WO2022010199A1 - 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치 - Google Patents

방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치 Download PDF

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WO2022010199A1
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WO
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radiation
collimator
detection
detecting
radiation detection
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PCT/KR2021/008480
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이학재
이기성
염정열
차혜미
김현구
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고려대학교 산학협력단
주식회사 아라레연구소
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    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/025—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using multiple collimators, e.g. Bucky screens; other devices for eliminating undesired or dispersed radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detection collimator and a radiation detection apparatus using the same, and more particularly, a collimator for radiation detection applicable to a focused porous collimator or a diffusion porous collimator in a radiation detection apparatus such as a gamma camera, and radiation detection using the same It's about the device.
  • Drone based Radiation detection Imaging System aims to develop a drone-based remote radiation imaging system.
  • unmanned remote detection is possible in the event of a disaster, it is possible to prevent unnecessary exposure of workers, as well as to quickly and accurately approach the accident site to collect information about the target.
  • the radiation detection device In order to acquire a radiographic image in real time, the radiation detection device requires a compact gamma camera that is lightweight and mounted on a drone.
  • the collimator for radiation detection is one of the main factors affecting the performance and weight of a gamma camera.
  • the collimator for radiation detection is made of a material with high atomic number and density, such as lead or tungsten, to block radiation, it is difficult to make a complex and sophisticated shape of the existing collimator for radiation detection using general casting or drilling techniques.
  • DMLS direct metal laser sintering
  • the conventional gamma camera 1 includes a collimator 10 for detecting radiation, and a radiation detector 20 for detecting radiation that has passed through the collimator 10 for detecting radiation. .
  • the radiation detection collimator 10 functions as a collimator to pass only gamma rays in a specific direction among external gamma rays and block gamma rays coming from other directions.
  • the radiation detection collimator 10 shown in FIGS. 1 and 2 (a) is a view showing an example of a parallel multi-hole collimator in which a plurality of holes are formed, in FIG. 2 (b), (c) and (d) show a Diverging multi-hole collimator, a Converging multi-hole collimator, and a Pin-hole collimator, respectively.
  • the parallel porous collimator is the most widely used because the arrangement of holes is parallel, and there is no image size change depending on the distance between the collimator and the measurement object. To improve resolution and increase sensitivity, shorten the distance.
  • the barrier ribs for low energy use are thin, and the barrier ribs become thicker as the energy increases.
  • the diffusion porous collimator is used to inspect a measurement object whose size is larger than the effective diameter of the collimator, and the image resolution is relatively low. As the distance between the collimator and the measurement target increases, the effective field of view increases, but the sensitivity or resolution decreases.
  • the pinhole collimator has high resolution, so it is useful for small measurement objects or inspection of local areas.
  • the distance between the measurement target and the collimator should be short, and the longer the distance, the smaller the image.
  • the focused porous collimator can be viewed as a mixed type of the parallel porous collimator and the pinhole collimator, and the image is enlarged as the distance between the collimator and the measurement polyphase is closer, and the image is reduced as the real object approaches the focal point.
  • the radiation detection unit 20 may include a scintillation crystal 21 , that is, a scintillator, a light guide unit 22 , and a photomultiplier tube 23 .
  • a scintillation crystal 21 that is, a scintillator, a light guide unit 22 , and a photomultiplier tube 23 .
  • Gamma rays passing through the radiation detection collimator 10 are incident on the scintillation crystal 21 .
  • gamma rays passing through the radiation detection collimator 10 and reacting with the scintillation crystal 21 are converted into low-energy electromagnetic waves in a form that is easy to detect by the scintillation crystal 21 , and pass through the light guide unit 22 to photoelectron
  • the pipe 23 is amplified and converted into an electrical signal, and the detected position or energy is stored in a computer, thereby acquiring an image.
  • the conventional collimator 10 for detecting radiation faces a first surface 11 on which radiation is incident and a second surface 12 on which radiation is emitted, that is, a scintillation crystal 21 .
  • It includes a main body having a second surface 12, and a plurality of detection holes 13 formed inside the main body by penetrating the first surface 11 and the second surface 12 in the longitudinal direction.
  • the plurality of detection holes 13 have a shape that is inclined toward the outside in the radial direction with respect to the longitudinal direction to form a diffusion porous collimator.
  • the performance of the diffusion porous collimator 10 as described above is the focal length, partition thickness, hole size, hole shape, the distance from the first surface 11 to the source, and the angle of the source orthogonal to the first surface 11 and influenced by several variables.
  • [Equation 1] and [Equation 2] is the hole size of the diffusion porous collimator 10, is the effective collimator height, is the distance from the source to the surface of the diffusion porous collimator 10, that is, the first surface 11, is the angle formed by the gamma ray with respect to the longitudinal direction, is the focal length, is the thickness of the bulkhead, is the height of the diffusion porous collimator (10).
  • each detection hole 13 of the conventional diffusion porous collimator 10 has a length, that is, the height of the diffusion porous collimator 10 ( ) is different for each detection hole 13 .
  • the length of the detection hole 13 on the central side is 27.5 mm, while the length of the outermost detection hole 13 is 29.2 mm, which has a different length for each detection hole 13 .
  • the conventional diffusion porous collimator 10 causes a problem in the scintillation crystal 21 reaction position due to DOI (Depth-of Interaction).
  • DOI Degree-of Interaction
  • the angle of the incident radiation increases toward the outer portion and the difference from the angle of the scintillation crystal 21 that is weaved in the form of a vertical array increases. Due to this, the DOI problem occurs in that the position of the scintillation crystal 21 estimated according to the depth within the scintillation crystal 21 to which the gamma rays passing through the diffusion porous collimator 10 react is changed.
  • the expected response position among the pixels of the scintillation crystal 21 in FIG. 4 should be the first pixel from the left, but the actual reaction is made in the third pixel, causing a problem in that the uniformity of the image is changed.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and provides a radiation detection collimator capable of eliminating the problems of resolution degradation and image quality degradation caused by the difference in the length of the detection hole, and a radiation inspection apparatus using the same but it has a purpose.
  • Another object of the present invention is to provide a radiation detection collimator capable of solving the DOI problem in which the position of the scintillation crystal estimated depending on the depth within the scintillation crystal to which gamma rays respond, and a radiation inspection apparatus using the same.
  • Another object of the present invention is to provide a radiation detection collimator capable of reducing inter-crystal scattering in a scintillation crystal and a radiation inspection apparatus using the same.
  • the above object is according to the present invention, a body having a first surface on which radiation is incident, a second surface formed on a longitudinally opposite side of the first surface, and each formed in the longitudinal direction inside the main body to form the second surface a plurality of detection holes penetrating through the first surface and the second surface; a plurality of the detection holes are formed to be inclined toward the outside in the lateral direction with respect to the longitudinal direction;
  • the first surface is achieved by a radiation detection collimator, characterized in that it has a curved shape such that the lengths of the plurality of detection holes in the longitudinal direction are the same.
  • the second surface may have a planar shape.
