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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 상용화된 방사선 영상장치의 한계를 극복하기 위해 스테레오 영상처리 기술을 접목한방사선원 3차원 영상장치(K3-RIS)를 고안하고 알고리즘과 함께 구현하였다. 이 장치는 한 대의 방사선 센서와 CCD 카메라, 그리고 팬틸로만으로 소형 경량 형태로 설계되었고, 좌우 위치변환 제어에 의해 스테레오 방사선 영상 취득기능이 가능하며, 스테레오 영상신호처리 알고리즘을 통해 방사선원의 3차원 정보를 탐지할 수 있다.
제안 방법
- K3-RIS는 단일 방사선 센서와 대칭 위치에 CCD를 장착한 구조로 좌우 변환기능을 통해 스테레오 방사선 및 가시광 영상정보를 고속으로 획득하고 방사선원의 거리정보를 얻을 수 있는 구조로 설계되었다.
- K3-RIS의 성능 검증을 위해 KOLAS 인증 감마선 교정시설의 방사선원(Cs-137)을 대상으로 하여 방사선원거리측정 실험을 수행하였다. 그림 6에는 시험시설에 내에 위치시킨 K3-RIS와 탐지 대상 방사선원 고정기구가 각각 좌우에 나타나 있다.
- RadScanTM과 CartoGamTM의 장점을 반영하고 방사선원 3차원 위치정보 측정 기능을 부가하여 신개술의 방사선 영상장치로 그림 1의 K3-RIS(Kaeri 3d radiation imaging system) 고안하였다.
- 본 연구에서는 먼저, 기존 방사선 영상장치의 한계로 알려진 방사선 거리정보 추출 기능이 구현된 신개념의 3차원 방사선 영상장치를 단일 방사선 센서와 CCD 카 메라, 그리고 스캔장치로 구성하고 스테레오 방사선 고속 스캔 알고리즘을 구현하였다. 그리고 개발한 방사선 영상장치의 성능검증을 위해 실제 방사선원을 대상으로 실측 실험하여 방사선원 위치탐지 기능의 정확도를 분석하였다.
- 두 번째 단계에서는 CCD 카메라로 보정패턴 영상을 획득하고. 세 번째 단계는 획득된 보정패턴 영상에 대해 앞서 1단계에서 추출한 Homography 변환을 적용하여 방사선 센서에서 획득된 것으로 예상되는 영상으로변환한다.
- 따라서 본 연구에서는 먼저 CCD에 대하여 보정패턴을 적용한 보정 절차를 거친 후에 CCD와 방사선 센서 사이의 관계식(Homography)을 통하여 방사선 센서를 간접적으로 보정하는 방법을 방사선 영상 측정분야에서 최초로 시도하였고, 이 과정의 설명은 그림 5에 도시하였다.
- 따라서 하나의 센서부와 기본적 팬틸트 제어장치만을 이용한 경량형 스테레오 방사선 영상장치의 구현을 위해 그림 3과 같이 틸팅(Tilting) 회전 모터 축 상에 방사선 센서와 CCD 센서를 틸트 축의 중심으로부터 동일한 거리(a=b)에 고정한 기본구조로 부터 좌우변환 제어를 통해 스테레오 기능을 구현하였다.
- 또한 나중에 스캔된 방사선 영상은 방사선의 거리정보 추출에만 사용되므로 먼저 스캔된 방사선영상의 신호처리를 통해 전 영역, 일부 구역, 중심라인의 세기 를 측정하기 위한 스캔모드 알고리즘을 선택적으로 사용하여 얻음으로써 전체 스캔 소요시간을 단축할 수 있도록 하는 제어 알고리즘도 구현하였다.
- 이 장치는 한 대의 방사선 센서와 CCD 카메라, 그리고 팬틸로만으로 소형 경량 형태로 설계되었고, 좌우 위치변환 제어에 의해 스테레오 방사선 영상 취득기능이 가능하며, 스테레오 영상신호처리 알고리즘을 통해 방사선원의 3차원 정보를 탐지할 수 있다. 또한 방사선원 센서의 스테레오 영상교정을 위해 가시광 카메라와의 Homography 변환관계를 처음으로 적용하였다.
