동시 다각도 X선 영상으로 보는 고해상도 4D 다상 흐름 분석

초록

본 연구는 싱크로트론에서 빔을 다중 각도로 분할해 동시에 두 개 이상의 투영 영상을 획득하는 X‑ray Multi‑Projection Imaging (XMPI) 기법을 제시한다. 회전 없이 3차원‑시간(4D) 정보를 실시간으로 얻어, 혈액과 같은 불투명 매질 속 미세 입자의 궤적을 고해상도로 추적한다. 희석된 입자에서는 3D 입자 추적 속도계(PTV)를, 고농도 현탁액에서는 다각도 광학 흐름 분석을 적용해 입자 집단의 동역학을 정량화한다. 고플럭스 싱크로트론 빔과 AI 기반 재구성 알고리즘을 결합해 kHz 수준의 프레임 레이트와 마이크로미터 수준의 공간 해상도를 달성한다.

상세 분석

XMPI는 기존 4D XCT가 샘플 회전에 의존해 시간 해상도가 제한되는 문제를 근본적으로 해결한다. 본 논문에서는 실험실에서 16.55 keV의 고플럭스 빔을 실리콘·게르마늄 결정의 Bragg 반사를 이용해 두 개의 빔렛으로 분할하고, 각각을 48° 정도의 각도로 샘플에 입사시킨다. 두 빔렛은 서로 다른 전파 거리를 갖는 X‑ray 마이크로스코프에 의해 동시에 기록되며, 이로써 두 개의 투영 영상이 실시간으로 확보된다. 투사 각도 차이가 약 47.7°이므로, 삼각측량을 통해 입자의 3차원 좌표를 수십 마이크로미터 정밀도로 복원할 수 있다.

이미지 획득은 1.3 µm 픽셀 크기의 고감도 CMOS 카메라와 5배 고배율 렌즈를 사용해 40 Hz 프레임 레이트로 진행했으며, 노출 시간을 프레임 주기의 역수로 맞춤으로써 대비‑노이즈 비를 최적화했다. 입자 이동이 2픽셀(≈0.1 mm/s) 이상이면 블러링이 발생하므로, 빠른 흐름을 측정하려면 kHz 카메라(예: Photron Nova S‑16)로 전환해야 한다. 이 경우 이론적으로 8 m s⁻¹까지의 입자 속도를 추적할 수 있어, 레이놀즈 수 4 000 수준의 흐름도 실험이 가능하다.

데이터 처리에서는 희석된 현황에서 입자 중심을 검출해 두 투영의 교차점으로부터 3D 위치를 계산하는 전통적 PTV 방식을 적용했다. 고농도 현탁액에서는 투영 영상 간의 광학 흐름(optical flow) 알고리즘을 이용해 입자 집단의 속도장과 변형장을 추정했으며, 이는 입자 간 충돌·집합 현상을 비접촉식으로 시각화한다. 또한, 제한된 투영 수(2~3개)에도 불구하고 딥러닝 기반 4D 재구성 모델(Neural Radiance Fields 등)을 도입해 부피 정보를 보강하였다. 이러한 AI‑지원 재구성은 투영 간 간섭 효과와 위상 대비를 활용해 저대조도 영역에서도 구조를 복원한다.

실험에서는 은코팅 중공 보로실리케이트 구슬(SHGS, 직경 10 µm)과 점성 매질(글리세롤, μ = 1.4 Pa·s) 및 인간 혈액을 사용했다. 흐름은 0.1 mL·h⁻¹의 저속 펌프 구동으로, 이론적 최대 속도 0.134 mm·s⁻¹와 침강 속도 5.4 × 10⁻⁶ mm·s⁻¹를 갖는다. 실제 측정값은 내경 0.78 mm와 유량 0.115 mL·h⁻¹로 보정되었으며, Reynolds 수는 4.7 × 10⁻⁵ 수준이다. 입자 궤적 분석을 통해 파이프 중심부에서의 포아송 흐름 프로파일과 벽 근처에서 관찰되는 관성 집중 현상을 정량화했다. 혈액 실험에서는 적혈구와 같은 복합 입자가 X‑ray 투과성을 유지하면서도 고해상도 영상에 나타나, 혈류 내 입자-입자 상호작용 및 혈전 형성 전단 현상을 실시간으로 포착할 수 있음을 보여준다.

전반적으로 XMPI는 회전 없이 다각도 투영을 동시에 획득함으로써, 고속·고밀도 다상 흐름의 4D 측정을 가능하게 한다. 빔 플럭스, 각도 설계, 카메라 프레임 레이트, AI 재구성 알고리즘을 최적화하면 실험적 제한을 크게 완화하고, CFD·DEM 모델 검증을 위한 고품질 ‘ground‑truth’ 데이터를 제공한다. 향후 다각도 빔렛 수를 늘리거나 초고속 검출기를 도입하면, 마이크로스케일 난류와 입자 집단 동역학을 전례 없이 정밀하게 탐구할 수 있을 것으로 기대된다.