  • the plurality of detection holes may form a diffusion porous structure extending from the center toward the first surface.
  • the plurality of detection holes may form a converging porous structure converging from the center toward the first surface.
  • the body may be made of a tungsten material
  • the body and the plurality of detection holes may be formed by 3D printing using a direct metal laser sintering (DMLS) method using the tungsten material.
  • DMLS direct metal laser sintering
  • the above object is a collimator for detecting the radiation; a unit scintillation crystal which is inserted into each of the detection holes from the second surface of the radiation detection collimator and reacts to the radiation flowing into the detection hole; It can be achieved by the radiation detection device, characterized in that it includes an optical sensor installed on the second surface to detect the radiation response of each of the scintillation crystal.
  • the radiation detection collimator may further include a device accommodating part extending downwardly from an edge region of the second surface side of the main body and having a downwardly open accommodating space in which the photosensor is accommodated.
  • the above object according to another embodiment of the present invention the radiation detection collimator and; a scintillation crystal that is installed on the second surface of the radiation detection collimator and responds to radiation introduced through each of the detection holes; It is also achieved by a radiation detection device comprising an optical sensor for detecting the radiation response of the scintillation crystal.
  • the radiation detection collimator may further include a device accommodating part extending downwardly from an edge region of the second surface side of the main body and having a downwardly open accommodating space in which the scintillation crystal and the photosensor are accommodated.
  • a collimator for detecting radiation and a radiation inspection apparatus using the same which can eliminate problems of resolution degradation and image quality degradation caused by a difference in the length of a detection hole.
  • a collimator for detecting radiation capable of solving the DOI problem in which the position of the scintillation crystal estimated according to the depth within the scintillation crystal to which gamma rays respond is provided, and a radiation inspection apparatus using the same are provided.
  • a collimator for detecting radiation capable of reducing the inter-crystal scattering phenomenon in the scintillation crystal and a radiation inspection apparatus using the same.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the structure of a conventional gamma camera
  • FIG. 2 is a view for explaining a type of a conventional collimator for detecting radiation
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional diffusion porous collimator
  • FIG. 6 is a perspective view of a collimator for detecting radiation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a radiation detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a radiation detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • 9 to 18 are diagrams for explaining experimental results of a radiation detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a radiation detection apparatus includes a body having a first surface on which radiation is incident, a second surface formed on a longitudinally opposite side of the first surface, and a body formed in the longitudinal direction inside the body, respectively, to form the second surface a plurality of detection holes penetrating through the first surface and the second surface; a plurality of the detection holes are formed to be inclined toward the outside in the lateral direction with respect to the longitudinal direction;
  • the first surface is characterized in that it has a curved shape such that the plurality of detection holes have the same length in the longitudinal direction.
  • FIG. 6 is a perspective view of the collimator 100 for detecting radiation according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a view for explaining the radiation detecting apparatus 300 according to the embodiment of the present invention.
  • the collimator 100 for detecting radiation includes a body 110 and a plurality of detection holes 120 .
  • the body 110 may include a first surface 111 on which radiation is incident, and a second surface 112 formed on a longitudinally opposite side of the first surface 111 .
  • the plurality of detection holes 120 are respectively formed in the longitudinal direction inside the body 110 and penetrate the first surface 111 and the second surface 112 . Radiation incident through each detection hole 120 from the first surface 111 is directed to the second surface 112 through the detection hole 120 .
  • the plurality of detection holes 120 are formed to be inclined toward the outer side in the horizontal direction with respect to the longitudinal direction.
  • the hole 120 has a shape extending from the second surface 112 toward the first surface 111 .
  • the first surface 111 of the body 110 has a curved shape such that the lengths t1 and t2 of the plurality of detection holes 120 in the longitudinal direction are the same. That is, the height from the second surface 112 of the detection hole 120 located at the center in the transverse direction is the highest, and inclined toward the outside in the lateral direction so that the plurality of detection holes 120 have the same length. As the angle increases, the height from the second surface 112 decreases, and as a result, the first surface 111 has a curved shape as shown in FIG. 6 .
  • the second surface 112 has a planar shape for the arrangement of the scintillation crystal 210 or the optical sensor 220, which will be described later.
  • the body 110 is provided with a tungsten material for shielding radiation, and the body 110 and a plurality of detection holes ( 120) is formed as an example.
  • the radiation detection apparatus 300 may include the radiation detection collimator 100 , the scintillation crystal 210 and the optical sensor 220 as described above. have.
  • the collimator 100 for detecting radiation includes the device accommodating part 130 extending downwardly from the edge region of the second surface 112 side of the main body 110 .
  • the device accommodating part 130 has an accommodating space 131 opened downward, and the scintillation crystal 210 and the optical sensor 220 are accommodated in the accommodating space 131 to be installed.
  • the scintillation crystal 210 is disposed on the rear side of the radiation detection collimator 100 , that is, on the second surface 112 side, and reacts to the radiation introduced through each detection hole 120 .
  • each of the scintillation crystals 210 is pixelated and reacts to radiation introduced through the corresponding detection hole 120 at a position corresponding to each detection hole 120 .
  • the optical sensor 220 detects the radiation response in each pixel of the scintillation crystal 210 and measures its position and intensity, and an information processing device such as a computer (not shown) images it.
  • the lengths of the plurality of detection holes 120 formed in the radiation detection collimator 100 are all the same. It is possible to eliminate the decrease in resolution and sensitivity that occurs according to the different lengths.
  • the radiation detection apparatus 300 may include a radiation detection collimator 100 , a plurality of unit flash crystals 210a and an optical sensor 220 . .
  • the radiation detection collimator 100 shown in FIG. 8 corresponds to the configuration of the above-described embodiment.
  • Each unit scintillation crystal 210a is inserted into each detection hole 120 from the second surface 112 of the radiation detection collimator 100 to react to the radiation flowing into the detection hole 120 . That is, each unit scintillation crystal 210a reacts to the radiation flowing into the detection hole 120 in the state that it is inserted into each detection hole 120, and the depth within the scintillation crystal 210 to which the radiation reacts.
  • the DOI problem in which the estimated position of the scintillation crystal 210 is changed according to this can be solved.
  • each unit scintillation crystal 210a is disposed inside the detection hole 120, and has a structure that is blocked from other scintillation crystals 210 by a barrier, thereby significantly reducing the inter-crystal scattering phenomenon in the scintillation crystal 210. An effect that can be significantly reduced is provided.
  • the optical sensor 220 is disposed on the rear side of the radiation detection collimator 100 , that is, on the second surface 112 side, and the radiation response in the unit scintillation crystal 210a inserted into each detection hole 120 . will detect
  • the DOI problem and the inter-crystal scattering problem are not only solved or reduced, but also the detection hole 120 has the same length, so that a high-resolution and high-sensitivity radiographic image can be obtained.
  • the collimator hole size of 0.4 mm to 0.6 mm, the thickness of the partition wall of 0.4 mm to 0.2 mm, respectively, 20 A collimator height of mm to 50 mm was set.
