될 수 있기에 구체적인 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 변화 측정부(300)를 구체적으로 설명하기 위한 블록도이다.
우선, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 변화 측정부(300)는 각 코일에서 도출된 논리신호를 이용하여 하전입자 빔의 투과 전과 후의 비행시간을 측정할 수 있다.
또한, 각 코일 간의 거리를 측정된 비행시간으로 나눠 해당 코일 간의 구간에서 상기 하전입자 빔의 속력을 산출할 수 있다.
이를 위해, 에너지 변화 측정부(300)는 적어도 하나 이상의 코일(310), 증폭 및 신호발생판별기(320), 적어도 하나 이상의 비행시간 측정기(330), 및 에너지 결정장치(340)를 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 코일(310)은 상기 조사되는 하전입자 빔이 통과하는 경우에 전자기 유도에 의한 유도전류를 발생하고, 제1 코일(311), 제2 코일(312), 및 제3 코일(313)을 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 증폭 및 신호발생판별기(320)는 적어도 하나 이상의 코일(310)에서 발생한 상기 유도전류에 기초한 신호를 증폭하고, 잡음제거 후에 상기 신호의 발생을 알리는 논리신호를 생성할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 증폭 및 신호발생판별기(320)는 증폭 및 신호발생판별기(321), 증폭 및 신호발생판별기(322), 증폭 및 신호발생판별기(323)을 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 비행시간 측정기(330)는 상기 신호의 발생에 기초하여, 상기 조사되는 하전입자 빔이 적어도 하나 이상의 코일(310)로 구분되는 구간들에서 비행하는 시간을 측정할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 비행시간 측정기(330)는 제1 비행시간 측정기(331) 및 제2 비행시간 측정기(332)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 비행시간 측정기(331)는 제1 코일(311) 및 제2 코일(312)로써 구분되는 제1 구간에서 발생하는 상기 조사되는 하전입자 빔에 대한 제1 비행시간을 측정할 수 있다.
또한, 제2 비행시간 측정기(332)는 제2 코일(312) 및 제3 코일(313)로써 구분되는 제2 구간에서 발생하는 상기 조사되는 하전입자 빔의 제2 비행시간을 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 비행시간 측정기(331)는 상기 조사되는 하전입자 빔이 제1 코일(311)을 통과함에 따라서, 제1 코일(311)에서 발생하는 유도전류를 상기 제1 비행시간을 측정하는데 필요한 시작신호로 결정할 수 있다.
또한, 제1 비행시간 측정기(331)는 상기 조사되는 하전입자 빔이 제2 코일(312)을 통과함에 따라서, 제2 코일(312)에서 발생하는 유도전류를 상기 제2 비행시간을 측정하는데 필요한 종료신호로 결정할 수 있다.
시작신호와 종료신호를 결정한 제1 비행시간 측정기(331)는 상기 시작신호가 발생한 시점부터 상기 종료신호가 발생한 시점까지 경과되는 시간을 상기 제1 비행시간으로 결정할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 제1 구간의 거리를 S1로 상기 제2 구간의 거리를 S2라고 가정하고, 상기 조사되는 하전입자 빔이 제1 코일(311)에 도달하는 시간을 t1, 상기 조사되는 하전입자 빔이 제2 코일(312)에 도달하는 시간을 t2, 상기 제1 구간에서의 속력을 v로 가정할 수 있다.
이 경우, v는 아래 [수학식 1]로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2010001172-appb-I000001
마찬가지로, 제2 비행시간 측정기(332)는 상기 조사되는 하전입자 빔이 제2 코일(312)을 통과함에 따라서, 제2 코일(312)에서 발생하는 유도전류를 상기 제2 비행시간을 측정하는데 필요한 시작신호로 결정할 수 있다.
또한, 제2 비행시간 측정기(332)는 상기 조사되는 하전입자 빔이 제2 코일(313)을 통과함에 따라서, 제3 코일에서 발생하는 유도전류를 상기 제2 비행시간을 측정하는데 필요한 종료신호로 결정할 수 있다.
시작신호와 종료신호를 결정한 제2 비행시간 측정기(332)는 상기 시작신호가 발생한 시점부터 상기 종료신호가 발생한 시점까지 경과되는 시간을 상기 제2 비행시간으로 결정할 수 있다.
