A Feasibility Study of a SiPM Based Intraoperative Beta Imaging/Gamma Probe using the Depth of Interaction Measurement

학 술 논 문

7

실리콘 광증폭기와 반응깊이 측정방법을 이용한 수술용 베타 영상/감마 프로브 가능성 연구

곽인석 ¹ ·강한규 ² ·손정환 ^3,4 ·이재성 ^3,4 ·홍성종 ^2,5

1삼성서울병원 핵의학과, ²을지대학교 시니어헬스케어학과, ³서울대학교 핵의학과

4서울대학교 의과학과, ⁵을지대학교 방사선학과

A Feasibility Study of a SiPM Based Intraoperative Beta Imaging/

Gamma Probe using the Depth of Interaction Measurement

In-Suk Kwak ¹ , Han Gyu Kang ² , Jeong-Whan Son ^3,4 , Jae Sung Lee ^3,4 and Seong Jong Hong ^2,5

1

Department of Nuclear Medicine, Samsung Medical Center, Seoul, Republic of Korea

2

Department of Senior Healthcare, Graduate School of Eulji University, Daejeon, Republic of Korea

3

Department of Nuclear Medicine, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea

4

Department of Biomedical Sciences, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea

5

Department of Radiological Science, Eulji University, Gyeonggi-do, Republic of Korea (Manuscript received 23 November 2015; revised 25 January 2016; accepted 26 January 2016)

Abstract: Radiopharmaceutical agents for positron emission tomography (PET), such as

F-FDG and

Ga, have been used not only for whole-body PET imaging but also for intraoperative radionuclide-guided surgery due to their quantitative and sensitive imaging characteristics. Current intraoperative probes detect gamma or beta particles, but not both of them. Gamma probes have low sensitivities since a collimator has to be used to reduce backgrounds.

Positron probes have a high tumor-to-background ratio, but they have a 1-2 mm depth limitation from the body sur- face. Most of current intraoperative probes produce only audible sounds proportional to count rates without providing tumor images. This research aims to detect both positrons and annihilation photons from

F using plastic scintillators and a GAGG scintillation crystal attached to silicon photomultiplier (SiPM). The depth-of- interaction (DOI) along the plastic scintillator can be used to obtain the 2-D images of tumors near the body surface. The front and rear part of the intraoperative probe consists of 4 × 1 plastic scintillators (2.9 × 2.0 × 12.0 mm

) for positron detection and a Ce:GAGG scintillation crystal (12.0 × 12.0 × 9.0 mm

) for annihilation photon detection, respectively. The DOI res- olution of 4.4 ± 1.6 mm along the plastic scintillator was obtained by using the 3M enhanced specular reflector (ESR) with rectangular holes between the plastic scintillators, which showed the feasibility of a 2-D image pixel size of 2.9 × 4.4 mm

(X-direction × Y-direction).

Key words: Gamma detection, Intraoperative probe, Positron detection, Radionuclide guided surgery, Silicon pho- tomultiplier (SiPM), Sentinel lymph node (SLN).

I. 서 론

양전자방출단층촬영장치(Positron emission tomography, PET) 는 높은 민감도와 정량적 영상이 가능하다는 장점을 바탕으로 암의 영상화 및 진단에 있어서 널리 사용되어 왔 다. 특히

F-FDG 와

Ga 과 같은 방사성의약품은 PET을 이용한 전신 영상뿐만 아니라 수술 중에 종양이 제거된 영 Corresponding Author : Seong Jong Hong

Departments of Radiological Science and Senior Healthcare, Eulji University, Republic of Korea

TEL: +82-31-740-7185(+82-10-3259-1201) E-mail: [email protected]

이 연구는 “산업통상자원부 산업핵심기술사업(2015-4-10051988)

과 을지대학교 교내지원 사업” 과제의 지원을 받아 수행하였음.

