KR20160115565A

KR20160115565A - 감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160115565A
Application number: KR1020150043496A
Authority: KR
Inventors: 이봉수; 유욱재; 홍승한; 장경원; 신상훈
Original assignee: 건국대학교 글로컬산학협력단
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-10-06

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 감지 프로브는, 베타선 또는 감마선을 측정하여 섬광 영상 신호를 생성하는 섬광체; 말단(distal-end)이 상기 섬광체에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 전단(proximal-end)측으로 전송하는 광섬유 영상 가이드; 및 상기 광섬유 영상 가이드의 전단에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 확대하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 광섬유 테이퍼;를 포함한다.

Description

감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법{Sensing probe, apparatus and method for detecting fiber-optic beta/gamma image using the same}

본 발명은 영상 검출 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 베타선 및/또는 감마선 분포를 측정하기 위한 감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법에 대한 것이다.

핵의학(nuclear medicine)은 체내에 주입된 방사성 의약품(radiopharmaceutical) 및/또는 방사성 트레이서(radiotracer)로부터 발생되는 방사선을 측정한 뒤, 영상으로 구현하여 환자의 생리적, 병리적 상태를 진단하거나 치료하는 의학분야이다.

일반적으로 핵의학 영상 진단과 치료분야에 있어 지속적인 연구를 통한 기반지식의 구축으로 방사성 의약품을 이용하여 종양을 촬영하는 기술인 방사 면역 신티그라피(radioimmunoscintigraphy, RIS)와 종양을 제거하는 기술인 방사 면역지침 수술(radioimmunoguided surgery, RIGS)이 크게 발전하였다.

이러한 기술은 종양에 대한 항체에 방사성 동위원소(radioisotope)를 표지(labeling)하여 종양을 영상화하는 기술로서 종양에만 특이적으로 집적된 방사성 의약품에서 방출되는 감마선(gamma-ray)의 검출을 목적으로 한다.

이는 적절한 종양 표식자를 이용하여 위암 및/또는 대장암 치료에 있어 표준수술로 이용되는 절개 및 항암 약물 치료의 낮은 치료성적으로 인한 한계성을 극복할 수 있는 중요한 기술로 각광받고 있다.

앞서 서술한 바와 같이 방사성 의약품을 이용한 종양의 진단과 치료를 위해서는 방사성 의약품의 분포와 위치에 대한 정보를 획득하기 위한 핵의학용 영상 진단장비가 필수적이다.

일반적으로 RIGS 수술 시, 종양에 축적된 방사성 의약품에서 발생하는 감마선을 검출하기 위하여 감마 프로브(gamma probe)가 사용되고 있다. 이는 기존의 핵의학 진단 장비인 감마 카메라(gamma camera), 양전자 방출 단층 촬영 장치(positron emission tomography, PET), 단일광자 방출 전산화 단층 촬영장치(single photon emission computed tomography, SPECT) 등에 비해 수술실 내에서 자유롭게 이동이 가능하다. 또한, 실시간으로 잔류 종양(remnant cancer)의 유무 및/또는 위치를 평가할 수 있다는 장점이 있다.

그런데, 상용화된 영상용 감마 프로브(imaging gamma probe)는 낮은 공간분해능(spatial resolution)을 가지며, 영상 구현을 위해 긴 데이터 획득시간을 필요로 한다는 단점이 있다.

또한, 계수용 감마 프로브(counting gamma probe)와는 달리 광 계측기기 외에 영상 구현을 위한 위치 검출 회로(position encoding circuit)를 포함한 전자장비가 부수적으로 필요하다. 따라서, 전체 검출 시스템의 부피가 크다는 단점도 있다.

또한, 몇몇 방사성 의약품의 경우에는 양전자(positron)를 방출한 후, 여기상태(excited state)의 불안정한 원자핵이 기저상태(ground state)로 안정화되는 과정에서 베타선 및 감마선을 방출한다. 따라서 감마선의 검출 시, 베타선의 영향을 필수적으로 고려하여야 한다. 그러나, 상용화된 영상용 감마 프로브는 베타선의 영향을 무시한다. 따라서, 베타선과 감마선을 모두 고려하는 방사선 영상 검출기의 개발이 필요한 실정이다.

이를 위해, 광섬유를 이용한 방사선 검출기가 개시되어 있다. 일반적으로 광섬유 방사선 검출기의 광 계측기기로 광증배관(photomultiplier tube, PMT)이 주로 사용된다. 광증배관(특히, 다채널 광증배관)의 경우, 각 채널에서 증폭률(amplication factor) 및 오프셋 전압(offset voltage)을 동일하게 조절해야하는 어려움이 있다.

