WO2022010145A1 - 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법 - Google Patents

광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법 Download PDF

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정만희
부지환
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제주대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a noise reduction method of a double particle image fusion device based on a coding aperture using a photoelectric absorption phenomenon and a Compton scattering reaction. to determine the energy and position of the scintillation signal, in particular, the photoelectric absorption It relates to a noise reduction method of a coded aperture-based double particle image fusion device.
  • Special nuclear material includes materials enriched with Pu-239, U-233 and more than 20% U-235, which mainly emit neutrons and gamma rays. Although these materials are used for beneficial purposes, such as generating electricity, they can pose a threat to their use as weapons.
  • monitoring equipment is essential for monitoring the location of sources by radioactivity.
  • the previously used imaging equipment is mainly a Compton camera type that detects the position of a gamma source, an imaging equipment using a coding aperture, and an equipment that modulates the change of a signal over time to image the position of the source.
  • neutrons neutron-scattering cameras were used or imaging equipment using a coding mask having a low atomic number was mainly developed.
  • the position that reacts with radiation can be determined by photoelectric absorption (PA) and Compton scattering reaction, and the part mainly used for the detector image is PA, and the position determined by Compton scattering is considered as noise during image reconstruction. will cause noise in
  • the present invention is to solve the above problems, and in the process of obtaining a flash signal from a multi-pixel photosensor and determining the position and energy, a signal implemented by a plurality of resistors and transimpedance amplifiers
  • the photoelectric absorption phenomenon and Compton to determine the energy and position of the flash signal using a processing circuit, and to improve the image of the position of the radiation source by discriminating and removing the noise signal determined by the compton scattering reaction
  • An object of the present invention is to provide a noise reduction method of a double particle image fusion device based on a coding aperture using a scattering reaction.
  • the noise reduction method of the coding aperture-based double particle image fusion device using the photoelectric absorption phenomenon and the Compton scattering reaction is encoded using a signal processing circuit implemented through one or more resistors and transimpedance amplifiers.
  • Determining the response position to the scintillation signal obtained from the scintillator array in the aperture-based double particle image fusion device, and the determined response position to the multiple scintillation signals generated at the same time as the noise position according to the Compton scattering reaction and removing the corresponding noise signal when the corresponding noise position is more than a preset gap from the pixel position of the flash signal, and controlling the noise signal includes the steps of:
  • the method may include displaying a pixel position for a signal and the noise position on a two-dimensional (2D) pixel map, and determining and deleting a signal located between each pixel as the noise signal.
  • the signal processing circuit includes one or more resistors and one or more transimpedance amplifiers corresponding to n flash signals with respect to the x-axis and y-axis of a scintillator array having NxN pixels,
  • the one or more resistors all have the same resistance value, and the one or more transimpedance amplifiers may be connected through an analog-to-digital converter (ADC) having a resolution of 12 bits or more.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the energy and position of the flash signal is determined using a signal processing circuit implemented with a plurality of resistor and transimpedance amplifiers, and in particular, the noise signal determined by the compton scattering reaction is determined and It has the advantage of improving the image of the location of the radiation source by removing it.
  • FIG. 1 is a view showing a noise reduction method of a coded aperture-based double particle image fusion apparatus using a photoelectric absorption phenomenon and a Compton scattering reaction according to an embodiment of the present invention in a series sequence.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the signal processing circuit shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a noise signal is removed by displaying pixel positions and noise positions for a plurality of simultaneously generated flash signals on a two-dimensional (2D) pixel map.
  • FIG. 1 is a view showing a noise reduction method of a coded aperture-based double particle image fusion device using a photoelectric absorption phenomenon and a Compton scattering reaction according to an embodiment of the present invention in a series sequence
  • FIG. 2 is shown in FIG. It is a diagram showing the illustrated signal processing circuit.
  • the noise reduction method of the coding aperture-based double particle image fusion device using the photoelectric absorption phenomenon and the Compton scattering reaction is first implemented through one or more resistance and transimpedance amplifiers. It starts with the step (S101) of determining the response position to the flash signal obtained from the scintillator array in the coding aperture-based double particle image fusion device using the signal processing circuit.
  • the present invention may include a configuration that can be named as a flash signal response positioning unit as a functional configuration for performing the above role.
  • the signal processing circuit includes one or more resistors and one or more transimpedance amplifiers corresponding to n flash signals with respect to the x-axis and y-axis of a multi-pixel photosensor (scintillator array) having an array of NxN pixels. is composed by
  • each resistor is configured to be the same, and 2n transimpedance amplifiers are directly connected to an analog-to-digital converter (ADC, 50MBPS or more) having a resolution of 12 bits or more and digitized.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the reaction position of the multi-pixel photosensor reacting with radiation can be determined by photoelectric absorption (PA) and Compton scattering reaction.
  • PA photoelectric absorption
  • Compton scattering reaction The response position determined by is considered noise when reconstructing in-situ and heterogeneous images and causes noise.
  • a flash signal that is generated simultaneously is determined as the location of the flash signal by Compton scattering reaction (S102), and the location of the flash signal is determined in advance. If there is a difference in the position of the flash signal by more than a specific pixel gap, it is determined as a noise signal due to Compton scattering and the corresponding flash signal is removed (S103).
  • the present invention may include a configuration that can be called a noise signal removing unit as a functional configuration for performing the above role. This will be described with reference to FIG. 3 .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a noise signal is removed by displaying pixel positions and noise positions for a plurality of simultaneously generated flash signals on a two-dimensional (2D) pixel map.
  • pixel positions for a plurality of simultaneously generated flash signals and positions of flash signals determined as noise signals by Compton scattering reaction are displayed on a two-dimensional (2D) pixel map, and between each pixel
  • image reconstruction techniques e.g., simple back-projection, cross-correlation, MLEM, Compressed-sensing, SART, etc.
  • the energy and position of the flash signal are determined using a signal processing circuit implemented with a plurality of resistor and transimpedance amplifiers, and in particular, the noise signal determined by the compton scattering reaction is discriminated. And by removing it, the image of the location of the radiation source can be improved, and data corresponding to the noise signal between pixels is removed by a software method and can be used in the detector map, so that it is possible to quickly process image noise.