8

역에 감마선 혹은 양전자 프로브를 접근시켜 검출함으로써 잔존 암의 발견 및 절제에 많은 도움을 주고 있다[1]. 한편 유방암 수술에 있어서도 감시 림프절의 전이를 확인하는 경 우 중요한 역할을 하고 있다[2-4]. 기존의 511 keV 감마선 검출 프로브의 경우 배경사건을 제거하기 위해 조준기를 사 용하기 때문에 검출 감도가 떨어진다는 단점이 있다. 양전 자 검출 프로브의 경우는 양전자를 검출하기 때문에 감도와 종양 대 배경 비(Tumor-to-background ratio : TBR)가 높 지만

F 에서 방출되는 양전자의 비정이 짧기 때문에 체표 면으로 부터 1~2 mm 이상 깊이에 위치해 있는 경우에는 검출이 불가능하다는 단점이 있다[5-9]. 또한 기존의 프로브 들은 종양 검출 시 영상을 제공하지 않고 단순히 계수율에 비례하는 신호음을 내기 때문에 외과의사의 입장에서는 종 양의 정확한 위치를 알기 어렵다는 단점이 있다.

기존에 연구된 베타영상/감마프로브의 경우 베타선 검출을 위해 145 μm 두께의CsI(Tl) 섬광체와 광섬유 및 CCD를 사 용하고 감마선 검출을 위해서는 10 mm 두께의 CsI(Tl) 섬 광체를 PIN photodiode에 결합해서 사용했었다[10]. 이 경 우에는 베타선을 검출하기 위해선 CCD를 추가로 사용한다 는 단점이 있다.

따라서 본 연구의 목적은 하나의 SiPM으로 β, γ-선의 동 시 계측이 가능하면서 β-선 방출체의 분포를 영상화할 수 있는 프로브의 가능성을 연구함으로써 수술 중에 잔존 종양 을 더욱 정확하게 제거할 수 있는 길을 제공하는 것이다.

II. 재료 및 방법

1. 베타 영상/감마 프로브

베타 영상/감마 프로브는 플라스틱 섬광체를 이용하여 양 전자를 검출하고 GAGG섬광결정을 이용하여 511 keV의 감 마선을 검출하도록 제작하였다. 특히 플라스틱 섬광체 배열 간에 구멍이 뚫린 반사체를 이용하여 반응깊이에 따른 빛 퍼짐을 달리함으로써 플라스틱 섬광체의 길이 방향으로의

반응 깊이를 측정할 수 있도록 하였다. 실리콘 광증배관에 서 검출되는 플라스틱 섬광체와 GAGG섬광결정의 신호는 자체 제작한 PCB를 거쳐서 VME 데이터 획득부에서 컴퓨 터로 기록하였다.

1.1 플라스틱 섬광체와 GAGG섬광결정

베타 영상/감마 프로브의 전면부에는 2.9 × 2.0 × 12.0 mm

표면이 매끄럽게 연마된 플라스틱 섬광체(Plastic scin- tillator, 모델명: NE102A, OKEN, Japan)를 4 × 1 배열 로 위치시켜서

F 의 양전자(E

= 633 keV) 입자를 검출 하도록 하였고, 바로 뒤의 후면부에는 12.0 × 12.0 × 9.0 mm

크기의 Ce:Gd

Al

Ga

O

섬광결정(Ce:GAGG, Furukawa, Japan) 을 위치시켜서 511 keV의 소멸 γ-선을 검출하도록 하였다(그림 1)[11].

표 1의 플라스틱 섬광체와 GAGG 섬광결정은 굴절률 1.46 의 광그리즈(Optical grease, 모델명: BC-630, Saint- Gobain, France) 를 이용하여 실리콘 광증배관(Silicon photo- multiplier: SiPM, 모델명: S11828-3344M, Hamamatsu, Japan) 에 접합시켰다. 플라스틱 섬광체는 SiPM과 접합하 는 부위를 제외하고 모두 3M 반사체(Enhanced specular

그림 1. 베타/감마 프로브 부품들: (a) 플라스틱 신틸레이터, (b) GAGG 섬광결정과 SiPM, (c) 자체제작한 인쇄회로기판 및 틀에 조립된 모습.