부연하면, 섬광신호의 광강도(light intensity)가 매우 낮기 때문에 광증배관을 이용하여 전기신호로 변환, 증폭 및 오프셋 등의 수행을 위해 여러 개의 증폭기와 이벤트(event)의 위치 판별 및 영상 구현을 위한 위치 검출 회로 등과 같은 부수적인 회로들이 요구된다는 단점이 있다.

1. 한국공개특허번호 제10-2012-0077836호

1. 홍승한외, "베타/감마 동시 측정용 광섬유 이중 검출기의 개발을 위한 기초연구" 전기학회논문지 제63권 제2호 (2014년 2월) pp.284-290 2. Hoffman Edward J외, "Gamma and beta intra-operative imaging probes" Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Vol. 392 No. 1 324p ~ 329p(1997)

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 방사성 핵종으로부터 방출되는 베타선과 감마선의 실시간 섬광영상 검출이 가능하며, 높은 공간 분해능 및 계수 효율(counting efficiency)을 가질 수 있는 감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 오프셋 전압 조절, 이벤트의 위치 판별 및 영상 구현 등을 위한 부수적인 회로들을 사용하지 않으면서도 베타선과 감마선을 모두 고려하는 방사선 영상이 검출 가능한 감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 방사성 핵종으로부터 방출되는 베타선과 감마선의 실시간 섬광영상(scintillation image) 검출이 가능하며, 높은 공간 분해능 및 계수 효율(counting efficiency)을 가질 수 있는 감지 프로브를 제공한다.

상기 감지 프로브는,

베타선 및/또는 감마선을 측정하여 섬광 영상 신호(scintillation image signal)를 생성하는 섬광체(scintillator);

말단(distal-end)이 상기 섬광체에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 전단(proximal-end)측으로 전송하는 광섬유 영상 가이드; 및

상기 광섬유 영상 가이드의 전단에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 확대하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 광섬유 테이퍼;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 광섬유 테이퍼는 상기 광섬유 영상 가이드의 전단에 결합되는 입사면이 출력면의 면적보다 작도록 상기 출력면 측으로 지름이 증가되는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬광체는 상기 광섬유 영상 가이드의 말단에 착탈 가능한 어댑터 방식인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬광체 중 베타선을 측정하기 위한 물질은 CaF₂:Eu 결정(crystal)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬광체 중 감마선을 측정하기 위한 물질은 Gd₂O₂S:Tb, LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate):Ce 결정, YSO:Ce, BGO(Bi₄Ge₃O₁₂)결정, YAP(yttrium aluminate perovskite):Ce 결정, 및 GAGG(gadolinium aluminum gallium garnet) 결정 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 광섬유 영상 가이드는 결맞음 광섬유 다발(coherent fiber-optic bundle)이며, 상기 결맞음 광섬유 다발은 계단형의 굴절율(step index)을 갖는 다수의 유리 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 광섬유 영상 가이드는 연성 광섬유 영상 가이드(flexible fiber-optic image guide) 또는 경성 광섬유 영상 도관(rigid fiber-optic conduit)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 광섬유 테이퍼는 입사면과 출력면의 면적이 서로 다른 광섬유 다발로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 방사선원(radiation source)으로부터 방사되는 감마선 또는 베타선을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 감지 프로브; 상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 증배관; 상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성하는 촛점 렌즈; 및 상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성하는 카메라 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치를 제공한다.

