WO2021075646A1 - 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템 - Google Patents

컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템 Download PDF

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WO2021075646A1
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reaction
image
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photoelectric device
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이원호
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고려대학교 산학협력단
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    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2985—In depth localisation, e.g. using positron emitters; Tomographic imaging (longitudinal and transverse section imaging; apparatus for radiation diagnosis sequentially in different planes, steroscopic radiation diagnosis)

Definitions

  • the present invention relates to a Compton imaging apparatus and a single photon and positron tomography system including the same, and more particularly, to a Compton imaging apparatus based on a single scintillator and a single photon and positron tomography system including the same. .
  • gamma-ray imaging Since the development of the Compton camera, gamma-ray imaging has played an important role in many fields, including nuclear medicine, astronomy, security, and industrial applications.
  • nuclear medicine After injecting radioactive isotopes into the human body, it detects radiation coming out of the human body, and based on this, morphological information and functional information of diseased tissues are acquired to explore the physiology and pathological phenomena of the human body, I am applying.
  • astronomy it is used to analyze phenomena occurring in celestial bodies such as star formation and extinction by detecting various types of radiation from space.
  • the Compton camera When the radiation is scattered by the Compton scattering reaction and is absorbed elsewhere, the Compton camera generates an image image through the Compton imaging technique that traces back the location information of the incident radiation as the scattering and absorption position and energy information.
  • Existing Compton cameras had to use two or more detectors including scintillators, and the detectors had to be divided into scattering and absorption, and radiation scattered in one detector and did not react any more, so it had to be absorbed in another detector. There was a problem that the efficiency was greatly reduced. Accordingly, there is a recent trend of research on a technique for implementing an image image using scattering and absorption of radiation generated by a single detector.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art described above, one aspect of the present invention is a Compton imaging apparatus capable of reconstructing a Compton image based on a single scintillator, and a single photon and positron tomography system including the same Is to provide.
  • Compton imaging apparatus includes a scintillator including a plurality of scintillation cells reacting to the incident radiation; A first photoelectric device positioned on one side of the scintillator; A second photoelectric element positioned on the other side of the scintillator; And an image processing unit that generates an image image using reaction information obtained from the first photoelectric device and the second photoelectric device, wherein the first photoelectric device and the second photoelectric device are generated by incident radiation. Acquires first reaction information for the first reaction and second reaction information for a second reaction generated by radiation scattered by the first reaction, and the image processing unit includes the first reaction information and the first reaction information.
  • the first and second reaction information includes reaction energy information for reactions occurring in the scintillation cells
  • the image processing unit corrects reaction energy information of each of the scintillation cells to provide the image image. Can be created.
  • the first photoelectric device includes a first pixel 111
  • the second photoelectric device includes a second pixel 121 corresponding to the first pixel 111
  • the The image processing unit is positioned between the first pixel 111 and the second pixel 121 when a reaction occurs in the scintillation cells positioned between the first pixel 111 and the second pixel 121.
  • the image image may be generated by excluding the first and second reaction information of the scintillation cells.
  • the image processing unit includes the first and second reactions corresponding to the scintillation cells positioned in a direction orthogonal to a virtual line connecting the first pixel 111 and the second pixel 121.
  • the video image may be generated by assigning a weight to the information.
  • the weight may be linearly or geometrically proportional to a distance between the virtual line and the scintillation cell.
  • the image processor may generate the image image by assigning a weight according to a separation distance between the scintillation cells responding to radiation.
  • the weight may be linearly or geometrically proportional to the separation distance.
  • the first photoelectric device and the second photoelectric device may be a multi-pixel optical counter (MPPC).
  • MPPC multi-pixel optical counter
  • the scintillator is positioned between the first photoelectric device and the second photoelectric device and includes a plurality of light guides spaced apart from each other, and the scintillation cells are positioned between the light guides adjacent to each other. I can.
  • each of the scintillation cells may be formed to extend from the first photoelectric device toward the second photoelectric device.
  • the first reaction information includes first reaction energy information measured by the first photoelectric device and second reaction energy information measured by the second photoelectric device
  • the image processing unit includes the first reaction energy information measured by the first photoelectric device and the second reaction energy information measured by the second photoelectric device.
  • Position information of the first reaction corresponding to a direction from the first photoelectric device toward the second photoelectric device may be obtained by using the reaction energy information and the second reaction energy information.
  • a plurality of detection units are provided, and the plurality of detection units surround an object to be tested, and Detection, and the image processing unit may generate an image image using reaction information obtained by the detection units.
  • a plurality of concentrators positioned between each of the detection units and the test object may further include a plurality of concentrators that focus radiation scattered from the test object and send it to each of the detection units.
  • some of the detection units may constitute a first group surrounding the test subject, and some of the detection units may constitute a second group surrounding the first group.
  • the image processing unit includes the first reaction information for the first reaction generated by radiation incident on the detection unit of any one of the first group and the radiation scattered by the first reaction.
  • the image image may be generated by using the second reaction information for the second reaction in any one of the second groups.
  • the image processor may generate the image image using a Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) algorithm.
  • MLEM Maximum Likelihood Expectation Maximization
  • the Compton imaging apparatus may reconstruct a Compton image based on a single scintillator composed of a plurality of scintillation cells. Accordingly, it is cheaper than other Compton imaging devices and has excellent time resolution, so it can be used even in high-radiation areas.
  • the single photon and positron tomography system using the Compton imaging apparatus can improve the radiation detection efficiency and the image resolution, thereby improving the quality of the image.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a Compton imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a detection unit of FIG. 1.
  • 3A and 3B are views for explaining a reaction occurring in the scintillator of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing an image image generated by using reaction information obtained by the detection unit of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process of generating an image image of an image processing unit according to a reaction different from that of FIG. 2.
  • FIGS. 6 is a diagram illustrating a process of generating an image image of an image processing unit according to a reaction different from that of FIGS. 2 and 5.
  • FIG. 7 is a diagram showing a positron tomography system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a single photon tomography system according to another embodiment of the present invention.
  • connection may mean including both direct connection of the mentioned components and indirect connection through an intermediate medium.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a Compton imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a detection unit of FIG. 1.
  • 3A and 3B are views for explaining a reaction occurring in the scintillator of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing an image image generated by using reaction information obtained by the detection unit of FIG. 3.
  • the Compton imaging apparatus 10 may image radiation L using the Compton scattering effect.
  • the Compton imaging device 10 may be used for industrial use, medical use, space observation, or the like.
  • the Compton imaging apparatus 10 may include a detection unit 100, an image processing unit 200, and a display unit 300.
  • the detection unit 100 may obtain information on a detection position of the radiation L and energy information at the detection position.
  • the detection unit 100 may include a scintillator 130, a first photoelectric device 110, and a second photoelectric device 120.
  • the scintillator 130 may include a plurality of scintillation cells 131 reacting by the incident radiation L.
  • each of the scintillation cells 131 may be made of one material selected from LSO, LYSO, LGSO, GSO, BGO, LuYAP, and BaF, but is not limited thereto.
  • each of the scintillation cells 131 may be formed in a rectangular parallelepiped shape having a square cross section, but is not limited thereto. This allows each of the scintillation cells 131 to detect a response only to a predetermined pulse of radiation L, and a scintillation through the center of the scintillation cell causes the first photoelectric device 110 and/or the second photoelectric device to be detected. It is to face it.
  • the scintillator 130 may have a structure in which a single layer (hereinafter referred to as a scintillation cell single layer) formed by the plurality of scintillation cells 131 are stacked on each other.
  • the scintillator 130 may have a structure in which four single layers of scintillation cells formed of scintillation cells 131 having a 4X4 matrix structure are stacked. Accordingly, the scintillator 130 may include a total of 64 scintillation cells 131, but is not limited thereto.
  • the first photoelectric device 110 may be located on one side of the scintillator 130.
  • the second photoelectric device 120 may be located on the other side of the scintillator 130. Accordingly, the scintillator 130 may be positioned between the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120.
  • the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may face each other.
  • a direction from the first photoelectric device 110 to the second photoelectric device 120 may be an X-axis direction. In contrast, in other embodiments, it may be in the Y-axis direction or the Z-axis direction.
  • the scintillator 130 may include a plurality of light guides 135 positioned between the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120.
  • the plurality of light guides 135 may be spaced apart from each other.
  • the plurality of light guides 135 may be arranged along the Z-axis direction perpendicular to the X-axis direction. Unlike this, in another embodiment, the plurality of light guides 135 may be arranged in the Y-axis direction and the Z-axis direction.
  • the scintillation cells 131 may be positioned between the light guides 135 adjacent to each other.
  • the above-described single layer of the scintillation cell may be positioned between the light guides 135 adjacent to each other. Accordingly, the plurality of light guides 135 may prevent the spread of light generated by a reaction in the scintillation cells 131.
  • the single layer of the scintillation cell may be a combination of a plurality of scintillation cells 131 arranged in a matrix structure on the X-Y plane.
  • the single layer of the scintillation cell may be formed of a single scintillation cell 131.
  • each of the scintillation cells 131 may be formed to extend from the first photoelectric device 110 toward the second photoelectric device 120. Accordingly, the scintillation cell shortening may be a combination of a plurality of scintillation cells 131 in which the scintillation cells formed long in the X-axis direction are arranged in the Y-axis direction.
  • the first photoelectric device 110 may include a plurality of pixels 111 and a first electronic substrate 115.
  • the plurality of pixels 111 may be positioned on the first electronic substrate 115.
  • the pixels 111 may be positioned on the first electronic substrate 115 in a 4X4 matrix structure.
  • the pixels 111 may be positioned on the first electronic substrate 115 in a matrix structure on a Y-Z plane.
