Usefulness of New GAGG Scintillation Detector for Gamma Camera : A Monte Carlo Simulation Study

GAGG 섬광체 물질을 적용한 감마카메라 영상의 유용성 평가: 몬테카를로 시뮬레이션 연구

Abstract

In this study, we evaluated image quality for new Gadolinium Aluminum Gallium Garnet (GAGG) scintillation material based on the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) simulation tool. The gamma camera detectors with GAGG and NaI scintillation were designed. In particular, we modeled modified body phantom by National Electrical Manufacturers Association International Electrotechnical Commission to evaluate the simulated images. To analysis the image performance, the contrast to noise ratio (CNR) and coefficient of variation (COV) were used by drawn the region of interests, respectively. Based on the CNR and COV results, the CNR value for GAGG material is higher approximately 17 % than NaI material. In addition, the COV value for GAGG material is lower approximately 17 % than NaI material. In conclusion, we confirmed the performnace of GAGG based gamma camera is useful to improve the image quality for the nuclear medicine instrumentation.

본 연구의 목적은, 새롭게 제안된 Gadolinium Aluminum Gallium Garnet (GAGG) 기반 감마카메라를 Geant 4 Application for Tomographic Emission (GATE) 모사 도구(simulation tool)를 통해 설계하고, National Electrical Manufacturers Association International Electrotechnical Commission에서 제작한 몸통 팬텀 모사를 통해 기존의 사용되고 있는 NaI(Tl) 섬광체 기반 감마카메라 시스템과 99mTc 방사성동위원소를 이용해 900 초 동안 영상을 획득했다. Contrast to noise ratio (CNR) 과 Coefficient of variation (COV) 의 정량분석 방법을 사용해 해당 관심영역에 대해 영상을 평가하였다. CNR 과 COV 결과에 따라, 결과적으로 GAGG 기반 감마 영상의 질이 우수함을 확인하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

의료 영상 진단 및 치료 분야에서 핵의학영상^[1]의 역할은 중요해지고 있다. 외과적 수술 없이 인체 내의 병변의 위치와 상태를 파악할 수 있는 장점이 있고, 감마카메라와 같은 장치를 이용해 적절한 방사성동위원소를 체내에 주입함으로써 영상화하는 원리를 적용한다. 타겟팅(targeting) 하는 장기로 방사성의약품이 분포되어, 생리학적 기능을 비교적 빠르게 진단할 수 있는 핵의학 영상은 현재까지도 영상의 질 향상을 위해 하드웨어 및 소프트웨어 발전^[2]이 이루어지고 있다.

최근에는 오랫동안 사용되어 왔던 검출기(detector) 물질인 NaI(Tl) 섬광체를 대체할 수 있는 물질에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. 특히, Cadmium Zinc Telluride (CZT) 와 같은 반도체 기반 검출기(detector)에 대한 연구^[3]가 많이 진행되었고, 임상에서도 반도체 검출기(detector) 기반 감마카메라가 최근에는 많이 사용되고 있다. NaI(Tl) 섬광체와 비교했을 때, 에너지 분해능, 시간 분해능, 광자의 검출 효율이 우수하기 때문에, 영상의 질이 향상되는 장점이 있지만, 가격이 고가이므로 큰 크기의 검출기(detector) 제조가 현실적으로 제한점으로 대두된다. 그러므로, 해부학적인 정보보다 인체의 생리적 기능 진단을 중점으로 두는 핵의학 영상은 상대적으로 효율적인 NaI(Tl) 섬광체가 적용되어 임상검사에서 사용되고 있는 시점이다. 최근에는 반도체 기반 검출기(detector)의 뛰어난 성능에도 불구하고, 대중적으로 사용되는 효율성에서 우수한 NaI(Tl) 섬광체는 조해성의 특징이 있기 때문에 유지보수 관리에 특별히 신경을 써야하는 단점이 있습니다. 그러므로 최근에는 NaI(Tl) 섬광체와 비슷한 성능을 가진 Gadolinium Aluminum Gallium Garnet (GAGG) 섬광체^[4] 기반 감마카메라에 대한 연구가 진행되고 있다. GAGG 섬광체는 고체로써, 밀도가 6.5 g/cm³으로, 3.67 g/cm³ 의 NaI(Tl) 보다 고밀도로써 고에너지 측정 효율이 우수하고, 감쇠 시간(decay time) 짧기 때문에 더 많은 광자를 받을 수 있는 장점이 있다.^[5] 또한, GAGG 섬광체를 기반 핵의학 팬텀을 이용한 영상 평가를 한 연구가 거의 없다.

그러므로 본 논문에서는 새롭게 제안된 섬광체 물질인 GAGG 기반 감마카메라와 National Electrical Manufacturers Association (NEMA) International Elect rotechnical Commission (IEC)에서 제작된 몸통 팬텀을 기반으로 팬텀을 Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) 모사 도구(simulation tool)를 사용해 모사하고, NaI(Tl) 기반 감마카메라로 획득한 영상과 비교 평가하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. GAGG 섬광체 기반 감마카메라 모사

