WO2014035007A1 - 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치 - Google Patents

물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치 Download PDF

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하장호
김영수
김한수
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Definitions

  • the present invention relates to a radiographic imaging apparatus capable of acquiring material element information and selecting an image dimension.
  • non-destructive inspection technology that can detect internal conditions such as apparently unknown defects without destroying an object, and a technique of reading an image obtained as a result of exposing the film by the dose transmitted through radiation to a subject It's called photography.
  • radiographic techniques are used in a variety of ways, ranging from the soundness assessment of large structures such as nuclear power plants and shipbuilding to the evaluation of non-uniformity of internal states of micro components such as semiconductor materials.
  • a sealed source such as Ir-192, Co-60 or Cs-137 is used as the gamma source.
  • the radiation projection technology is used to indirectly check the properties of the material itself, such as strength, phase change, and toughness, and the scope of application thereof has also been expanded, and this technology has been used in life science, genetics, and immunology.
  • the absorption coefficient of radiation varies depending on the density, crystal structure, and thickness of the subject material, the transmission power changes.
  • the absorption coefficient of radiation is proportional to the density, and the line attenuation coefficient is dependent on the phase or state of the material itself. They also depend on the material composition of the subject.
  • the optical absorption characteristics of this radiation can be seen and read out as images. Microscopic semiconductor products or high-quality products, drugs and explosives readouts take advantage of this property.
  • non-destructive inspection techniques using radiation have conventionally obtained only simple planar images, but more sophisticated image processing techniques have been mobilized according to various needs in recent years, and radiation projection techniques for obtaining original images also have multiple energy X-rays or neutrons. Usage, scattering radiation imaging, etc. are being advanced.
  • a transmission method is generally used to obtain a 2D image in a non-destructive test using radiation, and a stereographic optical illusion technique based on a plurality of radiation generating apparatuses is used to obtain a 3D image.
  • a method of arranging a plurality of small radiation detectors, combining the scanned results while transferring an object to a conveyor belt, etc., and reconstructing the image into a two-dimensional or three-dimensional image is used.
  • Industrial and medical imaging devices implement two-dimensional or three-dimensional images through spiral and linear scans based on one-dimensional images.
  • 2009-0046765 (“Method and Apparatus for 3D Imaging of Object Composition", 2009.05.11) discloses a three-dimensional scan while counting Compton scattering of radiation by an object and analyzing the constituent elements of the object. Then, a technique for obtaining a three-dimensional image of the elemental composition of the object is disclosed.
  • an object of the present invention is to improve the image resolution and detection efficiency by obtaining an image using both the radiation and the interaction method between materials.
  • a radiation imaging apparatus capable of acquiring material element information and selecting an image dimension is provided.
  • Another object of the present invention is to obtain material element information and to select an image dimension, which makes it possible to obtain a three-dimensional image even with a single energy radiation source, and at the same time, by using a single photon three-dimensional tracking technique. It is to provide a possible radiation imaging apparatus.
  • the radiation imaging apparatus 100 capable of acquiring material element information and selecting an image dimension of the present invention includes: a radiation source 110 for generating radiation; At least one scattering device that receives and scatters radiation including transmitted radiation and scattered radiation passing through a subject; An imaging device (140) receiving a radiation including transmitted radiation and scattered radiation passing through the scattering device and measuring energy and position information to calculate a 2D image; It may be made, including.
  • the radiation imaging apparatus 100 may include at least two scattering devices, and includes a first scattering device 120 and a second scattering device 130.
  • the radiation imaging apparatus 100 measures the lost energy and position information of the radiation including the transmitted radiation and the scattered radiation passing through at least one scattering apparatus, and at least one scattering apparatus and the imaging apparatus.
  • the 3D image and element information of the subject may be calculated using the lost energy, energy, or location information values measured at 140.
  • the radiation imaging apparatus 100 preferably calculates the 3D image and the element information using a single photon 3D tracking technique based on the particle size of the radiation.
  • the radiation source 110 may be configured to generate at least one radiation selected from gamma rays, X-rays, electron beams, proton rays, heavy ions, and neutron rays.
  • the imaging device 140 is preferably formed in a pixel shape to obtain a two-dimensional image.
  • the incident step of the radiation generated from the radiation source 110 is incident to the subject 500 and separated into transmitted radiation and scattered radiation;
  • the radiation including the transmitted radiation and the scattered radiation passing through the subject 500 is incident on the first scattering apparatus 120 to be separated into the transmitted radiation and the scattered radiation, and the first scattering apparatus 120 loses the radiation.
  • the radiographic imaging method is the loss of energy, energy or position information measured by the imaging device 140, the first scattering device 120, the second scattering device 130 and the imaging device 140 A three-dimensional image acquisition step of calculating a three-dimensional image and element information of the subject 500 using a value; It may be made to include more.
  • the radiation imaging method preferably calculates three-dimensional images and elemental information by using a single photon three-dimensional tracking technique based on the particle size of radiation.
  • 1 is a two-dimensional image acquisition principle.
  • 3 is a basic principle of three-dimensional image acquisition.
  • FIG 5 illustrates a radiation progression path in the radiation imaging apparatus of the present invention.
  • FIG. 6 is a three-dimensional image example calculated by the radiation imaging apparatus of the present invention.
  • the present invention provides a radiographic apparatus capable of acquiring material element information.
  • Radiation imaging apparatus 100 of the present invention the radiation source 110 for generating radiation; At least one scattering device that receives and scatters radiation including transmitted radiation and scattered radiation passing through a subject; An imaging device (140) receiving a radiation including transmitted radiation and scattered radiation passing through the scattering device and measuring energy and position information to calculate a 2D image; It may be made, including.
  • the radiation imaging apparatus 100 may include at least two scattering devices, and includes a first scattering device 120 and a second scattering device 130. To briefly explain the principle of image acquisition of the radiographic imaging apparatus 100 of the present invention, when the radiation passes through an object, some of it is transmitted and some of it is scattered.
  • a two-dimensional image is obtained by using the information of transmitted radiations, and a three-dimensional image and material information are obtained through a technique of tracking single photons in three dimensions by using the information of scattered radiations.
  • a technique of tracking single photons in three dimensions by using the information of scattered radiations.
  • the radiation source 110 generates radiation having a higher energy than visible light.
  • the radiation generated by the radiation source 110 may be gamma rays, X-rays, electron beams, proton rays, heavy ions, neutron rays, and the like.
  • photon tracking is very difficult in the case of light rays having low energy, such as visible light, but since the present invention uses radiation having such high energy, three-dimensional tracking of a single photon is achieved by using the granularity of light. It becomes possible.
