Functional Improvement on Rotational Modulation Collimator Technique for Dual-particle Imaging Capability and Extended Field of View

Abstract

Rotational modulation collimator (RMC) is one of the radiation imaging techniques that make use of mechanical collimation, and it comprises a single detector placed behind two rotating collimator masks. This technique has the advantage of eliminating the need for position-sensitive radiation detectors, offering the possibility of reducing the system complexity and cost. However, the limitations of the existing RMC technique are that it 1) only has single-particle imaging and its 2) narrow field of view (FOV) is determined by the aspect ratio of the cylinder. The objective of this dissertation is to further investigate an RMC technique for localization of the radioactive materials, and it has mainly been improved along the following two viewpoints. First, dual-particle localization system was developed based on RMC coupled with a pulse shape discrimination (PSD) capable scintillator. The design parameters for RMC system were optimized using Monte Carlo (MC) simulations. To remove the 180° source ambiguity imposed by the conventional bilateral symmetric mask, a new slit and slat design of the mask was proposed. The method for estimating the location of radioactive materials was established using the maximum likelihood expectation maximization (MLEM) algorithm, and the imaging capability of the developed system was verified via measurement experiments. It offered an angular resolution 0.95° and FOV of 18° in the cross-sectional plane. Second, to overcome the limited FOV, a hemispherical collimator was developed to extend the FOV to approximately 2π. The design parameters were optimized using MC simulations, and MLEM algorithm was applied to estimate the radiation distribution. Experiments were conducted to evaluate the imaging capability of the system. The proposed hemispherical collimator was shown to be valid as designed and simulated, and it offered an FOV of 160° in the cross-sectional plane and an angular resolution of 10°. In conclusion, the RMC technique was improved from single particle localization to a dual-particle system, and method to extend the FOV approximately 2π was proposed. If these functional improvements are applied to the RMC technique, it could realize more practical and useful applications in the field of radiation safety and nuclear security.

회전 변조 집속기 기반 영상화 기술은 기계적 집속을 이용하는 기법 중 하나로 단일 검출기 앞에서 동시에 회전하는 두 개의 집속기로 구성된다. 이 기술은 위치 민감형 검출기가 필요 없기 때문에 시스템의 복잡성과 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 기존의 회전 변조 집속기 기법은 단일 입자 영상화만 가능하였고, 원기둥 형태의 구조로 인해 시야각이 좁은 한계점이 있었다. 본 학위논문은 회전 변조 집속기 기법에 대한 추가적인 탐구를 목표로 하여, 크게 두 가지 측면에서 회전 변조 집속기 영상화 기법을 개선하였다. 그 첫 번째 연구 내용으로서, 회전 변조 집속기 기법에 신호 파형 구분법이 적용 가능한 섬광 계측기를 접목하여 중성자와 감마선을 동시에 탐지할 수 있는 이중입자 위치 추정 시스템을 계발하였다. 몬테 카를로 전산 모사를 이용하여 설계 파라미터를 최적화하였고, 기존의 좌우 대칭형태의 집속기 구조가 가지는 180° 대칭 위치의 선원 추정 모호성 문제를 해결하기 위해서 새로운 비대칭형 집속기를 제안하였다. 방사성 물질의 위치 추정을 위해서 최대 우도 추정 기댓값 극대화 기법에 기반한 영상 재구성 방법론을 확립하였고, 개발된 장비의 영상화 능력은 측정 실험을 통해 검증되었다. 개발된 이중입자 위치 추정 시스템의 각 분해능은 0.95° 이고, 시야각은 시스템의 횡단면을 기준으로 18° 이다. 두 번째 연구 내용으로서, 일반적인 회전 변조 집속기 디자인의 좁은 시야각 문제를 해결하기 위해 반구 형태의 집속기 디자인을 개발하였다. 몬테 카를로 전산 모사를 이용하여 설계 파라미터를 최적화하였고, 최대 우도 추정 기댓값 극대화 기법에 기반한 영상 재구성 방법론을 적용하여 방사성 물질의 분포를 추정하였다. 시스템의 영상화 능력을 평가하기 위해 측정 실험을 수행하였으며, 개발된 반구형 회전 변조 집속기는 설계되고 시뮬레이션된 것처럼 유효한 것을 확인하였다. 시스템의 시야각은 횡단면을 기준으로 160° 이고 각 분해능은 10° 이다. 결론적으로, 본 연구를 통해 회전 변조 집속기 기법은 이중입자 위치 추정 시스템으로 개선되었으며, 시야각을 약 2π 영역까지 확장시킬 수 있는 방법이 제안되었다. 이러한 개선점이 회전 변조 집속기 기법에 적용된다면 회전 변조 집속기 기반 영상화 시스템이 방사선 안전 및 핵안보 분야에서 보다 실용적이고 유용하게 활용될 수 있을 것이라 기대한다.