에너지 결정장치(340)는 측정된 적어도 하나 이상의 비행 시간을 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 상기 하전입자 빔의 입사 에너지 및 투과 에너지를 산출할 수 있다.
또한, 에너지 결정장치(340)는 상기 산출된 입사 에너지 및 투과 에너지를 이용하여 상기 측정대상물체에 흡수된 에너지를 결정함으로써, 에너지 변화를 측정할 수 있다.
이를 위해, 에너지 결정장치(340)는 상기 결정된 제1 비행시간을 이용하여 제1 구간에서의 상기 하전입자 빔의 에너지를 결정할 수 있다.
상기 하전입자 빔의 에너지(E)는 상대론적 에너지 공식에 따라 [수학식 2]를 통해 결정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2010001172-appb-I000002
이때, m0는 상기 하전입자 빔을 구성하는 하전입자의 질량이고, c는 빛의 속력이며, v는 앞서 산출한 제1 구간 또는 제2 구간에서 상기 하전입자 빔의 속력으로 해석될 수 있다.
만약, 하전입자 빔의 에너지가 선정된 기준크기 보다 작을 경우에, 상기 에너지(E)는 [수학식 3]으로 산출될 수도 있다. 즉, 상기 에너지(E)는 [수학식 2]의 근사식인 뉴턴의 운동에너지 공식을 이용할 수도 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2010001172-appb-I000003
이때, m0는 상기 하전입자 빔을 구성하는 하전입자의 질량이고, v는 앞서 산출한 제1 구간 또는 제2 구간에서 상기 하전입자 빔의 속력으로 해석될 수 있다.
즉, 상기 하전입자 빔이 특정 구간을 지나가는 시간만을 측정함으로써, 상기 하전입자 빔에 대하여 특정 구간에서의 에너지를 결정할 수 있다.
도넛형 코일을 이용하여 상기 하전입자 빔이 지나가는 시간을 측정하는 방법은 자기유도에 의한 유도전류를 이용할 수 있다.
패러데이 유도법칙에 따라, 코일 내 자속의 변화에 기인하여 코일의 양단에 유도기전력을 발생하여 전류가 흐르게 된다.
도넛형 코일은 속이 빈(진공 또는 공기) 석영관을 도넛형으로 형성하여 구리선을 상기 석영관에 감는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 석영관은 유리관으로 대체될 수 있고, 상기 구리선은 에나멜선으로 대체될 수도 있다.
상기 하전입자 빔이 도넛형 코일의 중심부를 통과하게 하면, 상기 하전입자 빔은 마치 전류와 같은 작용을 하므로 도넛형 코일과의 상대적 위치에 따라서 석영관 안쪽에 자기장의 변화를 유발할 수 있다.
도넛형 코일에 유도되는 기전력(V)는 [수학식 4]로 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2010001172-appb-I000004
이때, N은 도넛형 석영관에 코일이 감긴 횟수, A는 상기 석영관의 안쪽 단면의 크기, I는 상기 하전입자 빔에 의한 전류, F(r)은 상기 하전입자 빔의 위치에 대한 석영관 내부 임의의 위치에 대한 위치 함수, da는 상기 석영관 내부의 임의 위치에서의 미소 면적을 의미한다.
본 발명의 일실시예에 따른 증폭 및 신호발생판별기는 [수학식 4]에 기초하여 상기 하전입자 빔이 각 코일을 통과하는 순간을 측정할 수 있다.
[수학식 4]에 따르면, 상기 하전입자 빔이 도넛형 코일의 중심부를 지나기 전과 지난 후의 의 부호가 바뀌게 되기 때문에, 상기 도넛형 코일의 중심부를 지나는 순간에 V=0을 만족한다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 및 신호발생판별기는 도넛형 코일에 유도되는 신호에 zero-crossing 방법이 적용되어 V=0이 되는 순간을 포착할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 증폭 및 신호발생판별기는 도 4를 통해 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 및 신호발생판별기의 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 증폭 및 신호발생판별기는 차동 증폭기(401), 고역통과필터(402), 및 비교기(403)를 포함할 수 있다.