이때, 상기 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치는, 상기 섬광 영상에서 관심 영역을 지정하여, 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 또는 감마선의 분포도를 산출하는 영상 신호 처리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 영상 증배관은 2차원 평면 영상의 광 강도를 증배하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 영상 증배관의 형광 물질로 Gd₂O₂S:Tb이 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 영상 증배관의 입사창과 출력창의 물질은 광섬유 다발인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 카메라 모듈은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기반의 카메라인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 감지 프로브는 상기 방사선원의 방사능을 최소 0.25 μCi까지 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 방사선원과 상기 감지 프로브의 섬광체 사이의 거리는 0.5 mm 내지 7 mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 영상 증배관의 분광 이득(spectral gain)은 상기 영상 증배관에 인가되는 제어 전압으로 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 방사선원으로부터 방출되는 베타선 또는 감마선을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 신호 측정 단계; 영상 증배관을 통해 상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 신호 증배 단계; 촛점 렌즈를 통해 상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성하는 촛점 조정 단계; 및 카메라 모듈을 통해 상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성하는 영상 획득 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 영상 획득 단계는, 상기 섬광 영상이 생성되면, 영상 신호 처리 유닛을 이용하여 상기 섬광 영상에서 관심 영역을 지정하는 단계; 및 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 또는 감마선의 분포도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 섬광체, 광섬유 영상 가이드 그리고 광섬유 테이퍼의 결합으로 구성되는 감지 프로브, 영상증배관, 및 촛점 렌즈 시스템을 이용함으로써 방사선원으로부터 방출되는 베타선 또는 감마선의 실시간 섬광영상 검출이 가능하다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 높은 공간 분해능 및 계수 효율(counting efficiency)로 최소 약 0.25 μCi의 방사능까지 실시간 영상 획득이 가능하다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 약 0.5 mm에서 7 mm까지의 거리에 위치한 선원을 구분할 수 있다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 섬광체, 광섬유 영상 가이드 그리고 광섬유 테이퍼의 결합으로 구성되는 감지 프로브, 영상 증배관을 이용함으로써 오프셋 전압 조절, 이벤트의 위치 판별 및 영상 구현 등을 위한 부수적인 회로 등이 필요하지 않다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 감지 프로브(120)의 구조이다.
도 3은 일반적으로 광섬유 영상 가이드(도 2의 220)만을 사용한 경우 촬영된 광학 영상의 일예이다.
도 4는 도 2에 도시된 바와 같이 광섬유 영상 가이드(220)에 광섬유 테이퍼(230)가 결합된 감지 프로브(120)에 의해 촬영된 광학 영상의 일예이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 따라 획득되는 변조전달함수(MTF: Modulation Transfer Function) 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 영상 증배관에 인가되는 전압에 따라 변하는 출력 신호의 가로축 분포를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사능에 따라 측정된 섬광 영상의 광 강도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사선원(radiation source)(110)과 감지 프로브(120) 사이의 거리에 따른 섬광영상의 강도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 서로 다른 방사능을 가지는 방사선원들을 측정한 섬광 영상의 화면예이다.
도 10은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사선원을 거리에 따라 측정한 섬광 영상의 화면예이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 베타 감마 영상을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 프로브, 이를 이용한 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)는, 방사선원(radiation source)(110)으로부터 방사되는 감마선 및/또는 베타선(111)을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 감지 프로브(120), 상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 증배관(130), 상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성하는 촛점 렌즈(140), 상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성하는 카메라 모듈(150), 섬광 영상 신호를 이용하여 베타선 및/또는 감마선의 분포도를 산출하는 영상 신호 처리 유닛(160) 등을 포함하여 구성된다.

방사선원(110)은 방사선을 방출하거나 인공적으로 방출할 수 있는 장치 또는 물질이다. 방사성동위원소(radioisotope), 입자 가속기가 있으며 원자도 사용방법에 따라서는 방사선원이 된다. 측정 가능한 감마선원으로는 Cs-137, Co-60 등이 있고, 베타 선원으로는 Sr-90, Y-90 등이 있다.

감지 프로브(120)는 방사선원(110)인 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 또는 감마선과의 상호작용에 의해 섬광체에서 발생된 섬광 영상 신호를 광학적으로 확대하여 영상 증배관(130)의 입사창(132)으로 입사한다. 감지 프로브(120)에 대하여는 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.

도 1을 계속 참조하면, 영상 증배관(130)은 감지 프로브(120)에 의해 생성되어 입사되는 섬광 영상 신호(131)가 미약한 광 강도를 가지므로 이러한 섬광 영상 신호(131)를 증배하는 기능을 수행한다. 부연하면, 입사창(132)에 입사된 빛은 영상 증배관의 음극(cathode)(미도시)에서 광전효과(photoelectric effect)를 통해 광전자(photoelectron)를 발생시킨다. 이후, 발생된 광전자는 고전압을 이용한 마이크로채널 플레이트(microchannel plate, MCP)(미도시)에 의하여 가속된 뒤, 형광면(phosphor screen)(미도시)에 투사되어 최종적으로 광 강도가 증배된 가시광선 영역의 광 신호가 발생된다.