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Abstract

본 발명은 다수의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기로 구현된 신호처리 회로를 이용하여 섬광신호의 에너지 및 위치를 결정하며, 특히 컴프턴(compton) 산란반 응에 의해 결정된 노이즈 신호를 판별 및 제거함으로써 방사선원의 위치에 대한 이 미지를 개선시키도록 하는 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법에 관한 것이다.

Description

광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법
본 발명은 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중 입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 다 수의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기로 구현된 신호처리 회로를 이용하여 섬광신 호의 에너지 및 위치를 결정하며, 특히 컴프턴(compton) 산란반응에 의해 결정된 노이즈 신호를 판별 및 제거함으로써 방사선원의 위치에 대한 이미지를 개선시키도 록 하는 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영 상 융합장치의 노이즈 저감 방법에 관한 것이다.
특수 핵물질(special nuclear material)은 Pu-239, U-233, 20% 이상의 U-235가 농축된 물질을 포함하며 이 물질들에서는 주로 중성자 및 감마선을 방출한다. 이러한 물질은 전력 생산 등의 이로운 목적으로 사용되지만, 무기로의 사용에 대한 위협 물질이 될 수 있다.
따라서 특수 핵물질의 보관 및 운반 시 평화로운 이용으로만 사용되어야 하 므로 적극적 감시가 필요하다. 이러한 감시 목적을 용이하게 하기 위해 감시장비는 방사능에 의한 선원의 위치를 확인 할 수 있는 영상 장비가 필수적이다.
대부분의 특수 핵물질은 방출하는 방사선, 즉 중성자와 감마선 모두를 차폐 하기에는 어려움이 따른다. 따라서 기존에 사용되어왔던 영상 장비들은 주로 감마 선원의 위치를 파악하는 컴프턴 카메라 형식이나 부호화 구경을 이용한 영상장비, 그리고 시간에 따른 신호의 변화를 변조하여 그 선원의 위치를 영상화 하는 장비 등이 사용되어 왔다. 또한, 중성자의 경우 중성자-산란 카메라를 이용하던가, 낮은 원자번호를 가지는 부호화 마스크를 사용한 영상장비 개발이 주를 이루고 있었다.
현재까지 두 가지 입자 즉, 중성자와 감마선원을 동시에 구분하고 이들 정보를 이용하여 각 선원의 위치 및 핵종 분석을 할 수 있는 영상장비는 주로 중성자산란을 이용한 방법으로 많이 시도는 되고 있으나 크기가 크고 이동하면서 사용하 기에는 제약이 많이 따르는 문제점이 있다.
또한, 방사선과 반응한 위치는 광전흡수현상(photoelectric absorption; PA) 과 Compton 산란 반응에 의해 결정될 수 있으며 검출기 영상에 주로 사용되는 부분 이 PA이고 Compton 산란에 의해 결정된 위치는 영상 재구성시 잡음으로 간주되어 영상에 노이즈를 유발하게 된다.
따라서, 실시간으로 획득되는 방사선의 영상에서 노이즈를 제거하여 방사선 원의 위치에 대한 이미지를 개선시키기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다중 픽셀형 광센서로부 터의 섬광신호를 획득하고 위치 및 에너지를 결정하는 과정에서, 다수의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기로 구현된 신호처리 회로를 이용하여 섬광신호의 에너지 및 위치를 결정하며, 특히 컴프턴(compton) 산란반응에 의해 결정된 노이즈 신호를 판별 및 제거함으로써 방사선원의 위치에 대한 이미지를 개선시키도록 하는 광전흡수 현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법은 하나 이상의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기를 통해 구현된 신호처리 회로를 이용하여, 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치 내 섬광체 어레이로부터 획득되는 섬광신호에 대한 반응 위치를 결정하는 단계 및 결정된 반응 위치 중, 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 반응 위치를 컴프턴 산란반응에 따른 노이즈 위치로 결정하고, 해당 노이즈 위치가 섬광신호의 픽셀 위치로부터 기 설정된 갭 이상으로 위치 차이가 발생되는 경우 해당 노이즈 신호를 제거하는 단계를 포함하되, 상기 노이즈 신호를 제어하는 단계는 상기 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 픽셀 위치 및 상기 노이즈 위치를 2차원(2D) 픽셀 맵에 표시하고, 각 픽셀 사이에 위치되는 신호를 상기 노이즈 신호로 결정 및 삭제하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 회로는 NxN 개의 픽셀을 가지는 섬광체 어레이의 x-축 및 y-축에 대하여 n개의 섬광신호에 대응하는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 트랜스 임피던스 증폭기를 포함하며, 상기 하나 이상의 저항은 모두 동일한 저항값을 가지고, 상기 하나 이상의 트랜스 