- 본 연구에서는 먼저, 기존 방사선 영상장치의 한계로 알려진 방사선 거리정보 추출 기능이 구현된 신개념의 3차원 방사선 영상장치를 단일 방사선 센서와 CCD 카 메라, 그리고 스캔장치로 구성하고 스테레오 방사선 고속 스캔 알고리즘을 구현하였다. 그리고 개발한 방사선 영상장치의 성능검증을 위해 실제 방사선원을 대상으로 실측 실험하여 방사선원 위치탐지 기능의 정확도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 방사선 센서를 스테레오 방식으로 구성하여 좌우 위치에서 이차원의 방사선 탐지영상을 얻은 후 삼각법으로 방사선원까지의 거리(r)를 측정한다. 이 방식은 시야를 차단하는 물체로 인한 간섭을 최소할 수 있는 장점이 있다.
- 두 번째 단계에서는 CCD 카메라로 보정패턴 영상을 획득하고. 세 번째 단계는 획득된 보정패턴 영상에 대해 앞서 1단계에서 추출한 Homography 변환을 적용하여 방사선 센서에서 획득된 것으로 예상되는 영상으로변환한다. 그리고 마지막 단계에서는 방사선 센서로 변환된 보정패턴 영상에 Zhang의 방법을 적용하여 방사선 센서를 보정함으로서 결국 방사선 센서를 보정하게 되는 것이다[10].
- 실험은 측정 대상 방사선원을 고정한 상태로 K3-RIS를 정면 반대방향에서 이동시키면서 거리별로 측정실험을 수행하였는데, 초기에 150cm로부터 시작하여350cm까지 정밀 Linear Guide를 통해 간격을 증가시켰다. 그림 7은 거리를 조절하며 얻는 좌우 스테레오 영상으로 중심의 방사선원을 기준으로 상하좌우 20° 공간에 대해 1° 간격의 40 x 40 크기로 얻은 것이다.
- 획득 영상에 대한 방사선 영상처리 후에 추출한 방사선에 해당하는 특징점으로 부터 좌우 영상의 시차정보를 구한 다음 식 2의 좌표변환 정보를 통해 각 거리별 방사선원의 거리를 추출하고, 이 값과 실 거리간의 오차를 백분율로 정리하였다.
대상 데이터
- 전체 시스템은 센서부와 제어부, 그리고 신호처리부로 이루어 졌고, 센서부는 NaI(Tl) 신틸레이터(φ=5mm) 와 H10722 (Hamamatsu사) PMT(Photo multiplier tube)를 결합한 광변환-증폭센서와 MCNP 모사를 통해 최적구조로 설계한 직경 10mm의 콜리메이터와 납(Pb) 재질의 경량형 차폐체로 구성하였다(그림 2).
성능/효과
- 구현한 방사선 영상장치(K3-RIS)의 3차원 위치탐지성능 검증을 위해 감마방사선원(Cs-137)를 대상으로 거리별 선원 측정실험을 수행하였으며, 그 결과 탐지 대상체간의 거리와 무관하게 3% 이하의 거리측정 오차를 확인하였다.
- 이상의 두 가지 3차원 위치측정 실험결과를 통해 고안한 K3-RIS가 방향이나 거리에 무관하게 방사선원의 3차원 위치를 정확히 측정하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 개발한 K3-RIS는 현재 국내외적으로 큰 관심을 받고있는 원전 폐로 분야에 적용이 가능하며 방사선 관련 사고처리 분야에서도 활용도가 높을 것으로 예상된다. 향후 탐지 방사선 정보의 3차원 가시화 연구를 추가로 수행할 계획이다.
- 개발한 K3-RIS는 현재 국내외적으로 큰 관심을 받고있는 원전 폐로 분야에 적용이 가능하며 방사선 관련 사고처리 분야에서도 활용도가 높을 것으로 예상된다. 향후 탐지 방사선 정보의 3차원 가시화 연구를 추가로 수행할 계획이다.
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