Fig. 1. Beta/gamma probe assemblies: (a) Plastic scintillator, (b) GAGG crystal with SiPM, and (c) Assembled beta/gamma probe with a custom-made PCB and jig.

표 1. 플라스틱 신틸레이터와 GAGG섬광결정의 주요사양.

Table 1. Specifications of the plastic scintillator and GAGG crystal.

Spec. Plastic scintillator GAGG crystal

Density (g/cm³) 1.03 6.63

Light yield

(Photons/MeV) 10,000 57,000

Decay time (ns) 2.4 88 (91%), 258 (9%) Peak emission

wavelength (nm) 423 520

Refractive index 1.58 1.85

Hygroscopicity No No

9 reflector, 3M, USA) 로 감쌌다. GAGG 섬광결정의 경우에

는 실리콘광증배관과 접합하는 부위를 제외하고 모두 테프 론 테이프로 감쌌다.

1.2 실리콘 광증배관(Silicon photomultiplier : SiPM) 실리콘 광증배관(SiPM)은 일본 Hamamatsu사의 S11828- 3344M 모델을 사용하였다. SiPM은 4 × 4 배열로 총 16채 널을 가지고 각 채널은 3.0 × 3.0 mm

의 민감영역을 가진 다. 한 채널의 민감영역은 50 μm의 피치를 가지는 픽셀 900 개로 이루어져 있고 민감영역 충전률(fill factor)은 65%이 다. SiPM의 총 면적은 12.6 × 12.6 mm

이고 최대 양자검 출효율은 440 nm에서 50%를 가진다.

본 연구에서는 SiPM의 항복전압(breakdown voltage)보 다 1.5 V 높은 전압에서 감마선에 대한 에너지분해능이 가 장 좋게 나왔다. 따라서 본 연구의 모든 실험에서는 1.5 V 의 과전압(over-voltage)을 SiPM 채널에 균일하게 인가하 였다. SiPM은 온도에 매우 민감하기 때문에 SiPM으로 이 루어진 프로브는 20

C 가 유지되는 항온장치(이든계측기, 모 델명: BIDI156, 한국)내에 위치시킨 후 진행되었다.

1.3 반사체 디자인을 이용한 반응 깊이 측정

18

F-FDG 양전자방출체의 2차원 분포를 알기 위해서는 양 전자가 플라스틱 섬광체의 X-방향 반응 위치 뿐만 아니라 Y- 방향 반응 위치 즉 플라스틱 섬광체 내에서의 반응 깊이 (Depth-of-interaction : DOI) 를 파악해야 한다. 그림 2(a) 처럼 플라스틱 섬광체 간 3개의 접합면을 모두 3M 반사체 로 완전히 분리시킨 경우 섬광 빛(빨간색 화살표)의 분포가 X- 축으로 제한이 되어서 X-축만의 반응위치를 알 수 있고 양전자가 플라스틱 섬광체의 Y-축 방향으로 어디서 반응했 는지는 알 수가 없다. 그러나 그림 2(b)처럼 플라스틱 섬광 체 간 3개의 접합면에 사각형 구멍이 뚫린 3M 반사체를 놓게 되면 섬광 빛의 분포가 X-축 방향으로 퍼져서 SiPM

의 채널 A1뿐만 아니라 B1, C1, D1에도 신호가 발생하므 로 빛의 퍼짐 정도를 이용해서 Y-축 방향으로도 어디서 양 전자가 반응했는지를 알 수 있다[12]. 본 논문에서는 플라 스틱 섬광체의 Y-축 방향 분해능, 즉 반응깊이 분해능을 향 상시키기 위해 다양한 반사체 디자인을 이용해서 실험을 진 행했다.

Y- 축으로 플라스틱 섬광체의 반응깊이 분해능을 측정하기 위해 1 MBq의

F 을 플라스틱 섬광체 전면부에 플라스틱 위치시키고 그림 3와 같이 직경 1 mm 구멍을 가지는 0.1 mm 두께의 동판을 양전자 조준기로 이용해서 SiPM에서 가까운 쪽에서부터 Y-축 방향으로 1.5 mm, 4.5 mm, 7.5 mm 와 10.5 mm 4군데에 3 mm 간격으로 양전자를 반응시 켰다.

