KR100917931B1 - 가이거사태 광전소자를 이용한 ｐｅｔ 섬광모듈, 이것을이용한 양전자방출 단층촬영장치 및 ｐｅｔ－ｍｒｉ - Google Patents
가이거사태 광전소자를 이용한 ｐｅｔ 섬광모듈, 이것을이용한 양전자방출 단층촬영장치 및 ｐｅｔ－ｍｒｉ Download PDFInfo
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Abstract
본발명은 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈, 이것을 이용한 양전자방출 단층촬영장치(PET) 및 PET-ＭＲＩ에 관한 것으로, 감마선을 검출하는 검출소자로서 가이거사태 광전소자를 이용함으로써, 기존 반도체 광전소자인 사태광전소자(APD)에 비해 신호증폭율이 수백 ~ 수천배 크고 시간 분해능이 훨씬 뛰어난 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈, 이것을 이용한 양전자방출 단층촬영장치 및 PET-ＭＲＩ를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈은, 감마선을 검출하는 섬광결정체(10); 섬광결정체(10) 하부에 구비되는 가이거사태 광전소자(20); 및 가이거사태 광전소자(20)에서 검출한 전기적 신호를 처리하는 신호처리부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명의 따른 PET 섬광모듈은 가이거사태 광전소자(20)의 하부에 고정층(30)을 더 구성할 수도 있다. 또한, 본 발명은 이러한 PET 섬광모듈을 이용한 양전자방출 단층촬영장치 및 PET-ＭＲＩ를 포함한다.
가이거사태 광전소자, SSPM, 섬광결정, LYSO, 에너지 분해능, 시간분해능
Description
본 발명은 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈, 이것을 이용한 양전자방출 단층촬영장치(PET) 및 PET-ＭＲＩ에 관한 것으로, 특히 신호증폭율과 시간분해능이 우수한 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈, 이것을 이용한 양전자방출 단층촬영장치 및 PET-ＭＲＩ에 관한 것이다.
일반적으로 인체의 생화학적인 변화를 영상화하여 이상을 찾아내고 각종 질병의 조기 진단을 할 수 있는 의학 분야의 방사선 영상장치로는 크게 자기공명찰영장치(Magnetic Resonance Imaging; MRI), 컴퓨터단층촬영장치(computer tomography; CT) 그리고 양전자방출 단층촬영장치(Positron Emission Tomography; PET)를 들 수 있다.
CT는 X선과 X선 검출기를 마주보는 형태로 설치된 회전판을 포함하여 구성되 며, 이 회전판이 회전하면서 발생된 파장이 짧은 X선 펄스를 X선 검출기에서 검출하여 영상을 얻게 된다. 이러한 CT의 장점은 몸통의 수평단면, 즉 머리나 몸체의 가로절단면 단층상을 얻을 수 있고, 특히 X선 촬영에서 식별할 수 없는 체내의 조직을 판별할 수 있다.
MRI는 수소 원자들이 강한 자기장 안에 놓이게 되면 생기는 세차운동을 이용한 장치이다. 즉, 수소 원자핵인 양성자는 자기장의 방향으로 정렬되고, 자기장의 세기에 관계되는 진동수로 세차운동을 한다. 이때 같은 진동수를 가진 전자파를 짧게 방출하여 양성자와 충돌을 일으켰을 때, 양성자는 정렬된 상태에서 잠시 이탈되었다가 제자리로 돌아온다. 이 과정에서 양성자는 약한 전파를 방출하고, 이 전파를 검출하여 모니터에 영상을 형성한다. 이와 같은 장치는 신체가 70% 정도를 차지하는 물분자(H2O)를 이루는 수소 원자를 이용하여 영상을 얻기 때문에 살아있는 생물체로부터 영상을 얻는데 유리한 물리학적 원리를 이용한 영상기술이다.
PET는 질병의 발병 전에 생기는 해부학적인 형태 변화의 이상을 찾아낼 수 있기 때문에 각종 질병의 조기 진단 및 해부학적으로 미세한 변화를 알 수 있는 새로운 기술로 각광을 받고 있다. 이러한 PET는 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 표시하여 인체에 투여한 후 양전자와 물질간의 상호작용으로 발생하는 소멸방사선(annihilation radiation)을 체외에서 검출하여 단층촬영 영상을 만든다.