임피던스 증폭기는 12bit 이상 해상도를 가지는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다수의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기로 구 현된 신호처리 회로를 이용하여 섬광신호의 에너지 및 위치를 결정하며, 특히 컴프 턴(compton) 산란반응에 의해 결정된 노이즈 신호를 판별 및 제거함으로써 방사선 원의 위치에 대한 이미지를 개선시킬 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이 용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 신호처리 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 픽셀 위치 및 노이즈 위치를 2차원(2D) 픽셀 맵에 표시하여 노이즈 신호를 제거한 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예 에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이 용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 신호처리 회로를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 함께 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법은 먼저 하나 이상의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기를 통해 구현된 신호처리 회로를 이용하여, 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치 내 섬광체 어레이로부 터 획득되는 섬광신호에 대한 반응 위치를 결정하는 단계(S101)로 시작된다. 이때, 본 발명은 상기 역할을 수행하기 위한 기능적인 구성으로써 섬광신호 반응 위치 결 정부라 명명 가능한 구성을 포함할 수 있다.
여기에서, 신호처리 회로는 NxN 개의 픽셀 배열을 가지는 다중 픽셀형 광센서(섬광체 어레이)의 x-축 및 y-축에 대하여 n개의 섬광신호에 대응하는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 트랜스 임피던스 증폭기를 포함하여 구성된다.
이때, 각 저항의 저항값은 동일하게 구성되고, 2n개의 트랜스 임피던스 증폭기는 직접 12bit 이상의 해상도를 가지는 아날로그 디지털 컨버터(ADC, 50MBPS 이상)로 연결되어 디지털화 된다.
방사선과 반응하는 다중 픽셀형 광센서의 반응 위치는 광전흡수현 상(photoelectric absorption; PA)과 Compton 산란 반응에 의해 결정될 수 있는데, 검출기 영상에 주로 사용되는 부분이 광전흡수현상 부분이고, 컴프턴 산란반응에 의해 결정되는 반응 위치는 현장 영상과 이종 영상의 재구성 시 잡음으로 간주되어 노이즈를 유발하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기의 신호처리 회로에서 발생되는 섬광신호 중에 서, 특히 동시에 발생되는 섬광신호를 컴프턴 산란반응에 의한 섬광신호의 위치로 결정하며(S102), 해당 섬광신호의 위치가 기 정해진 섬광신호의 위치에서 특정 픽 셀 갭 이상으로 차이가 발생할 경우 컴프턴 산란반응에 의한 노이즈 신호로 판단하 여 해당 섬광신호를 제거하게 된다(S103). 이때, 본 발명은 상기 역할을 수행하기 위한 기능적인 구성으로써 노이즈 신호 제거부라 명명 가능한 구성을 포함할 수 있 다. 이에 관해서는 도 3을 통해 살펴보기로 한다.
도 3은 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 픽셀 위치 및 노이즈 위치를 2차원(2D) 픽셀 맵에 표시하여 노이즈 신호를 제거한 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 살펴보면, 본 발명에서는 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 픽셀 위치 및 컴프턴 산란반응에 의한 노이즈 신호로 판단된 섬광신호의 위치를 2 차원(2D) 픽셀 맵에 표시하고, 각 픽셀 사이에 위치되는 데이터를 제거한 후 검출 기 지도로 사용한 후 이를 영상 재구성 기법(예컨대, Simple back-projection, cross-correlation, MLEM, Compressed-sensing, SART 등)을 이용하여 방사선원의 위치에 대한 이미지를 개선시키게 된다.
도 3(a)의 경우, 신호처리 회로에서 발생되는 섬광신호 중 동시에 여러 신호 가 발생함에 따라 2D 픽셀 맵 상 픽셀 위치에 노이즈가 발생된 것을 알 수 있고, 도 3(b)의 경우 픽셀과 픽셀 사이의 노이즈 신호에 해당하는 데이터가 제거된 것을 알 수 있다.
살펴본 바와 같이, 본원발명에 따르면 다수의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭 기로 구현된 신호처리 회로를 이용하여 섬광신호의 에너지 및 위치를 결정하며, 특 히 컴프턴(compton) 산란반응에 의해 결정된 노이즈 신호를 판별 및 제거함으로써 방사선원의 위치에 대한 이미지를 개선시킬 수 있으며, 소프트웨어적인 방법으로 픽셀 사이 노이즈 신호에 해당하는 데이터를 제거하여 검출기 지도에서 이용할 수 있어 신속한 이미지 노이즈 처리가 가능한 이점을 가지게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