차동 증폭기(401)는 도넛형 코일에서 발생하는 신호를 선정된 이득으로 증폭하고, 고역통과필터(402)는 상기 증폭된 신호에서 저주파 잡음을 제거할 수 있다.
또한, 비교기(403)는 상기 잡음이 제거된 신호에 대응하는 논리신호를 생성하여 출력할 수 있다.
상기 증폭 및 신호발생판별기는 비행시간의 측정시 발생하는 측정 오차를 줄일 수 있다 이를 위해, 상기 증폭 및 신호발생판별기는 비행시간의 측정시에 발생하는 전기적 잡음을 현저하게 줄일 수 있다.
도넛형 코일은 일종의 안테나 역할을 하므로 다양한 전기적 잡음도 포착하게 되는데, 하전입자 빔이 도넛형 코일을 지나가는 순간의 신호를 정확히 포착하기 위해서는 이러한 전기적 잡음을 제거해야만 한다.
포착 가능한 전기적 잡음 가운데 가장 유력한 것이 하전입자 빔을 펄스형으로 가속하는데 사용되는 RF 신호이다.
다행이 실제 신호는 100MHz이상의 대역폭을 갖는데 반해 RF는 신호는 100MHz 이하의 대역폭을 갖는다. 그러므로 100MHz이상의 고역통과필터(402)를 통과시킴으로써 포착신호에서 RF신호 제거할 수 있다.
자연 상태에서 100MHz이상의 전기적 잡음은 드물기 때문에 고역통과필터(402)는 자연 상태의 전기적 잡음의 제거에도 도움을 준다.
본 발명에서는 고역통과필터(402)를 포함한 상기 증폭 및 신호발생판별기를 통해 하전입자 빔의 에너지를 매우 정밀하게 도출할 수 있다. 또한, 도출된 매우 정밀한 하전입자 빔의 에너지는 우수한 품질의 CT 영상의 획득에 직접적으로 연관될 수 있다.
상기 증폭 및 신호발생판별기는 발생되는 논리신호에 기초하여, 상기 하전입자 빔이 도넛형 코일의 중심부를 통과하는 순간의 시간을 측정할 수 있다.
상기 증폭 및 신호발생판별기는 도넛형 코일에 유도되는 신호에 비교기(403)를 통한 zero-crossing 방식을 적용하여 상기 V=0이 되는 순간을 포착할 수 있다. 또한, 상기 증폭 및 신호발생판별기는 상기 V=0이 되는 순간 비교기(403)에서 선정된 논리신호를 발생시키기 때문에 도넛형 코일의 중심부를 상기 하전입자 빔이 통과하는 순간의 시간을 측정할 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 두 개의 도넛형 코일을 일정한 간격으로 배치시킨 후, 그 중심부를 하전입자 빔이 통과할 때, 상기 증폭 및 신호발생판별기에 의해 각각의 순간에서 논리신호가 발생하게 된다. 이때, 이 두 신호의 시간간격이 바로 하전입자 빔이 두 코일간의 간격을 통과하는데 걸리는 시간이 된다.
본 발명에서는 상기 하전입자 빔이 진행하는 경로에 제1차 코일과 제2차 코일의 중심이 위치하도록 배치될 수 있다.
또한, 입사되는 하전입자 빔이 두 코일 간의 거리를 진행하는 동안 걸리는 시간을 측정하여 [수학식 1]에 의거하여 속력을 구하고, [수학식 2] 또는 [수학식 3]에 기초하여 하전입자 빔의 에너지를 결정할 수 있다.
본 발명에서 하전입자 빔이 대상물체를 통과한 후의 에너지는 제2차 코일과 제3차 코일을 이용하여 앞선 제1차 코일과 제2차 코일을 이용한 하전입자 빔의 입사에너지 결정과 동일한 방법으로 결정할 수 있다.
하전입자 빔은 대상물체의 한 지점에 입사되므로 본 발명의 일실시예에 따른 영상 획득부는 대상물체에 대한 단층영상을 얻기 위해서 하전입자 빔으로 대상물체를 스캔하는 과정이 필요하다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 장치는 상기 측정대상물체의 여러 각도에서 에너지 변화를 측정하도록, 상기 측정대상물체를 상하좌우로 이동하는 대상물체 구동장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 대상물체 구동장치는 측정대상물체의 스캔을 위해서 하전입자 빔 인출 장치와 빔 에너지 결정장치(340)를 함께 이동 및 회전시키거나, 측정대상물체만을 상하, 좌우 이동 및 회전 시킬 수 있다.