1.4 아날로그 신호 처리 및 데이터 획득

SiPM 의 각 채널에서 나오는 신호는 자체 제작한 인쇄회

Fig. 2. Depth-of-interaction encoding method using reflectors with rectangular cut-out: (a) Conventional ESR reflector between the plastic scintillators, and (b) Proposed ESR reflectors with rectangular cut-out for DOI identification.

그림 3. 양전자방출체 ¹⁸F과 동판 조준기를 이용한 반응깊이 측정방법 : (a) 동판 조준기, (b) 반응깊이 측정 방법, (c) 반응깊이 측정을 위한 16개 위치.

Fig. 3. Depth-of-interaction measurements with a copper collimator for positrons emitted from ¹⁸F: (a) Copper collimator (b) Schematic diagram of DOI measurement, and (c) 16 positions for DOI measurements.

10

로기판의 연산증폭기(AD8000, Analog device, USA)를 이 용하여 증폭시킨 후 LEMO 케이블을 이용하여 NIM (Nu- clear instrument measurements) 모듈의 Fan-in Fan- out 및 선단 판별기(Leading edge discriminator : LED) 로 보냈다.

그림 4에서와 같이 양전자의 신호에 해당하는 A1, B1, C1 과 D1 4개 채널과 감마선 신호에 해당하는 A2부터 D4까 지의 12개 채널의 합 신호(γ-sum)는 VME (Versa module eurocard) 의 아날로그 디지털 변환장치(V965, CAEN, Italy) 에서 디지털 신호로 변환 되었다. A1, B1, C1과 D1 의 합 신호인 β + -sum 신호는 선단 판별기(KN241, Kaizu Works, Japan) 를 거쳐서 게이트 신호 발생기(GATE generator, Model 222, LeCroy, USA)로 보내지고 게이 트 신호가 VME의 모듈로 전해지면 V965 아날로그 디지 털 변환장치에 모여 있던 QDC디지털 값들은 컴퓨터의 PCI 모듈(A2718, CAEN, Italy)로 전송되고 기록되었다.

2. 데이터 분석

실험을 통해 얻어진 양전자와 감마선 데이터는 플라스틱 섬광체 내에서의 양전자 반응위치정보를 계산하기 위해 매 트랩(R2012a, Mathworks, USA)을 이용하여 분석하였다.

몬테카를로 시뮬레이션(GATEv6.2)을 이용하여 SiPM의 잡 음이 없는 조건에서의 DOI분해능을 파악하였다.

2.1 플라스틱 섬광체의 X-축 반응위치 계산

플라스틱 섬광체 배열(4 × 1)에서 양전자의 X-축 방향 반 응위치를 계산하기 위해 다음과 같은 식을 이용하였다.

X- 위치 = 식(1)

이 식에서 A1, B1, C1과 D1은 SiPM 채널의 디지털 신 호 크기이고, w는 채널 위치에 따른 가중치이다. 가중치 w 가 1에서 2로 증가하면 X-위치의 피크 간의 구분이 더욱 잘 되었지만 2보다 더 커지는 경우에는 피크 간의 구분 효과는 더 이상 없었다. 따라서 본 연구에서는 가중치 w는 2로 설 정하였다.

2.2 플라스틱 섬광체의 Y-축 반응위치 (반응깊이:Depth- of-interaction) 계산

플라스틱 섬광체 배열(4 × 1)에서 양전자의 Y-축 방향으 wA1 B1 C1 wD1 – + +

– A1 B1 C1 D1 + + + ---

Fig. 4. Data flow diagram for positron and 511 keV gamma detection.

그림 5. 플라스틱 신틸레이터와 SiPM에서의 섬광빛 퍼짐정도 전산 모사 : (a) 섬광빛 추적을 위한 GATEv6.2를 이용한 전산모사, (b) 전산모사와 매트랩을 이용한 결과값 분석까지의 다이아그램.