영상 증배관(130)은 0차원의 광신호가 아닌 2차원 평면 영상 신호의 광 강도를 증배한다. 따라서, 오프셋 전압 조절을 위한 회로가 필요치 않으며, 위치 판별 및 영상 신호로 변환시키는 앵거 카메라 로직 회로(Anger camera logic circuit) 역시 요구되지 않는다. 또한, 영상 증배관(130)의 출력창에서 나타나는 섬광영상을 촬영하기 위해 촛점 렌즈(140) 및 카메라 모듈(150)을 이용할 경우, 일반적인 광섬유 방사선 영상 센서에 비하여 고해상도의 방사선 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 영상 증배관(130)의 형광 물질로 Gd₂O₂S:Tb 등이 사용될 수 있으며, 545nm에서 최대 파장이 발생한다. 또한, 상기 영상 증배관(130)의 입사창(132)과 출력창(즉, 입사창의 맞은편에 해당)의 물질은 일반 유리가 아닌 광섬유 다발을 사용하여 유리보다 40%의 높은 수광 효율(light guiding efficiency)을 가지며, 28 lp/mm의 영상분해능을 가진다. 또한, 영상 증배관(130)은 최대 3.3 × 106 W/W의 분광 이득(spectral gain)을 갖는다.

카메라 모듈(150)은 촛점 렌즈(140)를 통하여 생성되는 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성한다. 카메라 모듈(150)로는 CCD(charge coupled device) 기반의 카메라 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기반의 카메라가 사용된다. 따라서, 초당 약 25Hz의 프레임률(frame rate)로 동영상 측정이 가능하며, 셔터속도(shutter speed) 및 민감도(sensitivity)의 설정은 전용 프로그램을 이용하여 변경 가능하다.

이러한 영상 증배관(130) 및 카메라 모듈(150)을 이용함으로써 일반적인 핵의학에서 사용되는 위치검출회로를 생략할 수 있다. 또한, 낮은 구동 전압으로 영상신호의 획득이 가능하다.

영상 신호 처리 유닛(160)은 카메라 모듈(150)에 의해 생성되는 섬광 영상에서 관심 영역을 지정한다. 이후, 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 및/또는 감마선의 분포도를 산출한다. 부연하면, 카메라 모듈(150)을 이용하여 증배 섬광 영상 신호를 초당 60 프레임으로 구성된 동영상 파일로 획득한다. 획득한 동영상 파일을 MATLAB(MAtrix LABoratory) 프로그램을 이용하여 개별 프레임으로 분리하고, RGB 스케일(scale)을 그레이 스케일(gray scale)(0~255)로 변환한다. 즉 프레임을 구성하는 개별 픽셀은 RGB scale로 저장되어 있기 때문이다.

이후, 그레이 스케일(gray scale)로 변환된 픽셀 값들의 평균을 도출하여 도 9에 도시된 최종 섬광 영상을 획득한다. 최종 획득된 최종 섬광 영상에서 방사선이 측정된 부위를 중심으로 관심영역(Region of interest, ROI)을 원형으로 지정한다. 즉, 관심영역의 지정은 관심영역 내에 위치하는 픽셀의 gray scale의 값만을 고려한다는 의미이다. 최종적으로, 관심영역 내에 해당하는 픽셀의 gray scale의 값을 합산하여 방사능 변화에 따른 섬광 영상 신호의 광 강도 변화 추이를 도출한다.

도 2는 도 1에 도시된 감지 프로브(120)의 구조이다. 도 2를 참조하면, 상기 감지 프로브(120)는, 베타선 또는 감마선을 측정하여 섬광 영상 신호(scintillation image)를 생성하는 섬광체(scintillator)(210), 말단(distal-end)이 상기 섬광체에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 전단(proximal-end)측으로 전송하는 광섬유 영상 가이드(220), 상기 광섬유 영상 가이드(220)의 전단에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 확대하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 광섬유 테이퍼(230) 등을 포함하여 구성된다. 섬광체(210)는 방사선원(도 1의 110)에서 방출되는 베타선 및/또는 감마선의 상호작용에 의해 섬광영상 신호를 생성한다.

부연하면, 베타선 및/또는 감마선과의 상호작용 후, 흡수된 감마선 및/또는 베타선의 에너지 일부를 섬광영상 신호로 변환한다. 일반적으로 베타선은 비정(range)이 짧으므로 원자번호 및 밀도가 낮고 두께가 얇은 섬광체가 사용된다. 이러한 섬광체 중 베타선을 측정하기 위한 물질은 CaF₂:Eu 결정(crystal) 등이 사용될 수 있다.

이와 달리, 감마선은 비정이 길기 때문에 원자번호와 밀도가 높고 두께가 두꺼운 섬광체가 사용된다. 이러한 섬광체 중 감마선 측정을 위해 Gd₂O₂S:Tb, LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate):Ce 결정, YSO:Ce, BGO(Bi₄Ge₃O₁₂)결정, YAP(yttrium aluminate perovskite):Ce 결정, 및 GAGG(gadolinium aluminum gallium garnet) 결정 등이 사용될 수 있다.