  • At least one scattering device may be provided in the radiation imaging apparatus 100, but only one scattering device may be provided. However, some scattering apparatuses may be provided (this will be described in more detail below).
  • two devices 120 and a second scattering device 130 are provided.
  • the first scattering device 120 and the second scattering device 130 serve to transmit or scatter radiation by incident light. In the course of the radiation passing through the material, some of it passes through and does not change direction, and some of it reacts with the nuclei of the passing material and scatters secondary (especially Compton Scattering) or secondarily by nuclear reactions. Will be generated.
  • various information is calculated by measuring information such as position information of the scattered radiation and lost energy.
  • Scattered radiation here refers to radiation that maintains the inherent continuity of the incident radiation, but changes only in direction, energy, momentum, etc., which are dynamic states.
  • radiation commonly referred to as secondary radiation, which is secondary to nuclear reactions, which is obsolete and is not used in the present invention and is not described herein.
  • the number limit of the scattering apparatus will be described in more detail as follows.
  • the energy E 0 of the incident radiation is known
  • three-dimensional imaging is also possible with a system composed of one scattering device and an imaging device (absorber) arranged as shown in FIG. 3 (A).
  • the angle ⁇ between the incident radiation and the radiation whose direction is changed by scattering can be calculated by Equation 1 below.
  • Equation 1 m e is the mass of the radiation particles, c is the light flux, so it is a known value, E 0 is also assumed to be a known value, E 1 , E 2 is the scattering device to the initial incident energy (E 0 ) value It is calculated by using the lost energy value measured at, and the energy value measured at the imaging device, so that the incident angle ⁇ can be easily calculated.
  • E 0 is not substantially known in the above equation
  • the incidence angle can be calculated only by the following equation.
  • the amount E 1 of energy lost in the scattering device is relatively smaller than the amount of energy E 2 absorbed, and thus there is a possibility that a calculation error may occur due to a large difference in error scale during measurement.
  • E 2 may not be measurable. Considering these cases, if there is only one scattering device as above, E 0 must be known in advance to ensure the accuracy of the incident angle calculation value.
  • Equation 2 the relationship between the energy E 0 of the first incident radiation and the angle ⁇ between the incident radiation and the radiation whose direction is changed by scattering is expressed by Equation 2 below.
  • Equation 2 again m e is the mass of the radiation particles, c is the speed of light, and is a known value.
  • E 1 and E 2 are the lost energy values measured at each scattering device, ⁇ 2 , even if E 0 is unknown. Since is calculated by using the relationship between the values measured between each scattering device, the energy value measured by the imaging device and E 0 , it is possible to calculate the incident angle ⁇ .
  • the positional information obtained at each scattering device depends on the energy and angle incident on the scattering device, that is, the positional information is associated with the energy information. Therefore, information about the position, the energy lost, and the scattered angles can be gathered to enable tracking of the last incident angle.
  • even radiation generated at the same position actually draws a circle (cone) in space because only the angle is known. When these events are collected several times, several circles meet in space, and the point of encounter in space becomes the point where radiation is generated.
  • three-dimensional single photon tracking is possible by obtaining location information and energy information about a point passed through the scattering apparatus.
  • the energy of incident light can be known as described in the example of Equation 1
  • only one scattering device can be traced.
  • the energy of incident light is unknown as described in the example of Equation 2
  • two or more scattering devices can be detected.
  • one scattering apparatus may be provided in the radiation imaging apparatus 100 of the present invention, but in this case, since incident light energy detection means is additionally required, two or more scattering apparatuses may be provided.
  • the imaging device 140 receives incident radiation transmitted through all of the subject 500, the first scattering device 120, and the second scattering device 130, and measures energy and position information.
  • the two-dimensional transmission image of the subject 200 may be calculated using the measured energy and position information.
  • the imaging device 140 includes an incidence unit directly receiving radiation, and recognizes the incidence position or intensity, and calculates the image information using the same, and displays the calculated image information. It includes an output unit and the like.
  • the computing unit of the imaging device 140 may be implemented as a computer, an output unit may be implemented as a monitor connected to the computer, etc.
  • the imaging device 140 is simplified. Although only a portion corresponding to the incidence part is shown for the sake of simplicity, although it is omitted in the drawing, it is obvious that the imaging apparatus 140 includes the calculating part, the output part, and the like as described above.
  • the imaging device 140 is preferably formed in a pixel form to obtain a two-dimensional image.
  • position information can be easily obtained by only identifying what pixels are recognized as incident light rays, thereby reducing the computational load in calculating image information. .
  • FIG. 1 illustrates the principle of two-dimensional image acquisition in the radiation imaging apparatus 100 of the present invention.
  • the first scattering apparatus 120 and the second scattering apparatus 130 which are provided for the purpose of generating scattered radiation, are omitted since the transmission radiation is used to acquire the 2D image.
  • the intensity after transmission changes depending on the material, thickness, and the like of the substance.
  • the intensity of the transmitted radiation is weak (ie, the energy of the transmitted radiation is relatively low), and on the contrary, the intensity of the transmitted radiation is strong (that is, the transmission is strong.
  • the energy of the radiation is relatively high, of course lower than the radiation energy before transmission). Therefore, by measuring the energy and position information of the radiation transmitted through the subject 500, it is possible to obtain a two-dimensional transmission image of the subject 500.
  • Figure 2 illustrates the principle of a single photon three-dimensional tracking technique in the radiation imaging apparatus 100 of the present invention.
  • three-dimensional tracking of single photons is possible.
  • a three-dimensional image of the subject 500 is obtained through this.
  • the scattered radiation changes its state dynamically, such as some loss of energy as described above and its direction changes from the original direction.
  • the scattered radiation leaves position information at the point where it meets the first scattering device 120 or the second scattering device 130, and finally enters the imaging device 140 to measure energy and position information.
  • Scattered radiation is generated by Compton scattering while passing through the subject 500 as described above, and the path change direction or the lost energy varies depending on the material of the subject 500.
  • the first scattering device 120 or the second scattering device 130 can measure how much energy is lost, and the object 500, the first scattering device 120, and the second scattering device can be measured. Since the location of the device 130 and the imaging device 140 is known, the path of the scattered radiation can be accurately known from the location information measured by the devices 120, 130 and 140. In particular, as described above, since radiation has a high energy level, it can be traced even when energy is lost while generating scattered radiation. In other words, when radiation is used, single-photon three-dimensional tracking (tracking the path of scattered radiation) is possible.
  • the three-dimensional stereoscopic image and material element information of the subject 500 is reconstructed can do.