  • an 8mm shielding structure was installed on the side of the detector and around the edge of the collimator structure.
  • the energy of the point source was 662 keV, the target Cs-137 source, and the activity (activity) was 10 mCi, respectively. Data were acquired for 5 s for each simulation with ⁇ 10 % digitizer threshold.
  • the height of the collimator 100 for detecting radiation is set by the length of the detection hole 120 of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention, and the height of the conventional collimator 10 for detecting radiation has the same weight as the present invention. designed
  • the length of the detection hole 120 of the collimator 100 for radiation detection according to the present invention was 30 mm
  • the weight was 994.0 g
  • the length of the detection hole 120 of the conventional collimator 10 for radiation detection was 27.5 mm ⁇ 29.2 mm and weighed 993.1 g.
  • FIG. 9 is a plurality of point sources located at the same distance as the first surface 111 of the radiation detection collimator 100 according to the present invention
  • FIG. 9 (b) is located at the center of the FOV and the second Point sources located at different distances from the first surface 111
  • (c) of FIG. 9 are line sources passing through the detection area at the center of the FOV.
  • the four point sources are positioned at the center of the FOV and at a point apart from the center by 29, 57, and 86% of the FOV size, and at a distance of 10 cm from the first surface 111 .
  • each point source is placed on an extension line of the center of the detection hole 120 . Data were acquired for 5 seconds using a point source with an energy of 662 keV and an activity (activity) of 10 mCi.
  • FIG. 9B simulations were performed on point sources 10, 20, 30, and 40 cm away from the first surface 111 in the center of the FOV.
  • the energy and activity (activity) of the point source are equal to 662 keV and 10 mCi, respectively.
  • a line source having an energy of 662 keV and an activity of 10 mCi was installed across the center of the FOV at a distance of 10 cm from the first surface 111 .
  • the simulation was performed for 5 seconds, and the distribution of the signal peak for the background and the signal magnitude of the continuous line source were compared for the entire FOV.
  • FIG. 10 shows a conventional radiation detection collimator ( 10) and the image of the point source located in the center and the edge of the FOV simulated for the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention are shown.
  • FIG. 10 (a) is a point source located in the center of the FOV of the conventional collimator 10 for radiation detection
  • FIG. 10 (b) is a point source located at the edge of the FOV of the conventional collimator 10 for radiation detection
  • 10 (c) is a point source located in the center of the FOV of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention
  • FIG. 10 (c) is at the edge of the FOV of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention. It is an image of the point source located.
  • Figure 11 (a) shows the change of the total count sensed by the conventional collimator for radiation detection
  • Figure 11 (b) is the radiation detected by the collimator 100 for detecting the present invention It shows the change in the total count.
  • the count tends to decrease, similar to the theoretical trend described above.
  • the 12 is a graph comparing signal counts excluding background noise.
  • the signal count was set as an ROI of 9 pixels centered on the pixel corresponding to the position of the point source among the 29 ⁇ 29 pixels of the image. As the collimator height and partition thickness increase, the signal count of the ROI tends to decrease, but the change is found to be very small compared to the overall count.
  • the weight of a gamma camera is one of the important factors of a drone-based radiation imaging system. It aims to manufacture a compact gamma camera that weighs less than 2 kg, and for this purpose, the weight of the collimator can be limited to less than 1.5 kg.
  • the height of the collimator 100 for radiation detection is less than 30 mm, and based on this, PBR values of the image were obtained when the collimator height was 20 mm and 30 mm, as shown in FIG. 13 .
  • the PBR is higher when the height of the collimator and the bulkhead thickness are large.
  • the barrier rib thickness is increased from 0.2 mm to 0.3 mm, the radiation detection collimator 100 according to the present invention is further improved.
  • the structure of the collimator 100 for radiation detection according to the prior art and the present invention was designed with parameters selected through simulation while considering the assembly tolerance for the actual system fabrication, as shown in [Table 1].
  • Figure 14 (a) is an image of a point source according to the position of the FOV obtained through the conventional collimator for radiation detection
  • Figure 14 (b) is a radiation detection collimator 100 according to the present invention It is an image of a point source according to the position of the FOV obtained through
  • the conventional collimator 10 for detecting radiation tends to have a shorter length of the detection hole 120 than the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention, and thus the conventional collimator for detecting radiation.
  • the total count of (10) is higher.
  • the pierced background count also tends to be higher, as can be seen in the acquired image.
  • Fig. 15 shows the signal peak count and the total count of the point source according to the position by setting 25 pixels located around the pixel corresponding to the position of the point source, which is indicated by the quantity.
  • the total count of each point source is reduced from 93.1% to 56.0% in the case of the conventional collimator 10 for radiation detection (Flat), and the collimator 100 for radiation detection according to the present invention ( Curved) decreases from 94.4% to 61.3%.
  • the count of the conventional collimator 10 for detecting radiation is in the range of 95.7% to 72.2% compared to the central source, and the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention up to 11% less than the range of 96.2% to 61.7% of
  • the projected sum profile of the point source images with different distances apart from the first face 111 is shown in FIG. 16 .
  • the conventional collimator 10 for detecting radiation is shorter than the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention, and in this case, the detected count is 18.5% more than that of the present invention.
  • the background increase of the conventional collimator 10 for radiation detection is 25.2% on average, while the increase in the signal peak is only 10.9% . This fact indicates that most high counts of the conventional radiation detection collimator 10 correspond to passed background events.
  • the 17 shows a PBR value obtained based on the distance from the source to the first surface 111 .
  • the PBR value tends to decrease as the source moves away from the first surface of the radiation detection collimator 100 .
  • the PBR value decreased from 0.71 to 0.66 in the conventional collimator 10 for detecting radiation, and 0.81 in the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention. decreased to 0.76.
  • the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention exhibits a higher PBR value, indicating that the signal is more distinct in the case of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention.
  • FIG. 18(a) shows an image of a line source crossing the center of the FOV shown in FIG. 9(c).
  • the distribution of line sources can be identified through the image, and the total count is about 20% higher in the case of the conventional radiation detection collimator 10 .
  • signal counts and PBR values were obtained using the average value of the symmetric data of the image.
  • the signal counts according to the FOV position respectively, have an average pixel value of 318 and a standard deviation of 36.9 in the case of the conventional collimator 10 for detecting radiation, and the average pixel value in the case of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention. is 292, and the standard deviation is 31.0.
  • the average value of the conventional collimator 10 for radiation detection is 18.2% higher than that of the radiation detection collimator 100 according to the present invention, and the standard deviation of the conventional collimator 10 for radiation detection is the radiation detection collimator according to the present invention (100) is 16.2% higher.
  • the conventional collimator 10 for radiation detection has an average value of 0.74 and a standard deviation of 0.077
  • the collimator 100 for radiation detection according to the present invention has an average value of 0.82 and a standard deviation of 0.050. This indicates that the average value is higher and the standard deviation is lower in the case of the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention as shown in (b) of FIG. 18 .
