The conventional nuclear imaging system, which has widely been used in non-destructive testing, examination of nuclear contamination, disposal of nuclear fuel, transportation, and storage of high-level radioactive waste, provides the directional information of radiation sources such as the location or the distribution as an image of the radioactivity superimposed on a vision image of the same field of view. It is also possible to provide the radiation energy information in real time and distinguish two sources having different energies. But there are some issues to be considered to improve the system performance;
(1) A special pinhole collimator is necessary for its application in the high-energy gamma-ray field. The conventional knife-edge pinhole collimator is not suitable for high-energy radiation field because much radiation scatters in the vicinity of the pinhole aperture and blurs the image.
(2) In order to estimate the interaction position of gamma rays within the radiation detector, Anger algorithm is usually used in the nuclear imaging system. This method can be easily implemented and works well a medical gamma camera based on multi-PMT (a 2-D array of photomultiplier tubes). But Anger algorithm is not suitable for a nuclear imaging system using a single PSPMT (position sensitive PMT) because its output signals are not linear and are not uniform.
(3) In addition to nuclear image, if the value of real-time exposure dose rate is supplied in the nuclear imaging system, it will be much useful. But the conventional system cannot measure the real-time exposure dose rate when obtaining the gamma image.
For the optimum aperture design, a new-channeled collimator was introduced to reduce the image degradation by the scattering radiation, and its characteristics were analyzed by Monte Carlo simulation. Resolutions defined as the full-width at half-maximum (FWHM) of point spread functions and efficiency are calculated for collimators with several pinhole diameters from 4 mm to 8mm and channel heights from 2 mm to 10 mm. The efficiencies and resolutions of the channeled collimator are compared with those of the conventional knife-edge collimator. From the results, it was verified that the nuclear image by the new collimator was better than that by the conventional collimator. The optimum channel height (2 mm) and diameter of the pinhole collimator (4 mm) are also proposed based on the simulation results.
To correct image distortion, an alternative method, a maximum likelihood position estimation (MLPE) method instead of an Anger position algorithm was introduced. Generally there are two ways to implement the MLPE method: (1) an experimental method, and (2) a computer simulation method. In this paper, the MLPE method using simulation instead of experiments, which can consider all stochastic processes converting the location of gamma-ray interaction with scintillator into position signals, has been proposed, implemented, and compared to the conventional algorithm. From the analysis and comparison of images, the quality of image from the MLPE was better than that of the conventional algorithm. We also verified the simulation method by comparison of simple phantom images obtained by simulation method and by experimental method for a small gamma camera consisting of a NaI (Tl) and a PSPMT. From these results, it is proposed that the simulation method could be applied for nuclear imaging system because the results of simulation MLPE is similar with those of experimental MLPE.
Dose conversion unit (DCU), which is composed of a single channel analyzer (SCA), a read only-memory (ROM), a digital-to-analog converter (DAC), and a microprocessor, was proposed in order to measure the real-time exposure dose rate. The performance of the DCU incorporated with the theoretically calculated dose conversion factors was evaluated by measurement of exposure dose rates as a function of distance between gamma ray source and detector for several standard sources. The exposure dose rates measured by the DCU are deviated with the calculated values based on gamma factor within an 11.5%. A new portable nuclear imaging system combined with the DCU was developed for obtaining both gamma image and real-time exposure dose rate simultaneously.
핵영상 시스템은 고준위 방사성 폐기물 운반 및 보관, 핵 오염지역 조사, 핵 연료저장, 비파괴검사등에 다양하게 사용되는데, 실시간으로 감마선의 에너지 정보를 알 수 있어 방사선장의 정량적 또는 정성적 분석이 가능하며, 또한 핵영상에 가시광 이미지를 합성함으로써 방사선의 위치정보를 알 수 있다. 그러나 기존의 핵영상 시스템은 개선되어야 할 문제점을 가지고 있다.
첫째는 핵영상 왜곡현상으로, 이는 주로 콜리메이터와 핵영상 위치를 찾아내는 알고리즘에 크게 기인한다.
둘째는 핵영상과 동시에 실시간 조사선량율을 측정할 수 없는 문제점이다. 만일 핵영상 합성이미지에 실시간 조사선량율을 동시에 줄 수 있다면, 운전자 및 작업자에 대한 피폭선량을 상당히 줄일 수 있다.