  • FIG. 4 illustrates a principle of obtaining two-dimensional and three-dimensional images and material element information of the radiation imaging apparatus 100 of the present invention. More specifically, a two-dimensional transmission image acquisition method using transmitted radiation in FIG. 1 and a three-dimensional stereoscopic image and material element information acquisition method using scattered radiation in FIG. 2 are simultaneously used.
  • FIG. 1 scattering radiation is not shown in order to simplify the drawing in the process of explaining the 2D transmission image acquisition principle.
  • FIG. 2 the drawing is simplified in the process of explaining the 3D stereoscopic image and material element information acquisition principle. Transmitted radiation is not shown.
  • FIG. 1 and FIG. 2 since scattered radiation, transmitted radiation, and the like, which are not illustrated, may actually occur, when the energy, location information, and the like of all the radiations are integrated and measured, the subject 500 It is possible to acquire a two-dimensional transmission image, a three-dimensional stereoscopic image and material element information at the same time.
  • the radiation passes through the subject 500, the first scattering device 120, and the second scattering device 130. In the process, both transmit radiation and scattered radiation are generated. Therefore, in practice, the radiation passes through the subject 500, the first scattering apparatus 120, and the second scattering apparatus 130 in sequence (transmitted in the same direction as the primary radiation) and ( All of the scattered radiation, which travels in the direction changed from the traveling direction of the transmitted radiation, is generated. At this time, by measuring the energy of the radiation that finally reaches the imaging device 140, it is possible to determine which is transmitted radiation and which is scattered radiation.
  • the transmitted radiation absorbs energy as it is absorbed through the material, and the scattered radiation is generated by the scattering reaction with the material. It can be seen that the transmitted radiation will have higher energy than the scattered radiation.
  • the radiation passes through the subject 500, the first scattering device 120, and the second scattering device 130 sequentially, the radiation proceeded from transmission to transmission to transmission has the highest energy. It can be expected that the radiation propagated through scattering-scattering-scattering will have the lowest energy.
  • the first scattering device 120 and the second scattering device 130 Knowing the property information in advance (i.e., how much energy will be lost when passing through it, and how it will change direction), and also the direction of propagation does not change in the case of radiation transmitted through transmission-transmission-transmission, and In any case, considering that the radiation directed to scattering-scattering-scattering will have the lowest energy, (e.g. radiation directed to [transmission-scattering-transmission] / radiation proceeding to [scattering-transmission-transmission] / Although it is difficult to distinguish similar sets such as radiation transmitted through [transmission-transmission-scattering], etc. The distinction of radiation directed to the column can always be clarified.
  • the radiation progressed from transmission to transmission in transmission in FIG. 5 is radiation used for the principle of obtaining the two-dimensional transmission image shown in FIG. 1 or 4.
  • the radiation progressed from scattering to scattering to scattering is radiation used for a principle of obtaining three-dimensional stereoscopic images and material element information shown in FIG. 2 or 4.
  • the 2D transmission through the radiation imaging apparatus 100 of the present invention.
  • the radiation imaging apparatus 100 of the present invention can simultaneously acquire a 2D transmission image, a 3D stereoscopic image, and material element information in real time, its use range and utilization degree are different from those of the conventional radiation imaging apparatus. Is greatly expanded.
  • the radiation imaging method of obtaining the material element information and selecting the image dimension of the present invention first, in the incidence step, the radiation generated from the radiation source 110 is incident on the subject 500 and separated into transmitted radiation and scattered radiation.
  • the first scattering step the radiation including the transmitted radiation and the scattered radiation passing through the subject 500 is incident on the first scattering apparatus 120 and separated into the transmitted radiation and the scattering radiation, the first scattering apparatus 120 measures the lost energy and location information of the radiation.
  • the second scattering step similar to the first scattering step, the radiation including the transmitted radiation and the scattering radiation that has passed through the first scattering device 120 is incident on the second scattering device 130 to transmit the radiation And scattered radiation, and the second scattering device 130 measures lost energy and position information of the radiation.
  • the radiation including the transmitted radiation and scattered radiation passing through the second scattering device 130 is incident on the imaging device 140, the imaging device 140 and the energy of the radiation
  • the 2D image is calculated by measuring the location information.
  • the imaging device 140 measures lost energy, energy, or position information measured by the first scattering device 120, the second scattering device 130, and the imaging device 140.
  • the method may further include a three-dimensional image acquisition step of calculating a three-dimensional image and element information of the subject 500 by using a value.
  • the three-dimensional image and the element information may be calculated using a single photon three-dimensional tracking technique based on the particle size of the radiation.
  • the object 500 is an object having a large thickness, such as a container, and as shown in FIG. 6, it can be confirmed that a three-dimensional stereoscopic image can be obtained very well even for an object having such a large thickness. .
  • the device of the present invention can achieve the following great effects, especially when applied to the medical field.
  • particle beam treatment such as protons
  • CT or MRI imaging was performed after the particle beam treatment to confirm the treatment effect, and if the treatment was not performed properly, the treatment and confirmation process must be performed again.
  • the device of the present invention is applied to the medical field, the two-dimensional and three-dimensional images can be obtained and the material element composition can be known. Therefore, the treatment and observation can be performed simultaneously. There is a great effect that allows you to perform time calibration immediately. Of course, the effect of minimizing the sequelae caused by the radiation of normal cells can also be obtained.

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Abstract

본 발명은 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 방사선 및 물질 간 상호 작용 방식을 모두 이용하여 영상을 얻음으로써 영상 해상도 및 검출 효율을 향상하는, 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 특히 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용함으로써 단일 에너지의 방사선원으로도 3차원 영상을 얻을 수 있음과 동시에 피사체의 원소를 구분할 수 있게 하는, 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치를 제공함에 있다.

Description

물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치
본 발명은 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 물체를 파괴하지 않은 채 외관상으로는 알 수 없는 결함 등 내부 상태를 알아낼 수 있는 비파괴검사 기술 중, 방사선을 피사체에 쪼여 투과한 선량만큼 필름을 감광시킨 결과로 얻는 영상을 판독하는 기술을 라디오그래피라고 한다.