  • the plurality of pixels 111 may be electrically connected to the first electronic substrate 115.
  • the first photoelectric device 110 may obtain first reaction information for the first reaction I1 occurring in the scintillation cells 131 by the incident radiation L.
  • the first photoelectric device 110 may acquire second reaction information for the second reaction (I2) occurring in the scintillation cells 131 by the radiation (L) scattered by the first reaction (I1). I can. Details about this will be described later.
  • the second photoelectric device 120 may include a plurality of pixels 121 and a second electronic substrate 125.
  • the plurality of pixels 121 may be positioned on the second electronic substrate 125.
  • the pixels 121 may be positioned on the second electronic substrate 125 in a 4X4 matrix structure.
  • the pixels 121 may be positioned on the second electronic substrate 125 in a matrix structure on the Y-Z plane.
  • the plurality of pixels 121 may be electrically connected to the second electronic substrate 125.
  • a pixel 121 of the second photoelectric device 120 corresponding to the first pixel 111 is selected. It is referred to as 2 pixels 121.
  • the first pixel 111 and the second pixel 121 may face each other.
  • a virtual line IL (hereinafter, referred to as a virtual line) connecting the first pixel 111 and the second pixel 121 may pass through the scintillator 130.
  • the virtual line IL may be parallel to the X-axis direction.
  • the second photoelectric device 120 can also obtain first reaction information for the first reaction I1 generated in the scintillation cells 131 by the incident radiation L, like the first photoelectric device 110. have.
  • the second photoelectric device 120 may acquire second reaction information for the second reaction (I2) occurring in the scintillation cells 131 by the radiation (L) scattered by the first reaction (I1). I can.
  • the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may obtain the first reaction information and the second reaction information almost simultaneously.
  • the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may be a silicon optical multiplier (SiPM), a multi-pixel optical counter (MPPC), or a semiconductor optical multiplier (SSPM), but are not limited thereto.
  • the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may have a self-amplification factor of 10 5 or higher. Accordingly, since the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 are resistant to electrical noise, the first and second electrical circuits can be easily manufactured.
  • the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may transmit the obtained first reaction information and the second reaction information to the image processing unit 200.
  • the image processing unit 200 may generate an image image using the first reaction information and the second reaction information.
  • the image processing unit 200 may obtain reaction location information in which multiple reactions have occurred by using the first reaction information and the second reaction information.
  • multiple reactions occurring in the scintillator 130 will be described with reference to FIG. 3.
  • the radiation L incident from the radiation source R may be incident on any one of the scintillation cells 131 of the scintillator 130 (hereinafter, referred to as a first scintillation cell).
  • the first scintillation cell to which the radiation L is incident may generate a scattering reaction I1 according to the Compton scattering effect. Accordingly, the first reaction energy may be released from the first scintillation cell in which the scattering reaction I1 has occurred.
  • the first reaction energy may be light generated by the scattering reaction (I1). Light generated from the first scintillation cell may move to the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 by adjacent light guides.
  • light generated through the first reaction I1 may move from the first scintillation cell to the first pixel 111 and the second pixel 121 positioned in the X-axis direction. Accordingly, the first pixel 111 and the second pixel 121 can receive light generated in the first reaction I1 through the light guides 135 at about the same time, and receive a first current signal corresponding to the light. Can be generated.
  • the first current signal may correspond to first reaction energy information. Accordingly, the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may sense the first reaction energy.
  • the image processing unit 200 may calculate first reaction position information in which the scattering reaction I1 occurs through the first reaction energy sensed by the first photoelectric element 110 and the second photoelectric element 120. In an embodiment, the image processing unit 200 uses the magnitude of the first current signal generated by the first photoelectric element 110 and the magnitude of the first current signal generated by the second photoelectric element 120 to perform a first flash. First reaction location information of the cell can be calculated. For example, the image processing unit 200 may obtain coordinate information corresponding to the X-axis of the first location information through the following calculation equation.
  • X coordinate information K (the size of the first current signal generated in the first pixel)/(the size of the first current signal generated in the first pixel + the size of the second current signal generated in the second pixel) , (K is a constant)
  • the image processing unit 200 uses pre-stored Y and Z coordinate information of the first pixel 111 and/or pre-stored Y and Z coordinate information of the second pixel 121 to determine the first scintillation cell.
  • Location information (X, Y, Z coordinates) can be obtained.
  • the scattered radiation L may be absorbed by any one of the remaining scintillation cells 131 (hereinafter, referred to as a second scintillation cell) except for the first scintillation cell.
  • Absorption reaction I2 may occur in the second scintillation cell absorbing the scattered radiation L.
  • the second reaction energy may be released from the second scintillation cell in which the absorption reaction I2 has occurred.
  • the second reaction energy may be light energy generated by the absorption reaction I2.
  • Light generated from the second scintillation cell may move to the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 by adjacent light guides.
  • light generated through the second reaction I1 may move from the second scintillation cell to the first pixel 111 and the second pixel 121 positioned in the X-axis direction. Accordingly, the first pixel 111 and the second pixel 121 can receive light generated in the second reaction I1 through the light guides 135 at about the same time, and receive a second current signal corresponding to the light. Can be generated.
  • the second current signal may correspond to second reaction energy information. Accordingly, the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120 may sense the second reaction energy.
  • the image processing unit 200 may calculate second reaction position information in which the absorption reaction I2 occurs through the second reaction energy sensed by the first photoelectric device 110 and the second photoelectric device 120.
  • the image processing unit 200 uses the magnitude of the second current signal generated by the first photoelectric element 110 and the magnitude of the second current signal generated by the second photoelectric element 120 to generate a second flash. It is possible to calculate the second reaction location information of the cell. For example, the image processing unit 200 may obtain coordinate information corresponding to the X axis of the second location information through the calculation formula.
  • the image processing unit 200 uses pre-stored Y and Z coordinate information of the first pixel 111 and/or pre-stored Y and Z coordinate information of the second Location information (X, Y, Z coordinates) can be obtained.
  • the first reaction location information and the second reaction location information may be 3D location information indicated by X, Y, and Z coordinates.
  • the (X, Y, Z) coordinate of the first scintillation cell may be (X2, Y4, Z2)
  • the (X, Y, Z) coordinate of the second scintillation cell is (X4, Y2, Z1) Can be
  • the image processing unit 200 may calculate the location of the radiation source R by using the first reaction energy information, the second reaction energy information, the first reaction position information, and the second reaction position information. For example, the image processing unit 200 may determine the trajectory of the scattered photons through the first reaction information and the second reaction information, and using the first reaction energy information, the second reaction energy information, and the Compton scattering formula The scattering angle can be calculated. The image processing unit 200 may determine the position of the radiation source R by back-projecting the first reaction position in a cone shape through the first reaction position information and the scattering angle information.
  • the image processing unit 200 may form a plurality of back-projected cones, and the formed cones are projected back onto the image box to reflect the accumulated cones at each location.
  • Video images can be generated by converting the number of times to relative brightness.
  • the image processing unit 200 of the Compton imaging apparatus 10 of the present invention uses the first reaction information and the second reaction information to generate a first scintillation cell in which the first reaction (I1) and the second reaction (I2) occur.
  • the separation distance D between the and the second scintillation cell may be calculated.
  • the image processing unit 200 may generate an image image using the first reaction information and the second reaction information.
  • the spaced apart scintillation cells 131 may be configured as a pair. As described above, one of the pair of scintillation cells 131 may be a first scintillation cell in which the scattering reaction I1 is generated by the incident radiation L. The other one of the pair of scintillation cells 131 may be a second scintillation cell in which an absorption reaction I2 for the radiation L scattered by the scattering reaction I1 occurs.
  • the image processing unit 200 An image image may be generated by using the 1 reaction information and the second reaction information. This is because if the distance D1 between the first scintillation cell and the second scintillation cell is close, interference occurs between the scattering reaction I1 and the absorption reaction I2. Accordingly, if the separation distance D1 between the first scintillation cell and the second scintillation cell is greater than or equal to a preset distance value, the image processing unit 200 minimizes the interference between the scattering reaction I1 and the absorption reaction I2. You can create an image.
  • the separation distance between the first scintillation cell and the second scintillation cell increases, the resolution of the image increases, while the radiation detection efficiency may decrease. Accordingly, it may be desirable to set a preset distance value in consideration of image resolution and radiation detection efficiency.
  • the image processing unit 200 may generate an image image by assigning a weight according to the separation distance D1 between the scintillation cells 131 responding to the radiation L.
  • the weight may be linearly or geometrically proportional to the separation distance D1.
  • the weight may be proportional to the separation distance D1, the square of the separation distance D1, the cube of the separation distance D1, and the like.
  • the image processing unit 200 may be a computer unit such as a microcontroller or a CPU that calculates, calculates, and generates information.
  • the image processing unit 200 may generate an image image by correcting reaction energy information of each of the scintillation cells 131 in order to reflect the interference of the response of the scintillation cells 131.
  • the image processing unit 200 may generate an image image that minimizes interference of the reactions of the scintillation cells 131. Accordingly, the accuracy of the video image can be improved.
  • the image processing unit 200 may correct reaction energy information for each of the scintillation cells 131.
  • a load may be applied to the image processing unit 200.
  • the image processing unit 200 may generate an image image by correcting energy information for each combination of some of the scintillation cells 131.
  • the display unit 300 may visually output an image image generated by the image processing unit 200.
  • 4 illustrates an image image generated by the image processing unit 200 output from the display unit 300.
  • the Compton imaging apparatus 10 may include one detection unit 100.