특히, 이 소멸방사선인 감마선을 검출하기 위한 광전소자로서 광전증배관(Photomultiplier Tube; PMT)나 사태광전소자(Avalanche Photodiode; APD)를 이용한다. 신체에 투여된 방사선 물질은 베타(+)붕괴를 통해 나온 양전자와 몸 안의 전자가 결합하여 소멸반응을 일으키게 되는데, 이때 좌우 대칭으로 방출되는 감마선을 검출하여 영상을 얻게 된다.
한편, 이처럼 방사선을 이용한 대표적인 의료용 영상장치 이외에도 최근에 와서는 이러한 각각의 영상장치를 하나로 통합한 PET-MRI, PET-CT라든가 광학-PET과 같은 통합형 영상장치에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
그러나, 종래의 의료용 영상장치는 다음과 같은 문제가 있다.
1) APD를 이용한 PET의 경우, 검출한 신호의 증폭율이 낮기 때문에 신호증폭기를 APD와 인접한 곳에 설치해야만 한다. 이러한 PET를 MRI에 장착할 경우 APD-PET을 보호하기 위해 차폐장치를 필요로 하게 되는데, 이는 MRI 영상신호까지 차폐하게 되어 MRI 영상 화질이 떨어진다. 또한, 시간분해능이 나쁘기 때문에 노이즈가 PET 신호에 포함되어 PET의 영상 화질을 떨어뜨리는 원인으로 작용한다.
2) PMT를 이용한 PET의 경우, PMT가 자기장과 고주파 전자파에 민감하기 때문에 PMT-PET를 MRI에 일체형으로 장착하기가 어렵다.
3) MRI는 인체의 해부학적 영상을 보여주는 영상장치로서 특히 연조직 대비가 뛰어난 영상장치이긴 하나 제한된 기능적 영상밖에 보여줄 수 없는 단점이 있 다.
4) CT는 인체의 해부학적 영상을 보여주나 기능적 영상은 제공하지 못할 뿐만 아니라 특히 피폭의 위험이 있다.
5) PET는 인체의 기능적 영상을 보여주는 대표적인 분자 영상장치이나 공간분해능이 CT나 MRI에 비해 떨어지는 문제가 있다.
6) 이 외에도 광학영상장치가 있으나, 이는 민감도가 뛰어나고 방사능을 이용하지 않는다는 장점은 있으나 투과성이 약해 전임상 연구에 주로 이용하고 있으나 임상 적용에는 한계가 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 특히 감마선을 검출하는 검출소자로서 가이거사태 광전소자를 이용함으로써, 기존 반도체 광전소자인 사태광전소자(APD)에 비해 신호증폭율이 수백 ~ 수천배 크고 시간 분해능이 훨씬 뛰어난 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈, 이것을 이용한 양전자방출 단층촬영장치(PET) 및 PET-ＭＲＩ를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈(100')은,
감마선을 검출하는 섬광결정체(10);
섬광결정체(10) 하부에 구비되는 가이거사태 광전소자(20); 및
가이거사태 광전소자(20)에서 검출한 전기적 신호를 처리하는 신호처리부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 섬광결정체(10)는 행렬 형태로 배치된 섬광결정(11)과, 그 하부에 위치하는 섬광퍼짐층(12)을 포함하여 이루어진다. 섬광물질로는 LSO, BGO, LYSO, LaBr3, NaI, 또는 LGSO을 이용할 수 있다.
또한, 섬광결정(11)은 다른 섬광결정으로 섬광이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위한 반사체(13)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 섬광퍼짐층(12)은 석영 또는 플렉시유리를 이용할 수 있으며, 두께 1~10mm이고, 섬광퍼짐층(12)의 단면과 동일한 크기로 제작하여 이용할 수 있다.
특히, 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈은,
섬광결정체(10)의 섬광결정(11)은 4X4열로 배열되고,
가이거사태 광전소자(20)는 2X2열로 배치되며,
각 가이거사태 광전소자(20) 상에는 4개의 섬광결정(11)이 배치되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 가이거사태 광전소자(20)는 반도체 광증배관(SSPM), 실리콘 광증배관(SiPM), 또는 다중픽셀 광계수기(MPPC)을 이용할 수 있으며, 섬광결정체(10)의 행렬 배치 및 장착이 용이하게 이루어지도록 하부에 고정층(30)을 더 구성할 수도 있다.