  • the collimator 100 for detecting radiation according to the present invention is an example of a diffusion porous structure, but a converging porous type in which a plurality of detection holes 120 converge toward the first surface 111 from the center.
  • a converging porous type in which a plurality of detection holes 120 converge toward the first surface 111 from the center.
  • it can also be applied to structures.
  • 300 radiation detection device 100: collimator for radiation detection
  • flash crystal 210a unit flash crystal
  • the present invention is applicable to a radiation detection device such as a gamma camera.

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Abstract

본 발명은 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방사선 검출 장치는 방사선이 입사되는 제1 면과, 상기 제1 면의 종방향 반대 측에 형성되는 제2 면을 갖는 본체와, 상기 본체 내부에 상기 종방향으로 각각 형성되어 상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하는 복수의 검출홀을 포함하고; 복수의 상기 검출홀은 상기 종방향을 중심으로 횡방향 외측으로 갈수록 경사지게 형성되고; 상기 제1 면은 복수의 상기 검출홀의 상기 종방향으로의 길이가 동일하게 형성되도록 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 검출홀의 길이의 차이로 인해 발생하는 해상도 저하 및 영상 품질 저하 문제를 제거할 수 있다.

Description

방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치
본 발명은 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 감마 카메라와 같은 방사선 검출 장치에서 집속 다공형 콜리메이터나 확산 다공형 콜리메이터에 적용 가능한 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치에 관한 것이다.
쓰나미와 지진으로 발생한 2011년 일본 후쿠시마 원자력 사고는 비극적인 사고였는데, 재난에 대한 초기 대응이 부족하여 대량의 방사선 누출과 노출 문제를 일으켰다. 이와 같은 원자력 사고를 피하고 방사능 오염의 확산을 막기 위해서는, 사고의 정확한 원인을 신속하게 찾아내서 분석하고 대응하는 것이 중요하다.
그런데, 방사능 사고에 대응하는 종래의 프로세스는 작업자가 피폭되는 문제, 사상자 발생문제, 국지적으로 핫스팟을 간과하는 문제, 시간 소모 문제, 느린 대응 문제 등등의 한계점이 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해, 프로젝트 DRIS(Drone based Radiation detection Imaging System; 드론-기반의 방사선 검출 이미징 시스템)에서는 드론-기반의 원격 방사선 이미징 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 통해, 재난 발생시 무인 원격 검출이 가능하게 되며, 작업자가 불필요하게 피폭되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 사고지점에 신속하고 정확하게 접근하여 타켓에 대한 정보를 수집할 수 있다.
실시간으로 방사선 이미지를 획득하기 위해, 방사선 검출 장치는 가볍고 드론에 장착되는 컴팩트한 감마 카메라(Gamma camera)가 필요하다. 방사선 검출용 콜리메이터는 감마 카메라의 성능과 무게에 영향을 미치는 주요 요소들 중 하나이다.
방사선 검출용 콜리메이터는 방사선 차단을 위해 납 또는 텅스텐과 같이 원자번호와 밀도가 높은 물질로 만들어지기 때문에, 기존의 방사선 검출용 콜리메이터는 일반적인 주조 공법이나 드릴링 기술로는 복잡하고 정교한 모양을 만들기가 어렵다.
그런데, 최근에, 높은 에너지의 레이저로 금속 분말을 소결시켜 3D 구조를 만드는 DMLS(Direct metal laser sintering) 3D 프린팅 기술이 개발되어, 보다 정교하고 복잡한 콜리메이터를 구현할 수 있게 되었다.
도 1은 종래의 감마 카메라의 구조의 예를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 감마 카메라(1)는 방사선 검출용 콜리메이터(Collimator)(10)와, 방사선 검출용 콜리메이터(10)를 통과한 방사선을 감지하는 방사선 검출부(20)를 포함한다.
방사선 검출용 콜리메이터(10)는 외부의 감마선 중 특정 방향의 감마선만을 통과시키고 다른 방향에서 오는 감마선을 차단하는 조준기로서의 기능을 수행한다.
도 1 및 도 2의 (a)에 도시된 방사선 검출용 콜리메이터(10)는 다수의 홀이 형성된 평행 다공형 콜리메이터(Parallel multi-hole collimator)의 예를 나타낸 도면이고, 도 2의 (b), (c) 및 (d)는 각각 확산 다공형 콜리메이터(Diverging multi-hole collimator), 집속 다공형 콜리메이터(Converging multi-hole collimator), 핀홀 콜리메이터(Pin-hole collimator)를 나타내고 있다.
평행 다공형 콜리메이터는 홀의 배열이 평행하고 가장 널리 사용되는 것으로, 콜리메이터와 측정 대상 간의 거리에 따른 영상의 크기 변화가 없으며, 분해능 향상과 감도를 증가시키려면 거리가 짧게 한다. 일반적으로, 저에너지용이 격벽이 얇고, 에너지가 높아질수록 격벽이 두꺼워진다.
확산 다공형 콜리메이터는 콜리메이터의 유효 직경보다 사이즈가 큰 측정 대상을 검사하는데 사용되며, 영상 분해능은 상대적으로 낮은 편이다. 콜리메이터와 측정 대상 간의 거리가 멀어질수록 유효 시야는 넓어지나 감도나 분해능은 낮아진다.
핀홀 콜리메이터는 분해능이 높아 작은 측정 대상이나 국소부위의 검사에 유용하다. 감도 증가와 분해능 향상을 위해서는 측정 대상과 콜리메이터 간의 거리가 짧아야 하며, 거리가 길어지면 상이 축소된다.
집속 다공형 콜리메이터는 평행 다공형 콜리메이터와 핀홀 콜리메이터의 혼합형으로 볼 수 있으며, 콜리메이터와 측정 다상 간의 거리가 가까워질수록 상이 확대되고, 실물이 초점에 가까워질수록 상이 축소된다.
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 방사선 검출부(20)는 섬광결정(21), 즉 신틸레이터, 광 가이드부(22) 및 광증배관(23)을 포함할 수 있다. 방사선 검출용 콜리메이터(10)를 통과한 감마선은 섬광결정(21)에 입사된다.
여기서, 방사선 검출용 콜리메이터(10)를 통과하여 섬광결정(21)과 반응한 감마선은 섬광결정(21)에 의해 검출하기 쉬운 형태의 낮은 에너지 전자기파로 변환되어 광 가이드부(22)를 거쳐 광전자증배관(23)에서 증폭 및 전기신호로 변환되고, 검출된 위치나 에너지 등이 컴퓨터에 저장됨으로써, 영상을 획득하게 된다.
도 3은 종래의 확산 다공형 타입의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 단면을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)는 방사선이 입사되는 제1 면(11)과, 방사선이 출사되는 제2 면(12), 즉 섬광결정(21)과 대면하는 제2 면(12)을 갖는 본체와, 본체 내부에 제1 면(11)과 제2 면(12)을 종방향으로 관통하여 형성되는 복수의 검출홀(13)을 포함한다. 여기서, 복수의 검출홀(13)은 종방향을 중심으로 반경방향 외측으로 갈수록 경사진 형태를 가져 확산 다공형 콜리메이터를 형성하게 된다.