과거에는 용접 부위의 균열 및 결함처럼 피사체 내부의 불연속성, 이물질 등을 파악하는 것이 라디오그래피의 전부였으나 점차 검사의 정교함이 발전하고 있어, 현재에는 미세한 결함이나 부식 정도도 검사할 수 있는 수준으로 발전해 있다. 예를 들어 비행기 제트엔진의 터빈에 균열 등 손상 있는지를 판단하기 위하여 Ir-192 감마선이나 X선을 사용하여 감마-라디오그래피를 정기적으로 실시하는 등과 같이 사용되고 있기도 하다. 또는, 문화재의 내부구조를 조사하거나 출토된 철검에 새겨져 있는 금문자를 피사체에 손상을 주지 않고 촬영하는데 사용하기도 한다. 또한, 플라스틱 제품의 내부, 폭탄의 내부 기폭제, 로켓의 고형연료 충진 상태를 확인하는 데 사용되기도 하는데, 이 경우 X선이나 감마선과 같은 전자파보다 수소 산란이 큰 중성자를 사용하여 해상도를 더 높이는 기술도 사용되고 있다. 이처럼 라디오그래피 기술은 원자력발전설비, 조선 등과 같은 대형 구조물의 건전성 평가부터 반도체 재료와 같이 미소한 부품에 대한 내부 상태의 불균일성 평가에 이르기까지 다양하게 사용된다. 이러한 경우의 감마선원으로는 Ir-192, Co-60, Cs-137 등의 밀봉선원이 사용된다.
최근에는 이러한 방사선 투사 기술을 이용하여 재료 자체의 물성 즉 강도, 상(phase)변화, 인성 등을 간접적으로 확인하기도 하고, 그 적용 범위 또한 확대되어 이러한 기술이 생명과학, 유전학, 면역학 등에도 사용되고 있다. 피사체 물질의 밀도, 결정구조, 두께에 따라 방사선의 흡수계수가 달라지므로 투과력이 변하는데, 방사선의 흡수계수는 밀도에 비례하고, 선감쇠계수는 물질 자체의 상이나 상태에 따라 달라진다. 또한 이들은 피사체의 물질 구성성분에 따라서도 달라진다. 이러한 방사선의 광학적 흡수 특성은 영상으로 나타나 판독할 수 있다. 아주 미세한 반도체 제품 또는 고품질 제품, 마약 및 폭약의 판독 등은 이와 같은 성질을 이용하는 것이다.
종래의 X선이나 감마선을 사용한 검사에서도 영상처리 및 실시간 디지털 기술 등 특수 검사 기술이 개발되어 현장에 적용되고 있다. 중성자, X선, 감마선 융합 영상은 더욱 선명한 영상을 제공하기도 하고, 미소 결함에 대한 정밀한 영상을 얻는 데 유리한 마이크로 초점 X선장치도 상품화되어 있다. 영상도 종래의 필름이 아닌 이미지플레이트 또는 평판 반도체검출기를 사용함으로써 디지털화하여 영상의 가공이나 정보 전송이 혁신되었다. 나아가 장치 크기와 비용 문제로 의료용으로 주로 이용되던 전산화단층촬영(CT) 장치도 산업용으로 활용이 확대되고 있다. 이처럼 방사선을 이용한 비파괴 검사 기술은, 종래에는 단순 평면 영상을 얻는 데 그치는 정도였으나, 최근 다양한 필요성에 따라 보다 정교한 영상처리 기법들이 동원되기도 하고, 원본 영상을 얻는 방사선 투사기법 역시 복수 에너지 X선 또는 중성자 사용, 산란 방사선 영상화 등 고도화되고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 방사선을 이용한 비파괴 검사에서 2차원 영상을 얻기 위해서 일반적으로 투과 방식을 사용하였으며, 3차원 영상을 얻기 위해서는 다수 개의 방사선 발생 장치를 기반으로 한 스테레오그래피 착시 기술을 사용하였다. 구체적으로 설명하자면, 다수의 소형 방사선 검출기들을 배열하고, 물체를 콘베이어 벨트 등으로 이송시키면서 스캔한 결과를 조합하여 2차원 또는 3차원 영상으로 재구성하는 등과 같은 방식을 사용하는 것으로, 이처럼 현재 상용화되어 있는 산업 및 의료 영상 장치는 1차원 영상을 기반으로 하여 나선형 및 선형 스캔을 통해 2차원 또는 3차원 영상을 구현하고 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이 피사체의 원소 성분을 구분하기 위해서는, 방사선 에너지에 따른 투과능의 차이를 이용하여, 에너지가 상이한 복수 방사선이 검사 대상물에 조사되도록 함으로써 유기물과 무기물을 구분하는 등의 기술이 구현되고 있다.
국제특허공개 제WO04/024002호("SPIRAL CT DEVICE", 2006.01.05)에는, 3차원적인 확산을 가지는 원추상의 방사선원과, 방사선을 검출하는 2차원 방사선 검출기를 갖는 스캐너 본체 등을 포함하는 나선 CT 장치가 개시되어 있다. 또한, 미국특허공개 제20080219540호("System and Method for Selective Blending of 2D X-Ray Images and 3D Ultrasound Images", 2008.09.11)에는 2차원 X-선 영상과 3차원 초음파 영상을 사용해서 구조를 동시적으로 영상화하여 단일의 혼합된 2차원 영상으로 혼합시키기 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 또한, 한국특허공개 제2009-0046765호("물체 구성의 3차원 영상화 방법 및 장치", 2009.05.11)에는 물체에 의한 방사선의 컴프턴 산란을 계수하여 물체의 구성 원소를 분석하면서 3차원 스캔을 하고, 이를 토대로 물체의 원소 구성을 3차원 영상을 얻는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 이러한 종래의 방사선 영상 기술의 경우 3차원 영상을 얻기 위해서 사용하는 방법에 따른 구조적인 문제 때문에 영상 해상도나 검출 효율에 한계가 존재한다는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 종래에는, 피사체의 원소를 구분할 수 있도록 하기 위해서는 단일 에너지가 아닌 여러 에너지의 방사선을 사용하여야 하였기 때문에, 장치 구성이 난해할 뿐만 아니라 경제적이지 못하다는 문제 또한 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 국제특허공개 제WO04/024002호("SPIRAL CT DEVICE", 2006.01.05)
2. 미국특허공개 제20080219540호("System and Method for Selective Blending of 2D X-Ray Images and 3D Ultrasound Images", 2008.09.11)
3. 한국특허공개 제2009-0046765호("물체 구성의 3차원 영상화 방법 및 장치", 2009.05.11)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 방사선 및 물질 간 상호 작용 방식을 모두 이용하여 영상을 얻음으로써 영상 해상도 및 검출 효율을 향상하는, 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 특히 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용함으로써 단일 에너지의 방사선원으로도 3차원 영상을 얻을 수 있음과 동시에 피사체의 원소를 구분할 수 있게 하는, 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치(100)는, 방사선을 발생시키는 방사선원(110); 피사체를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 산란시키는 적어도 하나 이상의 산란장치; 상기 산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하는 영상장치(140); 를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 방사선 영상화 장치(100)는, 상기 산란장치가 적어도 둘 이상으로서, 제1산란장치(120) 및 제2산란장치(130)를 포함하여 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
이 때, 상기 방사선 영상화 장치(100)는 적어도 하나 이상의 상기 산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하여, 적어도 하나 이상의 상기 산란장치 및 상기 영상장치(140)에서 측정된 손실된 에너지, 에너지 또는 위치 정보 값을 사용하여 상기 피사체의 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하도록 이루어질 수 있다. 또한 이 때, 상기 방사선 영상화 장치(100)는 방사선의 입자성을 기반으로 한 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용하여 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방사선원(110)은 감마선, 엑스선, 전자선, 양성자선, 중이온선, 중성자선 중 선택되는 적어도 하나의 방사선을 발생시키도록 이루어질 수 있다.
