소형 감마카메라 제작에 사용되는 NaI(TI)- 광전자증배관 검출기의 민감도와 위치 분해능 특성 연구를 위한 몬테카를로 시뮬레이션

Monte Carlo Simulations of Detection Efficiency and Position Resolution of NaI(TI)-PMT Detector used in Small Gamma Camera

본 연구에서는 유방암 진단용 감마카메라 제작 시에 고려되어야 하는 섬광체의 크기와 섬광체 면의 적절한 표면처리가 카메라의 민감도와 위치 분해능에 미치는 영향을 연구하기 위하여 섬광의 광학적 특성을 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 방법을 이용하여 고찰하였다. 섬광체는 NaI(TI) 결정체로 크기가 60 mm $\times$ 60 mm $\times$ 6 mm이며, 발생한 섬광이 광전자증배관의 광음극에 도달할 때까지를 시뮬레이션 하였다. 섬광체 표면 처리를(5가지 : Ground,. Polished, Metal-0.95RC(반사계수), Polished-0.98RC, Painted-0.98RC) 변화시켜 민감도를 계산하였다. 섬광체와 광전자증배관 (photomultiplier tube, PMT)의 접합면에 사용되는 물질의 굴절률 변화에 따른 민감도와 NaI(TI) 섬광체 창으로 많이 사용되고 있는 유리의 두께 변화에 따른 민감도를 조사하였다. 또한 섬광 결정체의 내인성 위치 분해능(intrinsic position resolution)을 섬광이 발생된 후 섬광 퍼짐(light spread) 정도를 시뮬레이션 함으로써 고찰하였다. 감마선의 입사면을 각각 Ground, Polished, Metal-0.95RC, Polished-0.98RC, Painted-0.98RC로 표면처리 하였을 때 민감도가 70.9%, 73.9%, 78.6%, 80.1%, 85.2%로 나타나 Painted-0.98RC일 때 민감도가 가장 우수하였다. 섬광체와 광전자증배관의 접합에 사용된 물질의 굴절률이 증가할수록 민감도가 증가하였으며 매질이 두꺼울수록 민감도는 저하되었다. 디자인된 검출기의 내인성 위치분해능은 수직, 수평 방향으로 약 1.2 mm로 예측되었다. 이 연구에서는 감마카메라의 성능에 직접적인 영향을 미치는 NaI (Tl)-PMT의 민감도와 위치 분해능을 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 예견할 수 있었으며, 본 연구결과 NaI(TI)-PMT를 이용한 검출기가 고민감도ㆍ고해상력이 요구되는 유방암 진단용 소형 감마카메라 제작에 적합하다고 판단된다.

We studied optical behavior of scintillation light generated in NaI(TI) crystal using Monte Carlo simulation method. The simulation was performed for the model of NaI(TI) scintillator (size: 60 mm ${\times}$ 60 mm ${\times}$ 6 mm) using an optical tracking code. The sensitivity as a function of surface treatment (Ground, Polished, Metal-0.95RC, Polished-0.98RC, Painted- 0.98RC) of the incident surface of the scintillator was compared. The effects of NaI(TI) scintillator thickness and the refractive index of light guide optically coupling between the NaI(TI) scintillator and photomultiplier tube (PMT) were simulated. We also evaluated intrinsic position resolution of the system by calculating the spread of scintillation light generated. The sensitivities of the system having the surface treatment of Ground, Polished, Metal-0.95RC, Polished-0.98RC and Painted-0.98RC were 70.9％, 73.9％, 78.6％, 80.1％ and 85.2％, respectively, and the surface treatment of Painted-0.98RC allowed the highest sensitivity. As increasing the thickness of scintillation crystal and light guide, the sensitivity of the system was decreased. As the refractive index of light guide increases, the sensitivity was increased. The intrinsic position resolution of the system was estimated to be 1.2 mm in horizontal and vertical directions. In this study, the performance of NaI(TI)-PMT detector system was evaluated using Monte Carlo simulation. Based on the results, we concluded that the NaI(TI)-PMT detector array is a favorable configuration for small gamma camera imaging breast tumor using Tc-99m labeled radiopharmaceuticals.