대상물체 구동장치가 빔 에너지 결정장치(340)와 함께 이동 및 회전하는 경우는 측정대상물체의 움직임을 최소화하여 양질의 획득영상을 얻을 수 있다.
또한, 대상물체 구동장치가 측정대상물체만을 상하, 좌우 이동 및 회전 시키는 경우, 구동 시스템이 간단하게 구현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 영상 획득부는 상기 스캔 과정을 통해서 획득된 측정대상물체의 각 위치 및 방향에 대한 하전입자 빔의 에너지 흡수량을 기존의 X-선 단층촬영에서 사용하는 단층영상 및 3차원 영상재구성 알고리즘을 그대로 이용할 수 있다.
기존의 X-선 단층촬영의 영상재구성 알고리즘에서 필요로 하는 측정량은 대상물체의 각 위치 및 방향에 대한 X-선의 흡수량이므로 본 발명에서는 X-선의 흡수량 대신 하전입자 빔의 에너지 흡수량(감소량)으로 대체할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하전입자 빔이 지나가면서 주변 공간에 일으키는 자기장의 변화를 도넛형 코일을 이용하여 감지함으로써, 하전입자 빔 에너지에 영향을 주지 않아 에너지 측정 오차를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 측정대상물체에 하전입자 빔(charged particle beam)을 조사한다(단계 501). 이때, 상기 하전입자 빔은 양성자 및 중이온 등의 하전입자를 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 제1 코일 및 제2 코일 간의 제1 비행시간을 측정하고, 상기 제2 코일 및 제3 코일 간의 제2 비행시간을 측정할 수 있다(단계 502).
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 상기 조사된 하전입자 빔이 제1 코일 및 제2 코일 사이의 구간에서 비행하는 제1 비행시간을 측정하고, 상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제2 코일에서 상기 측정대상물체를 지나 제3 코일에 도달하는 제2 비행시간을 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 상기 측정된 제1 비행시간 및 상기 제2 비행시간을 고려하여 상기 하전입자 빔의 에너지 감소량을 결정할 수 있다(단계 503).
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 상기 결정된 에너지 감소량을 이용하여 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정할 수 있다(단계 504).
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은, 상기 제1 코일, 상기 제2 코일, 상기 측정대상물체, 및 상기 제3 코일을 순차적으로 지나는 동안에 발생하는 에너지 변화를 측정할 수 있다.
상기 측정되는 에너지 변화는 상기 각 구간에서의 속력의 변화를 이용하여 측정할 수 있다.
즉, 제1 코일에서 제2 코일까지 비행하는 상기 하전입자 빔의 속력과, 상기 제2 코일부터 상기 측정대상물체를 통과하여 상기 제3 코일까지 비행하는 상기 하전입자 빔의 속력의 비교를 통해, 상기 에너지 변화를 측정할 수 있다.
이후, 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득할 수 있다(505).