또한, 신호처리부(40)는 가이거사태 광전소자(20)로부터 검출된 전기신호를 증폭시켜 주기 위한 신호증폭기와, 증폭된 신호로부터 감마선 반응을 일으킨 섬광결정을 추출하는 섬광결정 위치측정수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때의 섬광결정 위치측정수단은 행렬 형태로 배치된 섬광결정(11)을 2X2행렬 단위로 구획하여 감마선 반응을 일으킨 섬광결정(11)의 위치를 검출하고, 이 4개의 섬광결정(11)의 신호를 합친 통합신호를 생성하여 에너지와 시간을 판별하는 것을 특징으로 한다.
또한, 신호처리부(40)는 섬광결정체(10)로부터 획득한 신호를 전달받는 매체 로서 캡톤, 동축케이블, 꼬인쌍 케이블, 또는 전자기판을 이용할 수 있다.
본 발명에 따르는 PET 섬광모듈(100')은 다수개의 PET 섬광모듈을 행렬 형태로 배치된 섬광모듈체(100) 형태로 구성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈이 구비된 양전자방출 단층촬영장치는,
피검체를 수용할 수 있는 몸체(200);
몸체(200) 내부에 설치되어 감마선을 검출하는 검출수단(300); 및
검출수단(300)으로부터 검출된 신호로 영상으로 보여주고 저장하는 영상장치;를 포함하여 이루어지며,
검출수단(300)은 섬광모듈체(100)가 임의의 방향에서 양쪽으로 방출되는 감마선을 검출할 수 있도록 배치하여 이루어지고, 섬광모듈체(100)는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 택일된 PET 섬광모듈(100')을 행렬 형태로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 검출수단(300)은 섬광모듈체(100)를 원형, 또는 변의 갯수가 적어도 6개의 짝수인 정다각형 형태로 배치하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따르는 PET-MRI는,
몸체(200);
몸체(200) 안쪽에 설치되는 보디RF코일(220), 고주파차폐판(230) 및 그레디언트 코일(240); 및
몸체(20) 내부에 설치된 양전자방출 단층촬영장치;를 포함하여 이루어지며,
양전자방출 단층촬영장치는, 몸체(200) 내부에 설치되는 고주파차폐판(210); 및 고주파차폐판(210) 내부에 설치되어 감마선을 검출하는 검출수단(300);을 포함하여 이루어지며,
검출수단(300)은 섬광모듈체(100)가 임의의 방향에서 양쪽으로 방출되는 감마선을 검출할 수 있도록 배치하여 이루어지고, 섬광모듈체(100)는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 택일된 PET 섬광모듈(100')을 행렬 형태로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 고주파차폐판(210)은 보디RF코일(220) 내부 또는 외부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 각 섬광모듈(100')은 신호처리부(40)를 가이거사태 광전소자(20)로부터 분리하여 MRI 촬상 영역 밖에 설치하고, 신호처리부(40)와 가이거사태 광전소자(20)를 연결시켜 주는 캡톤, 동출 케이블, 꼬인쌍 케이블 또는 전자기판을 차폐시켜 주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 PET-MRI는 섬광모듈체(100)의 안쪽에 헤드 및 사지용 RF 코일(250)을 더 포함하여 이루어지며, 바람직한 실시예로 LYSO를 섬광결정체(10)의 섬광 결정으로 이용하고, SSPM을 가이거사태 광전소자(20)로서 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 PET-MRI는 SSPM과 연결된 RC필터와, RC필터에 병렬연결된 역전류방지용 다이오드를 포함하여 이루어진 SSPM 보호필터를 더 포함하여 구성할 수 있다. 이러한 본 발명의 PET-MRI는 MRI 영상만 얻거나, 양전자방출 단층촬영장치 및 MRI로부터 동시에 영상을 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 기존 반도체 광전소자인 사태광전소자(GAPD)에 비해 신호증폭율이 수백 ~ 수천배 크고 시간 분해능이 훨씬 뛰어난 가이거사태 광전소자 양전자방출 단층촬영장치(GAPD PET)를 얻을 수 있다.