  • the Compton imaging apparatus 10 may include a plurality of detection units 100 to improve radiation detection efficiency and resolution.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process of generating an image image of an image processing unit according to a reaction different from that of FIG. 2.
  • the image processing unit 200 uses first and second reaction information to provide scintillation cells positioned between the first and second pixels 111 and 121 described above. 131) can be determined.
  • the image processing unit 200 may calculate a first reaction position and a second reaction position by using the first reaction information and the second reaction information.
  • the first reaction (I1) and the second reaction (I2) occur between the first pixel 111 and the second pixel 121, the first pixel 111, the second pixel 121, and the first reaction position
  • the (Y, Z) coordinates of each of the second reaction positions are the same, but only the X coordinates may be different.
  • the image processing unit 200 performs a first reaction (I1) in the scintillation cells 131 positioned between the first pixel 111 and the second pixel 121. It can be determined that and the second reaction (I2) has occurred.
  • the image processing unit 200 cannot distinguish between the scattering reaction I1 and the absorption reaction I2 using the first reaction information and the second reaction information. Accordingly, in the case of a collinear reaction, the image processing unit 200 may store the first reaction information and the second reaction information for the scintillation cells 131 positioned between the first pixel 111 and the second pixel 121. Excluding it, you can create a video image.
  • the image processing unit 200 assigns a weight to the first reaction information and the second reaction information corresponding to the scintillation cells 131 located in a direction orthogonal to the above-described virtual line IL.
  • the weight is a value greater than 1, and the threshold value may be less than 1. This is because, in the case of a colinear reaction, a reaction occurring in another scintillation cell positioned on the virtual line IL generates more interference than a reaction occurring in another scintillation cell positioned in a direction orthogonal to the virtual line IL.
  • the weight may be linearly or geometrically proportional to the distance between the virtual line and the scintillation cell (hereinafter, referred to as an orthogonal distance).
  • the weight may be proportional to an orthogonal distance, a square of an orthogonal distance, and a cube of an orthogonal distance.
  • the image processing unit 200 may calculate an uncertainty according to the location information and energy information of the scintillation cell.
  • the image processing unit 200 may assign an independent weight to each of the scintillation cells positioned in the orthogonal direction from the virtual line IL using the calculated uncertainty, or calculate an average value such as an arithmetic average or a geometric average to give a weight. have.
  • the weight may be inversely proportional to the uncertainty.
  • FIGS. 6 is a diagram illustrating a process of generating an image image of an image processing unit according to a reaction different from that of FIGS. 2 and 5.
  • the image processing unit 200 does not assign a weight according to the distance between the virtual line IL and each of the scintillation cells in the orthogonal direction, but the virtual line IL.
  • a weight can be assigned for each combination of scintillation cells in the direction orthogonal to and.
  • the scintillation cell combination may mean combining the scintillation cells 131 located in one direction in a direction orthogonal to the virtual line IL as one unit.
  • the image processing unit 200 may assign a weight to each combination of scintillation cells according to a direction orthogonal to the virtual line IL. For example, the image processing unit 200 may generate an image image by assigning a first weight to the combination of scintillation cells C1 and C3 located in one direction perpendicular to the virtual line IL and parallel to the Z axis. . In addition, the image processing unit 200 may generate an image image by assigning a second weight different from the first weight to the combination of scintillation cells C2 located in another direction perpendicular to the virtual line IL and parallel to the Z axis. . In an embodiment, the first weight and the second weight may be calculated using the above-described uncertainty.
  • FIG. 7 is a diagram showing a positron tomography system according to an embodiment of the present invention. For simplicity of explanation, descriptions of the same configurations as those described in FIGS. 1 to 6 will be omitted or simplified.
  • a positron tomography system 1 may include a plurality of Compton imaging devices.
  • the location where the two radiations are detected is connected by a line, the location of the radiation source P is included in the line, and photographing the same is performed. It is positron emission tomography (PET). Accordingly, the positron tomography system 1 of the present invention can obtain location information of a radiation source using a positron tomography method.
  • the positron tomography system may include the Compton imaging devices described in FIGS. 1 to 6.
  • the positron tomography system 1 may include a plurality of detection units 100, an image processing unit 200, and a display unit 300.
  • Each of the plurality of detection units 100 may include a scintillator 130, a first photoelectric device 110, and a second photoelectric device 120.
  • the scintillator 130 may include a plurality of scintillation cells 131 and a plurality of light guides 135.
  • the first photoelectric device 110 may include a plurality of pixels 111 and a first electronic substrate 115.
  • the second photoelectric device 120 may include a plurality of pixels 121 and a second electronic substrate 125.
  • the plurality of detection units 100 may surround the subject P. Accordingly, the plurality of detection units 100 may detect radiation of the subject P emitting two radiations of the same energy in opposite directions to each other. In contrast, in another embodiment, in a single photon emission tomography (SPECT) system using a Compton imaging device, the plurality of detection units 100 may detect radiation emitted in all directions from a radiation source. .
  • SPECT single photon emission tomography
  • the plurality of detection units 100 surrounding the subject may form approximately hexagonal pillars, but the present invention is not limited thereto.
  • the image processing unit 200 may generate an image image by using the first reaction information and the second reaction information transmitted to each of the plurality of detection units 100.
  • the radiation detection efficiency is increased, and the quality of the image image can be remarkably improved by increasing the radiation detection efficiency.
  • radiation exposure of patients or operators can be greatly reduced.
  • radiation efficiency and resolution may be improved by allowing a plurality of detection units 100 to double or triple to surround a subject.
  • FIGS. 1 to 7 are diagrams illustrating a single photon tomography system according to another embodiment of the present invention. For simplicity of explanation, descriptions of the same configurations as those described in FIGS. 1 to 7 will be omitted or simplified.
  • a single photon tomography system 2 may include a plurality of Compton imaging devices.
  • the single photon tomography system may generate an image image using a single radiation (eg, gamma ray) emitted from the radiation source P. That is, the single orphan tomography system 2 may generate an image image through single photon emission tomography (SPECT).
  • SPECT single photon emission tomography
  • the single photon tomography system 2 may include the Compton imaging devices described in FIGS. 1 to 6.
  • the single photon tomography system 2 may include a plurality of detection units 100, an image processing unit 200, and a display unit 300.
  • the single photon tomography system 2 may further include a concentrator 400.
  • Each of the plurality of detection units 100 may include a scintillator 130, a first photoelectric device 110, and a second photoelectric device 120.
  • the scintillator 130 may include a plurality of scintillation cells 131 and a plurality of light guides 135.
  • the first photoelectric device 110 may include a plurality of pixels 111 and a first electronic substrate 115.
  • the second photoelectric device 120 may include a plurality of pixels 121 and a second electronic substrate 125.
  • the plurality of detection units 100 may surround the subject P.
  • the plurality of detection units 100 may constitute a plurality of groups surrounding the subject P in multiple numbers.
  • the plurality of detection units 100 may constitute a first group surrounding the subject P and a second group surrounding the first group.
  • the detection units 100 may form a third group surrounding the second group.
  • the radiation emitted from the subject P may be incident on one of the detection units 100.
  • the first radiation L1 and the second radiation L2 emitted from the subject P are any one of the detection units 100 constituting the first group (hereinafter, referred to as a first incident detection unit). .).
  • the first radiation L1 may be scattered through a scattering reaction (first reaction, I12) in any one of the scintillation cells of the first incident detection unit.
  • the first radiation L1 scattered through the scattering reaction I12 may be absorbed (second reaction) in another scintillation cell in the first incident detection unit.
  • the first incident detector may obtain first reaction information (hereinafter referred to as first scattering information) corresponding to the scattering reaction I12 by the first radiation L1.
  • first incident detector may obtain second reaction information (hereinafter, first absorption information) corresponding to the absorption reaction I22 by the first radiation L1.
  • the second radiation L2 may be scattered through a scattering reaction (first reaction, I11) in any one of the scintillation cells of the first incident detection unit.
  • the second radiation L2 scattered through the scattering reaction I11 may be incident on any one of the detection units constituting the second group (hereinafter, referred to as a second incident detection unit).
  • the scattered second radiation L2 may be absorbed (second reaction, I21) in any one of the scintillation cells of the second incident detection unit.
  • the first incident detector may obtain first reaction information (hereinafter referred to as second scattering information) corresponding to the scattering reaction I11 by the second radiation L2.
  • the second incident detector may acquire second reaction information (hereinafter referred to as second absorption information) corresponding to the absorption reaction I21 by the second radiation L2.
  • second absorption information second reaction information corresponding to the absorption reaction I21 by the second radiation L2.
  • the separation distance between the scattering and absorption reactions I12 and I22 by the first radiation L1 is shorter than the separation distance between the scattering and absorption reactions I11 and I21 by the second radiation L2.
  • the detection efficiency of the first radiation L1 may be greater than that of the second radiation L2. That is, the first image image generated by the reactions of the first radiation L1 may have an improved image quality than the second image image generated by the reactions of the second radiation L2.
  • Each of the concentrators 400 may be connected to each of the detection units 100. Each of the concentrators 400 may be positioned between each of the detection units 100 and the object P. Accordingly, each of the concentrators 400 may focus the radiation scattered from the subject P and send it to each of the detection units 100. For example, the concentrator 400 may geometrically limit and detect radiation having a desired directionality.
  • the concentrator 400 may be used in various types according to the detection site and purpose.
  • the concentrator 400 may be a parallel hole concentrator, a pinhole concentrator, URA, MURA, HURA, or the like.
  • Each of the collectors may be a parallel hole concentrator, a pinhole concentrator, URA, MURA, HURA, or the like.
  • the image processing unit 200 may generate an image image by using the first reaction information and the second reaction information transmitted to each of the plurality of detection units 100.
