Two Layer DOI Detector Design for PET using Multiple Light Guides for Designing Light Distribution

다수의 광가이드를 통한 빛 분포 설계로 두 층의 반응 깊이를 측정하는 양전자방출단층촬영기기의 검출기 설계

Abstract

A detector module measuring the depth of interaction(DOI) was designed to improve the spatial resolution of positron emission tomography(PET). The scintillation pixel array consists of two layers, and a light guide is inserted between the layers to make the light generated through the gamma-ray event different for each layer. There are four light guides, and one light guide is designed to be coupled to a 2 × 2 array of scintillation pixels. The light generated from the top layer is moved to the photosensor with a wider distribution through the light guide, and the light generated from the bottom layer is incident on the photosensor with a narrower distribution than the top layer. When a flood image is reconstructed based on the signals obtained from the photosensor by different distributions, scintillation pixels are imaged at different positions for each layer. To verify this, a DETECT2000 simulation tool that simulates the behavior of light in a scintillator was used. By designing a scintillation pixel array, a detector consisting of a light guide and a photosensor, a gamma ray event was generated in all scintillation pixels to obtain a flood imgae. As a result, it was confirmed that the top and bottom layers were imaged at different positions and completely separated. When this detector is applied to PET, it is considered that image quality can be improved through imporved spatial resolution.

양전자방출단층촬영기기(positron emission tomography, PET)의 공간분해능 향상을 위한 반응 깊이를 측정하는 검출기를 설계하였다. 섬광 픽셀 배열이 두 층으로 구성되며, 층 사이에는 감마선 이벤트를 통해 발생된 빛을 각 층별 서로 다른 분포로 만들기 위해 광가이드를 삽입하였다. 광가이드는 4개로 구성되며 하나의 광가이드는 2 × 2 배열의 섬광 픽셀과 연결되도록 설계하였다. 위층에서 발생된 빛은 광가이드를 통해서 더 넓은 분포로 광센서로 이동되며, 아래층에서 발생된 빛은 위층보다 좁은 분포로 광센서에 입사한다. 서로 다른 분포에 의해 광센서에서 획득되는 신호를 바탕으로 평면 영상을 재구성하면 층별 서로 다른 위치에 섬광 픽셀이 영상화된다. 이를 검증하기위해 섬광체내에서 빛의 거동을 모사하는 DETECT2000 시뮬레이션 툴을 사용하였다. 섬광 픽셀 배열과 광가이드 및 광센서로 이루어진 검출기를 설계하여, 모든 섬광 픽셀에서 감마선 이벤트를 발생시켜 평면 영상을 획득하였다. 그 결과 위층과 아래층은 서로 다른 위치에서 영상화되었으며, 완벽히 구별되는 것을 확인할 수 있었다. 본 검출기를 PET에 적용할 경우 보다 향상된 공간분해능을 통해 영상의 질을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

양전자방출단층촬영기기(Positron Emission Tomography, PET) 관심시야(field of view, FOV)의 외곽에서 발생되는 공간분해능 저하현상을 해결하기 위해서 다양한 반응 깊이 측정(depth of interaction, DOI) 검출기가 개발되었다^[1-8]. 각 검출기들의 특징은 크게 세 가지 정도로 분류할 수 있다. 첫 번째는 여러 층으로 섬광체를 쌓아, 획득한 평면 영상에서 각 층별 섬광 픽셀의 위치가 서로 다른 영역에 영상화되도록 설계한 방법이다^[1-4]. 두 번째는 단일 층의 섬광 픽셀 배열을 사용하고, 양 끝에 광센서를 위치시켜, 각 광센서에서 획득한 신호의 비율을 통해 반응 깊이를 측정하는 방법이다^[5,6]. 세 번째는 여러 층으로 섬광체를 쌓으며, 각 층마다 광센서를 배치함으로써 반응 깊이를 측정하는 방법이다^[7,8]. 각각의 방법에는 장단점이 존재한다. 첫 번째 방법의 장점은 평면 영상에서 각 층의 위치가 분리되어 나타나므로, 획득한 평면 영상의 픽셀 구획화를 통해 반응 깊이를 측정할 수 있는 점이다. 또한 하나의 광센서를 통해 반응 깊이 층을 구별할 수 있으므로 경제적이며, 제작이 편리하다는 점이다. 단점으로는 각 층별 섬광 픽셀 배열의 위치를 정확히 위치시켜야 평면 영상에서 서로 다른 위치에 영상화가 된다는 점이다. 각 층의 배열이 어긋나게 되면 섬광 픽셀들의 영상이 서로 겹쳐 반응 깊이 층을 구별할 수 없게 된다. 두 번째 방법의 장점은 광센서의 비율을 통해 반응 깊이 층을 구별하므로, 매우 세밀하게 다수의 층으로 반응 깊이를 구별할 수 있는 점이다. 반면 단점으로는 두 개의 광센서를 사용하므로 비용이 증가되고, 복잡한 회로를 구성해야 하는 점이다. 또한 감마선이 입사하는 위치에 광센서가 있으므로, 감마선에 의한 광센서의 손상 및 감마선의 차단, 산란에 의한 신호 손실 및 잡음이 발생할 수 있다. 세 번째 방법의 장점은 각 섬광체 층마다 광센서로 신호를 획득하므로, 감마선과 상호작용한 위치를 직접 3차원의 위치로 측정할 수 있는 점이다. 그러나 매우 많은 광센서를 사용하므로 비용이 증가하고, 복잡한 설계가 필요하며, 감마선에 의한 광센서의 오작동 등의 우려가 존재한다.

