전임상용 양전자방출단층촬영기기(Positron Emission Tomography; PET)의 검출기는 고해상도와 고민감도를 달성하기위해 매우 작고 가는 섬광 픽셀을 사용한다. 전임삼용 PET이 개발된 초창기의 사용된 섬광 픽셀은 수 mm의 크기를 지녔다[1-3]. 이러한 섬광 픽셀과 위치민감형 광전자증배관의 조합을 통해 검출기를 구성하여, 소동물의 영상을 획득하였다. 더 우수한 해상도를 달성하기 위한 연구가 이루어짐에 따라, 공간해상도를 향상시키기 위한 방안으로 매우 작은 섬광 픽셀을 사용하는 시스템의 개발이 이루어졌다[4-8]. 1 mm 크기의 섬광 픽셀과 광센서의 조합을 통해 1 mm 이하의 공간해상도를 달성하였다. 그러나 이러한 매우 작은 섬광 픽셀을 사용하여 검출기를 구성하기 위해서는 광센서의 가장자리 부분에 위치한 섬광 픽셀들이 서로 중첩되어 나타나게 된다. 이를 해결하기 위해 섬광 픽셀 배열과 광센서 사이에 광가이드를 사용하여, 가장자리에 위치한 섬광 픽셀들에서 발생된 빛의 분포를 달리하여 평면 영상에서 서로 중첩되지 않도록 설계하였다[7,9]. 그러나 광가이드를 사용하여 검출기를 구성할 경우 광센서의 크기에 비해 섬광 픽셀의 크기가 매우 작을 경우 여전히 가장자리의 섬광 픽셀들의 영상이 중첩되거나 또는 인접하여 나타나는 결과가 발생한다.

본 연구에서는 이러한 가장자리 섬광 픽셀들의 중첩 또는 인접하여 영상에서 나타나는 것을 방지하고, 완벽히 분리될 수 있도록 하기 위해 기존에 주로 사용하는 광가이드를 대체하여 섬광 픽셀과 동일한 물질을 광가이드로써 사용하였다. 섬광 픽셀과 동일한 물질을 사용함으로써, 섬광체 블록내에서 발생하는 빛의 확산 및 이동 등을 기존의 광가이드와 다르게 함으로써, 평면 영상에서 가장자리 부분의 분리를 더욱 확실히 하였다. 이를 검증하기위해 0.8 mm 크기의 섬광 픽셀과 3 mm 크기의 실리콘광증배기(silicon photomultiplier; SiPM)를 조합한 검출기를 사용하여, 평면 영상을 획득하고 기존의 광가이드를 사용한 검출기와 비교·분석하였다.

1. 검출기 설계

매우 작은 섬광 픽셀을 사용하여 구성한 검출기의 가장자리 부분에서 발생할 수 있는 섬광 픽셀 영상의 중첩현상을 방지하기위해 기존에 사용하는 광가이드와 섬광체 블록을 광가이드로 사용하여 검출기를 구성하였다. 섬광 픽셀의 크기는 0.8 mm × 0.8 mm × 20 mm이며, 이를 14 × 14 배열로 구성하였다. 각 섬광 픽셀의 간격은 0.1 mm로 구성하였으며, 이 간격에는 반사체를 삽입하여 감마선과 발생된 빛을 광센서로 이동되도록 하였다. 섬광 픽셀들의 중첩을 방지하기 위해 사용한 광가이드의 크기는 2 mm × 2 mm × 12.6 mm로, 구성한 검출기의 전체 크기는 12.6 mm × 12.6 mm × 22 mm이며, Fig. 1과 같다. 섬광 픽셀은 고밀도를 지녀 높은 에너지의 감마선에 대한 검출이 우수한 Gadolinium Aluminum Gallum Garnet (GAGG)[10]를 사용하였다. GAGG는 6.6 g/cm³의 밀도를 지녔으며, 빛 발생이 54,000 photon/MeV으로 우수한 에너지 분해능을 지닌다. 구성한 검출기의 광가이드는 유리 재질 및 GAGG를 사용하여, 두 물질에서 획득한 평면 영상을 통해 가장자리의 섬광 픽셀들의 분리 정도를 평가하였다. 사용한 광가이드는 SensL사의 MaxtrixSM9 시스템[11]을 사용하였으며, 이는 4 × 4 배열로 구성된 SiPM array가 3 × 3으로 구성된 시스템으로, 이중 가운데 4 × 4 SiPM 광센서를 사용하였다. 각 SiPM 픽셀의 크기는 3 mm × 3 mm로 0.2 mm의 간격을 지녀 전체 크기는 12.6 mm × 12.6 mm이다. 섬광 픽셀 배열과 광가이드 사이 및 광가이드와 SiPM 사이에는 광학윤활제[12,13]를 사용하여 층 사이에 존재하는 공기로 인한 급격한 굴절률 차이를 방지하여, 빛 손실을 최소화하였다.