Fig. 5. Monte-carlo simulation of scintillation light spread on the plastic scintillator and SiPM: (a) Monte-Carlo simulation with GATEv6.2 program for scintillation light tracking, and (b) Process diagram of Monte-Carlo simulation result.

11 로의 반응위치, 즉 반응 깊이를 계산하기 위해 다음과 같은

식을 이용하였다.

Y- 위치 = 식(2)

우선 양전자가 반응한 X-위치가 A1, B1, C1과 D1중 어 디에 속하는지 확인한 후 X-위치가 만일 A1에 속할 경우 분자는 A1으로, B1에 속할 경우 분자는 B1으로, C1에 속 할 경우 분자는 C1으로, D1에 속할 경우 분자는 D1으로 계산하였다.

2.3 조직등가물질 두께에 따른 양전자와 감마선의 계수율 측정

프로브로 검출 가능한 조직의 깊이를 평가하기 위해 점선

원의 1 MBq

F 앞에 조직등가물질인 폴리 염화 비닐(Poly- vinyl chloride: PVC) 를 두께 0.5 mm 간격으로 0 mm에 서 5 mm까지 증가시켜가면서

F 의 양전자와 소멸감마선 의 계수율을 측정하였다.

2.4 몬테카를로 시뮬레이션과 실제 실험과의 X-위치, Y-위 치 분해능 결과 비교

몬테카를로 프로그램인 GATEv6.2 (Geant4 Application for Tomographic Emission) 를 이용하여 3M 반사체에 사 각형 구멍을 냈을 때 Y-축 방향으로 반응 위치가 분해되는 지를 알아보았다(그림 5)[13]. 실제 실험과 동일한 조건으로 플라스틱 섬광체와 광 그리즈, SiPM 3M 반사체를 시뮬레 이션을 하였고 그림 3(c)의 위치에 양전자 3,000개를 각각 반응시켰다.

A1 B1 C1 D1

( ) X 위치 ∩ ( – ) A1 B1 C1 D1 + + + ---

그림 6. 플라스틱 섬광체 사이 면의 반사체 형태에 따른 X-위치, Y-위치 : (a) 여러 종류의 ESR반사체 디자인, (b) 양전자를 플라스틱 섬광 체에 고르게 조사시켰을 때의 플라스틱 섬광체의 X-위치, (c) 4개의 반응 위치에 따른 플라스틱 섬광체 B의 Y-위치.

Fig. 6. X-position, Y-position of plastic scintillator array with different reflector design between interfaces of the plastic scintillators: (a) Different ESR reflector design, (b) X-position obtained by flood positron irradiation, and (c) Y-position obtained by irradiating 4 different positions along the Y direction on the column B.

12

시뮬레이션의 출력파일로 나온 ASCII데이터는 자체 작성 한 매트랩(Matlab2012a, MathWorks, USA) 코드를 이용 하여 분석하였고 X-위치와 Y-위치를 식 (1)와 식 (2)를 이 용하여 얻어냈다. 이상적인 조건에서 X-축 분해능과 Y-축 분해능을 시뮬레이션하기 위해 SiPM 채널 간의 광학 간섭 (optical cross-talk) 및 후광효과(after pulse)등은 시뮬레 이션에서 고려되지 않았다.

III. 결 과

1.

F을 이용한 베타/감마 프로브의 실험 결과

1.1 반사체 종류에 따른 플라스틱 섬광체의 X-축, Y-축 반 응위치 측정

플라스틱 섬광체 간의 접합면의 반사체 디자인에 따라 X- 위치와 Y-위치(DOI 분포)를 얻었다. X-위치의 경우 구리 조 준기가 없는 상태에서

F의 양전자를 플라스틱 섬광체에 고르게 반응시켜서 얻었고 Y-위치의 경우 플라스틱 섬광체 B 에서 구리 조준기를 이용하여 Y-축 방향으로 1.5 mm, 4.5 mm, 7.5 mm와 10.5 mm 4군데에서 얻었다.