그러나 측정하고자 하는 방사선의 에너지 및/또는 방사능에 따라 섬광효율이 달라지므로 베타선 및/또는 감마선을 방사하는 방사선원의 종류에 따라 섬광체의 두께를 다르게 한다. 본 발명의 일실시예에서는 착탈 가능하게 어댑터 방식을 이용한다. 즉, 광섬유 영상 가이드(220)의 말단에 종류 및/또는 크기가 다양한 섬광체들의 장착 및 교체가 가능하다. 어댑터 방식으로는 섬광체(210)와 광섬유 영상 가이드(220)의 내측 및/또는 외측면 상에 나사상을 형성하는 방식을 들 수 있다. 또는 섬광체(210)와 광섬유 영상 가이드(220) 중의 한 쪽 또는 양쪽에 접착 필름을 부착하는 방식도 가능하다.

또한, 상기 섬광체(210)로 섬광 필름의 형태로 제작된 것을 사용할 수 있으며 상기 Gd₂O₂S:Tb, LYSO:Ce 결정, YSO:Ce, BGO결정, YAP:Ce 결정, GAGG 결정들을 투명한 박막에 코팅하여 만들어질 수 있다. 부연하면, 약 0.35mm 두께의 결정을 약 0.036mm 두께의 투명한 박막에 코팅하는 방식이다. 이러한 섬광 필름의 제품으로는 LANEX Fast Screens(Kodak사)를 들 수 있다. 이러한 섬광필름의 섬광물질은 얇은 두께로 도포되므로 시준기(collimator)가 없는 시스템 하에서 발생되는 반음영(penumbra)을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.

광섬유 영상 가이드(220)는 섬광체(210)에서 생성되는 섬광영상 신호를 광섬유 테이퍼(230)측으로 전송하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 광섬유 영상 가이드(220)는 결맞음 광섬유 다발(coherent fiber-optic bundle)로 구성된다. 특히, 상기 결맞음 광섬유 다발은 계단형의 굴절율(step index)을 갖는 다수의 유리 광섬유로 이루어질 수 있다. 부연하면, 직경이 약 100μm인 약 3,000개 이상의 유리 광섬유 다발로 제작된다.

또한, 상기 광섬유 영상 가이드(220)는 연성 광섬유 영상 가이드(flexible fiber-optic image guide) 또는 경성 광섬유 영상 도관(rigid fiber-optic conduit)이 될 수 있다.

또한, 광섬유 영상 가이드(220)는 의료용 내시경에서 사용되는 영상 가이드(image guide)가 빛에 의해 포착된 신체 내부의 영상을 외부로 전달하는 하는데, 이를 섬광영상의 검출에 접목한 것이다. 부연하면, 광섬유 영상 도관에 사용된 개별 광섬유는 계단형의 굴절율(step index)을 가지며, 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절율(refractive index)은 각각 약 1.58, 약 1.49이고, 개구수(numerical aperture, NA)는 약 0.53이다. 또한 광섬유 영상 도관을 이루는 개별 광섬유의 집적율(packing fraction, PF)은 100%로서 집광 효율(light collection efficiency)을 가지고, 약 5 lp/mm의 영상 분해능을 갖는다.

따라서, 광섬유 영상 가이드(220)의 일단 내측에 섬광체(210)에 의해 생성된 섬광 영상(201)이 형성되고, 이러한 생성된 섬광 영상(201)과 동일한 크기 및 성질을 갖는 전송된 섬광 영상(202)이 광섬유 테이퍼(230)의 타단 내측에 형성된다. 이 전송된 섬광 영상(202)이 광섬유 테이퍼(230)측으로 전송된다.

일반적으로, 광섬유는 섬광체(210)에서 발생된 섬광 영상 신호를 광 계측기기로 전송하는 역할을 하며 온도, 압력, 고주파 및 전자기파에 의한 영향을 받지 않으면서 원거리에 광 신호를 전송할 수 있다는 장점을 가진다.

광섬유 테이퍼(230)는 입사면에 입사되는 전송된 섬광 영상(202)를 확대 혹은 축소하여 투과시킨다. 특히, 입사면과 출력면의 면적이 서로 다른 광섬유 다발로 구성된다. 또한, 상기 광섬유 영상 가이드(220)의 전단에 결합되는 입사면이 출력면의 면적보다 작도록 상기 출력면측으로 지름이 증가되는 형상을 갖는다.