또한, 상기 영상장치(140)는 픽셀형으로 형성되어 2차원 영상을 획득하는 것임이 바람직하다.
또한, 본 발명의 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 방법은, 방사선원(110)에서 발생된 방사선이 피사체(500)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되는 입사단계; 상기 피사체(500)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제1산란장치(120)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제1산란장치(120)가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하는 제1산란단계; 상기 제1산란장치(120)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제2산란장치(130)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제2산란장치(130)가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하는 제2산란단계; 상기 제2산란장치(130)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 영상장치(140)에 입사되어, 상기 영상장치(140)가 방사선의 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하는 2차원영상획득단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 방사선 영상화 방법은 상기 영상장치(140)가 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130) 및 상기 영상장치(140)에서 측정된 손실된 에너지, 에너지 또는 위치 정보 값을 사용하여 상기 피사체(500)의 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 3차원영상획득단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때, 상기 방사선 영상화 방법은 방사선의 입자성을 기반으로 한 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용하여 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 것이 바람직하다.
종래에는 방사선 투과 기술을 이용하여 단지 2차원 투과 영상을 얻었을 뿐이었던 반면, 본 발명에 의하면 3차원 단일 광자 추적 기술을 이용하여 2차원 투과 영상을 얻음과 동시에 3차원 영상을 얻을 수 있게 됨으로써, 단일 장치로 된 방사선 영상화 장치를 이용하여 단번에 2차원 및 3차원 영상을 선택적으로 또는 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 본 발명에 의하면, 2차원 투과 영상과 동시에 3차원 영상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이와 동시에 물질 원소 구성 역시 알 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다.
도 1은 2차원 영상 획득 원리.
도 2는 단일 광자 3차원 추적 기술 원리.
도 3은 3차원 영상 획득의 기본 원리.
도 4는 본 발명의 방사선 영상화 장치.
도 5는 본 발명의 방사선 영상화 장치에서의 방사선 진행 경로 예시.
도 6은 본 발명의 방사선 영상화 장치에 의하여 산출된 3차원 영상 예시.
**부호의 설명**
100: (본 발명의) 방사선 영상화 장치
110: 방사선원 120: 제1산란장치
130: 제2산란장치 140: 영상장치
500: 피사체
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 방사선 영상 장치의 경우 2차원 영상밖에 얻을 수 없었거나, 3차원 영상을 얻을 수는 있다 하더라도 영상 해상도 또는 검출 효율이 충분히 높지 않아 상용화되기 어려운 문제가 있었다. 본 발명에서는, (낮은 에너지는 가지는 가시광선 등에서는 적용이 불가능하지만) 높은 에너지를 가지는 방사선에서 사용 가능한 단일 광자 3차원 추적 기술을 적용함으로써, 이러한 문제를 극복하고 2차원 및 3차원 영상을 동시에 획득할 수 있으며, 더불어 물질 원소 정보까지 획득할 수 있는 방사선 영상 장치를 제시한다.
본 발명의 방사선 영상 장치(100)는, 방사선을 발생시키는 방사선원(110); 피사체를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 산란시키는 적어도 하나 이상의 산란장치; 상기 산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하는 영상장치(140); 를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 방사선 영상화 장치(100)는, 상기 산란장치가 적어도 둘 이상으로서, 제1산란장치(120) 및 제2산란장치(130)를 포함하여 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 본 발명의 방사선 영상 장치(100)의 영상 획득 원리를 간략히 설명하자면, 방사선이 어떤 물체를 통과할 때 일부는 투과하고 일부는 산란하게 되는데, 피사체 외에도 산란장치를 더 사용하여 투과 방사선들과 산란 방사선들을 다양하게 얻어 줌으로써, 투과 방사선들의 정보를 이용하여 2차원 영상을 얻고, 산란 방사선들의 정보를 이용하여 3차원으로 단일 광자를 추적하는 기법을 통해 3차원 영상 및 물질 정보를 획득하는 것이다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 방사선원(110)은 가시광선 등보다 높은 에너지를 가지는 방사선을 발생시킨다. 상기 방사선원(110)에서 발생시키는 방사선은 감마선, 엑스선, 전자선, 양성자선, 중이온선, 중성자선 등이 될 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 가시광선 등과 같이 낮은 에너지를 가지는 광선의 경우 광자 추적이 매우 어렵지만, 본 발명에서는 이와 같이 높은 에너지를 가지는 방사선을 사용하기 때문에, 빛의 입자성을 이용하여 단일 광자의 3차원 추적이 가능하게 된다.
상기 산란장치는 상기 방사선 영상화 장치(100)에 적어도 하나 이상 구비되는데, 상기 산란장치가 1개만 구비되어도 되나 이는 일부 제약이 따르며(이에 대해서는 이하 보다 상세히 설명한다), 상술한 바와 같이 최소한 제1산란장치(120) 및 제2산란장치(130), 이렇게 2개가 구비되는 것이 가장 바람직하다. 상기 제1산란장치(120) 및 상기 제2산란장치(130)는 방사선을 입사받아 투과시키거나 산란시키는 역할을 한다. 방사선이 물질을 통과하는 과정에서 일부는 투과하여 방향이 변화하지 않고, 일부는 통과하는 물질의 원자핵과 반응하여 2차적으로 산란하거나(특히 컴프턴 산란(Compton Scattering)) 또는 핵반응에 의하여 2차로 방사선을 발생시키게 된다. 본 발명에서는 이 중 산란 방사선의 위치 정보, 손실된 에너지 등의 정보를 측정함으로써 최종적으로 여러 정보들을 산출한다. 여기에서 말하는 산란 방사선은 입사된 방사선의 고유한 연속성을 유지하되 다만 동역학적 상태인 방향, 에너지, 운동량 등만이 변화한 방사선을 말한다. (핵반응에 의하여 2차적으로 발생되는, 일반적으로 2차 방사선이라고 칭하는 방사선이 발생되기도 하는데, 이는 과거의 정보가 사라진 것으로 본 발명에서 사용하는 것이 아닌 바 이에 대한 설명은 생략한다.)