상기와 같은 확산 다공형 콜리메이터(10)의 성능은 초첨 거리, 격벽 두께, 홀 크기, 홀 형상, 제1 면(11)으로부터 소스까지의 거리, 제1 면(11)에 직교하는 소스의 각도와 같은 여러 변수에 의해 영향을 받는다.
Cherry, Simon R., James A. Sorenson, 및 Michael E. Phelps의 논문 "Physics in nuclear medicine, 4th edition(Elsevier Health Sciences, 2012.)"과, Van Audenhaege, Karen 등의 논문 "Review of SPECT collimator selection, optimization, and fabrication for clinical and preclinical imaging(Medical physics 42.8 (2015): 4796-4813)"에서는 공간 분해능(Spatial resolution) 및 기하학적 감도(Geometric sensitivity)와 같은 확산 다공형 콜리메이터(10)의 성능을 연구한 바 있다. 기하학적 매개변수를 고려한 확산 다공형 콜리메이터(10)의 해상도(
Figure PCTKR2021008480-appb-I000001
) 및 감도(
Figure PCTKR2021008480-appb-I000002
)는 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2021008480-appb-I000003
[수학식 2]
Figure PCTKR2021008480-appb-I000004
[수학식 1] 및 [수학식 2]에서
Figure PCTKR2021008480-appb-I000005
는 확산 다공형 콜리메이터(10)의 홀 크기이고,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000006
는 유효 콜리메이터 높이이며,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000007
는 소스로부터 확산 다공형 콜리메이터(10)의 표면, 즉 제1 면(11)까지의 거리이고,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000008
는 종방향을 중심으로 감마선이 이루는 각도이고,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000009
는 초점 거리이고,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000010
는 격벽의 두께이고,
Figure PCTKR2021008480-appb-I000011
는 확산 다공형 콜리메이터(10)의 높이이다.
[수학식 1] 및 [수학식 2]에서 확인할 수 있듯이, 확산 다공형 콜리메이터(10)의 높이가 증가하면, 감도는 낮아지고 해상도는 높아진다.
그런데, 기존의 확산 다공형 콜리메이터(10)의 각각의 검출홀(13)이 길이, 즉 확산 다공형 콜리메이터(10)의 높이(
Figure PCTKR2021008480-appb-I000012
)는 각 검출홀(13)에 따라 다르다. 도 3에 도시된 예에서, 중심부 쪽의 검출홀(13)의 길이는 27.5mm인 반면 최외측 검출홀(13)의 길이는 29.2mm로 각 검출홀(13)마다 다른 길이를 갖게 된다.
이와 같은 길이의 차이는 각 검출홀(13)을 통해 검출된 방사선의 해상도 및 감도를 달라지게 하는 문제점을 야기하게 되어, 전체 이미지의 해상도를 저하시키는 문제점이 있다.
또한 종래의 확산 다공형 콜리메이터(10)는 DOI(Depth-of Interaction)으로 인한 섬광결정(21) 반응 위치 문제를 야기한다. 도 4를 참조하여 설명하면, 확산 다공형 콜리메이터(10)의 경우, 외곽부로 갈수록 입사 방사선의 각도가 수직 어레이(Array) 형태로 제적되는 섬광결정(21)의 각도와 차이가 커지게 되고, 이로 인해 실제 확산 다공형 콜리메이터(10)를 투과한 감마선이 반응하는 섬광결정(21) 내의 깊이에 따라 추정되는 섬광결정(21)의 위치가 달라지는 DOI 문제가 발생한다.
즉, 도 4에서 섬광결정(21) 픽셀 중 반응 예상 위치는 좌측으로부터 첫번째 픽셀이여야 하는데, 실제 반응은 세번째 픽셀에서 이루어지게 되어, 영상의 균일도가 달라지는 문제를 야기하게 된다.
또한, 종래의 확산 다공형 콜리메이터(10)의 경우, 섬광결정(21) 내의 Inter-crystal scattering 문제를 갖고 있다. 방사선이 물질과 반응하는 원리 중 하나인 Compton scattering은 영상에 있어 노이즈를 형성하는 문제를 발생하는데, 이는 일반적으로 감마선의 에너지를 측정하여 제거하는 기법을 이용하고 있다.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 섬광결정(21) 내에서 두 번 이상의 반응을 일으키는 Inter-crystal scattering의 경우, 감마선의 에너지가 거의 모두 문할되기 때문에, 에너지 기반으로 하는 노이즈 제거가 어렵고, 실제 회로 상에서 잘못된 감마선의 반응 위치 값을 가져오게 되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 검출홀의 길이의 차이로 인해 발생하는 해상도 저하 및 영상 품질 저하 문제를 제거할 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 감마선이 반응하는 섬광결정 내의 깊이에 따라 추정되는 섬광결정의 위치가 달라지는 DOI 문제을 해소할 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 섬광결정 내의 Inter-crystal scattering 현상을 감소시킬 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 방사선이 입사되는 제1 면과, 상기 제1 면의 종방향 반대 측에 형성되는 제2 면을 갖는 본체와, 상기 본체 내부에 상기 종방향으로 각각 형성되어 상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하는 복수의 검출홀을 포함하고; 복수의 상기 검출홀은 상기 종방향을 중심으로 횡방향 외측으로 갈수록 경사지게 형성되고; 상기 제1 면은 복수의 상기 검출홀의 상기 종방향으로의 길이가 동일하게 형성되도록 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 제2 면은 평면 형상을 가질 수 있다.
그리고, 복수의 상기 검출홀은 상기 중심으로부터 상기 제1 면을 향해 펼쳐진 확산 다공형 구조를 형성할 수 있다.
그리고, 복수의 상기 검출홀은 상기 중심으로부터 상기 제1 면을 향해 수렴하는 수렴 다공형 구조를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 본체는 텅스텐 재질로 마련되고, 텅스텐 소재를 이용하여 DMLS(Direct metal laser sintering) 방식의 3D 프린팅을 통해 상기 본체 및 복수의 상기 검출홀이 형성될 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 상기의 방사선 검출용 콜리메이터와; 상기 방사선 검출용 콜리메이터의 상기 제2 면으로부터 각각의 상기 검출홀에 삽입되어 해당 검출홀로 유입되는 방사선에 반응하는 단위 섬광결정과; 상기 제2 면에 설치되어 각각의 상기 단위 섬광결정의 방사선 반응을 검출하는 광 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치에 의해서 달성될 수 있다.