위에서 언급한 단점을 보완할 수 있는 새로운 형태의 콜리메이터 설계, 핵영상 왜곡을 보정할 수 있는 알고리즘의 적용 및 조사선량율과 핵영상을 동시에 측정할 수 있는 새로운 시스템의 구현이 본 논문의 목적이다.
의료영상용 평면감마카메라와 달리, 핵영상 시스템은 높은 에너지 영역에서 사용되어진다. 따라서 콜리메이터 주변의 방사선 산란에 의한 영상 왜곡이 심하다. 콜리메이터는 여러 종류가 있으나 본 논문에서는 제작이 용이하고 각 분해능이 거리에 상관없이 일정하여 핵영상 시스템에 아주 유용한 핀 홀 콜리메이터에 대하여 연구를 하였다. 기존의 핵영상 시스템에서의 핀 홀 콜리메이터는 칼날형이였다. 즉 콜리메이터 끝이 매우 예리하여 낮은 에너지 영역에서는 문제가 없었지만, 높은 에너지 영역에서 사용되는 핵영상 시스템에서는 이미지 왜곡이 심했다. 이런 이미지 왜곡현상을 막기 위해서, 텅스텐을 이용한 채널타입의 새로운 핀 홀 콜리메이터를 설계, 제작, 그리고 실험을 통하여 기존의 콜리메이터와 성능을 비교하였다. 비록 기존의 콜리메이터보다 방사선 흡수효율이 떨어지나, 이미지 왜곡면에서는 월등히 좋아졌다. 1.5 MeV 방사선 에너지 영역까지 사용할 경우 홀 지름은 4 mm, 채널 높이는 2 mm가 가장 최적임을 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해서 증명하였다.
이미지 왜곡의 또 다른 원인은 위치를 찾아내는 알고리즘에 있다. 기존의 시스템에서는 앵거(Anger)알고리즘을 이용하여 핵영상을 얻었다. 이 앵거알고리즘은 계산시간이 적게 걸리고, 적용이 간단하지만, 한 개의 위치민감형 광전자증배관을 사용하는 핵영상 시스템에서는 심각한 영상왜곡이 생긴다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 최대공산위치추정방법(Maximum Likelihood Position Estimation)을 이용하여 분해능이 좋은 핵영상을 획득했다. 최대공산위치추정 적용방식은 실험을 통하여 구현하는 방법과 시뮬레이션(computer simulation) 방법이 있다. 본 논문에서는 방사선과 섬광검출기, 검출기에서 나온 빛의 거동, 광전자증배관에서 전자증폭 및 신호수집의 확률론적인 과정 (stochastic process)을 모사할 수 있는 시뮬레이션 코드를 최초로 개발, 핵영상 왜곡을 보정하였다.
이미지 왜곡 보정 후, 실시간으로 조사선량율을 측정하기 위해서 선량환산시스템 (Dose Conversion Unit)을 도입했다. 이 선량환산시스템은 단일채널분석기 (SCA: Single Channel Analyzer), 롬 (ROM: Read Only Memory), 디지털 아날로그 변환기 (DAC: Digital to Analog Converter), 및 마이크로프로세서로 구성되는데, 방사선 흡수에 비례하는 펄스의 크기에 따라 각각 다른 선량환산인자를 고려하여 간단하면서도 짧은 시간에 조사선량율을 측정할 수 있다. 이론적인 계산과 선량환산시스템을 이용하여 측정한 조사선량율 값이 거의 일치하였는데, 이를 통해서 본 선량환산시스템의 타당성을 검증하였다. 이 선량환산시스템을 기존의 핵영상 시스템에 도입해서 감마선의 위치를 정확히 구할 수 있고, 동시에 실시간 조사선량율을 측정할 수 있는 진보된 핵영상 시스템을 제작하였다. 이 시스템을 이용하여 실제 핵영상을 획득했으며, 또한 동시에 조사선량율을 측정했다. 본 논문에서 제시된 방법은 앞으로 핵 물질 관련분야, 비파괴검사분야, 뿐만 아니라 의료분야에서도 이용될 수 있을 것이다.