  • the image processing unit 200 may generate a first image image by the first radiation L1 by using the first scattering information and the first absorption information acquired by the first incident detection unit.
  • the image processing unit 200 may generate a second image image by the second radiation L2 using the second scattering information obtained from the first incident detection unit and the second absorption information obtained from the second incident detection unit. have.
  • the resolution of the image may be improved as the distance between the scattering reaction and the absorption reaction increases. Accordingly, the resolution of the first image image may be lower than that of the second image image. That is, this is because the distance between the scattering reaction and the absorption reaction used in the first image image is shorter than the distance between the scattering reaction and the absorption reaction used in the second image image.
  • the image processing unit 200 generates a third image image using first scattering information, first absorption information, second scattering information, and second absorption information in order to compensate for the shortcomings of the first image and the second image.
  • the third video image may have improved image resolution than the first video image, and the quality of the image may be improved than that of the second video image.
  • the image processing unit 200 may generate a third image image using a Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) algorithm using the first scattering information, the first absorption information, the second scattering information, and the second absorption information.
  • the algorithm is not limited thereto.
  • the MLEM algorithm is an algorithm created based on the Poisson probability distribution, and is configured in consideration of statistical errors, and may be an algorithm that reconstructs the distribution of the most probable radiation source into an image in consideration of the probability shunt of information.
  • the image processing unit 200 calculates the separation distance between the scintillation cells in which the first reaction (scattering reaction, I12, I11) and the second reaction (absorption reaction, I21, I22) occurred, and the calculated
  • a third image image may be generated by using the first scattering information, the first absorption information, the second scattering information, and the second absorption information.
  • FIG. 8 the single photon tomography system 2 has been mainly described, but the contents described in FIG. 8 may also be applied to a positron tomography system and the like.
  • Compton imaging device 100 detection unit
  • the Compton imaging apparatus of the present invention can reconstruct the Compton image based on a single scintillator composed of a plurality of scintillation cells, so it is cheaper than other Compton imaging devices and has excellent time resolution, even in a high-radiation area. It can be useful.

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Abstract

본 발명은 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 섬광체를 기반으로 한 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 컴프턴 영상 장치는 복수의 섬광셀들로 이루어진 단일 섬광체를 기반으로 하여 컴프턴 영상을 재구성할 수 있다. 이에, 다른 컴프턴 영상 장치에 비해 가격이 저렴하고, 시간분해능이 우수하여 고방사능 지역에서도 사용할 수 있다. 또한, 컴프턴 영상 장치를 이용한 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템은 방사선 검출 효율 및 영상 분해능을 향상시켜 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템
본 발명은 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 섬광체를 기반으로 한 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템에 관한 것이다.
컴프턴 카메라가 개발된 이래 감마선 영상은 핵의학, 천문학, 보안 그리고 산업적 응용 등 많은 분야에서 중요한 역할을 해오고 있다. 핵의학에서는 방사선 동위원소를 인체 내에 주입한 후 인체 바깥으로 나오는 방사선을 검출하여 이를 토대로 질병조직의 형태학적인 정보와 기능적인 정보를 획득하여 인체의 생리와 병리현상을 탐구하고 질병의 진단 및 치료에 응용하고 있다. 천문학에서는 우주에서 발생하는 각종 방사선을 검출하여 별의 생성과 소멸 등 천체에서 일어나고 있는 현상을 분석하는데 쓰이고 있다.
또한 국제적인 테러위협과 관련하여 핵물질이나 밀수품들의 미개봉 검색을 위하여 항만이나 공항 등에서 고효율을 가진 방사선 검출기들이 사용되고 있는 추세이다. 산업적으로는 일반 환경에서 나오는 방사선 검출이나 발전소 및 방사능물질 폐기장 등에서 누출되는 방사성동위원소를 검출하는 용도로 널리 쓰이고 있다.
이러한 컴프턴 카메라는 방사선이 컴프턴 산란 반응으로 산란되어 다른 곳에서 흡수되면 산란 및 흡수 위치와 에너지 정보로 입사된 방사선의 위치정보를 역추적하는 컴프턴 영상 기법을 통해 영상 이미지를 생성하였다. 하지만. 기존의 컴프턴 카메라는 섬광체를 포함하는 2개 이상의 검출기를 사용하여야 했고, 검출기들은 산란용과 흡수용으로 나누어야 했고, 방사선이 한 검출기에서 산란되어 더 이상의 반응을 하지 않고, 다른 검출기에서 흡수가 되어야 하므로 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었다. 이에 따라, 최근에 단일 검출기에서 발생한 방사선의 산란과 흡수를 이용하여 영상 이미지를 구현하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있는 추세이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 단일 섬광체를 기반으로 하여 컴프턴 영상을 재구성할 수 있는 컴프턴 영상 장치 및 이를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 컴프턴 영상 장치는 입사된 방사선에 의해 반응하는 복수의 섬광셀들을 포함하는 섬광체; 상기 섬광체의 일측에 위치되는 제1 광전 소자; 상기 섬광체의 타측에 위치되는 제2 광전 소자; 및 상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자에서 획득한 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성하는 영상 처리부를 포함하고, 상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자는, 입사된 방사선에 의해 발생하는 제1 반응에 대한 제1 반응 정보 및 상기 제1 반응에 의해 산란된 방사선에 의해 발생하는 제2 반응에 대한 제2 반응 정보를 획득하고, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 반응 정보와 상기 제2 반응 정보를 이용하여 상기 제1 반응과 상기 제2 반응이 발생한 상기 섬광셀들 간의 이격 거리를 산출하고, 산출된 이격 거리가 기 설정된 거리 값 이상일 때, 상기 제1 및 제2 반응 정보들을 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 반응 정보는 상기 섬광셀들에서 발생한 반응에 대한 반응 에너지 정보를 포함하고, 상기 영상 처리부는, 상기 섬광셀들 각각의 반응 에너지 정보를 교정하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 광전 소자는, 제1 픽셀(111)을 포함하고, 상기 제2 광전 소자는, 상기 제1 픽셀(111)과 대응된 제2 픽셀(121)을 포함하며, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 픽셀(111) 및 제2 픽셀(121) 사이에 위치된 상기 섬광셀들에서 반응이 발생하는 경우, 상기 제1 픽셀(111) 및 제2 픽셀(121) 사이에 위치된 상기 섬광셀들에 대한 상기 제1 및 제2 반응 정보들을 제외하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 픽셀(111)과 상기 제2 픽셀(121)을 연결하는 가상의 선과 직교하는 방향에 위치한 상기 섬광셀들에 대응하는 상기 제1 및 제2 반응 정보들에 가중치를 부여하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 가중치는 상기 가상의 선과 상기 섬광셀 간의 거리와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 영상 처리부는, 방사선에 반응하는 상기 섬광셀들 간의 이격 거리에 따른 가중치를 부여하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 가중치는 상기 이격 거리와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자는 다중픽셀 광계수기(MPPC)일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 섬광체는, 상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자 사이에 위치되고, 서로 이격된 복수의 광 가이드들을 포함하고, 상기 섬광셀들은 서로 인접한 상기 광 가이드들 사이에 위치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 섬광셀들의 각각은 상기 제1 광전 소자로부터 상기 제2 광전 소자를 향해 길게 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 반응 정보는 상기 제1 광전 소자에서 측정한 제1 반응 에너지 정보와 상기 제2 광전 소자에서 측정한 제2 반응 에너지 정보를 포함하고, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 반응 에너지 정보와 상기 제2 반응 에너지 정보를 이용하여 상기 제1 광전 소자로부터 상기 제2 광전 소자를 향한 방향에 대응되는 상기 제1 반응의 위치 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 컴프턴 영상 장치를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 장치는 상기 검출부는 복수개 제공되고, 복수의 상기 검출부들은 피검사체를 둘러싸고, 상기 피검사체에서 방출되는 복수의 방사선을 검출하며, 상기 영상 처리부는 상기 검출부들에서 획득한 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다.
실시 예에서, 상기 검출부들의 각각과 상기 피검사체 사이에 위치되고, 상기 피검사체에서 산란되는 방사선을 집속하여 상기 검출부들의 각각으로 보내는 복수의 집속기들을 더 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 검출부들 중 일부는 상기 피검사체를 둘러싸는 제1 그룹을 구성하고, 상기 검출부들 중 나머지 일부는 상기 제1 그룹을 둘러싸는 제2 그룹을 구성할 수 있다.
실시 예에서, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 그룹 중 어느 하나의 상기 검출부에 입사된 방사선에 의해 발생한 상기 제1 반응에 대한 상기 제1 반응 정보 및 상기 제1 반응에 의해 산란된 방사선에 의해 상기 제2 그룹 중 어느 하나의 상기 검출부에서의 상기 제2 반응에 대한 상기 제2 반응 정보를 이용하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
실시 예에서, 상기 영상 처리부는, MLEM(Maximum Likelihood Expectation Maximization) 알고리즘을 이용하여 상기 영상 이미지를 생성할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 컴프턴 영상 장치는 복수의 섬광셀들로 이루어진 단일 섬광체를 기반으로 하여 컴프턴 영상을 재구성할 수 있다. 이에, 다른 컴프턴 영상 장치에 비해 가격이 저렴하고, 시간분해능이 우수하여 고방사능 지역에서도 사용할 수 있다.
또한, 컴프턴 영상 장치를 이용한 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템은 방사선 검출 효율 및 영상 분해능을 향상시켜 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴프턴 영상 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 검출부를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 섬광체에서 발생하는 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 검출부에서 획득한 반응 정보를 이용하여 생성된 영상 이미지를 타나낸 도면이다.