상기 산란장치의 개수 제한에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 입사되는 방사선의 에너지(E0)를 아는 경우에는, 도 3(A)와 같이 배치된 1개의 산란장치와 영상장치(흡수체)로 구성된 시스템으로도 3차원 영상화가 가능하다. 이 경우 입사된 방사선과 산란에 의해 방향이 변화된 방사선 간의 각도(φ)는 하기의 수학식 1에 의하여 산출 가능하다. 수학식 1에서, me는 방사선 입자의 질량, c는 광속이므로 알고 있는 값이며, E0 역시 알고 있는 값으로 전제되어 있고, E1, E2는 최초 입사 에너지(E0) 값에 산란장치에서 측정된 손실된 에너지 값, 영상장치에서 측정된 에너지 값을 사용하여 계산하면 산출되므로, 입사각 φ를 쉽게 산출할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2012010552-appb-M000001
첨언하자면, 위의 식에서 실질적으로 E0가 알려져 있지 않다 해도 E1, E2의 측정값을 안다면 아래 식만으로 입사각의 산출이 가능할 것이다. 그런데 일반적으로 산란장치에서 손실되는 에너지의 양 E1은 흡수된 에너지의 양 E2보다 상대적으로 매우 작으며, 따라서 측정 시 오차 스케일의 차이가 커서 계산 오차가 발생될 가능성이 있다. 뿐만 아니라 장비에 따라 E2는 측정할 수 없는 경우도 있다. 이러한 경우들을 생각할 때, 위와 같이 산란장치가 1개인 경우 E0를 미리 알고 있어야 입사각 산출값의 정확성을 보장할 수 있는 것이다.
그런데 언제나 입사된 방사선의 에너지를 알 수 있는 것은 아닌데, 입사된 에너지를 모르는 경우에는, 도 3(B)와 같이 배치된 2개의 산란장치와 영상장치로 구성된 시스템으로 3차원 영상화가 가능하다. 이 때 최초 입사된 방사선의 에너지(E0)와 입사된 방사선과 산란에 의해 방향이 변화된 방사선 간의 각도(φ)의 관계는 하기의 수학식 2와 같다. 수학식 2에서, 역시 me는 방사선 입자의 질량, c는 광속이므로 알고 있는 값이며, E0이 모르는 값이라 하더라도, E1, E2는 각 산란장치에서 측정된 손실된 에너지 값, φ2는 각 산란장치들 사이에서 측정된 값, 영상장치에서 측정된 에너지 값과 E0간의 관계를 사용하여 계산하면 산출되므로, 입사각 φ를 산출할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2012010552-appb-M000002
각각의 산란장치에서 얻어지는 위치 정보는 산란장치에 입사하는 에너지와 각도에 의존하는 바, 즉 위치 정보는 에너지 정보와 연계되어 있다. 그러므로 위치와 손실되는 에너지, 그리고 산란되는 각도에 대한 정보가 모두 모아져서 최종적으로 입사된 각의 추적이 가능하게 된다. 한편, 동일한 위치에서 발생한 방사선이라도 실제로는 각도만 알기 때문에 공간상에서는 원형(원추형)을 그리게 된다. 이러한 사건이 여러 차례 취합되면 여러 원이 공간상에서 만나게 되고, 공간상에서 만난 점이 방사선을 발생한 지점이 되는 것이다.
이처럼 도 3 및 상기 수학식 1, 2로 예시한 원리를 사용하여, 산란장치를 통해 지나간 지점에 대한 위치 정보 및 에너지 정보를 얻음으로써 3차원 단일 광자의 추적이 가능하게 된다. 특히 수학식 1의 예시에서 설명한 바와 같이 입사광의 에너지를 알 수 있는 경우 산란장치 1개만으로도 추적이 가능하나, 수학식 2의 예시에서 설명한 바와 같이 입사광의 에너지를 알 수 없을 경우 산란장치 2개 이상이 필요한 바, 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)에서도 1개의 산란장치가 구비되도록 하여도 되겠지만 이 경우 입사광 에너지 검출 수단이 별도로 더 필요하므로, 2개 이상의 산란장치가 구비되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 영상장치(140)는 상기 피사체(500), 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130)를 모두 투과해 온 투과 방사선을 입사받아, 에너지와 위치 정보를 측정한다. 이와 같이 측정된 에너지 및 위치 정보를 이용하여, 상기 피사체(200)의 2차원 투과 영상을 산출할 수 있다. 여기에서 상기 영상장치(140)는 물론, 직접 방사선을 입사받는 입사부를 포함함은 물론이며, 입사 위치나 강도 등을 인식하고 이를 이용하여 영상 정보를 산출하는 연산부와, 산출된 영상 정보를 디스플레이하는 출력부 등을 포함하여 이루어지는 것이다. (예를 들어 상기 영상장치(140)의 연산부는 컴퓨터 등, 출력부는 컴퓨터에 연결된 모니터 등으로 구현될 수 있다.) 이후 설명 시 참조할 본 발명의 도면들에서, 상기 영상장치(140)는 간략하게 표시하기 위해 입사부에 해당하는 부분만 도시하였으나, 비록 도면 상에서 생략되어 있다고 하더라도 상기 영상장치(140)가 상술한 바와 같은 연산부, 출력부 등을 포함하여 이루어짐은 당연하다.
이 때 상기 영상장치(140)는, 픽셀형으로 형성되어 2차원 영상을 획득하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 이처럼 상기 영상장치(140)가 픽셀형으로 형성될 경우, 광선이 입사됨을 인지한 픽셀이 무엇인가를 파악하는 것만으로 쉽게 위치 정보를 얻을 수 있으므로, 이후 영상 정보 산출 시의 연산 부하를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)에서의 2차원 영상 획득 원리를 도시하고 있다. 도 1에서, 2차원 영상 획득 시에는 투과 방사선을 이용하기 때문에 산란 방사선 발생 목적으로 구비되는 상기 제1산란장치(120) 및 상기 제2산란장치(130)는 생략하여 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 방사선원(110)에서 방사선이 발생되어 상기 피사체(500)에 입사되면, 그 중 일부가 상기 피사체(500)를 투과하게 된다. 이 때, 방사선이 어떤 물질을 투과하게 되면, 그 물질의 재질이나 두께 등에 따라 투과 후의 강도에 변화가 생긴다. 즉 물질이 방사선을 잘 흡수하는 재질이거나 물질이 두꺼운 경우 등에는 투과 방사선의 강도가 약하게 나타나며(즉 투과 방사선의 에너지가 상대적으로 낮으며), 반대의 경우에는 투과 방사선의 강도가 강하게 나타난다(즉 투과 방사선의 에너지가 상대적으로 높은데, 물론 투과 전의 방사선 에너지보다는 당연히 낮다). 따라서 상기 피사체(500)를 투과한 방사선의 에너지와 위치 정보를 측정함으로써, 상기 피사체(500)의 2차원 투과 영상을 얻을 수 있다.