또한, 광섬유 테이퍼(230)의 입사면과 출력면의 면적비(area ratio)는 약 1: 2.27이며, 이와 동일한 수치의 배율로 섬광 영상을 투과한다. 광섬유 영상 도관(120)에 접합된 광섬유 테이퍼(230)의 말단(distal end)은 면적이 작은 면이기 때문에 최종적으로 면적이 큰 면인 전단(proximal end)으로 전달된 섬광 영상 신호는 섬광체(210)에서 발생된 섬광 영상에 비해 2.27배 확대된 영상이다. 또한, 광섬유 테이퍼(230)의 개구수는 1이며, 약 102 lp/mm의 영상 분해능을 가질 수 있다.

도 3은 일반적으로 광섬유 영상 가이드만을 사용한 경우 촬영된 광학 영상의 일예이다. 도 3을 참조하면, 광섬유 영상 가이드(도 2의 220)만으로 광학 영상을 촬영한 화면예를 보여주는 도면이다.

도 4는 도 2에 도시된 바와 같이 광섬유 영상 가이드에 광섬유 테이퍼가 결합된 감지 프로브(120)에 의해 촬영된 광학 영상의 일예이다. 도 4를 참조하면, 광섬유 영상 가이드(도 2의 220)와 광섬유 테이퍼(도 2의 230)의 결합만으로 광학 영상을 촬영한 화면예를 보여주는 도면이다. 즉, 도 4에서 도시된 광학 영상은 도 3에 도시된 광학 영상에 비해 약 2.27배가 확대된 광학 영상이 된다.

도 5는 도 3 및 도 4에 따라 획득되는 변조전달함수(MTF: Modulation Transfer Function) 그래프이다. 도 5를 참조하면, 도 3에 따른 MTF 곡선(510)과 도 4에 따른 MTF 곡선(520)이 도시되다.

일반적으로 MTF는 광학시스템의 공간분해능 응답, 즉 해상력을 평가하는 대표적인 파라미터의 하나이다. 즉, 입력 정현파를 촬영한 뒤 출력 정현파와의 비율을 구하고 공간 주파수에 대한 진폭을 평가한 것이다. 일반적으로 MTF의 평가는 MTF 수치가 약 0.1인 곡선이 교차하는 점의 공간 주파수 값을 그 시스템의 영상 분해능이라 판단한다.

도 5를 계속 참조하면, 광섬유 영상 가이드(도 2의 220)에 광섬유 테이퍼(도 2의 230)를 결합한 경우의 MTF 수치가 광섬유 영상 가이드만을 사용하였을 때의 MTF 수치보다 낮으며, 영상 분해능이 약 2 lp/mm인 것을 확인할 수 있다. 이는 광섬유 영상 가이드와 광섬유 테이퍼의 결합으로 발생된 인접 광섬유들간의 간섭현상(cross-talk) 및/또는 누설 광(leaky ray) 등의 영향으로 MTF 수치가 낮아지기 때문이다.

도 6은 도 1에 도시된 영상 증배관에 인가되는 전압에 따라 변하는 출력 신호의 가로축 분포를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 영상 증배관(도 1의 130)의 분광 이득(spectral gain)은 영상 증배관(130)에 인가되는 제어 전압으로 조절된다. 이는 예를 들면 Cs-137 감마선원으로부터 방출되는 감마선의 분포를 나타내는 섬광 영상 신호의 미약한 광 강도를 영상 증배관으로 증배함에 있어 적절한 증폭도로 최적의 섬광영상을 획득하기 위함이다.

도 6을 참조하면, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 V의 제어전압에 따라 발생되는 출력신호의 가로축 분포는 각각 52, 48, 44, 68, 84 픽셀(pixel)의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 갖는다. 3.5 V 이상의 전압이 인가될 경우에는 출력 섬광 영상 신호의 광 강도가 포화(saturation)되는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사능에 따라 측정된 섬광 영상의 광 강도 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 섬광 영상에서 관심영역(region of interest, ROI)을 지정한 후, ROI 내에서 Cs-137에 의해 발생되는 섬광신호의 광 강도를 분석하여 도출하였다.

실험결과, 방사선원(도 1의 110)의 방사능과 발생되는 섬광신호의 광 강도는 선형관계를 가지며, 추세선(fitting line)의 결정계수(coefficient of determination, R²)는 0.9945임을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)의 경우 약 0.25 μCi 내지 5 μCi의 낮은 방사능을 가지는 방사선원을 검출하는데 있어서 계수 및/또는 영상화가 가능함을 확인할 수 있다.