Figure 1. (Color online) Detector composed of 0.8 mm GAGG scintillator, light guide and SiPM. For the light guide, 2 mm thick glass and GAGG materials were used, and flood images were acquired and evaluated.

2. 평면 영상 획득 및 영상 분석

검출기의 각 섬광 픽셀들에 대한 영상을 형성하기위해 Na-22 방사선원을 사용하여 감마선을 획득하였다. Na-22 방사선원은 양베타 붕괴를 통해 소멸방사선을 발생시켜, 511 keV의 감마선을 방출시킨다. 각 섬광 픽셀과 감마선이 상호작용하여 발생된 빛은 섬광 픽셀을 둘러싼 반사체를 통해 산란과 반사 등을 거쳐 최종적으로 SiPM 광센서로 이동하여 신호를 발생시킨다. MatrixSM9 시스템은 발생된 신호에 대한 값을 디지털 신호로 변환하여 저장한다. 각 SiPM 픽셀에서 획득한 신호들은 X축 및 Y축 방향으로 신호를 거리에 따른 가중치를 부여하여 합산한 뒤, 다음 식을 통해 신호가 획득된 위치를 계산하여, 평면 영상을 구성하였다.

기존 광가이드와 블록형 GAGG를 사용한 광가이드에 대한 각각의 평면 영상을 획득한 후 가장자리 섬광 픽셀에 대한 영상들을 평가하였다. Figure 2와 같이 가장자리의 모든 두 픽셀의 분리 정도를 평가하였다. 모든 섬광 픽셀들에 대한 분리 정도는 다음 식을 통해 정량적으로 평가하였다[14,15].

Figure 2. (Color online) The degree of separation of all two edge scintillation pixels in the acquired flood image was evaluated. The degree of separation between the two scintillation pixels was evaluated through the spatial resolution of the 0th and 1st scintillation pixels and the distance between the centers.

여기서 w₀과 w₁은 두 섬광 픽셀의 각각의 공간분해능을 나타내며, D₀₁은 w₀ 섬광 픽셀과 w₁ 섬광 픽셀의 중심 지점간의 거리를 나타내고, k_i는 이를 통해 산출한 두 섬광 픽셀의 분리된 정도를 나타낸다. 각 섬광 픽셀 영상의 공간해상도를 측정하는 과정에서 정규 분포 형태를 이루는 영상의 분포의 중심 값을 획득하므로써 각 섬광 픽셀 간 중심 지점간의 거리를 산출하였다. k 및 k_std는 각각의 두 섬광 픽셀들의 분리 정도에 대한 평균값 및 표준편차를 나타낸다. K 값은 클수록, k_std 값은 작을수록 분리 정도가 우수한 것을 나타낸다.