그림 6(b)에 나타났듯이 플라스틱 섬광체 간의 접합면에 반사체가 없는 경우에는 X-축 방향으로 빛의 퍼짐이 제한되 지 않기 때문에 X-위치의 분포가 많이 겹쳐서 나왔다. 특히, 플라스틱 섬광체 A와 B 그리고 C와 D간에 겹침이 많이 발 생했다. Y-축 방향으로 반응 위치 1.5 mm, 4.5 mm, 7.5 mm와 10.5 mm 4군데 간에 구분이 안 되었다(그림 6(b)).

기존의 3M 반사체 디자인을 사용했을 경우, X-축 방향으로 플라스틱 섬광체 4개가 잘 구분이 되었다. 그러나, Y-축 방 향으로 4군데의 위치는 구분이 되지 않았다(그림 6(c)). 본

연구에서 제안된 사각형 구멍이 난 3M 반사체를 썼을 경 우엔 X-축 방향으로 4개의 플라스틱 섬광체가 구분이 되었 고 Y-축 방향으로는 4.4 ± 1.6 mm의 분해능으로 구분이 되 었다(그림 6(b)와(c)).

그림 7은 플라스틱 섬광체 B위치에

F 을 놓았을 때의 양 전자에 의한 신호인 SiPM 채널 A1, B1, C1, D1 그리고 GAGG 섬광 신호의 합(γ-sum)의 전하 분포(QDC distribu- tion) 이다. 가로축은 SiPM채널에 수집된 섬광 빛의 량에 비 례하는 전하량(QDC)을 나타내고 세로축은 해당 전하량에 대응하는 신호의 개수를 나타낸다. A1, B1, C1, D1의 경 우 플라스틱 섬광체가 결합되어 있고 양전자가 주로 반응했 기 때문에 전형적인 양전자 에너지 분포의 모습을 보인다 ( 그림 7). 반면 γ-sum 신호의 경우 소멸감마선이 프로브 후 면에 위치한 GAGG섬광결정과 반응했기 때문에 QDC분포 에서 컴프턴 산란과 후방산란 그리고 광전효과 피크를 확인 할 수 있고 에너지 분해능은 19%로 측정됐다(그림 7).

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F 이 플라스틱 섬광체 B에 위치해 있기 때문에 B1의 QDC 값이 약 2200 정도로 가장 크게 나왔고 인접해 있는 SiPM 채널 A1, C1에 각각 QDC값 1000이 나왔다. B1으 로부터 가장 멀리 떨어진 채널 D1에는 도달되는 섬광빛의 량이 가장 적기 때문에 QDC값도 500정도로 가장 낮게 나 왔다(그림 7). 이는 플라스틱 섬광체 배열 사이에 위치한 반 사체의 구멍을 통해 섬광 빛이 이동을 했음을 의미한다.

1.2 조직등가물질 두께에 따른 양전자와 감마선의 계수율 비교

그림 8은 조직등가물질인 PVC의 두께에 따라 양전자와 511 keV γ-선의 계수율을 측정한 실험 결과이다. 양전자 ( β+)의 경우 프로브 전면부에 위치한 플라스틱 섬광체로 검

그림 7. SiPM 채널 A1, B1, C1, D1 그리고 γ-sum의 출력 신호.

Fig. 7. SiPM output signals from channel A1, B1, C1. D1 and γ-sum.

13 출을 하였고 1.5 mm 두께의 PVC에서는 신호가 검출이 됐

지만 2.0 mm 두께에서부터는 계수율이 노이즈 레벨 밑으 로 내려가서 검출이 되지 않았다. 소멸감마선(511 keV)의 경우 프로브의 후면부에 위치한 GAGG섬광결정으로 검출 을 하였고 PVC의 두께가 5.0 mm가 되어도 계수가 가능 하였다.

2. 시뮬레이션과 실제 실험결과의 비교

그림 9에서 보이듯이 몬테카를로 프로그램인 GATEv6.2 를 이용한 광학 시뮬레이션을 사용했을 때 DOI분해능이 1.4 ± 0.2 mm로 실제 실험결과인 4.4 ± 1.6 mm보다 약 3 mm 가량 좋게 나왔다. 이러한 이유는 시뮬레이션에서는 SiPM 채널 간의 섬광빛 간섭(Optical cross-talk)과 후광 효 과(after pulse)가 고려되지 않았기 때문이다.

