DOI Detector Design using Different Sized Scintillators in Each Layer

각 층의 서로 다른 크기의 섬광체를 사용한 반응 깊이 측정 검출기 설계

Abstract

In preclinical positron emisson tomography(PET), spatial resolution degradation occurs outside the field of view(FOV). To solve this problem, a depth of interaction(DOI) detector was developed that measures the position where gamma rays and the scintillator interact. There are a method in which a scintillation pixel array is composed of multiple layers, a method in which photosensors are arranged at both ends of a single layer, a method in which a scintillation pixel array is constituted in several layers and a photosensor is arranged in each layer. In this study, a new type of DOI detector was designed by analyzing the characteristics of the previously developed detectors. In the two-layer detector, different sizes of scintillation pixels were used for each layer, and the array size was configured differently. When configured in this form, the positions of the scintillation pixels for each layer are arranged to be shifted from each other, so that they are imaged at different positions in a flood image. DETECT2000 simulation was performed to confirm the possibility of measuring the depth of interaction of the designed detector. A flood image was reconstructed from a light signal acquired by a gamma-ray event generated at the center of each scintillation pixel. As a result, it was confirmed that all scintillation pixels for each layer were separated from the reconstructed flood image and imaged to measure the interaction depth. When this detector is applied to preclinical PET, it is considered that excellent images can be obtained by improving spatial resolution.

전임상용 양전자방출단층촬영기기는 관심 시야 외곽에서의 공간분해능 저하현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 감마선과 섬광체가 상호작용한 위치를 측정하는 반응 깊이 측정(depth of interaction, DOI) 검출기가 개발되었다. 여러 층으로 섬광 픽셀 배열을 구성한 방법, 하나의 층의 양단에 광센서를 배치한 방법, 여러 층으로 섬광 픽셀 배열을 구성하고 각 층마다 광센서를 배치한 방법 등이 있다. 본 연구에서는 기존에 개발된 검출기들의 특징을 분석하여 새로운 형태의 DOI 검출기를 설계하였다. 두층으로 구성된 검출기는 각 층마다 서로 다른 크기의 섬광 픽셀을 사용하여, 배열의 크기를 다르게 구성하였다. 이러한 형태로 구성할 경우 층별 섬광 픽셀의 위치는 서로 어긋나게 배열되어 평면 영상에서 서로 다른 위치에 영상화된다. 설계한 검출기의 반응 깊이 측정 가능성을 확인하기위해 DETECT2000 시뮬레이션을 수행하였다. 각 섬광 픽셀의 중심에서 발생된 감마선 이벤트로 획득한 빛의 신호로 평면 영상을 재구성하였다. 그 결과 각 층별 모든 섬광 픽셀이 재구성된 평면 영상에서 분리되어 영상화되어, 반응 깊이를 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 검출기를 전임상용 PET에 적용할 경우 공간분해능의 향상을 이루어 우수한 영상을 획득할 수 있을 것으로 사료된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

전임상용 양전자방출단층촬영기기(positron emission tomography, PET)은 소동물을 대상으로 촬영하기에 매우 작은 갠트리를 지니고 있다. 그리고 소멸방사선을 검출하기 위해 긴 섬광체를 사용하며, 고분해능을 위해 섬광체의 크기가 얇은 것을 사용하여 검출기를 구성한다. 이러한 우수한 민감도와 공간분해능을 달성하기 위한 사항들에 의해 관심시야(field of view, FOV) 중심에서 벗어날수록 공간분해능이 저하되는 현상이 발생한다^[1,2]. FOV 중심에서 발생된 소멸방사선은 검출기의 섬광 픽셀에 수직으로 입사하여 하나의 섬광 픽셀과 상호작용하지만, FOV 외곽에서 발생된 소멸방사선은 검출기에 사선으로 입사하여, 여러 섬광 픽셀에 걸쳐 상호작용이 일어날 수 있다. 여러 섬광 픽셀과 상호작용할 경우, 영상의 재구성을 위해 소멸방사선이 동시측정된 검출기의 섬광 픽셀을 서로 잇는(line of response, LOR) 과정을 수행하면, Fig. 1과 같이 FOV 중심에 비해 외곽에서 공간분해능이 저하된다. 이러한 FOV 외곽에서 발생되는 공간분해능 저하현상을 해결하기 위해, 감마선과 섬광 픽셀이 반응하는 깊이 방향의 위치(depth of interaction, DOI)를 측정하는 방법이 개발되었다. 섬광 픽셀 층을 여러 층으로 구성하여 재구성된 평면 영상에서 층별 섬광 픽셀을 구분하는 방법^[3,4], 한 층의 섬광 픽셀 배열과 양 끝에 광센서를 배치하여, 발생된 신호의 비율을 측정하는 방법^[5,6], 섬광 픽셀 배열을 여러 층으로 구성하고 각 층마다 광센서를 배치하여, 각 층의 신호를 직접 측정하는 방법^[7,8] 등이 있다. 여러 DOI 검출기에서 섬광 픽셀을 여러 층으로 구성하여 깊이 방향의 위치를 측정하는 방법은, 하나의 광센서를 사용함으로써 비용이 증가되는 것을 방지할 수 있고, 회로를 간단히 구성할 수 있는 장점이 있다.