여기서, 상기 방사선 검출용 콜리메이터는 상기 본체의 상기 제2 면 측 가장자리 영역으로부터 하행 연장되고, 상기 광센서가 수용되는 하향 개방된 수용공간이 형성된 기기 수용부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라, 상기의 방사선 검출용 콜리메이터와; 상기 방사선 검출용 콜리메이터의 상기 제2 면에 설치되어 각각의 상기 검출홀을 통해 유입되는 방사선에 반응하는 섬광결정과; 상기 섬광결정의 방사선 방응을 검출하는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 방사선 검출용 콜리메이터는 상기 본체의 상기 제2 면 측 가장자리 영역으로부터 하행 연장되고, 상기 섬광결정 및 상기 광센서가 수용되는 하향 개방된 수용공간이 형성된 기기 수용부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면 검출홀의 길이의 차이로 인해 발생하는 해상도 저하 및 영상 품질 저하 문제를 제거할 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 감마선이 반응하는 섬광결정 내의 깊이에 따라 추정되는 섬광결정의 위치가 달라지는 DOI 문제을 해소할 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 섬광결정 내의 Inter-crystal scattering 현상을 감소시킬 수 있는 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검사 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 감마 카메라의 구조의 예를 나타낸 도면이고,
도 2는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터의 종류를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 종래의 확산 다공형 콜리메이터의 단면도이고,
도 4 및 도 5는 종래의 확산 다공형 콜리메이터의 문제점을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출용 콜리메이터의 사시도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이고,
도 9 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치의 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 방사선 검출용 콜리메이터 및 이를 이용한 방사선 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방사선 검출 장치는 방사선이 입사되는 제1 면과, 상기 제1 면의 종방향 반대 측에 형성되는 제2 면을 갖는 본체와, 상기 본체 내부에 상기 종방향으로 각각 형성되어 상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하는 복수의 검출홀을 포함하고; 복수의 상기 검출홀은 상기 종방향을 중심으로 횡방향 외측으로 갈수록 경사지게 형성되고; 상기 제1 면은 복수의 상기 검출홀의 상기 종방향으로의 길이가 동일하게 형성되도록 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)는 본체(110) 및 복수의 검출홀(120)을 포함한다.
본체(110)는 방사선이 입사되는 제1 면(111)과, 제1 면(111)의 종방향 반대 측에 형성되는 제2 면(112)을 포함할 수 있다.
복수의 검출홀(120)은 본체(110) 내부에 종방향으로 각각 형성되어 제1 면(111)과 제2 면(112)을 관통한다. 제1 면(111)으로부터 각각의 검출홀(120)을 통해 입사되는 방사선은 검출홀(120)을 거쳐 제2 면(112)으로 향하게 된다.
여기서, 복수의 검출홀(120)은 종방향을 중심으로 횡방향 외측으로 갈수록 경사지게 형성되는데, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 확산 다공형 콜리메이터 형태를 갖는 것을 예로 하는 바, 복수의 검출홀(120)이 제2 면(112)으로부터 제1 면(111)을 향해 펼쳐진 형상을 갖는다.
본 발명에서는 본체(110)의 제1 면(111)이 복수의 검출홀(120)의 종방향으로의 길이(t1,t2)가 동일하게 형성되도록 곡면 형상을 갖는다. 즉, 복수의 검출홀(120)의 길이가 동일하게 형성되도록, 횡방향으로 중심부에 위치하는 검출홀(120)의 제2 면(112)으로부터의 높이가 가장 높고, 횡방향으로 외측으로 갈수록 경사 각도가 커져 제2 면(112)으로부터의 높이가 낮아져, 결과적으로 제1 면(111)이, 도 6에 도시된 바와 같이, 곡면 형상을 갖게 된다.
여기서, 제2 면(112)은 후술할 섬광결정(210) 또는 광 센서(220)의 배치를 위해 평면 형상을 갖는 것을 예로 한다.
본 발명에서는 방사선의 차폐를 위해 본체(110)가 텅스텐 재질로 마련되는 것을 예로 하며, 텅스텐 소재를 이용하여 DMLS(Direct metal laser sintering) 방식의 3D 프린팅을 통해 본체(110) 및 복수의 검출홀(120)이 형성되는 것을 예로 한다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)는 상술한 바와 같은 방사선 검출용 콜리메이터(100), 섬광결정(210) 및 광 센서(220)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)는 본체(110)의 제2 면(112) 측 가장자리 영역으로부터 하향 연장되는 기기 수용부(130)를 포함하는 것을 예로 한다. 기기 수용부(130)는 하향 개방된 수용 공간(131)이 형성되며, 해당 수용 공간(131)에 섬광결정(210) 및 광 센서(220)가 설치 가능하게 수용된다.
섬광결정(210)은 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 후방, 즉 제2 면(112) 측에 배치되어, 각각의 검출홀(120)을 통해 유입되는 방사선에 반응한다. 여기서, 섬광결정(210)은 각각 픽셀화되어 각각의 검출홀(120)에 대응하는 위치에서 해당 검출홀(120)을 통해 유입되는 방사선에 반응하게 된다.
광 센서(220)는 섬광결정(210)의 각 픽셀에서의 방사선 반응을 감지하여 그 위치 및 세기를 측정하게 되며, 도시되지 않은 컴퓨터 등의 정보처리장치가 이를 영상화하게 된다.
상기와 같은 구성에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100) 및 방사선 검출 장치(300)는 방사선 검출용 콜리메이터(100)에 형성된 복수의 검출홀(120)의 길이가 모두 동일하게 구성됨으로써, 서로 다른 길이에 따라 발생하는 해상도 및 감도 저하를 제거할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)를 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)는 방사선 검출용 콜리메이터(100), 복수의 단위 섬광결정(210a) 및 광 센서(220)를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 방사선 검출용 콜리메이터(100)는 앞서 설명한 실시예의 구성에 대응한다.
각각의 단위 섬광결정(210a)은 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 제2 면(112)으로부터 각각의 검출홀(120)에 삽입되어 해당 검출홀(120)로 유입되는 방사선에 반응하게 된다. 즉, 하나 하나의 단위 섬광결정(210a)이 각각의 검출홀(120)에 삽입된 상태에서 해당 검출홀(120)로 유입되는 방사선에 반응하게 되어, 방사선이 반응하는 섬광결정(210) 내의 깊이에 따라 추정되는 섬광결정(210)의 위치가 달라지는 DOI 문제가 해소될 수 있다.
또한, 각각의 단위 섬광결정(210a)이 검출홀(120) 내부에 배치되어, 다른 섬광결정(210)과는 격벽에 의해 차단되는 구조를 가져 섬광결정(210) 내의 Inter-crystal scattering 현상을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 제공된다.
여기서, 광 센서(220)는 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 후방, 즉 제2 면(112) 측에 배치되어, 각각의 검출홀(120)에 삽입된 단위 섬광결정(210a)에서의 방사선 반응을 검출하게 된다.
상기와 같은 구성에 따라, DOI 문제 및 Inter-crystal scattering 문제가 해소 또는 감소될 뿐만 아니라, 검출홀(120)의 길이가 동일하여 고해상도, 고감도의 방사선 영상의 획득이 가능하게 된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)의 효과를 도 9 내지 도 18을 참조하여 설명한다. 실험에는 도 7에 도시된 실시예에 따른 방사선 검출 장치(300)가 사용되었으며, 비교를 위해 도 3에 도시된 종래의 방사선 검출 장치(1)가 적용되었다.