도 5는 도 2의 반응과 상이한 반응에 따른 영상 처리부의 영상 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2와 도 5의 반응과 상이한 반응에 따른 영상 처리부의 영상 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단일 광자 단층 촬영 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “연결”은 언급된 구성요소들을 직접적으로 연결한다는 것과 중간 매체를 통해 간접적으로 연결한다는 것을 모두 포함하는 의미일 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴프턴 영상 장치를 나타낸 개략도이다. 도 2는 도 1의 검출부를 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b은 도 2의 섬광체에서 발생하는 반응을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 검출부에서 획득한 반응 정보를 이용하여 생성된 영상 이미지를 타나낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴프턴 영상 장치(10)는 컴프턴 산란 효과를 이용하여 방사선(L)을 영상화할 수 있다. 컴프턴 영상 장치(10)는 산업용, 의료용, 우주 관측용 등으로 사용될 수 있다. 컴프턴 영상 장치(10)는 검출부(100), 영상 처리부(200) 및 디스플레이부(300)를 포함할 수 있다.
검출부(100)는 방사선(L)의 검출 위치 정보와 검출 위치에서의 에너지 정보를 획득할 수 있다. 검출부(100)는 섬광체(130), 제1 광전 소자(110), 및 제2 광전 소자(120)를 포함할 수 있다.
섬광체(130)는 입사된 방사선(L)에 의해 반응을 하는 복수의 섬광셀들(131)을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 섬광셀들(131)의 각각은 LSO, LYSO, LGSO, GSO, BGO, LuYAP, 및 BaF 중에서 선택된 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시 예에서, 섬광셀들(131)의 각각은 단면이 정사각형인 직육면체 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이는 섬광셀들(131)의 각각이 방사선(L)의 일정 펄스에 대해서만 반응을 감지할 수 있도록 하고, 섬광셀의 중심을 통해 섬광이 제1 광전 소자(110) 및/또는 제2 광전소자를 향하도록 하기 위함이다.
섬광체(130)는 복수의 섬광셀들(131)이 형성한 단층(이하 섬광셀 단층이라 지칭한다.)들 서로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 실시 예에서, 섬광체(130)는 4X4 행렬 구조의 섬광셀들(131)로 이루어진 섬광셀 단층 4개가 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 섬광체(130)는 총 64개의 섬광셀들(131)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 광전 소자(110)는 섬광체(130)의 일측에 위치될 수 있다. 제2 광전 소자(120)는 섬광체(130)의 타측에 위치될 수 있다. 이에 따라, 섬광체(130)는 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120) 사이에 위치될 수 있다. 실시 예에서, 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)는 서로 마주볼 수 있다. 실시 예에서, 제1 광전 소자(110)에서 제2 광전 소자(120)로 향하는 방향을 X축 방향일 수 있다. 이와 달리 다른 실시 예에서는 Y축 방향 또는 Z축 방향일 수 있다.
섬광체(130)는 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120) 사이에 위치되는 복수의 광 가이드들(135)를 포함할 수 있다. 복수의 광 가이드들(135)는 서로 이격될 수 있다. 실시 예에서, 복수의 광 가이드들(135)는 X축 방향과 수직한 Z축 방향을 따라 배열될 수 있다. 이와 달리 다른 실시 예에서, 복수의 광 가이드들(135)는 Y축 방향과 Z축 방향으로 배열될 수 있다.
섬광셀들(131)은 서로 인접한 광 가이드들(135) 사이에 위치될 수 있다. 예를 들면, 전술한 섬광셀 단층은 서로 인접한 광 가이드들(135) 사이에 위치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 광 가이드들(135)는 섬광셀들(131)에서의 반응에 의해 발생한 빛이 퍼지는 것을 방지할 수 있다.
실시 예에서, 섬광셀 단층은 X-Y 평면 상에 행렬 구조로 배열된 복수의 섬광셀들(131)의 조합일 수 있다. 이와 달리, 섬광셀 단층은 단일 섬광셀(131)로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 실시 예에서, 섬광셀들(131)의 각각은 제1 광전 소자(110)로부터 제2 광전 소자(120)를 향해 길게 형성될 수 있다. 이에 따라, 섬광셀 단증은 X축 방향으로 길게 형성된 섬광셀이 Y축 방향으로 배열된 복수의 섬광셀들(131)의 조합일 수 있다.
제1 광전 소자(110)는 복수의 픽셀들(111)과 제1 전자 기판(115)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(111)은 제1 전자 기판(115) 상에 위치될 수 있다. 실시 예에서, 픽셀들(111)은 4X4 행렬 구조로 제1 전자 기판(115) 상에 위치될 수 있다. 예를 들면, 픽셀들(111)은 Y-Z 평면 상에 행렬 구조로 제1 전자 기판(115) 상에 위치될 수 있다. 복수의 픽셀들(111)은 제1 전자 기판(115)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 광전 소자(110)는 입사된 방사선(L)에 의해 섬광셀들(131)에서 발생하는 제1 반응(I1)에 대한 제1 반응 정보를 획득할 수 있다. 또한, 제1 광전 소자(110)는 제1 반응(I1)에 의해 산란된 방사선(L)에 의해 섬광셀들(131)에서 발생하는 제2 반응(I2)에 대한 제2 반응 정보를 획득할 수 있다. 이에 대한 자세한 사항은 후술한다.
제2 광전 소자(120)는 복수의 픽셀들(121)과 제2 전자 기판(125)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(121)은 제2 전자 기판(125) 상에 위치될 수 있다. 실시 예에서, 픽셀들(121)은 4X4 행렬 구조로 제2 전자 기판(125) 상에 위치될 수 있다. 예를 들면, 픽셀들(121)은 Y-Z 평면 상에 행렬 구조로 제2 전자 기판(125) 상에 위치될 수 있다. 복수의 픽셀들(121)은 제2 전자 기판(125)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 광전 소자(110)의 픽셀들(111) 중 어느 하나를 제1 픽셀(111)이라 지칭하면, 제1 픽셀(111)에 대응되는 제2 광전 소자(120)의 픽셀(121)을 제2 픽셀(121)이라고 지칭한다. 실시 예에서, 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)은 서로 마주볼 수 있다. 또한, 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)을 연결하는 가상의 선(IL, 이하, 가상선이라 지칭한다.)은 섬광체(130)를 지나갈 수 있다. 실시 예에서, 가상선(IL)은 X축 방향과 평행할 수 있다.
제2 광전 소자(120)도 제1 광전 소자(110)와 같이 입사된 방사선(L)에 의해 섬광셀들(131)에서 발생하는 제1 반응(I1)에 대한 제1 반응 정보를 획득할 수 있다. 또한, 제2 광전 소자(120)는 제1 반응(I1)에 의해 산란된 방사선(L)에 의해 섬광셀들(131)에서 발생하는 제2 반응(I2)에 대한 제2 반응 정보를 획득할 수 있다. 실시 예에서, 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)은 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 거의 동시에 획득할 수 있다.
제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)는 실리콘 광증배관(SiPM), 다중픽셀 광계수기(MPPC), 또는 반도체 광증배관(SSPM)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)는 자체 증폭률이 10 5이상일 수 있다. 이에 따라, 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)는 전기적 잡음에 강하여 제1 전기회로와 제2 전기회로도 간단하게 제작할 수 있다. 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)는 획득한 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 영상 처리부(200)로 전송할 수 있다.
영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 다중 반응이 발생한 반응 위치 정보를 획득할 수 있다. 이하, 섬광체(130)에서 발생하는 다중 반응에 대하여 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
방사선원(R)으로부터 입사된 방사선(L)은 섬광체(130)의 섬광셀들(131) 중 어느 하나(이하, 제1 섬광셀이라 지칭한다.)로 입사될 수 있다. 방사선(L)이 입사된 제1 섬광셀은 컴프턴 산란 효과에 따른 산란 반응(I1)이 발생할 수 있다. 이에 따라, 산란 반응(I1)이 발생한 제1 섬광셀에서는 제1 반응 에너지가 방출될 수 있다. 예를 들면, 제1 반응 에너지는 산란 반응(I1)에 의해 발생하는 광일 수 있다. 제1 섬광셀에서 발생한 광은 인접한 광 가이드들에 의해 제1 광전 소자(110)과 제2 광전 소자(120)로 이동할 수 있다. 예를 들면, 제1 반응(I1)을 통해 발생한 광은 제1 섬광셀로부터 X축 방향에 위치된 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)로 이동할 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)은 제1 반응(I1)에서 발생한 광을 광 가이드들(135)를 통해 거의 동시에 받을 수 있고, 광에 대응된 제1 전류 신호를 생성할 수 있다. 상기 제1 전류 신호는 제1 반응 에너지 정보에 대응될 수 있다. 이에 따라, 제1 광전 소자(110) 및 제2 광전 소자(120)는 제1 반응 에너지를 감지할 수 있다.
영상 처리부(200)는 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)에서 감지한 제1 반응 에너지를 통해 산란 반응(I1)이 발생한 제1 반응 위치 정보를 산출할 수 있다. 실시 예에서, 영상 처리부(200)는 제1 광전 소자(110)에서 생성한 제1 전류 신호의 크기와 제2 광전 소자(120)에서 생성한 제1 전류 신호의 크기를 이용하여, 제1 섬광셀의 제1 반응 위치 정보를 산출할 수 있다. 예를 들면, 영상 처리부(200)는 아래의 산출식을 통해 제1 위치 정보의 X축에 대응되는 좌표 정보를 획득할 수 있다.