도 8은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사선원(radiation source)(110)과 감지 프로브(120) 사이의 거리에 따른 섬광영상의 강도 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 5 μCi의 방사능을 가지는 Cs-137의 방사선원(도 1의 110)과 감지 프로브(도 1의 120) 사이의 거리 변화에 따른 섬광신호의 광 강도 변화를 보여주는 그래프이다.

방사선원(110)으로부터 약 20 mm 떨어진 곳에서 획득한 섬광 영상의 광 강도는 거리가 약 1 mm일때의 1.19%로 크게 감소함을 확인할 수 있다. 디스크 형태의 방사선원에 대하여 거리 x에 따른 선량 Ф은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, r은 디스크 형태인 방사선원의 반지름을 의미하고, S는 선원의 세기를 나타내는 상수이며, x는 방사선원과 감지 프로브 사이의 거리를 나타낸다.

또한, 추세선은 S/4를 변수로 지정한 후 획득한 것이다. 이때, 추세선의 결과로부터 획득한 r 값은 실제 디스크 형태인 선원의 반지름과 동일한 약 3.16 mm이다.

도 7 및 도 8에 따르면, 베타선 및/또는 감마선을 방출하는 방사성 핵종의 섬광영상을 획득한 결과, 0.25 μCi의 방사능까지 실시간 영상 획득이 가능하다. 또한, 방사능에 따라 선형적인 응답을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 방사선원으로부터 거리에 따른 섬광영상을 측정한 결과, 0.5 mm에서 7 mm까지의 거리에 위치한 선원을 구분할 수 있다. 그리고, 분석된 섬광 영상 신호의 광 강도는 방사선원으로부터 거리에 따른 선량(dose)과 일치한다.

도 9는 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 방사능에 따라 측정한 섬광 영상의 화면예이다. 도 9를 참조하면, 0.25 μCi, 0.5 μCi, 1 μCi 및 5 μCi의 방사능에 따른 섬광 영상의 화면예들이다.

도 10은 도 1에 도시된 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치(100)를 이용하여 거리에 따라 측정한 섬광 영상의 화면예이다. 도 10을 참조하면, 0.1 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, 2.5 mm, 3.0 mm, 3.5 mm, 4.0 mm, 7.0 mm 등의 거리에 따른 섬광 영상의 화면예들이다. 특히, 감지 프로브의 끝단과 디스크 형태의 방사선원(특히 감마선원)인 Cs-137의 표면 사이의 거리가 0.5 mm 일 때 획득한 섬광영상과는 다르게 거리가 멀어질수록 섬광 영상의 산란도가 증가된다. 또한, 공기 중에서 감약(attenuation)된 감마선에 의해 섬광영상의 ROI 내 섬광 영상 신호의 광 강도 역시 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

한편으로, 방사선원(도 1의 110)이 베타선원인 Tl-204의 경우, 섬광 영상 신호의 ROI 내에서 Tl-204에 의해 발생되는 섬광신호의 광 강도를 분석하여 도출할 수 있다. 이 경우, 1 μCi 이하의 낮은 방사능을 가지는 베타선원을 검출하는데 있어서 계수(counting) 및 영상화(imagining)가 가능하다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 베타 감마 영상을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 방사선원(도 1의 110)으로 방출되는 베타선 및/또는 감마선을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성한다(단계 S1100,S1200).

이후, 영상 증배관(도 1의 130)을 통해 상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성한다(단계 S1300).

이후, 촛점 렌즈(도 1의 140)를 통해 상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성한다(단계 S1400).

최종 섬광 영상 신호가 생성됨에 따라 카메라 모듈(150)을 통해 상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성한다(단계 S1500).

이후, 상기 섬광 영상이 생성되면, 영상 신호 처리 유닛(도 1의 160)은 상기 섬광 영상에서 관심 영역을 지정하고, 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 및/또는 감마선의 분포도를 산출한다(단계 S1600). 카메라 모듈(150)을 이용하여 증배 섬광 영상 신호를 초당 60 프레임으로 구성된 동영상 파일로 획득한다. 획득한 동영상 파일을 MATLAB(MAtrix LABoratory) 프로그램을 이용하여 개별 프레임으로 분리하고, RGB 스케일(scale)을 그레이 스케일(gray scale)(0~255)로 변환한다. 즉 프레임을 구성하는 개별 픽셀은 RGB scale로 저장되어 있기 때문이다.

한편, 영상 신호 처리 유닛(160)은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.