실험에 적용된 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10) 및 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 스펙으로, 0.4 mm ~ 0.6 mm의 콜리메이터 홀 크기, 각각 0.4 mm ~ 0.2 mm의 격벽의 두께, 20 mm ~ 50 mm의 콜리메이터 높이가 설정되었다. 외부의 예측하기 어려운 이벤트를 줄이기 위해, 검출부 측과 및 콜리메이터 구조의 엣지 주변에 8mm 차폐 구조를 설치하였다.
포인트 소스의 에너지는 662 keV 였고, Cs-137 소스를 타겟으로 하고, 액티비티(활성도)는 각각 10 mCi 이었다. ±10 % 디지타이저 쓰레스홀더(thresholder)를 가지고 각각의 시뮬레이션에 대하여 5초 동안 데이터를 획득하였다.
방사선 검출용 콜리메이터(100)의 높이는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 검출홀(120) 길이에 의해 설정되었고, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 높이는 본 발명과 동일한 무게를 갖도록 설계되었다.
결과적으로 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 검출홀(120) 길이는 30mm였고, 무게는 994.0g 이었고, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 검출홀(120)의 길이는 27.5 mm ~ 29.2 mm 이었고, 무게는 993.1 g 이었다.
실험은 도 9에 도시된 바와 같이, 세가지 유형의 소스에 대해 수행되었다. 도 9의 (a)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 제1 면(111)과 동일한 거리에 위치하는 다수의 포인트 소스, 도 9의 (b)는 FOV의 중심에 위치하며 제1 면(111)으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 포인트 소스, 그리고, 도 9의 (c)는 FOV의 중심에서 탐지 영역을 통과하는 라인 소스이다.
도 9의 (a)에서, 네 개의 포인트 소스들이 FOV의 중앙에, 그리고 FOV 크기의 29, 57, 86% 만큼 중앙으로부터 떨어진 지점에 위치시키고, 제1 면(111)으로부터 10cm 떨어진 곳에 위치시킨다. 격벽의 효과를 최소화하기 위해, 각각의 포인트 소스가 검출홀(120)의 중심의 연장선 상에 놓인다. 662 keV 의 에너지와 10 mCi 의 액티비티(활성도)를 갖는 포인트 소스를 이용하여 5초 동안 데이터를 획득하였다.
도 9의 (b)에서, FOV의 중앙에 제1 면(111)으로부터 10, 20, 30, 및 40 cm 떨어진 포인트 소스들에 시뮬레이션을 수행하였다. 포인트 소스의 에너지와 액티비티(활성도)는 각각 662 keV 와 10 mCi로 동일하다.
마지막으로, 도 9의 (c)에서, 662 keV의 에너지와 10 mCi의 활성도를 갖는 라인 소스를 제1 면(111)에서 10cm 떨어진 곳에서 FOV 중앙을 가로질러 설치하였다. 시뮬레이션을 5초 동안 수행하고, 백그라운드에 대한 신호 피크(peak)의 분포와 전체 FOV에 대하여 연속하는 라인 소스의 신호 크기를 비교하였다.
도 10은 각각의 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 격벽의 두께를 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm로 달리하고, 높이를 20 mm, 30 mm, 40 mm으로 달리하여, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)와 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)에 대해 시뮬레이션한 FOV의 엣지와 중앙에 위치한 포인트 소스의 이미지를 나타낸 것이다.
도 10의 (a)는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 FOV의 중앙에 위치한 포인트 소스, 도 10의 (b)는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 FOV의 엣지에 위치한 포인트 소스, 도 10의 (c)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 FOV 중앙에 위치한 포인트 소스, 그리고 도 10의 (c)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 FOV의 엣지에 위치한 포인트 소스에 대한 이미지이다.
[수학식 1]에서와 같이 높이가 높을수록, 그리고 격벽의 두께가 두꺼울수록 백그라운드 노이즈가 감소되며, 포인트 소스들을 더 명확하게 식별할 수 있다. 반면, 높이와 격벽 두께가 증가할 때 카운트가 너무 낮으면, 포인트 소스는 특히 FOV의 엣지에서 흐려진다.
도 11의 (a)는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)에 의해 감지된 전체 카운트의 변화를 나타낸 것이고, 도 11의 (b)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)에 의해 감지된 전체 카운트의 변화를 나타낸 것이다. 콜리메이터의 높이와 격벽 두께가 증가함에 따라, 카운트가 감소하는 경향이 있는데, 이는 앞서 설명한 이론적인 경향과 비슷하다.
도 12는 백그라운드 노이즈를 제외시킨 신호 카운트를 비교한 그래프이다. 신호 카운트는, 이미지의 29ㅧ29 픽셀 중에서 포인트 소스의 위치에 대응하는 픽셀을 중심으로 위치하는 9 픽셀의 ROI로 설정되었다. 콜리메이터 높이와 격벽 두께가 증가함에 따라 ROI의 신호 카운트는 감소하는 경향이 있지만, 그 변화는 전체 카운트와 비교할 때 매우 적은 것으로 확인된다.
일반적으로 감마 카메라의 무게는 드론 기반의 방사선 이미징 시스템의 중요한 요소들 중 하나이다. 2kg 이내의 컴팩트한 감마 카메라를 제조하는 것을 목표로 하는데, 이를 위해, 콜리메이터의 무게는 1.5kg 미만으로 제한될 수 있다.
이러한 상황을 고려하여, 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 높이가 30mm 미만인 경우가 적합하며, 이를 기초로, 콜리메이터 높이가 20mm 및 30mm 인 경우에 이미지의 PBR 값을 도 13에 도시된 것처럼 얻었다.
PBR은 콜리메이터의 모양과 상관없이 콜리메이터의 높이와 격벽 두께가 클 때 더 높다. 하지만, 격벽두께가 0.2mm 에서 0.3mm로 증가할 때 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)가 더 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
실제 시스템의 제작에 대한 조립공차를 고려하면서, 시뮬레이션을 통해 선정한 매개 변수를 가지고 종래 및 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100) 구조를 설계하였으며, [표 1]에 나타난 바와 같다.
매개변수 종래 본 발명
Collimator height [mm] 27.5 28.2 - 30
Collimator hole length [mm] 27.5 - 29.2 30
Volume [cm3] 51.6 51.6
Mass [g] 993.1 994.0
Top size [mm] 59.1 58.5
Top hole size [mm] 0.94 0.91 - 0.98
Top septal thickness [mm] 0.56 0.55 - 0.59
도 14의 (a)는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)를 통해 획득된 FOV의 위치에 따른 포인트 소스의 이미지이고, 도 14의 (b)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)를 통해 획득된 FOV의 위치에 따른 포인트 소스의 이미지이다. 콜리메이터의 무게에 기초하여, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)보다 검출홀(120)의 길이가 더 짧은 경향이 있고, 따라서 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 전체 카운트가 더 높다. 그러나, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 경우, 획득한 이미지에서 볼 수 있듯이 관통된 백그라운드 카운트도 더 높은 경향이 있다.