산출식) X 좌표 정보=K(제1 픽셀에서 생성한 제1 전류 신호의 크기)/(제1 픽셀에서 생성한 제1 전류 신호의 크기 + 제2 픽셀에서 생성한 제2 전류 신호의 크기), (K는 상수임)
또한, 영상 처리부(200)는 기 저장된 제1 픽셀(111)의 Y, Z 좌표 정보 및/또는 기 저장된 제2 픽셀(121)의 Y, Z 좌표 정보를 이용하여, 제1 섬광셀의 제1 위치 정보(X, Y, Z 좌표)를 획득할 수 있다.
산란된 방사선(L)은 제1 섬광셀을 제외한 나머지 섬광셀들(131) 중 어느 하나(이하, 제2 섬광셀이라 지칭한다.)에 흡수될 수 있다. 산란된 방사선(L)을 흡수한 제2 섬광셀에서는 흡수 반응(I2)이 발생할 수 있다. 이에 따라, 흡수 반응(I2)이 발생한 제2 섬광셀에서는 제2 반응 에너지가 방출될 수 있다. 예를 들면, 제2 반응 에너지는 흡수 반응(I2)에 의해 발생하는 광 에너지일 수 있다. 제2 섬광셀에서 발생한 광은 인접한 광 가이드들에 의해 제1 광전 소자(110)과 제2 광전 소자(120)로 이동할 수 있다. 예를 들면, 제2 반응(I1)을 통해 발생한 광은 제2 섬광셀로부터 X축 방향에 위치된 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)로 이동할 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121)은 제2 반응(I1)에서 발생한 광을 광 가이드들(135)를 통해 거의 동시에 받을 수 있고, 광에 대응된 제2 전류 신호를 생성할 수 있다. 상기 제2 전류 신호는 제2 반응 에너지 정보에 대응될 수 있다. 이에 따라, 제1 광전 소자(110) 및 제2 광전 소자(120)는 제2 반응 에너지를 감지할 수 있다.
영상 처리부(200)는 제1 광전 소자(110)와 제2 광전 소자(120)에서 감지한 제2 반응 에너지를 통해 흡수 반응(I2)이 발생한 제2 반응 위치 정보를 산출할 수 있다. 실시 예에서, 영상 처리부(200)는 제1 광전 소자(110)에서 생성한 제2 전류 신호의 크기와 제2 광전 소자(120)에서 생성한 제2 전류 신호의 크기를 이용하여, 제2 섬광셀의 제2 반응 위치 정보를 산출할 수 있다. 예를 들면, 영상 처리부(200)는 상기 산출식을 통해 제2 위치 정보의 X축에 대응되는 좌표 정보를 획득할 수 있다.
또한, 영상 처리부(200)는 기 저장된 제1 픽셀(111)의 Y, Z 좌표 정보 및/또는 기 저장된 제2 픽셀(121)의 Y, Z 좌표 정보를 이용하여, 제2 섬광셀의 제2 위치 정보(X, Y, Z 좌표)를 획득할 수 있다.
실시 예에서, 제1 반응 위치 정보와 제2 반응 위치 정보는 X, Y, Z 좌표로 나타나는 3차원 위치 정보일 수 있다. 예를 들면, 제1 섬광셀의 (X, Y, Z) 좌표는 (X2, Y4, Z2)일 수 있고, 제2 섬광셀의 (X, Y, Z) 좌표는 (X4, Y2, Z1)일 수 있다.
영상 처리부(200)는 제1 반응 에너지 정보, 제2 반응 에너지 정보, 제1 반응 위치 정보, 및 제2 반응 위치 정보를 이용하여 방사선원(R)의 위치를 산출할 수 있다. 예를 들면, 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 통해 산란된 광자의 궤적을 결정할 수 있고, 제1 반응 에너지 정보와 제2 반응 에너지 정보, 컴프턴 산란 공식을 이용하면 산란각을 산출할 수 있다. 영상 처리부(200)는 제1 반응 위치 정보와 산란각 정보를 통해 제1 반응 위치에서 콘 형태로 역투사하여 방사선원(R)의 위치를 결정할 수 있다. 실제 방사선원(R)에서는 수많은 방사선(L)이 발생하므로, 영상 처리부(200)는 다수의 역투사된 콘 형태를 형성할 수 있고, 형성된 콘을 영상상자에 역투사하여 각 위치에서 누적되는 콘의 횟수를 상대적 밝기로 변환시킴으로써 영상 이미지를 생성할 수 있다.
다만, 본 발명의 컴프턴 영상 장치(10)의 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 제1 반응(I1)과 제2 반응(I2)이 발생한 제1 섬광셀과 제2 섬광셀 간의 이격 거리(D)를 산출할 수 있다. 영상 처리부(200)는 산출된 이격거리(D)가 기 설정된 거리 값 이상 일 때, 제1 반응 정보 및 제2 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 실시 예에서, 이격된 섬광셀들(131)은 한 쌍으로 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 한 쌍의 섬광셀들(131) 중 하나는 입사된 방사선(L)에 의해 산란 반응(I1)이 발생하는 제1 섬광셀일 수 있다. 한 쌍의 섬광셀들(131) 중 나머지 하나는 산란 반응(I1)에 의해 산란된 방사선(L)에 대한 흡수 반응(I2)이 발생하는 제2 섬광셀일 수 있다.
예를 들면, 영상 처리부(200)는 제1 섬광셀과 제2 섬광셀 간의 이격 거리(D1)가 기 설정된 거리 값 이상일 때, 제1 섬광셀의 반응과 제2 섬광셀의 반응에 대응된 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 이는 제1 섬광셀과 제2 섬광셀 간의 이격 거리(D1)가 가까우면 산란 반응(I1)과 흡수 반응(I2) 간에 간섭이 발생하기 때문이다. 이에 따라, 영상 처리부(200)는 제1 섬광셀과 제2 섬광셀 간의 이격거리(D1)가 기 설정된 거리 값 이상이라면, 산란 반응(I1)과 흡수 반응(I2) 간의 간섭이 최소화되어 정확한 영상 이미지를 생성할 수 있다. 다만, 제1 섬광셀과 제2 섬광셀 간의 이격 거리가 커질수록 영상의 분해능은 높아지는 반면 방사선 검출효율은 감소될 수 있다. 이에 따라, 영상의 분해능과 방사선의 검출효율을 감안하여 기 설정된 거리 값을 설정하는 것이 바람직할 수 있다.
영상 처리부(200)는 방사선(L)에 반응하는 섬광셀들(131) 간의 이격 거리(D1)에 따른 가중치를 부여하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 가중치는 이격 거리(D1)와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례할 수 있다. 예를 들면, 가중치는 이격 거리(D1), 이격 거리(D1)의 제곱, 이격 거리(D1)의 세제곱 등과 비례할 수 있다.
영상 처리부(200)는 정보를 연산, 산출, 신호 생성 등을 하는 마이크로 컨트롤러, CPU 등의 컴퓨터 유닛일 수 있다. 실시 예에서, 영상 처리부(200)는 섬광셀들(131)의 반응의 간섭을 반영하기 위해 섬광셀들(131) 각각의 반응 에너지 정보를 교정하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 섬광셀들(131)의 각각의 반응 에너지 정보를 교정할 경우, 영상 처리부(200)는 섬광셀들(131)의 반응의 간섭을 최소화하는 영상 이미지를 생성할 수 있다. 이에 따라, 영상 이미지의 정확도가 향상될 수 있다.
영상 처리부(200)가 섬광셀들(131)의 각각에 대한 반응 에너지 정보를 교정하게 될 경우, 영상 처리부(200)에 부하가 걸릴 수 있다. 이에 따라, 다른 실시 예에서, 영상 처리부(200)는 일부 섬광셀들(131)을 조합한 조합별로 에너지 정보를 교정하여 영상 이미지를 생성할 수 있다.
디스플레이부(300)는 영상 처리부(200)에서 생성된 영상 이미지를 시각적으로 출력할 수 있다. 도 4는 영상 처리부(200)가 생성한 영상 이미지를 디스플레이부(300)에서 출력한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 컴프턴 영상 장치(10)는 하나의 검출부(100)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 다른 실시 예에서 컴프턴 영상 장치(10)는 복수의 검출부들(100)을 포함하여, 방사선 검출효율과 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 2의 반응과 상이한 반응에 따른 영상 처리부의 영상 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 전술한 제1 픽셀(111) 및 제2 픽셀(121) 사이에 위치된 섬광셀들(131)에서 발생한 반응인지를 판단할 수 있다. 예를 들면, 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 제1 반응 위치와 제2 반응 위치를 산출할 수 있다. 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121) 사이에서 제1 반응(I1)과 제2 반응(I2)이 일어난 경우, 제1 픽셀(111), 제2 픽셀(121), 제1 반응 위치, 및 제2 반응 위치 각각의 (Y, Z) 좌표가 동일하나, X 좌표만 상이할 수 있다. 이러한 경우(이하, 동일 선상 반응으로 지칭한다.)에 영상 처리부(200)는 제1 픽셀(111)과 제2 픽셀(121) 사이에 위치된 섬광셀들(131)에서 제1 반응(I1)과 제2 반응(I2)이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 동일 선상 반응이 발생한 경우에 영상 처리부(200)는 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 산란 반응(I1)과 흡수 반응(I2)을 구분할 수 없다. 이에 따라, 영상 처리부(200)는 동일 선상 반응의 경우, 제1 픽셀(111) 및 제2 픽셀(121) 사이에 위치된 섬광셀들(131)에 대한 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 제외하여 영상 이미지를 생성할 수 있다.