본 발명에서는 핵의학 시술 시, 베타선과 감마선의 분포 측정을 위하여 광섬유 베타/감마 영상 검출기(fiber-optic beta/gamma imaging detector)를 제공한다.

이는 베타선과 감마선을 검출하여 평면 영상을 구현하기 위한 일반적인 섬광신호(scintillation signal) 검출 방식에 광섬유 기반의 영상 가이드 및 테이퍼와 영상 증배관을 접목시킨 것이다.

100: 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치
110: 방사선원 111: 방사선
120: 감지 프로브
130: 영상 증배관
140: 촛점 렌즈
150: 카메라 모듈
160: 영상 신호 처리 유닛
210: 섬광체
220: 광섬유 영상 가이드
230: 광섬유 테이퍼

Claims

베타선 또는 감마선을 측정하여 섬광 영상 신호를 생성하는 섬광체;
말단(distal-end)이 상기 섬광체에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 전단(proximal-end)측으로 전송하는 광섬유 영상 가이드; 및
상기 광섬유 영상 가이드의 전단에 결합되어 상기 섬광 영상 신호를 확대하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 광섬유 테이퍼;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 테이퍼는 상기 광섬유 영상 가이드의 전단에 결합되는 입사면이 출력면의 면적보다 작도록 상기 출력면 측으로 지름이 증가되는 형상인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 섬광체는 상기 광섬유 영상 가이드의 말단에 착탈 가능한 어댑터 방식인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 3 항에 있어서,
상기 섬광체 중 베타선을 측정하기 위한 물질은 CaF₂:Eu 결정(crystal)인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 3 항에 있어서,
상기 섬광체 중 감마선을 측정하기 위한 물질은 Gd₂O₂S:Tb, LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate):Ce 결정, YSO:Ce, BGO(Bi₄Ge₃O₁₂)결정, YAP(yttrium aluminate perovskite):Ce 결정, 및 GAGG(gadolinium aluminum gallium garnet) 결정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 영상 가이드는 결맞음 광섬유 다발(coherent fiber-optic bundle)이며, 상기 결맞음 광섬유 다발은 계단형의 굴절율(step index)을 갖는 다수의 유리 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 영상 가이드는 연성 광섬유 영상 가이드(flexible fiber-optic image guide) 또는 경성 광섬유 영상 도관(rigid fiber-optic conduit)인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 섬광체는 투명한 박막에 감마선 측정 또는 베타선 측정을 위한 결정 물질을 코팅하는 섬광 필름의 형태인 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 테이퍼는 입사면과 출력면의 면적이 서로 다른 광섬유 다발로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감지 프로브.
방사선원(radiation source)으로부터 방사되는 감마선 또는 베타선을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 감지 프로브;
상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 증배관;
상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성하는 촛점 렌즈; 및
상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성하는 카메라 모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 섬광 영상에서 관심 영역을 지정하여, 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 또는 감마선의 분포도를 산출하는 영상 신호 처리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 영상 증배관은 2차원 평면 영상의 광 강도를 증배하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 영상 증배관의 형광 물질로 Gd₂O₂S:Tb이 사용되는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 영상 증배관의 입사창과 출력창의 물질은 광섬유 다발인 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 카메라 모듈은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기반의 카메라인 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 감지 프로브는 상기 방사선원의 방사능을 0.25 μCi 내지 5 μCi까지 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 방사선원과 상기 감지 프로브의 섬광체 사이의 거리는 0.5 mm 내지 7 mm인 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 영상 증배관의 분광 이득(spectral gain)은 상기 영상 증배관에 인가되는 제어 전압으로 조절되는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 장치.
방사선원으로 방출되는 베타선 또는 감마선을 측정하여 확대 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 신호 측정 단계;
영상 증배관을 통해 상기 확대 섬광 영상 신호의 광 강도를 증배하여 증배 섬광 영상 신호를 생성하는 영상 신호 증배 단계;
촛점 렌즈를 통해 상기 증배 섬광 영상 신호의 촛점을 조정하여 최종 섬광 영상 신호를 생성하는 촛점 조정 단계; 및
카메라 모듈을 통해 상기 최종 섬광 영상 신호를 획득하여 섬광 영상을 생성하는 영상 획득 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 영상 획득 단계는,
상기 섬광 영상이 생성되면, 영상 신호 처리 유닛을 이용하여 상기 섬광 영상에서 관심 영역을 지정하는 단계; 및 상기 관심 영역 내에서 광 강도를 이용하여 베타선 또는 감마선의 분포도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 베타 감마 영상 검출 방법.