본 연구에서는 기존에 제시된 여러 방법의 단점을 보완하여 여러 층으로 섬광체를 쌓아 반응 깊이 층을 구별하는 검출기를 설계하였다. 경제적이며 제작이 편리하고, 층의 위치를 정확히 할 수 있도록 두 층의 섬광 픽셀 배열과 하나의 광센서를 사용하는 반응 깊이 측정 검출기를 설계하였다. 획득한 평면 영상에서 서로 다른 위치에 영상화 되도록 층 사이에 여러 개의 광가이드를 평면으로 배치하여, 감마선 이벤트로 발생된 빛의 이동이 각 층별 서로 다르게 함으로써, 광센서에서의 분포가 다르도록 설계하였다. 설계한 검출기의 평면 영상 획득을 통한 반응 깊이 층 판별의 가능성을 확인하기 위해 섬광체 내에서 빛의 거동을 모사할 수 있는 시뮬레이션 도구인 DETECT2000^[9,10]을 사용하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

섬광 픽셀 배열이 두 층으로 구성되고, 층 사이에는 광가이드가 배열되어 반응 깊이 층을 구별하는 검출기를 Fig. 1과 같이 설계하였다. 각 층의 섬광 픽셀은 4 × 4 배열로 이루어져 있으며, 3 mm × 3 mm × 10 mm 크기의 Gadolinium aluminium Galliu Garnet(GAGG) 섬광체를 사용하였다. GAGG 섬광체는 밀도가 높고, 감마선의 에너지당 발생되는 빛의 수가 많아 에너지 분해능이 우수한 장점이 있다^[11]. 섬광 픽셀의 간격은 0.1 mm로 하였으며, 그 사이에는 난반사체를 도포하여 감마선과 상호작용하여 발생된 빛이 광센서로 이동하도록 설계하였다. Fig. 2는 광가이드와 각 섬광 픽셀이 각 광가이드에 배열된 모습을 나타낸다. 4개의 광가이드를 사용하였으며^[12], 하나의 광가이드는 6.2 mm × 6.2 mm × 2 mm 크기이다. 이는 2 × 2 배열의 섬광 픽셀과 연결되도록 구성하였다. 광가이드의 간격은 0.1 mm이며, 그 사이에는 섬광 픽셀과 마찬가지로 난반사체를 적용하여 섬광 픽셀에서 발생된 빛이 광가이드에서도 반사되어 광센서로 이동하도록 설계하였다. 광센서는 실리콘광전증배관(silicon photomultiplier, SiPM)을 사용하였으며, 3 mm × 3 mm 크기의 픽셀이, 0.2 mm 간격으로 배열되어, 총 4 × 4 배열로 구성하였다^[13].

Fig. 1. Schematic diagram of a DOI PET detector with 4 × 4 array of GAGG crystals in two layers, with a light guide array inserted between each layer.

Fig. 2. The position of the light guide array coupled with the GAGG crystal array. Blue indicates the light guide, and 4 GAGG pixels are located in each light guide.

섬광 픽셀과 감마선이 상호작용하여 영상화되는 위치를 확인하기위해, DETECT2000 시뮬레이션을 수행하였다. 각 층별 섬광 픽셀의 중심에서 소멸방사선과 상호작용하여 생성된 빛을 발생시켰으며, 각 SiPM 픽셀에서 빛을 수집하였다. 발생시킨 빛의 수는 소멸방사선의 에너지에 해당하는 GAGG 섬광체의 빛 발생 수와 SiPM의 양자효율을 적용하였다. 각 위치별 총 1,000번의 감마선 이벤트를 발생시켜 데이터를 획득하였으며, 각 SiPM 픽셀에서 획득한 16개의 데이터는 Fig. 3과 같이 X+, X-, Y+, Y-로 SiPM 픽셀의 거리에 따른 가중치를 부여한 후 합산하여, 앵거 계산을 통해 영상으로 재구성하였다.