이러한 2차원 투과 영상 획득의 원리는 물론 일반적으로 사용되는 X선 사진 등의 원리와 유사하며, 더 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)에서의 단일 광자 3차원 추적 기술 원리를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 높은 에너지를 가지는 방사선의 경우 단일 광자의 3차원 추적이 가능하다. 즉 방사선의 입자성을 이용한 동역학적 분석이 가능한 것이다. 본 발명에서는 바로 이를 통해 상기 피사체(500)의 3차원적인 영상을 얻는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 방사선원(110)에서 방사선이 발생되어 상기 피사체(500)에 입사되면, 그 중 일부가 상기 피사체(500)의 원자핵과 반응하여 2차적으로 산란한다. 이 중 산란 방사선은 앞서 설명한 바와 같이 에너지를 일부 손실하고 그 방향이 원래의 방향에서 변화하는 등, 동역학적으로 상태가 변화한다. 또한 산란 방사선은 상기 제1산란장치(120) 또는 상기 제2산란장치(130)와 만난 지점에서 위치 정보를 남기며, 최종적으로는 상기 영상장치(140)에 입사되어 에너지 및 위치 정보가 측정된다.
산란 방사선은 앞서 설명하였듯이 상기 피사체(500)를 통과하면서 컴프턴 산란에 의하여 발생되는 것으로, 상기 피사체(500)의 물질에 따라 경로 변화 방향이나 손실된 에너지가 달라진다. 상기 제1산란장치(120) 또는 상기 제2산란장치(130)에서는 손실된 에너지의 양이 얼마인지 측정이 가능하고, 상기 피사체(500), 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130), 상기 영상장치(140)의 위치를 알고 있기 때문에, 각각의 장치들(120)(130)(140)에서 측정된 위치 정보를 통해 산란 방사선의 경로를 정확히 알 수 있다. 특히 역시 앞서 설명하였듯이, 방사선은 높은 에너지 수준을 가지고 있기 때문에 이와 같이 산란 방사선을 발생시키면서 에너지가 손실되어도 추적이 가능하다. 즉 이처럼 방사선을 사용하는 경우 단일 광자 3차원 추적(산란 방사선의 경로를 추적)하는 것이 가능한 것이다.
따라서 이러한 정보들(손실 에너지, 위치 정보)을 사용하여, 방사선의 입자성을 기반으로 한 동역학에 의한 방사선의 최종 위치 결정법을 통해, 상기 피사체(500)의 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보를 재구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)의 2차원 및 3차원 영상 및 물질 원소 정보 획득 원리를 도시하고 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 도 1에서의 투과 방사선을 이용한 2차원 투과 영상 획득 방식과, 도 2에서의 산란 방사선을 이용한 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보 획득 방식을 동시에 사용하는 것이다.
도 1에서는 2차원 투과 영상 획득 원리를 설명하는 과정에서 도면을 간략화하기 위하여 산란 방사선을 도시하지 않았으며, 반대로 도 2에서는 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보 획득 원리를 설명하는 과정에서 도면을 간략화하기 위하여 투과 방사선을 도시하지 않았다. 그러나 도 1의 경우나 도 2의 경우 모두, 도시하지 않은 산란 방사선, 투과 방사선 등이 실제로는 발생함이 당연하므로, 이러한 모든 방사선들의 에너지, 위치 정보 등을 통합하여 측정하면, 상기 피사체(500)의 2차원 투과 영상, 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보를 동시에 획득하는 것이 가능한 것이다.
도 5는 본 발명의 방사선 영상화 장치에서의 방사선 진행 경로의 예시를 도시하고 있다. 도 1, 2, 3에서는 각 원리의 설명을 위해 일부의 방사선을 생략하여 도시하였으나, 방사선이 상기 피사체(500), 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130)를 통과하는 과정에서, 모두 투과 방사선 및 산란 방사선을 발생시키게 된다. 따라서 실제로는 방사선이 상기 피사체(500), 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130)를 순차적으로 통과하는 과정에서 각각 (1차 방사선과 동일 방향으로 진행하는) 투과 방사선 및 (투과 방사선의 진행 방향에서 변화한 방향으로 진행하는) 산란 방사선을 모두 발생시키게 된다. 이 때, 최종적으로 상기 영상 장치(140)에 도달한 방사선의 에너지를 측정함으로써 어떤 것이 투과 방사선이고 어떤 것이 산란 방사선인지 등을 판별할 수 있다.
보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 방사선이 물질을 통과하면서 발생되는 투과 방사선과 산란 방사선의 에너지의 크기를 비교할 때, 투과 방사선은 물질을 지나면서 흡수되는 만큼 에너지를 흡수하며, 산란 방사선은 물질과의 산란 반응에 의하여 발생되는 것인 만큼, 투과 방사선이 산란 방사선보다 높은 에너지를 가지고 있을 것임을 알 수 있다. 이러한 관점에서, 방사선이 상기 피사체(500), 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130)를 순차적으로 통과할 경우, 투과 - 투과 - 투과로 진행된 방사선이 가장 높은 에너지를 가질 것이며, 산란 - 산란 - 산란으로 진행된 방사선이 가장 낮은 에너지를 가질 것으로 예상할 수 있다. 물론 상기 피사체(500)의 3차원 형태나 물질 원소 정보는 아직 모르는 상태(unknown)이므로 일부 편차가 발생할 수는 있겠으나, 상기 제1산란장치(120) 및 상기 제2산란장치(130)에 대한 특성 정보를 미리 알고 있으며(즉 이들을 통과할 때 얼마나 에너지가 손실될 것인지, 또한 어떻게 방향이 바뀔 것인지를 미리 알고 있으며), 또한 투과 - 투과 - 투과로 진행된 방사선의 경우 진행 방향이 변하지 않는다는 점, 그리고 어떠한 경우에든 산란 - 산란 - 산란으로 진행된 방사선이 가장 낮은 에너지를 가질 것이라는 점을 생각하면, (비록 예를 들어 [투과 - 산란 - 투과]로 진행된 방사선 / [산란 - 투과 - 투과]로 진행된 방사선 / [투과 - 투과 - 산란]로 진행된 방사선 등과 같은 유사 세트의 구별이 어렵다 하더라도) 투과 - 투과 - 투과로 진행된 방사선과 산란 - 산란 - 산란으로 진행된 방사선의 구별은 언제나 명확히 할 수 있게 된다.