다만, 영상 처리부(200)는 동일 선상 반응의 경우, 전술한 가상선(IL)에서 직교한 방향에 위치한 섬광셀들(131)에 대응한 제1 반응 정보 및 제2 반응 정보에 가중치를 부여하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 본 명세서에서 가중치는 1을 초과하는 수치이고, 역치는 1 미만의 수치일 수 있다. 이는 동일 선상 반응의 경우, 가상선(IL) 상에 위치된 다른 섬광셀에서 발생한 반응이 가상선(IL)과 직교한 방향에 위치된 다른 섬광셀에서 발생한 반응보다 더 간섭을 발생시키기 때문이다.
가중치는 가상의 선과 섬광셀 간의 거리(이하, 직교 거리라 지칭한다.)와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례할 수 있다. 예를 들면, 가중치는 직교 거리, 직교거리의 제곱, 직교 거리의 세제곱 등과 비례할 수 있다.
또한, 영상 처리부(200)는 직교 거리에 따른 가중치를 부여할 경우, 섬광셀의 위치 정보 및 에너지 정보에 따른 불확실도를 산출할 수 있다. 영상 처리부(200)는 산출된 불확실도를 이용하여 가상선(IL)으로부터 직교 방향에 위치된 섬광셀 각각에 대한 독립적 가중치를 부여하거나, 산술평균이나 기하평균 등의 평균값을 산출하여 가중치를 부여할 수 있다. 여기서, 가중치는 불확실도와 반비례할 수 있다.
도 6은 도 2와 도 5의 반응과 상이한 반응에 따른 영상 처리부의 영상 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 영상 처리부(200)는 동일 선상 반응이 발생한 경우, 가상선(IL)과 직교 방향의 섬광셀 각각 간의 거리에 따른 가중치를 부여하는 것이 아니라, 가상선(IL)과 직교 방향의 섬광셀 조합별로 가중치를 부여할 수 있다. 여기서 섬광셀 조합은 가상선(IL)과 직교하는 방향에서 일 방향에 위치한 섬광셀들(131)을 하나의 단위로 조합한 것을 의미할 수 있다.
실시 예에서, 영상 처리부(200)는 동일 선상 반응이 발생한 경우, 가상선(IL)과 직교하는 방향에 따른 섬광셀 조합별로 가중치를 부여할 수 있다. 예를 들면, 영상 처리부(200)는 가상선(IL)과 직교하고, Z축과 평행한 일 방향에 위치한 섬광셀 조합(C1, C3)에 제1 가중치를 부여하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 영상 처리부(200)는 가상선(IL)과 직교하고 Z축과 평행한 타 방향에 위치한 섬광셀 조합(C2)에 제1 가중치와 상이한 제2 가중치를 부여하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 실시 예에서, 제1 가중치와 제2 가중치는 전술한 불확실도를 이용하여 산출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템을 나타낸 도면이다. 설명의 간편화를 위해 도 1 내지 도 6에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해서는 설명의 생략하거나 간략화한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템(1)은 복수의 컴프턴 영상 장치들을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 방사선원(P)에서는 서로 반대 방향으로 두 개의 동일 에너지 방사선이 방출되기 때문에 두 방사선이 검출된 위치를 선으로 연결하면 그 선 안에 방사선원(P)의 위치가 포함되고, 이를 촬영하는 것이 양전자 단층 촬영법(Photon emission tomography, PET)이다. 따라서, 본 발명의 양전자 단층 촬영 시스템(1)은 양전자 단층 촬영법을 이용하여 방사선원의 위치 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템은(1) 도 1 내지 도 6에서 설명한 컴프턴 영상 장치들을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 양전자 단층 촬영 시스템(1)은 복수의 검출부들(100), 영상 처리부(200), 및 디스플레이부(300)를 포함할 수 있다.
복수의 검출부들(100)의 각각은 섬광체(130), 제1 광전 소자(110), 및 제2 광전 소자(120)를 포함할 수 있다. 섬광체(130)는 복수의 섬광셀들(131)과, 복수의 광 가이드들(135)을 포함할 수 있다. 제1 광전 소자(110)는 복수의 픽셀들(111)과 제1 전자 기판(115)을 포함할 수 있다. 제2 광전 소자(120)는 복수의 픽셀들(121)과 제2 전자 기판(125)을 포함할 수 있다.
복수의 검출부들(100)은 피검체(P)를 둘러쌀 수 있다. 이에 따라, 복수의 검출부들(100)은 서로 반대 방향으로 두 개의 동일 에너지 방사선을 방출하는 피검체(P)의 방사선을 검출할 수 있다. 이와 달리, 다른 실시 예에서, 컴프턴 영상 장치를 이용한 단일 광자 단층 촬영(Single photon emission tomography, SPECT) 시스템에서는 복수의 검출부들(100)은 방사선 선원에서 모든 방향으로 방출되는 방사선을 검출할 수 있다.
실시 예에서, 피검체를 둘러싼 복수의 검출부들(100)은 대략 육각기둥을 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
영상 처리부(200)는 복수의 검출부들(100) 각각으로 전달받은 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 양전자 단층 촬영 시스템은 복수의 검출부들(100)이 피검체를 둘러싸기 때문에 방사선 검출효율이 상승되며, 방사선 검출효율 증가로 영상 이미지의 질을 획기적으로 높일 수 있다. 또한, 환자나 시술자의 방사선 피폭을 크게 줄일 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템은 복수의 검출부들(100)이 이중 또는 삼중으로 피검체를 둘러싸도록 하여 방사선 효율과 분해능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양전자 단층 촬영 시스템에 집속기 등의 구성을 추가하여 단일 광자 단층 촬영 시스템으로도에도 적용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단일 광자 단층 촬영 시스템을 나타낸 도면이다. 설명의 간편화를 위해 도 1 내지 도 7에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해서는 설명의 생략하거나 간략화한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 단층 촬영 시스템(2)은 복수의 컴프턴 영상 장치들을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 단일 광자 단층 촬영 시스템은 방사선원(P)에서 방출되는 단일 방사선(예를 들면, 감마선)을 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 즉, 단일 고아자 단층 촬영 시스템(2)은 단일 광자 단층 촬영법(Single photon emission tomography, SPECT)을 통해 영상 이미지를 생성할 수 있다.
단일 광자 단층 촬영 시스템은(2)은 도 1 내지 도 6에서 설명한 컴프턴 영상 장치들을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 단일 광자 단층 촬영 시스템(2)은 복수의 검출부들(100), 영상 처리부(200), 및 디스플레이부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 단일 광자 단층 촬영 시스템(2)은 집속기(400)를 더 포함할 수 있다.
복수의 검출부들(100)의 각각은 섬광체(130), 제1 광전 소자(110), 및 제2 광전 소자(120)를 포함할 수 있다. 섬광체(130)는 복수의 섬광셀들(131)과, 복수의 광 가이드들(135)을 포함할 수 있다. 제1 광전 소자(110)는 복수의 픽셀들(111)과 제1 전자 기판(115)을 포함할 수 있다. 제2 광전 소자(120)는 복수의 픽셀들(121)과 제2 전자 기판(125)을 포함할 수 있다.
복수의 검출부들(100)은 피검체(P)를 둘러쌀 수 있다. 복수의 검출부들(100)은 피검체(P)를 다중으로 둘러싸는 복수의 그룹들을 구성할 수 있다. 실시 예에서, 복수의 검출부들(100)은 피검체(P)를 둘러싼 제1 그룹과 제1 그룹을 둘러싸는 제2 그룹을 구성할 수 있다. 이와 달리, 다른 실시 예에서 검출부들(100)은 제2 그룹을 둘러싸는 제3 그룹을 구성할 수 있다.
피검체(P)에서 방출된 방사선들이 검출부들(100) 중 어느 하나로 입사될 수 있다. 예를 들면, 피검체(P)에서 방출된 제1 방사선(L1)과 제2 방사선(L2)는 제1 그룹을 구성하는 검출부들(100) 중 어느 하나(이하, 제1 입사 검출부라 지칭한다.)에 입사될 수 있다.
제1 방사선(L1)은 제1 입사 검출부의 섬광셀들 중 어느 하나에서 산란 반응(제1 반응, I12)을 통해 산란될 수 있다. 산란 반응(I12)을 통해 산란된 제1 방사선(L1)은 제1 입사 검출부 내의 다른 섬광셀에서 흡수(제2 반응)될 수 있다. 제1 입사 검출부는 제1 방사선(L1)에 의한 산란 반응(I12)에 대응하는 제1 반응 정보(이하, 제1 산란 정보라 지칭한다.)를 획득할 수 있다. 또한, 제1 입사 검출부는 제1 방사선(L1)에 의한 흡수 반응(I22)에 대응하는 제2 반응 정보(이하, 제1 흡수 정보)를 획득할 수 있다.
제2 방사선(L2)는 제1 입사 검출부의 섬광셀들 중 어느 하나에서 산란 반응(제1 반응, I11)을 통해 산란될 수 있다. 산란 반응(I11)을 통해 산란된 제2 방사선(L2)는 제2 그룹을 구성하는 검출부들 중 어느 하나(이하, 제2 입사 검출부라 지칭한다.)에 입사될 수 있다. 산란된 제2 방사선(L2)는 제2 입사 검출부의 섬광셀들 중 어느 하나에서 흡수(제2 반응, I21)될 수 있다. 제1 입사 검출부는 제2 방사선(L2)에 의한 산란 반응(I11)에 대응하는 제1 반응 정보(이하, 제2 산란 정보라 지칭한다.)를 획득할 수 있다. 또한, 제2 입사 검출부는 제2 방사선(L2)에 의한 흡수 반응(I21)에 대응하는 제2 반응 정보(이하, 제2 흡수 정보라 지칭한다.)를 획득할 수 있다. 이에 따라, 제1 방사선(L1)에 의한 산란 및 흡수 반응(I12, I22) 간의 이격 거리는 제2 방사선(L2)에 의한 산란 및 흡수 반응(I11, I21) 간의 이격 거리보다 짧다. 이에 따라, 제1 방사선(L1)의 검출효율은 제2 방사선(L2)의 검출효율보다 클 수 있다. 즉, 제1 방사선(L1)의 반응들에 의해 생성된 제1 영상 이미지는 제2 방사선(L2)의 반응들에 의해 생상된 제2 영상 이미지보다 향상된 영상 품질을 가질 수 있다.