Fig. 3. Calculation of X and Y position through Anger equation. X+. X-, Y+, Y- are summed by giving weights according to distances to SiPM pixels in the direction of each axis.

Ⅲ. RESULT

섬광 픽셀 배열 층 사이에 광가이드를 삽입함으로써, 광가이드와 섬광 픽셀이 연결된 특징에 따라 층별 서로 다른 위치에 영상화된다. Fig. 4는 광가이드 삽입에 따라 동일한 위치에서 층별 섬광 픽셀에서 발생된 빛이 광센서로 이동하는 과정을 나타낸다. 위층의 섬광 픽셀은 광가이드에 의해 더 넓게 빛이 분포되며, 이는 Fig. 5의 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 좌측 아래인 가장자리 지점에서의 위층과 아래층 섬광 픽셀에서 발생된 빛이 광센서에 입사하는 분포를 나타낸 것으로 아래층(Fig. 5(a))보다 위층(Fig. 5(b))에서 발생된 빛이 더 넓은 분포로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 광가이드의 반사체에 의해서 모든 광센서로 빛이 분포되는 것이 아닌 광가이드의 영역 이내에 위치한 섬광 픽셀로만 주로 빛이 분포되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 2 × 2 배열 단위로 층의 구분이 가능함을 나타낸다.

Fig. 4. Schematic diagram of the movement of the light generated by the scintillation pixels of each layer to the SiPM at the same coordinates as the light guide is inserted. Green and red arrows indicate the path of light generated in each layer.

Fig. 5. Distribution of the light generated by the scintillation pixel for each layer in the SiPM. Light distribution on the bottom layer of (a), and top layer of (b).

모든 섬광 픽셀의 중심에서 감마선 이벤트를 발생시켜 획득한 평면 영상을 Fig. 6에 나타내었다. 모든 섬광 픽셀의 위치가 구분되는 것을 확인할 수 있으며, 위층 섬광 픽셀의 영상이 아래층보다 안쪽에 영상화된 것을 확인할 수 있다. 평면 영상에서 빨간색 원은 아래층의 섬광 픽셀을 나타내며, 녹색의 사각형은 위층을 나타낸다. 4개의 광가이드 영역과 동일하게 4개의 영역으로 위층과 아래층이 구분되어 영상이 형성되었다.

Fig. 6. Flood image reconstructed using data acquired from all scintillation pixel for each layer. The red circle represents the bottom layer, and the green square represents the top layer.

Ⅳ. DISCUSSION

광가이드와 섬광 픽셀의 조합을 통해 층을 구분하는 검출기를 설계하였다. 섬광 픽셀과 연결된 광가이드의 영역에 따라 아래층 및 위층에서 발생된 빛이 이동하여 광센서에서 획득되는 분포가 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 광가이드의 형태 및 섬광 픽셀과 연결되는 영역을 여러 가지 조합을 통한다면, 현재 두 층의 반응 깊이를 측정하는 것을 보다 더 여러 층으로 구성할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 섬광 픽셀의 크기를 더 작게 설계하여, 본 연구 방법을 적용할 경우 더욱 향상된 공간분해능을 지닌 PET 검출기를 개발할 수 있을 것으로 사료된다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 두 층의 섬광 픽셀 배열과 층 사이에 광가이드를 삽입하여 반응 깊이 층을 구별하는 검출기를 설계하였다. 광가이드는 2 × 2 섬광 픽셀과 연결되도록 동일한 크기의 4개의 광가이드를 사용하였으며, 섬광 픽셀과 연결된 광가이드로 입사한 빛이 다른 광가이드로 전달되지 않도록 옆면을 모두 반사체를 적용하였다. 본 설계를 통해 아래층에서 감마선 이벤트로 발생된 빛에 비해 위층에서 발생된 빛이 더 넓은 분포로 광센서에서 측정되었으며, 이러한 분포로 재구성한 평면 영상에서 위층의 섬광 픽셀 영상과 아래층의 섬광 픽셀 영상이 서로 완벽히 분리되어 나타났다. 본 연구에서 설계한 반응 깊이 층을 구별하는 검출기를 PET 시스템에 적용할 경우 보다 향상된 공간분해능을 획득하여, 우수한 영상을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 본 연구 방법을 적용하여 더 많은 층을 구별할 수 있는 검출기를 설계하고자 한다.