도 5에서 투과 - 투과 - 투과로 진행된 방사선은, 도 1 또는 도 4에 도시된 2차원 투과 영상을 얻는 원리에 사용되는 방사선이다. 또한 도 5에서 산란 - 산란 - 산란으로 진행된 방사선은, 도 2 또는 도 4에 도시된 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보를 얻는 원리에 사용되는 방사선이다. 도 5의 설명에서 기술한 바와 같이 2차원 투과 영상을 얻기 위한 방사선과 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보를 얻기 위한 방사선의 개별 인식이 가능하므로, 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)를 통해 2차원 투과 영상 단독(2차원 모드) / 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보 단독(3차원 모드) / 2차원 투과 영상, 3차원 입체 영상 및 물질 원소 정보 모두(동시 모드)를 얻는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)는, 2차원 투과 영상, 3차원 입체 영상, 물질 원소 정보를 동시에 실시간으로 획득할 수 있다는 점에서, 종래의 방사선 영상화 장치와는 달리 그 사용 범위 및 활용도가 크게 확장된다.
한 예로써, 종래에는 의학 분야에서 양성자 등과 같은 입자빔 치료 시, 입자빔 치료 후 CT나 MRI 촬영을 후속으로 수행하여 치료 효과를 확인할 수밖에 없었고, 이 과정에서 치료가 제대로 이루어지지 못했을 경우 다시 치료하고 확인하는 과정을 재차 수행해야 하는 불편함이 있었다. 그러나 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)를 이용하면, 2차원 및 3차원 영상을 얻음과 동시에 물질 원소 구성을 알 수 있기 때문에 치료와 관찰을 동시에 수행할 수 있어, 실시간으로 치료 상태를 확인하면서 필요 시 보정을 즉각 수행할 수 있게 되며, 물론 이에 따라 정상 세포의 방사선에 의한 후유증 등을 최소화될 수 있게 되어, 종래보다 훨씬 좋은 치료의 수행이 가능하게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방사선 영상화 장치(100)를 이용하여 방사선 영상을 얻는 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 방법에서는, 먼저 입사단계에서, 방사선원(110)에서 발생된 방사선이 피사체(500)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리된다. 다음으로 제1산란단계에서, 상기 피사체(500)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제1산란장치(120)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제1산란장치(120)가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하게 된다. 다음으로 제2산란단계에서, 상기 제1산란단계와 유사하게, 상기 제1산란장치(120)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제2산란장치(130)에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제2산란장치(130)가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하게 된다. 그 후 2차원영상획득단계에서는, 상기 제2산란장치(130)를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 영상장치(140)에 입사되어, 상기 영상장치(140)가 방사선의 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하게 된다. 이 때 상기 방사선 영상화 방법은, 상기 영상장치(140)가 상기 제1산란장치(120), 상기 제2산란장치(130) 및 상기 영상장치(140)에서 측정된 손실된 에너지, 에너지 또는 위치 정보 값을 사용하여 상기 피사체(500)의 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 3차원영상획득단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 물론 이 때 앞서 설명한 바와 같이, 방사선의 입자성을 기반으로 한 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용하여 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 방사선 영상화 장치에 의하여 산출된 3차원 영상의 예시를 도시하고 있다. 도 6의 예시에서 상기 피사체(500)는 컨테이너와 같은 큰 두께를 갖는 물체로서, 도 6에 나타나 있는 바와 같이 이처럼 큰 두께를 갖는 물체에 대해서도 매우 훌륭하게 3차원 입체 영상을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
본 발명의 장치는 특히 의학 분야에 적용될 경우 다음과 같은 큰 효과를 얻을 수 있다. 양성자 등과 같은 입자빔 치료 시, 종래에는 입자빔 치료 후 CT나 MRI 촬영을 후속으로 수행하여 치료 효과를 확인할 수밖에 없었고, 이 과정에서 치료가 제대로 이루어지지 못했을 경우 다시 치료하고 확인하는 과정을 재차 수행해야 하는 불편함이 있었다. 그러나 본 발명의 장치를 의학 분야에 적용할 경우, 2차원 및 3차원 영상을 얻음과 동시에 물질 원소 구성을 알 수 있기 때문에, 치료와 관찰을 동시에 수행할 수 있어, 실시간으로 치료 상태를 확인하면서 필요 시 보정을 즉각 수행할 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 정상 세포의 방사선에 의한 후유증 등을 최소화해주는 효과 또한 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 방사선을 발생시키는 방사선원;
    피사체를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 산란시키는 적어도 하나 이상의 산란장치;
    상기 산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선을 입사받아 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하는 영상장치;
    를 포함하여 이루어지는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방사선 영상화 장치는
    적어도 하나 이상의 상기 산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하여,
    적어도 하나 이상의 상기 산란장치 및 상기 영상장치에서 측정된 손실된 에너지, 에너지 또는 위치 정보 값을 사용하여 상기 피사체의 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 방사선 영상화 장치는
    상기 산란장치가 적어도 둘 이상으로서, 제1산란장치 및 제2산란장치를 포함하여 이루어지는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 방사선 영상화 장치는
    방사선의 입자성을 기반으로 한 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용하여 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 방사선원은
    감마선, 엑스선, 전자선, 양성자선, 중이온선, 중성자선 중 선택되는 적어도 하나의 방사선을 발생시키는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 영상장치는
    픽셀형으로 형성되어 2차원 영상을 획득하는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 장치.
  7. 방사선원에서 발생된 방사선이 피사체에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되는 입사단계;
    상기 피사체를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제1산란장치에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제1산란장치가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하는 제1산란단계;
    상기 제1산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 제2산란장치에 입사되어 투과 방사선 및 산란 방사선으로 분리되며, 상기 제2산란장치가 방사선의 손실된 에너지 및 위치 정보를 측정하는 제2산란단계;
    상기 제2산란장치를 통과한 투과 방사선 및 산란 방사선을 포함하는 방사선이 영상장치에 입사되어, 상기 영상장치가 방사선의 에너지 및 위치 정보를 측정하여 2차원 영상을 산출하는 2차원영상획득단계;
    를 포함하여 이루어지는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 방사선 영상화 방법은
    상기 영상장치가 상기 제1산란장치, 상기 제2산란장치 및 상기 영상장치에서 측정된 손실된 에너지, 에너지 또는 위치 정보 값을 사용하여 상기 피사체의 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 3차원영상획득단계;
    를 더 포함하여 이루어지는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 방사선 영상화 방법은
    방사선의 입자성을 기반으로 한 단일 광자 3차원 추적 기술을 이용하여 3차원 영상 및 원소 정보를 산출하는 물질 원소 정보 획득 및 영상 차원의 선택이 가능한 방사선 영상화 방법.
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