Fig. 1. A decrease in spatial resolution that occurs at a point out of the center of the FOV.

본 연구에서는 섬광 픽셀을 여러 층으로 구성하여 반응 깊이를 측정하는 검출기를 설계하였다. 섬광 픽셀 배열의 층마다 서로 다른 크기의 섬광체를 사용하여, 각 층을 구성하는 섬광 픽셀이 서로 어긋나도록 구성함으로써 평면 영상에 나타나는 위치를 다르게 설계하였다. 섬광 픽셀이 영상화되는 위치가 각 층별 서로 다르므로, 감마선과 상호작용한 섬광 픽셀의 깊이 방향의 위치를 측정할 수 있다. 설계한 검출기의 성능을 평가하기위해 DETECT2000^[9,10] 시뮬레이션 툴을 사용하였다. DETECT2000은 섬광체 내에서의 빛의 이동과 산란, 반사, 흡수 등을 모사할 수 있으며, 광센서를 설계하여 광센서에서 측정되는 빛의 신호를 획득할 수 있다. DETECT2000을 통해 획득한 빛의 신호를 사용하여 설계한 검출기의 평면 영상을 재구성하였으며, 반응 깊이 층의 측정 가능성을 평가하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 검출기 설계

DETECT2000을 사용하여 Fig. 2와 같이 두 형태의 검출기를 설계하였다. 첫 번째(Fig 2-(a))는 아래층은 3 mm × 3 mm × 10 mm 크기의 섬광 픽셀을 4 × 4 배열로 구성하고, 위층은 2 mm × 2 mm × 10 mm 크기의 섬광 픽셀을 6 × 6 배열로 구성하였다. 두 번째 형태(Fig. 2-(b))는 첫 번째 섬광 픽셀층을 서로 바꿔 구성한 것이다. 입사한 감마선과 섬광 픽셀이 상호작용하여 발생된 빛은 Fig. 3과 같이 이동한다. 아래층과 위층의 섬광 픽셀이 서로 어긋난 형태에서는 층별 빛의 분포가 다르게 나타나지만, 첫 번째 형태는 섬광 픽셀이 서로 어긋나지 않은 위치가 존재하므로, 빛의 퍼짐을 위해 층 사이에 광가이드를 삽입하였다. 모든 형태에서 각층별 섬광 픽셀사이의 간격은 0.1 mm로 설정하여, 전체 크기를 2 mm 섬광 픽셀을 사용하는 층은 12.5 mm × 12.5 mm × 10 mm, 3 mm 섬광 픽셀을 사용하는 층은 12.3 mm × 12.3 mm × 10 mm로 설계하였다. 서로 다른 구성 요소가 결합되는 부분에는 급격한 굴절률의 차이로 인한 빛의 손실을 방지하기 위해 광학윤활제를 사용하여, 광센서에서 획득되는 빛의 손실을 최소화하였다.

Fig. 2. Two types of DOI detectors designed using DETECT2000.

Fig. 3. The main path of light generated by gamma-ray events by type of detector and the distribution of acquisition in the MPPC.

검출기 구성에 사용한 섬광체는 입사하는 감마선의 에너지(MeV)당 발생되는 빛이 많고, 밀도가 높아 소멸방사선의 검출이 용이한 Gadolinium Aluminium Gallium Garnet(GAGG)를 사용하였다^[11]. 광센서로는 Hamamatsu사의 Multi-Pixel Photon Counter(MPPC) S13360 모델를 사용하였다^[12]. 본 광센서는 3 mm × 3 mm의 픽셀이 0.2 mm 간격으로 4 × 4 배열로 이루어진 형태이다. GAGG 섬광체와 결합하여 사용할 경우 최대 발생 파장에서 약 35%의 우수한 양자효율을 보인다.

2. 평면 영상 획득을 위한 감마선 이벤트

검출기가 감마선을 검출하는 과정을 모사하기 위해 섬광 픽셀과 감마선이 상호작용한 위치에서 빛을 발생시켰다. 각 층별 섬광 픽셀의 영상이 평면 영상에서 서로 분리되어 나타나는지 확인하기 위해 모든 섬광 픽셀의 중심에서 감마선 이벤트를 모사하였다. 감마선 이벤트를 통해 발생되는 빛의 수는 소멸방사선의 에너지에 따른 GAGG 섬광체의 빛 발생량과 MPPC의 양자효율을 적용하였다. 발생된 빛은 섬광 픽셀 내에서 이동 및 반사, 산란 등의 과정을 통해 광센서에서 획득된다. 각 광센서 픽셀에서 획득된 빛의 신호는 앵거 식을 통해 평면 영상으로 재구성하였다. 두 형태의 검출기에서 모두 각 섬광 픽셀별 1,000회의 감마선 이벤트를 통해 평면 영상을 획득하였다.

