Compact Wide-FOV Radiation Imaging System for Medical and Nuclear Facility Applications
의료 및 원자력 시설용 소형 광시야 방사선 영상 시스템
- 주제(키워드) Coded-mask gamma camera , SiPM , 3D source localization , MLEM , Triangulation , FOV , MURA mask; 코드화 개구 감마 카메라 , MURA 마스크 , SiPM 기반 검출기 , MLEM 재구성 , 삼각측량 , 3D 선원 위치 추정
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082889
- UCI I804:11029-000000082889
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
Radiation monitoring is crucial for ensuring the safety of patients and workers in medical and nuclear facilities. The purpose of this study was to develop a compact radiation imaging system with a wide field of view (FOV). Among various collimators, the coded mask with a modified uniformly redundant array (MURA) pattern was designed to achieve high sensitivity. The effect of mask thickness (15 mm, 20 mm, and 25 mm) on image quality was investigated using the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) simulation method. The performance of coded masks with ranks 5, 7, 11, 13, 17, and 19 was also evaluated using the GATE simulation method. The detector block was composed of a 3 × 3 matrix of detector modules, each consisting of a 4 × 4 Gadolinium Aluminum Gallium Garnet (GAGG) array coupled to a 4 × 4 silicon photomultiplier (SiPM) array. The distance between the coded mask and the detector block was set to 12 mm to expand the FOV and reduce the size of the monitoring system. A symmetric charge division (SCD) circuit using diodes was designed and fabricated to reduce the 144 outputs of the detector block to 24. A resistive encoder circuit was developed to further reduce 24 SCD outputs to 4. The reduced 4 signals were sent to a Field-Programmable Gate Array (FPGA)-embedded data acquisition (DAQ) board to calculate the energies of the detected gamma rays. To evaluate the performance of the developed radiation monitoring system, flood histogram, energy spectrum, and sensitivity were measured. Long term stability was also investigated by monitoring the energy spectra of detector modules for 18 months. Additionally, a ‘ㄱ’-shaped phantom image was acquired at a distance of 3 m to evaluate long-range imaging performance. Furthermore, a triangulation-based method using two camera positions was implemented to estimate the source-to-camera distance. The highest quality image was produced by the coded mask with a thickness of 25 mm. The sensitivity was consistent regardless of the rank, as the coded masks with different ranks had the same opening area. The wide angular FOV (25.8°) and a moderate angular resolution (5.2°) were achieved with the coded mask of rank 19. Based on the simulation results, a 2 × 2 array of 19 × 19 MURA patterns (27 mm × 27 mm × 25 mm, hole size 1.5 mm × 1.5 mm × 25 mm) was fabricated. One hundred forty-four crystal pixels from nine detector modules were clearly resolved in the flood histograms. The average energy resolution was measured as 7.6 ± 0.6%. Sensitivity was evaluated with respect to different MURA mask ranks and mask-to-detector distances. The sensitivity remained consistent across different mask ranks and mask-to-detector distances due to the identical 50% open fraction of all MURA patterns. A ‘ㄱ’-shaped phantom image was clearly reconstructed at a distance of 3 m, demonstrating the capability of the coded-aperture gamma camera for long-range phantom imaging. Source-to-camera distance estimation was achieved using a triangulation-based approach with two camera positions, showing a relative error of approximately 3%. The experimental results demonstrated that the radiation monitoring system developed in this study is highly compact and capable of accurately localizing and identifying radioactive sources. Furthermore, the system exhibited consistent long-term stability, confirming its suitability for practical applications in medical and nuclear facilities.