IV. 고 찰

β-선이나 전자를 검출하는 프로브는 감도가 좋은 편이나 γ-선을 검출하는 프로브는 감도도 떨어지고 종양 대 배경사 건 비도 나쁜 편이다[7,8]. β-선이나 전자를 검출하는 프로 브는 표재성 병소에는 적합하나 투과력이 약해 1~2 mm 깊 이에 있는 병소를 놓칠 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안 된 β-선, 소멸감마선 동시 검출 방법을 이용하면 수술 중 표 재성 종양과 심부종양의 검출 및 제거에 도움을 줄 수 있을 것이다.

국외 연구기관에서 개발한 베타영상/감마프로브의 경우, 145 μm 두께의 CsI(Tl) 필름을 면적 8.0 mm × 10.0 mm 인 광섬유 다발에 도포한 후 CCD로 베타영상을 획득하고, 후면부에는 5.0 × 5.0 × 10.0 mm

크기의 CsI(Tl)을 PIN photodiode 와 결합시켜서 감마선을 검출할 수 있도록 하였 다[10]. 이 경우 베타 영상과 감마영상을 동시에 획득할 수 있지만 베타 영상을 위해 CCD를 추가로 사용해야 한다는 단점이 있고 베타 검출 시 양전자의 에너지 분포를 알 수 없고 베타선 검출 영역이 광섬유 CsI(Tl)이 도포된 광섬유 다발의 면적인 8 mm × 10 mm로 제한된다는 단점이 있다.

현재의 프로브로는 β-선의 경우 X-방향과 Y-방향으로 12.2 mm 와 12 mm의 검출영역을 가지면서 2.9 mm와 4.4

± 1.6 mm의 픽셀크기를 X, Y방향으로 각각 얻을 수 있다.

Y- 방향으로의 분해능을 향상시키기 위해 SiPM 채널간의 섬 광 빛 간섭(optical cross-talk)을 줄이기 위한 노력이 필요 하다. 이를 위해서는 실제 실험에 쓰이는 반사체의 디자인 과 조립을 더욱 세밀하게 하고 또한 SiPM간의 빛 간섭 정 도를 측정하여 이를 후처리 과정에서 제거해주는 과정들이 필요할 것이다. 또한 실리콘 광증배관(SiPM)의 경우 신호 의 크기가 외부 온도에 매우 민감하기 때문에 추후 연구에

그림 9. 시뮬레이션과 실제 실험결과간의 비교.

Fig. 9. Comparison between simulation and experimental results.

그림 8. PVC두께에 따른 양전자와 511 keV 소멸감마선의 계수율.

Fig. 8. Count rate of the positron and 511 keV gamma as a function of PVC thickness.

14

서는 외부 온도에 따른 SiPM의 인가전압 보상 회로를 추 가하여야 할 것이다.

감마선 검출 측면에서 봤을 때 현재의 프로브의 측면 쪽 에는 배경감마선을 막아주는 텅스텐 조준기가 존재하지 않 는다. 따라서 추후 연구에서는 실제 임상환경에 최적화된 측 면 차폐용 텅스텐 조준기를 사용할 예정이다. 또한 플라스 틱 섬광체에 들어오는 배경 감마선의 양을 시뮬레이션하고 이를 제거해주는 알고리즘을 개발할 예정이다.

V. 결 론

방사성의약품

F-FDG 의 양전자와 511 keV의 소멸감마 선을 동시에 검출할 수 있는 프로브를 개발하였다. 플라스 틱 섬광체 간의 접합면에 구멍의 크기가 점점 커지는 반사 체를 넣었을 때 반응 깊이 4.4 ± 1.6 mm를 얻어서 양전자 의 2차원 영상화의 가능성을 보였다. 추후 연구에서는 임상 에 적용할 수 있는 디자인으로 최적화하여 실험을 진행할 예정이다.

References

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