Ⅲ. RESULT

두 가지 유형의 반응 깊이 검출기를 설계하고, 평면 영상을 획득하였다. 유형1의 검출기는 아래층이 4 × 4 배열이고, 위층이 6 × 6 배열이다. Fig. 4-(a)에 유형1의 검출기에서 획득한 평면 영상을 나타내었다. 검출기의 섬광 픽셀은 4분면에서 대칭형태로 배열되므로, 그 중 하나의 분면에 층별 구분을 표시하였다. 빨간색 원으로 나타낸 곳이 아래층 섬광 픽셀이 영상화된 영역이고, 녹색 사각형으로 나타낸 곳이 위층의 섬광 픽셀 영상화 영역이다. 층별 모든 섬광 픽셀이 모두 서로 다른 영역에 영상화된 것을 확인할 수 있다. Fig. 4-(b)는 유형2의 검출기의 평면 영상을 나타낸다. 유형2는 아래층이 6 × 6 배열이고, 위층이 4 × 4 배열의 형태이다. 유형1의 검출기와 마찬가지로, 모든 섬광 픽셀이 구분되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4. Flood image acquired by each type of detector.

Fig. 5는 각 형태의 검출기에서 획득한 평면 영상의 프로파일을 나타낸다. 영상의 대각선에 대한, 즉 두 개의 분면에 대한 프로파일로 Fig. 5-(a)는 유형1 검출기, Fig. 5-(b)는 유형2 검출기의 평면 영상에 대한 것으로, 모든 섬광 픽셀이 완벽히 분리되어 나타나는 것을 확인할 수 있다. 섬광 픽셀이 광센서와 직접 맞닿아 있는 위치에서 높은 값을 나타내고, 섬광 픽셀이 두 개의 광센서와 연결된 부분에서는 상대적으로 낮은 값을 나타내었다. 이는 빛이 여러 광센서에서 획득되므로 섬광 픽셀의 영상이보다 퍼진 형태로 나타난 결과이다.

Fig. 5. Profiles for the diagonal of the flood images for Fig. 4.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 서로 다른 크기의 섬광 픽셀을 사용하여 각 층을 구성한 반응 깊이 측정 검출기를 설계하였다. 모든 형태의 검출기에서 두 층으로 반응 깊이를 측정할 수 있음을 확인하였다. 첫 번째 검출기는 아래층의 섬광 픽셀이 크고, 위층이 작은 섬광 픽셀로 이루어진 형태이다. 이러한 형태일 경우, 위층에서 가장자리의 섬광 픽셀의 위치가 구분되지 않게되므로, 층 사이에 광가이드를 삽입하여 빛의 분포를 변경하였다. 이로인해 각 층별 모든 섬광 픽셀이 분리되어 나타난 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 검출기는 첫 번째와 반대로 아래층이 작은 섬광 픽셀을 위층이 큰 섬광 픽셀을 사용하여 구성한 형태이다. 이러한 구조로 섬광 픽셀을 배열하면, 광가이드를 사용하지 않고도, 각 층의 섬광 픽셀이 어긋나게 배열되어, 영상에서 서로 다른 위치에 섬광 픽셀의 영상이 나타났다. 서로 다른 형태의 구조에서 모두 반응 깊이를 측정할 수 있었다. PET 영상에서 공간분해능에 영향을 미치는 요소 중 섬광 픽셀의 크기가 있다. 섬광 픽셀의 크기가 작을수록 영상의 질은 향상된다. 섬광체와 감마선이 상호작용하는 비율은 위층이 아래층보다 높으므로, 반응 깊이를 측정하는 두가지 형태의 검출기 중에 위층의 섬광 픽셀이 작은 것을 사용하는 것이 영상의 측면에서 보면 보다 더 좋은 형태일 것으로 사료된다.

Ⅴ. CONCLUSION

서로 다른 크기의 섬광 픽셀을 사용하여 두 층으로 구성된 반응 깊이 측정 검출기를 설계하였다. 층별 다른 크기의 섬광 픽셀을 사용함으로써, 섬광 픽셀의 위치가 서로 어긋나게 배열하여, 재구성된 영상에서 서로 분리되어 나타나도록 하였다. 아래층이 더 작은 섬광 픽셀을 사용한 경우와, 큰 섬광 픽셀을 사용한 경우 모두 층별 섬광 픽셀이 영상화된 위치가 다르게 측정되었다. 서로 다른 위치에 영상화됨으로써 감마선과 상호작용한 층을 명확하게 구분할 수 있었다. 이에 본 연구에서 설계한 검출기를 전임상용 PET에 적용할 경우 FOV 외곽에서 나타나는 공간분해능 저하현상을 해결하여, 보다 향상된 영상을 획득할 수 있을 것으로 판단된다.