본 발명의 일실시예에 따른 하전입자 빔 촬영 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 측정대상물체에 하전입자 빔(Charged Particle Beam)을 조사하는 빔 조사부;
    상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정하는 에너지 변화 측정부; 및
    상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득하는 영상 획득부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 변화 측정부는,
    적어도 하나 이상의 코일을 이용하여 상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 코일은 제1 코일, 제2 코일, 및 제3 코일을 포함하고,
    상기 에너지 변화 측정부는,
    상기 하전입자 빔이 상기 제1 코일, 상기 제2 코일, 상기 측정대상물체, 및 상기 제3 코일을 순차적으로 지나는 동안에 발생하는 상기 에너지 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 변화 측정부는,
    상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 사이의 구간에서 비행하는 제1 비행시간을 측정하고,
    상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제2 코일에서 상기 측정대상물체를 지나 상기 제3 코일에 도달하는 제2 비행시간을 측정하며,
    상기 측정된 제1 비행시간 및 상기 제2 비행시간을 이용하여 상기 측정대상물체에 의한 상기 조사된 하전입자 빔의 에너지 감소량을 결정하고, 상기 결정된 에너지 감소량에 기초하여 상기 에너지 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 변화 측정부는,
    상기 조사되는 하전입자 빔이 통과하는 경우에 전자기 유도에 의한 유도전류를 발생하는 적어도 하나 이상의 코일;
    상기 적어도 하나 이상의 코일에서 발생한 상기 유도전류에 기초한 신호를 증폭하고, 잡음제거 후에 상기 신호의 발생을 알리는 논리신호를 생성하는 적어도 하나 이상의 증폭 및 신호발생판별기;
    상기 신호의 발생에 기초하여, 상기 조사되는 하전입자 빔이 상기 적어도 하나 이상의 코일로 구분되는 구간들에서 비행하는 시간을 측정하는 비행시간 측정기; 및
    측정된 적어도 하나 이상의 비행 시간을 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 상기 하전입자 빔의 입사 에너지 및 투과 에너지를 산출하고, 상기 산출된 입사 에너지 및 투과 에너지를 이용하여 상기 측정대상물체에 흡수된 에너지를 결정함으로써, 에너지 변화를 측정하는 에너지 결정장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비행시간 측정기는,
    상기 적어도 하나 이상의 코일 중에서 제1 코일 및 제2 코일로써 구분되는 구간에서 발생하는 비행시간을 측정하고,
    상기 조사되는 하전입자 빔의 통과에 따라서, 상기 제1 코일에서 발생하는 유도전류를 상기 비행시간을 측정하는데 필요한 시작신호로, 상기 제2 코일에서 발생하는 유도전류를 상기 비행시간을 측정하는데 필요한 종료신호로 결정하며,
    상기 시작신호가 발생한 시점부터 상기 종료신호가 발생한 시점까지 경과되는 시간을 상기 비행시간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 측정대상물체에 흡수된 에너지를 이용하여, 상기 측정대상물체의 단층영상 및 3차원 영상 중에서 적어도 하나의 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 증폭 및 신호발생판별기는,
    상기 발생한 신호를 선정된 이득으로 증폭하는 차동 증폭기
    상기 증폭된 신호의 저주파 잡음을 제거하는 고역통과필터; 및
    상기 잡음이 제거된 신호에 대응하는 논리신호를 생성하여 출력하는 비교기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측정대상물체의 여러 각도에서 에너지 변화를 측정하도록, 상기 측정대상물체를 상하좌우로 이동하는 대상물체 구동장치
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 코일은 도넛형 코일(toroidal coil)인 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 장치.
  11. 측정대상물체에 하전입자 빔(Charged Particle Beam)을 조사하는 단계;
    상기 조사되는 하전입자 빔의 에너지 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 에너지 변화를 이용하여, 상기 측정대상물체에 대한 영상을 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 변화를 측정하는 단계는,
    제1 코일, 제2 코일, 상기 측정대상물체, 및 제3 코일을 순차적으로 지나는 동안에 발생하는 에너지 변화를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 변화를 측정하는 단계는,
    상기 조사된 하전입자 빔이 제1 코일 및 제2 코일 사이의 구간에서 비행하는 제1 비행시간을 측정하는 단계;
    상기 조사된 하전입자 빔이 상기 제2 코일에서 상기 측정대상물체를 지나 제3 코일에 도달하는 제2 비행시간을 측정하는 단계;
    상기 제1 비행시간 및 상기 제2 비행시간을 이용하여 상기 측정대상물체에 의한 상기 조사된 하전입자 빔의 에너지 감소량을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 에너지 감소량에 기초하여, 상기 에너지 변화를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 빔 촬영 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
PCT/KR2010/001172 2009-09-08 2010-02-25 도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법 WO2011030979A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090084482A KR101127680B1 (ko) 2009-09-08 2009-09-08 도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법
KR10-2009-0084482 2009-09-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011030979A1 true WO2011030979A1 (ko) 2011-03-17