이와 관련하여, 도 15는 수량으로 나타내는데, 포인트 소스의 위치에 대응하는 픽셀을 중심으로 위치된 25개의 픽셀을 세팅함으로써 위치에 따른 포인트 소스의 신호 피크 카운트와 전체 카운트를 보여주고 있다.
각각의 방사선 검출용 콜리메이터(100)에 대하여 FOV의 중앙에 위치하는 소스에 데이터를 정규화(normalize)하였다. 두 방사선 검출용 콜리메이터(10,100)의 대하여, 소스가 엣지로 이동할 때, 즉 경사 각도가 증가할 때 카운트는 감소하는 경향이 있다.
하지만, FOV 중앙과 비교하여 각각의 포인트 소스의 전체 카운트는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)(Flat)의 경우 93.1 % 에서 56.0 %로 감소하고, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)(Curved)의 경우 94.4 % 에서 61.3 %로 감소한다. 백그라운드 효과 없이 피크 신호의 카운트와 비교하면, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 카운트는 중앙의 소스와 비교하여 95.7 % 내지 72.2 % 의 범위에 있고, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 96.2 % 내지 61.7 %의 범위 보다 11%까지 적다.
제1 면(111)으로부터 이격된 거리가 상이한 포인트 소스 이미지들의 투영된 합계(sum) 프로파일은 도 16에 도시되어 있다. 앞서 설명한 것처럼, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100) 보다 더 짧고 이 경우에 검출된 카운트는 본 발명보다 18.5% 더 많다.
그러나, 소스 포지션을 제외한 픽셀 값의 평균이 백그라운드로 설정될 때, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 백그라운드의 증가는 평균적으로 25.2%인데, 신호 피크(signal peak)의 증가는 단지 10.9%이다. 이러한 사실은 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 대부분의 높은 카운트는 통과된 백그라운드 이벤트에 대응한다는 것을 나타낸다.
도 17은 소스로부터 제1 면(111)까지의 거리에 기초하여 획득한 PBR 값을 나타낸다. 두 방사선 검출용 콜리메이터(10,100)에 대해, 소스가 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 제1면에서 멀어질 때 PBR 값은 감소하는 경향이 있다.
소스로부터 방사선 검출용 콜리메이터(100)까지의 거리가 증가할 때, PBR 값은 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)에서 0.71에서 0.66으로 감소하였고, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)에서 0.81에서 0.76으로 감소하였다. 모든 경우에, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)는 더 높은 PBR 값을 나타내는데, 이는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 경우에 신호가 더욱 뚜렷하다는 것을 말해준다.
도 18의 (a)는 도 9의 (c)에 도시된 FOV의 중앙을 가로지르는 라인 소스의 이미지를 보여준다. 두 방사선 검출용 콜리메이터(10,100)에 대하여, 이미지를 통해 라인 소스의 분포를 식별할 수 있고, 전체 카운트는 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 경우 약 20% 더 높다. FOV의 중앙으로부터 엣지까지 연속하는 검출 반응을 분석하기 위해, 이미지의 대칭하는 데이터의 평균 값을 이용하여 신호 카운트와 PBR 값을 획득하였다.
FOV 위치에 따른 신호 카운트는, 각각, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 경우 평균 픽셀값이 318이고, 표준편차가 36.9이며, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 경우 평균 픽셀값이 292이고, 표준편차가 31.0이다. 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 평균 값은 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)보다 18.2% 높고, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 표준편차는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)보다 16.2% 높다.
PBR 값을 비교할 때, 종래의 방사선 검출용 콜리메이터(10)의 경우 0.74의 평균값, 0.077의 표준편차를 갖고, 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 경우 0.82의 평균값, 0.050의 표준편차를 갖는데, 이는 도 18의 (b)에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)의 경우 평균값이 더 높고 표준편차가 더 낮다는 것을 나타낸다.
전술한 실시예에서는 본 발명에 따른 방사선 검출용 콜리메이터(100)가 확산 다공형 구조인 것을 예로 하고 있으나, 복수의 검출홀(120)이 중심으로부터 제1 면(111)을 향해 수렴하는 수렴 다공형 구조에도 적용 가능함은 물론이다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
[부호의 설명]
300 : 방사선 검출 장치 100 : 방사선 검출용 콜리메이터
110 : 본체 111 : 제1 면
112 : 제2 면 120 : 검출홀
130 : 기기 수용부 131 : 수용 공간
210 : 섬광결정 210a : 단위 섬광결정
220 : 광 센서
본 발명은 감마 카메라와 같은 방사선 검출 장치에 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 방사선이 입사되는 제1 면과, 상기 제1 면의 종방향 반대 측에 형성되는 제2 면을 갖는 본체와,
    상기 본체 내부에 상기 종방향으로 각각 형성되어 상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하는 복수의 검출홀을 포함하고;
    복수의 상기 검출홀은 상기 종방향을 중심으로 횡방향 외측으로 갈수록 경사지게 형성되고;
    상기 제1 면은 복수의 상기 검출홀의 상기 종방향으로의 길이가 동일하게 형성되도록 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 면은 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터.
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 상기 검출홀은 상기 중심으로부터 상기 제1 면을 향해 펼쳐진 확산 다공형 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터.
  4. 제2항에 있어서,
    복수의 상기 검출홀은 상기 중심으로부터 상기 제1 면을 향해 수렴하는 수렴 다공형 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체는 텅스텐 재질로 마련되고,
    텅스텐 소재를 이용하여 DMLS(Direct metal laser sintering) 방식의 3D 프린팅을 통해 상기 본체 및 복수의 상기 검출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출용 콜리메이터.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방사선 검출용 콜리메이터와;
    상기 방사선 검출용 콜리메이터의 상기 제2 면으로부터 각각의 상기 검출홀에 삽입되어 해당 검출홀로 유입되는 방사선에 반응하는 단위 섬광결정과;
    상기 제2 면에 설치되어 각각의 상기 단위 섬광결정의 방사선 반응을 검출하는 광 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방사선 검출용 콜리메이터는
    상기 본체의 상기 제2 면 측 가장자리 영역으로부터 하행 연장되고, 상기 광센서가 수용되는 하향 개방된 수용공간이 형성된 기기 수용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방사선 검출용 콜리메이터와;
    상기 방사선 검출용 콜리메이터의 상기 제2 면에 설치되어 각각의 상기 검출홀을 통해 유입되는 방사선에 반응하는 섬광결정과;
    상기 섬광결정의 방사선 방응을 검출하는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방사선 검출용 콜리메이터는
    상기 본체의 상기 제2 면 측 가장자리 영역으로부터 하행 연장되고, 상기 섬광결정 및 상기 광센서가 수용되는 하향 개방된 수용공간이 형성된 기기 수용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
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