more초록(요약문)
방사선 모니터링은 의료 및 원자력 시설에서 환자와 종사자의 안전을 확보하는 데 필수적인 요소이다. 본 연구에서는 넓은 시야각(Field of View, FOV)을 갖는 소형 방사선 영상 시스템을 개발하였다. 다양한 콜리메이터 중에서 높은 감도를 확보하기 위해 수정 균일 중복 배열(Modified Uniformly Redundant Array, MURA) 패턴을 적용한 부호화 구경 마스크를 설계하였다. 마스크 두께(15 mm, 20 mm, 25 mm)와 패턴 차수가 영상 성능에 미치는 영향은 Geant4 Application for Tomographic Emission(GATE) 시뮬레이션을 통해 평가하였으며, 차수 5, 7, 11, 13, 17, 19의 MURA 마스크 성능을 비교 분석하였다. 검출기 블록은 3 × 3 행렬의 검출기 모듈로 구성하였으며, 각 모듈은 4 × 4 Gadolinium Aluminum Gallium Garnet(GAGG) 결정 배열과 4 × 4 실리콘 광증배기(Silicon Photomultiplier, SiPM) 배열을 결합하여 제작하였다. 넓은 시야각 확보와 시스템 소형화를 위해 부호화 구경 마스크와 검출기 블록 간 거리는 12 mm로 설정하였다. 또한, 다이오드를 이용한 대칭 전하 분할(Symmetric Charge Division, SCD) 회로를 설계·제작하여 검출기 블록의 144개 출력 채널을 24개로 축소하였고, 저항 인코더 회로를 통해 이를 다시 4개 신호로 감소시켰다. 축소된 신호는 FPGA 기반 데이터 획득(Data Acquisition, DAQ) 시스템을 통해 처리되어 검출된 감마선의 에너지를 계산하였다. 개발된 방사선 영상 시스템의 성능을 평가하기 위해 플러드 히스토그램, 에너지 스펙트럼 및 감도를 측정하였으며, 검출기 모듈의 에너지 스펙트럼을 18개월 동안 모니터링하여 장기 안정성을 평가하였다. 또한, 원거리 영상 성능을 검증하기 위해 3 m 거리에서 ‘ㄱ’자 형태의 팬텀 영상을 흭득하였고, 두 개의 카메라 위치를 이용한 삼각측량 기반 거리 추정 기법을 적용하여 선원과 카메라 간 거리를 추정하였다. 실험 결과, 두께 25 mm의 부호화 구경 마스크에서 가장 우수한 영상 품질이 확인되었다. 동일한 개구 면적을 갖는 MURA 마스크의 특성으로 인해 감도는 마스크 차수에 따라 큰 차이를 보이지 않았으며, 차수 19의 MURA 마스크를 통해 약 25.8°의 각도 시야각과 약 5.2°의 각도 분해능을 확보하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 19 × 19 MURA 패턴의 2 × 2 배열 마스크(27 mm × 27 mm × 25 mm, 구멍 크기 1.5 mm × 1.5 mm × 25 mm)를 제작하였다. 플러드 히스토그램에서는 9개의 검출기 모듈로부터 총 144개의 결정 픽셀이 명확히 분리되었으며, 평균 에너지 분해능은 7.6 ± 0.6%로 측정되었다. 감도는 다양한 MURA 마스크 차수 및 마스크–검출기 거리 조건에서 평가하였으며, 모든 MURA 패턴이 약 50%의 개구율을 갖기 때문에 감도는 차수 및 거리 변화에 따라 크게 변하지 않음을 확인하였다. 또한, 3 m 거리에서 ‘ㄱ’자 형태의 팬텀 영상이 명확하게 재구성되어 원거리 영상 구현 가능성을 입증하였다. 두 개의 카메라 위치를 이용한 삼각측량 기반 거리 추정 결과, 약 3% 수준의 상대 오차로 선원–카메라 거리 추정이 가능함을 확인하였다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 개발한 방사선 영상 시스템은 소형이면서도 방사성 선원의 위치를 정확하게 국소화하고 식별할 수 있음을 확인하였다. 또한, 장기간에 걸친 평가에서 안정적인 성능이 유지됨을 통해 본 시스템이 의료 및 원자력 시설에서의 지속적인 방사선 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하였다.
more목차
1. Introduction 1
2. Materials and Methods 3
2.1 System Configuration and Operational Overview 3
2.2 MURA Coded Mask Design 5
2.3 Detector Configuration 7
2.4 Signal Readout and Data Acquisition 9
2.5 Signal Acquisition and Processing Flow 10
2.6 Maximum Likelihood Expectation Maximization algorithm 12
2.7 Performance Evaluation 13
2.8 Distance Estimation Using Triangulation 15
3. Results 19
3.1 Sensitivity Evaluation by MURA Mask Rank and Distance 19
3.2 Optimized MURA Mask Parameters 21
3.3 Flood Histogram and Energy Resolution 24
3.4 System stability 25
3.5 Image Reconstruction Using MLEM 26
3.6 FOV and Angular Resolution 27
3.7 Distance Estimation by Triangulation 29
3.8 Phantom Imaging Experiment 30
4. Discussion 31
5. Conclusion 33
Bibliography 34
Abstract in Korean 36