1. 평면 영상

소동물용 PET의 공간분해능 향상을 위해 매우 작은 섬광 픽셀을 사용한 검출기가 개발되었다. 이러한 검출기에서는 가장자리의 섬광 픽셀에서 영상의 중첩 현상이 나타난다. 광가이드를 사용하여 검출기를 구성함으로써 가장자리의 픽셀들의 중첩을 해결할 수 있다. 기존 시스템에서 사용하는 광가이드와 섬광 픽셀과 동일한 물질의 광가이드를 적용한 검출기를 비교·분석하였다. 소멸방사선을 발생시키는 방사선원을 사용하여 광가이드를 사용하지 않았을 때와 기존 시스템에 사용하는 유리 재질의 광가이드 및 섬광 픽셀과 동일한 물질의 광가이드에 대한 평면 영상을 획득하였다. Figure 3은 광가이드 미사용 및 각 광가이드 사용한 검출기에서 획득한 평면 영상을 나타낸다. 여기서 (a)는 광가이드를 사용하지 않았을 때 획득한 평면 영상을 나타낸다. 가장자리 부분에서 섬광 픽셀 영상들이 서로 중첩된 것을 확인할 수 있다. (b)와 (c)는 각각 유리 광가이드 및 섬광체 광가이드를 사용하여 획득한 평면 영상을 나타낸다. 광가이드를 사용할 경우 가장자리 부분에서의 겹침이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

Figure 3. Flood images acquired with and without the light guide. (a) No light guide, (b) glass guide, (c) scintillator guide.

2. 광가이드에 따른 평면 영상 가장자리 픽셀들의 분리 정도 평가

유리 광가이드 및 섬광체 광가이드를 사용하여 획득한 평면 영상에서 가장자리 부분에서의 섬광 픽셀들의 분리 정도를 평가하였다. 평면 영상에서 좌측, 우측, 위, 아래 총 네개의 가장자리 부분에서 두 섬광 픽셀 영상의 분리 정도를 평가하였으며, Table 1에 결과를 나타내었다. Table 1에서 k는 각 14개 섬광 픽셀들의 분리 정도에 대한 평균값을 나타낸 것이고, k_std는 표준편차를 나타낸다. k값이 크고 k_std 값이 작을수록 두 섬광 픽셀 영상의 분리 정도는 우수한 것을 나타낸다. 아래쪽 가장자리를 제외하고 모든 가장자리에서 분리 정도가 우수한 것을 확인할 수 있다. 아래쪽 가장자리도 평균으로도 근소한 차이를 보이며, 표준편차에 따른 최대값을 비교할 경우에는 유리 광가이드 0.6977, 섬광체 광가이드 0.6756으로 오히려 섬광체 광가이드가 더 우수한 것을 확인할 수 있다.

Table 1 . Evaluation of separation degree of scintillation pixel image at the all edge in flood image according to the type of light guide material.

Material	Left		Right		Top		Bottom
	k	kstd	k	kstd	k	kstd	k	kstd
Glass	0.5903	0.0751	0.5398	0.0909	0.4382	0.0694	0.6245	0.0732
Scintillator	0.6805	0.0720	0.6515	0.0768	0.6201	0.0840	0.6191	0.0565

3. 평면 영상의 가장자리 및 중심 섬광 픽셀 영상의 공간분해능 평가

각 광가이드에서 획득한 평면 영상에서 각 섬광 픽셀들의 영상화 분포를 평가하기위해 가장자리 및 중심에서 프로파일을 획득 후 공간분해능을 측정하였다. Figure 4와 같이 여섯개 지점에서 프로파일을 획득하였으며, 프로파일들의 각 섬광 픽셀들의 공간분해능을 비교·평가하였다. Table 2에 여섯 지점에서 획득한 각 섬광 픽셀들 영상의 공간분해능의 평균값과 표준편차 값을 나타내었다. 모든 지점에서 섬광체 광가이드를 사용한 검출기에서 우수한 공간분해능을 나타낸 것을 확인할 수 있다.

Figure 4. (Color online) Evaluation of the degree of imaging distribution of scintillation pixels in the flood image acquired by each light guide.

Table 2 . Average and standard deviation of spatial resolution of 14 scintillation pixel images obtained from top, center1, bottom, left, center2, and right of each light guide flood image.