Family

ID=43732620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2010/001172 WO2011030979A1 (ko) 2009-09-08 2010-02-25 도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101127680B1 (ko)
WO (1) WO2011030979A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0480035A1 (en) * 1989-06-30 1992-04-15 Yokogawa Medical Systems, Ltd Radiotherapeutic system
US5297037A (en) * 1990-07-31 1994-03-22 Kabushiki Kaisha Toshiba X-ray simulating method and system for radiotherapy plan
KR100528101B1 (ko) * 1996-10-28 2005-11-15 로마 린다 유니버시티 메디칼 센터 양성자 빔 디지털 영상 시스템
KR20080084798A (ko) * 2005-10-25 2008-09-19 헬름홀츠 젠트룸 뮌헨-도이체스 포르슝스젠트룸 퓌르 게준드하이트 운트 움벨트 게엠베하 이중 판독 스캐너를 이용한 영상화 방법 및 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3505927B2 (ja) 1996-09-03 2004-03-15 株式会社日立製作所 医療用荷電粒子照射装置
JP3748433B2 (ja) * 2003-03-05 2006-02-22 株式会社日立製作所 ベッド位置決め装置及びその位置決め方法
JP4797140B2 (ja) * 2007-01-18 2011-10-19 独立行政法人国立がん研究センター 荷電粒子線照射装置
JP4979500B2 (ja) * 2007-07-31 2012-07-18 独立行政法人理化学研究所 Ｃｔモニター

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0480035A1 (en) * 1989-06-30 1992-04-15 Yokogawa Medical Systems, Ltd Radiotherapeutic system
US5297037A (en) * 1990-07-31 1994-03-22 Kabushiki Kaisha Toshiba X-ray simulating method and system for radiotherapy plan
KR100528101B1 (ko) * 1996-10-28 2005-11-15 로마 린다 유니버시티 메디칼 센터 양성자 빔 디지털 영상 시스템
KR20080084798A (ko) * 2005-10-25 2008-09-19 헬름홀츠 젠트룸 뮌헨-도이체스 포르슝스젠트룸 퓌르 게준드하이트 운트 움벨트 게엠베하 이중 판독 스캐너를 이용한 영상화 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110026718A (ko) 2011-03-16
KR101127680B1 (ko) 2012-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7783213B2 (en) Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device, and charging device
JPH043952A (ja) 表面解析方法および表面解析装置
JPH033185B2 (ko)
WO2011030979A1 (ko) 도넛형 코일을 이용한 하전입자 빔 단층촬영 장치 및 방법
WO2022092708A1 (ko) 알파 입자의 펄스 검출을 통한 라돈 측정기
Bossini et al. Test beam results of irradiated single-crystal CVD diamond detectors at DESY-II
Egorov et al. Combined device for vacuum electron diode adjustment
JP2006296520A (ja) Ｘ線ｃｔ装置
Wing et al. The AWAKE electron spectrometer
Dölling Beam Diagnostics for cyclotrons
Cantero et al. The status of beam diagnostics for the HIE-ISOLDE linac at CERN
Baader et al. A Novel $ In-Situ $ Radiation Damage Diagnostic System for Undulators
KR101217212B1 (ko) 컴퓨터 단층촬영장치
Tchórz et al. Capabilities of Thomson parabola spectrometer in various laser-plasma-and laser-fusion-related experiments
JPS6089050A (ja) ストロボ走査電子顕微鏡
US20240280711A1 (en) Radiation detector, trigger signal generator, and radiation analyzing system
Schwickert et al. Status of beam diagnostics for SIS100
Bruhaug et al. Analysis Methods for Electron Radiography Based on Laser-Plasma Accelerators
Castoldi et al. Laser mapping of the inter-strip response in double sided silicon strip detectors for particle identification
Liao et al. Image profile diagnostics solution for the Taiwan photon source
Keeble et al. JACoW: The AWAKE Electron Spectrometer
Baader A Novel Technique for Detecting Radiation Damage in Variable-Gap Permanent-Magnet Undulators Based on In-Situ Magnetic Measurements
Kim et al. DEVELOPMENT OF THE TRANSVERSE BEAM PROFILE MONITORS FOR THE PAL-XFEL
Dietrich et al. Fast kicker extraction at COSY-Jülich
He et al. Preliminary study on IPM for CADS injector I

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10815524

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10815524

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1