  1. 하나 이상의 저항 및 트랜스 임피던스 증폭기를 통해 구현된 신호처리 회로를 이용하여, 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치 내 섬광체 어레이로부터 획득되는 섬광신호에 대한 반응 위치를 결정하는 단계; 및
    결정된 반응 위치 중, 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 반응 위치를 컴프턴 산란반응에 따른 노이즈 위치로 결정하고, 해당 노이즈 위치가 섬광신호의 픽셀 위치로부터 기 설정된 갭 이상으로 위치 차이가 발생되는 경우 해당 노이즈 신호를 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 노이즈 신호를 제거하는 단계는,
    상기 동시에 발생되는 다수의 섬광신호에 대한 픽셀 위치 및 상기 노이즈 위치를 2차원(2D) 픽셀 맵에 표시하고, 각 픽셀 사이에 위치되는 신호를 상기 노이즈 신호로 결정 및 삭제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리 회로는,
    NxN 개의 픽셀을 가지는 섬광체 어레이의 x-축 및 y-축에 대하여 n개의 섬광신호에 대응하는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 트랜스 임피던스 증폭기를 포함하며,
    상기 하나 이상의 저항은 모두 동일한 저항값을 가지고, 상기 하나 이상의 트랜스 임피던스 증폭기는 12bit 이상 해상도를 가지는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는, 광전흡수현상 및 컴프턴 산란반응을 이용한 부호화구경 기반 이중입자 영상 융합장치의 노이즈 저감 방법.
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