집속기들(400)의 각각은 검출부들(100)의 각각과 연결될 수 있다. 집속기들(400)의 각각은 검출부들(100)의 각각과 피검사체(P) 사이에 위치될 수 있다. 이에 따라, 집속기들(400)의 각각은 피검체(P)에서 산란되는 방사선을 집속하여 검출부(100)들의 각각으로 보낼 수 있다. 예를 들면, 집속기(400)는 원하는 방향성을 가진 방사선을 기하학적으로 제한하여 검출할 수 있도록 할 수 있다.
집속기(400)는 검출 부위와 목적에 따라 여러 종류를 사용할 수 있다. 예를 들면, 집속기(400)는 평형 구멍형(parallel hole) 집속기, 핀홀 집속기(pinhole), URA, MURA, HURA 등일 수 있다. 집속기들의 각각
영상 처리부(200)는 복수의 검출부들(100) 각각으로 전달받은 제1 반응 정보와 제2 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 실시 예에서, 영상 처리부(200)는 제1 입사 검출부에서 획득한 제1 산란 정보와 제1 흡수 정보를 이용하여 제1 방사선(L1)에 의한 제1 영상 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 영상 처리부(200)는 제1 입사 검출부에서 획득한 제2 산란 정보와 제2 입사 검출부에서 획득한 제2 흡수 정보를 이용하여 제2 방사선(L2)에 의한 제2 영상 이미지를 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 영상의 분해능은 산란 반응과 흡수 반응 간의 거리가 길수록 향상될 수 있다. 이에 따라, 제1 영상 이미지는 제2 영상 이미지와 비해 영상의 분해능이 떨어질 수 있다. 즉, 제1 영상 이미지에서 이용한 산란 반응 및 흡수 반응 간의 거리가 제2 영상 이미지에서 이용한 산란 반응 및 흡수 반응 간의 거리보다 짧기 때문이다.
영상 처리부(200)는 제1 영상 이미지와 제2 영상 이미지의 단점을 보완하기 위해 제1 산란 정보, 제1 흡수 정보, 제2 산란 정보 및 제2 흡수 정보를 이용하여 제3 영상 이미지를 생성할 수 있다. 제3 영상 이미지는 제1 영상 이미지보다 영상 분해능이 향상되고, 제2 영상 이미지보다 영상의 품질이 향상될 수 있다.
실시 예에서, 영상 처리부(200)는 제1 산란 정보, 제1 흡수 정보, 제2 산란 정보 및 제2 흡수 정보를 MLEM(Maximum Likelihood Expectation Maximization) 알고리즘을 이용하여 제3 영상 이미지를 생성할 수 있으나, 알고리즘은 이에 한정되는 것은 아니다. MLEM 알고리즘은 포아송 확률분포를 기반으로 만들어진 알고리즘으로 통계적 오차를 감안하여 구성되어 있으며, 정보의 확률적인 분로를 고려하여 가장 가능성이 높은 방사선원의 분포도를 영상으로 재구성하는 방식의 알고리즘일 수 있다. 다만, 영상 처리부(200)는 전술한 바와 같이, 제1 반응(산란 반응, I12, I11)과 제2 반응(흡수 반응, I21, I22)이 발생한 섬광셀들 간의 이격 거리를 산출하고, 산출된 이격 거리가 기 설정된 거리 값 이상일 때, 제1 산란 정보, 제1 흡수 정보, 제2 산란 정보 및 제2 흡수 정보들을 이용하여 제3 영상 이미지를 생성할 수 있다.
도 8에서는 단일 광자 단층 촬영 시스템(2)을 중심으로 설명하였으나, 도 8에 기재된 내용은 양전자 단층 촬영 시스템 등에도 적용될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
10: 컴프턴 영상 장치 100: 검출부
110: 제1 광전 소자 120: 제2 광전 소자
130: 섬광체 200: 영상 처리부
300: 디스플레이부
본 발명의 컴프턴 영상 장치는 복수의 섬광셀들로 이루어진 단일 섬광체를 기반으로 하여 컴프턴 영상을 재구성할 수 있어 다른 컴프턴 영상 장치에 비해 가격이 저렴하고, 시간분해능이 우수하여 고방사능 지역에서도 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 입사된 방사선에 의해 반응하는 복수의 섬광셀들을 포함하는 섬광체, 상기 섬광체의 일측에 위치되는 제1 광전 소자, 및 상기 섬광체의 타측에 위치되는 제2 광전 소자를 포함하는 적어도 하나의 검출부; 및
    상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자에서 획득한 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성하는 영상 처리부를 포함하고,
    상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자는, 입사된 방사선에 의해 발생하는 제1 반응에 대한 제1 반응 정보 및 상기 제1 반응에 의해 산란된 방사선에 의해 발생하는 제2 반응에 대한 제2 반응 정보를 획득하고,
    상기 영상 처리부는, 상기 제1 반응 정보와 상기 제2 반응 정보를 이용하여 상기 제1 반응과 상기 제2 반응이 발생한 상기 섬광셀들 간의 이격 거리를 산출하고, 산출된 이격 거리가 기 설정된 거리 값 이상일 때, 상기 제1 및 제2 반응 정보들을 이용하여 영상 이미지를 생성하는 컴프턴 영상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반응 정보는 상기 섬광셀들에서 발생한 반응에 대한 반응 에너지 정보를 포함하고,
    상기 영상 처리부는, 상기 섬광셀들 각각의 반응 에너지 정보를 교정하여 상기 영상 이미지를 생성하는 컴프턴 영상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 소자는, 제1 픽셀을 포함하고,
    상기 제2 광전 소자는, 상기 제1 픽셀과 대응된 제2 픽셀을 포함하며,
    상기 영상 처리부는, 상기 제1 픽셀 및 제2 픽셀 사이에 위치된 상기 섬광셀들에서 반응이 발생하는 경우, 상기 제1 픽셀 및 제2 픽셀 사이에 위치된 상기 섬광셀들에 대한 상기 제1 및 제2 반응 정보들을 제외하여 상기 영상 이미지를 생성하는 컴프턴 영상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀을 연결하는 가상의 선과 직교하는 방향에 위치한 상기 섬광셀들에 대응하는 상기 제1 및 제2 반응 정보들에 가중치를 부여하여 상기 영상 이미지를 생성하는 컴프턴 영상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가중치는 상기 가상의 선과 상기 섬광셀 간의 거리와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례하는 컴프턴 영상 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 방사선에 반응하는 상기 섬광셀들 간의 이격 거리에 따른 가중치를 부여하여 상기 영상 이미지를 생성하는 컴프턴 영상 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가중치는 상기 이격 거리와 선형적으로 또는 기하학적으로 비례하는 컴프턴 영상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자는 다중픽셀 광계수기(MPPC)인 컴프턴 영상 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체는,
    상기 제1 광전 소자와 상기 제2 광전 소자 사이에 위치되고, 서로 이격된 복수의 광 가이드들을 포함하고,
    상기 섬광셀들은 서로 인접한 상기 광 가이드들 사이에 위치되는 컴프턴 영상 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 섬광셀들의 각각은 상기 제1 광전 소자로부터 상기 제2 광전 소자를 향해 길게 형성되는 컴프턴 영상 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 정보는 상기 제1 광전 소자에서 측정한 제1 반응 에너지 정보와 상기 제2 광전 소자에서 측정한 제2 반응 에너지 정보를 포함하고, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 반응 에너지 정보와 상기 제2 반응 에너지 정보를 이용하여 상기 제1 광전 소자로부터 상기 제2 광전 소자를 향한 방향에 대응되는 상기 제1 반응의 위치 정보를 획득하는 컴프턴 영상 장치.
  12. 제1항의 컴프턴 영상 장치를 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템에 있어서,
    상기 검출부는 복수개 제공되고,
    복수의 상기 검출부들은 피검사체를 둘러싸고, 상기 피검사체에서 방출되는 복수의 방사선을 검출하며,
    상기 영상 처리부는 상기 검출부들에서 획득한 반응 정보를 이용하여 영상 이미지를 생성하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 검출부들의 각각과 상기 피검사체 사이에 위치되고, 상기 피검사체에서 산란되는 방사선을 집속하여 상기 검출부들의 각각으로 보내는 복수의 집속기들을 더 포함하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 검출부들 중 일부는 상기 피검사체를 둘러싸는 제1 그룹을 구성하고,
    상기 검출부들 중 나머지 일부는 상기 제1 그룹을 둘러싸는 제2 그룹을 구성하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 제1 그룹 중 어느 하나의 상기 검출부에 입사된 방사선에 의해 발생한 상기 제1 반응에 대한 상기 제1 반응 정보 및 상기 제1 반응에 의해 산란된 방사선에 의해 상기 제2 그룹 중 어느 하나의 상기 검출부에서의 상기 제2 반응에 대한 상기 제2 반응 정보를 이용하여 상기 영상 이미지를 생성하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, MLEM(Maximum Likelihood Expectation Maximization) 알고리즘을 이용하여 상기 영상 이미지를 생성하는 단일 광자 및 양전자 단층 촬영 시스템.
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