몬테카를로 모사 도구(simulation tool)는 새로운 장비의 성능 평가 또는 제조 적정성을 평가하는 데 있어 사전조사를 할 수 있는 유용한 도구(tool)이다. 핵의학 분야에서는 GATE 모사 도구(simulation tool)^[6]가 가장 유용하게 사용되고 있고, 새로운 검출기(detector) 물질, 다양한 콜리메이터의 기하학적 구조 평가, 팬텀 모사 등 핵의학 관련 장비 및 영상 평가를 모사(simulation)^[7]을 통해 확인할 수 있다. GATE 모사 도구(simulation tool) (ver. 8.0)^[8]을 이용해 GAGG 섬광체 기반 감마카메라를 모사하였다. Fig. 1 은 감마카메라와 팬텀의 모식도를 나타내었다. GAGG 섬광체는 4.48 × 4.48 cm² 의 두께 0.1 cm 으로 구성되어 있다. 영상을 얻기 위한 매트릭스 크기는 128 × 128, 픽셀 크기 0.35 mm다. 콜리 메이터는 감마카메라 구성요소에서 매우 중요하다. 이번 연구에서 적용된 콜리메이터 구성조건(parameter)는 GAGG 섬광체와 크기는 동일하고, 납 성분으로, 콜리메이터의 길이는 2 cm 로 고정하여 모사하였다. 영상 획득을 위한 에너지 창(energy window)는 140 keV 의 ± 10%, 물리적 현상은 광전 효과와 콤프턴 산란을 고려하여 영상을 획득하였다.

Fig. 1. Schematic of gamma camera system and National Electrical Manufacturers Association International Electrotechnical Commission body phantom using GATE simulation tool.

2. Modified NEMA IEC 몸통 팬텀 모사

Fig. 2-(a) 는 NEMA IEC 몸통 팬텀 모식도다. GATE 모사 도구(simulation tool)를 통해 1.0. 1.3, 1.7, 2.2, 2.8, 3.7 mm 지름을 갖는 6개의 구를 모사하고, 각각 다른 ^99mTc의 용량을 적용하여 900 초 동안 섬광체 물질에 따른 팬텀 영상을 획득하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of (a) modified National Electrical Manufacturers Association International Electrotechnical Commission body phantom and (b) region of interests to evaluate image performance.

3. 정량적 분석

획득한 영상을 정량적으로 평가하기 위해 contrast to noise ratio (CNR), coefficient of variation(COV)의 평가인자를 통해 분석하였다.

\(C N R=\frac{\left|S_{A}-S_{B}\right|}{\sqrt{\sigma_{A}^{2}+\sigma_{B}^{2}}}\)           (1)

\(C O V=\frac{\sigma_{A}}{S_{A}}\)          (2)

Fig. 2(b)에 관심영역을 나타내었다. S_A 와 σ_A 관심영역 ROI-A 내의 평균값과 표준편차 값을 각각 의미하고, S_B 와 σ_B 는 관심영역 ROI-BG 내의 평균값과 표준편차 값을 각각 의미한다.

Ⅲ. RESULT

Fig. 3은 NaI(Tl) 와 GAGG 섬광체 기반 감마카메라와 팬텀모사로 획득한 결과 영상을 나타냈다.

Fig. 3. Result images of (a) NaI and (b) GAGG scintillation materials.

Fig. 4는 3.7 mm 팬텀내의 구에 대한 CNR 결과 값이다. NaI 와 GAGG는 각각 1.71 과 2.01로 GAGG 섬광체의 적용이 약 17% CNR 값이 높았다.

Fig. 4. Result of contrast to noise ratio (CNR) with NaI and GAGG scintillation materials.

Fig. 5는 3.7 mm 팬텀 내의 구에 대한 COV 결과 값이다. NaI 와 GAGG는 각각 0.57 과 0.47로 GAGG 섬광체의 적용이 약 17% COV 값이 낮게 측정되었다.

Fig. 5. Result of coefficient of variation (COV) with NaI and GAGG scintillation materials.

Ⅳ. DISCUSSION

GATE 모사 도구(simulation tool)를 사용하여 새롭게 제안된 GAGG 기반 감마카메라를 설계했다. 또한, 영상 평가를 위해 NEMA IEC 몸통 팬텀을 검출기(detector) 크기에 맞게 수정하여 모사 후 CNR 과 COV의 정량적인 분석방법을 이용해 평가하였다. 결과값을 기반으로, CNR 결과는 GAGG 기반 3.7 mm 영상은 관심영역(ROI-A, ROI-BG)을 설정한 구의 평균값 차이가 크게 발생하였고, 표준편차 차이는 크지 않았다. 또한, COV 결과는 관심영역 ROI-A에 대한 표준편차 값이 크게 측정되었다. 이전 연구와의 차이점은, 시뮬레이션을 통한 핵의학 영상 평가를 위해 새롭게 제안된 GAGG 섬광체 물질의 적용과 NEMA IEC 몸통 팬텀을 함께 모사 후 평가하였다는 점이다. 결론적으로 GAGG 섬광체 물질의 유용성을 확인할 수 있었다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구는 GAGG 섬광체 기반 감마카메라와 NEMA IEC 몸통 팬텀을 GATE 모사 도구(simulation tool)를 사용해 모사 후, 정량적인 분석방법을 이용해 영상을 평가했다. 결과적으로, GAGG 섬광체 기반 감마카메라의 영상의 질이 기존 NaI(Tl) 섬광체 기반 감마카메라의 영상의 질보다 우수함을 확인하였다.

연구결과를 바탕으로 두 가지 측면에서 추가 연구가 필요하다고 사료된다. 첫 번째, 핵의학 영상 평가를 위해 사용되는 사분할 바 팬텀(quadrant bar phantom)을 사용해 검출기(detector) 물질에 따른 공간 분해능 평가가 필요하다. 마지막으로, 감마 카마라의 분해능의 효율이 높은 핀홀(pin hole) 콜리메이터 장착에 따른 핵의학 영상의 평가가 필요하다. 추후 두 가지 제시한 연구의 제한점과 추후 연구 제안으로 중요한 자료를 제공할 수 있을 것이라 사료된다.