Material		Spatial Resolution
		Top	Center1	Bottom	Left	Center2	Right
Glass	average	6.2933	5.4032	5.3300	5.8694	5.0821	5.8209
	stdev	1.1921	0.9226	1.2271	1.3272	0.7984	0.7715
Scintillator	average	5.3069	4.5844	5.1857	5.2047	4.8572	5.1243
	stdev	1.1632	1.0731	1.1174	1.0994	0.8278	1.0739

고분해능 달성을 위한 소동물용 검출기를 제작하기위해 매우 작음 섬광 픽셀을 사용하여 검출기를 구성할 경우, 광센서 픽셀에 비해 매우 작은 섬광 픽셀의 크기로 인해 검출기의 가장자리 부분에서의 섬광 픽셀 영상의 중첩현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 기존 검출기에서는 광가이드를 사용하여 섬광 픽셀에서 발생된 빛의 분포를 변화시킴으로써 겹치는 현상을 감소시키고자 하였다. 그러나 검출기를 구성하는 섬광 픽셀과는 다른 물질로 구성되어 가장자리 섬광 픽셀 영상들이 완벽하게 분리되지는 않았다. 이에 섬광 픽셀과 동일한 물질로 광가이드를 구성하여 사용한 결과 유리 물질로 광가이드를 구성한 결과에 비해 섬광 픽셀 영상들의 분리 정도가 더 우수한 것으로 나타났다. 유리 광가이드를 사용하였을 경우, 분리 정도를 나타내는 전체 평균 k값은 0.5482 ± 0.1035로 산출되었지만, 섬광체 광가이드를 사용하였을 경우에는 전체 평균 k값이 0.6428 ± 0.0755로 산출되어, 분리 정도가 약 14.7% 향상된 것으로 나타났다. 또한 가장자리 및 중심 부분에서의 평면 영상 공간분해능 결과는 유리 광가이드를 사용하였을 경우, 전체 평균적으로 5.6331 ± 1.1069로 측정되었으며, 섬광체 광가이드를 사용하였을 때에는 5.0439 ± 1.0617로 유리 광가이드에 비해 약 11.7% 향상된 공간분해능을 보였다. 이는 인접한 섬광 픽셀 영상들의 분리가 더욱 뚜렷한 것을 나타낸다. 유리 광가이드에 비해 섬광체 광가이드를 사용하여 획득한 평면 영상에서 각 섬광 픽셀들의 영상의 공간분해능이 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 빛이 굴절률이 다른 물질을 이동할 때 굴절되는 각도가 달라져서 발생된 결과이다. 유리에 비해 섬광체 물질은 굴절률이 더 크고, 이에 따라 빛의 굴절률이 상대적으로 더 작은 각도로 굴절함에 따라 빛 분포가 더 좁게 형성되어 영상이 더 작은 분포로 형성되어 공간분해능이 우수하게 나타났다.

본 연구에서는 기존에 사용하는 광가이드를 대체하여 섬광체 물질로 구성된 광가이드를 사용하여 매우 작은 섬광 픽셀로 구성된 검출기에서 가장자리 부분의 섬광 픽셀 영상들의 중첩되는 것을 방지하는 검출기를 개발하였다. 기존에 사용하는 광가이드에 비해 평면 영상에서 가장자리 섬광 픽셀 영상들의 분리 정도가 더욱 뚜렷한 것을 확인할 수 있었으며, 전체적으로 각 섬광 픽셀 영상들의 공간분해능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 공간분해능이 보다 더 향상됨으로써 전체적으로 섬광 픽셀 영상들의 분리가 뚜렷하게 될 수 있었다. 본 검출기를 사용하여 소동물용 PET을 구성할 경우 매우 작은 섬광 픽셀의 사용이 가능해짐에 따라 우수한 시스템 공간분해능을 달성하여 소동물 영상의 질을 향상시킬 수 있을 것이다.

This work was supported by Dongseo University, “Dongseo Cluster Project” Research Fund of 2023 (DSU-20230003).