2) 본 발명에 따르는 양전자방출 단층촬영장치를 통해 단독으로 영상을 획득하거나 CT, MRI 또는 다른 광학 영상 장치에 부가 설치하여 동시 촬영 또는 순차적으로 영상을 얻을 수 있으며 전임상 또는 임상 장치로 활용할 수 있다.
3) PMT PET보다 자기장과 전자기파 환경에서 구현이 용이하고, 특히 특별한 차폐 수단없이도 MRI 내에 설치가 가능하다.
4) 시간분해능이 기존의 APD PET보다 우수하기 때문에 좁은 동시 시간창(Coincidence Signal Time Window)를 이용함으로써, APD PET보다 우수한 산란 정보를 얻을 수 있다.
5) 본 발명에 따른 PET 섬광모듈체를 이용한 양전자방출 단층촬영장치는 CT, MRI 또는 다른 의료용 광학영상 장치에 장착하여 동시 또는 순차적으로 영상을 획득하는 것이 가능하다.
6) 본 발명의 PET-MRI는 자장 변화와 RF에 가장 민감한 구역에서 벗어난 곳에 신호처리부를 설치할 수 있기 때문에, 신호처리부를 보호하기 위한 차폐판이 촬영 영역에 설치하지 않아도 되어 양질의 MRI 영상을 얻을 수 있다.
7) GAPD 신호는 APD 신호보다 수백~수천배가 크기 때문에 피검체로부터 떨어 진 곳까지 신호를 이송한 후 신호증폭장치 등의 전자장치를 위치시킬 수 있어 지장과 RF가 피검체에 도달하는 것을 극대화하여 양질의 MRI 영상을 얻을 수 있다.
8) GAPD에서 발생되는 신호가 크므로 신호증폭장치 설계가 용이하고 GAPD PET 전자장치는 MRI 자장과 RF에 의한 노이즈의 영향을 줄일 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈을 나타내는 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 PET 섬광모듈(100')은 섬광결정체(10), 가이거사태 광전소자(20) 및 신호처리부(40)로 이루어진다. 또한, 본 발명의 PET 섬광모듈(100')은 가이거사태 광전소자(20)의 지지 및 고정을 용이하게 하기 위해 고정층(30)을 더 포함하여 구성할 수 있다.
섬광결정체(10)는 감마선을 수용하는 섬광결정(11)과, 그 하부에 위치하는 감마선의 투과성을 높여주기 위한 섬광퍼짐층(12)으로 이루어진다.
섬광결정(11)으로는, 본 발명의 바람직한 실시예에서, LSO, BGO, LYSO, LaBr3, NaI, 또는 LGSO을 이용할 수 있다. 특히, 각 섬광결정(11)은 다른 섬광결정으로 섬광이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위하여 반사체(13)로 싸여있다. 또한, LGSO를 섬광결정으로 사용하는 PET을 MRI에 장착하는 경우, LGSO의 Gd 성분으로 인 해 MRI 영상에 왜곡이 발생할 수 있으므로 LGSO는 피검체로부터 10mm 이상 떨어지도록 섬광결정체(10)를 구성하는 것이 바람직하다.
섬광퍼짐층(12)은 검출된 신호가 도 3과 같이, 잘 퍼지도록 하기 위한 것으로, 석영이나 플렉시유리를 이용할 수 있다. 이때의 섬광퍼짐층(12)은 두께 1~10mm이고 넓이는 섬광결정(11)과 동일한 크기로 제작한다. 본 발명의 바람직한 실시예로, 섬광퍼짐층(12)은 두께 1~5mm이고 넓이 2~4mm로 제작하여 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 이와 같이 이루어진 섬광결정체(10)는 각각 반사체(13)로 둘러싸인 섬광결정(11)을 행렬 형태, 즉 N X M인 형태로 배치하고(여기서, N과 M은 자연수), 그 하부에 섬광퍼짐층(12)을 구성하여 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한, 도 1 및 도 2에서는 다수의 섬광결정(11)이 4X4 정방행렬 형태로 배치된 예를 보여준다.
가이거사태 광전소자(20)는 광신호를 증폭하기 위한 소자로, 본 발명에서는 반도체 광증배관(Solid-state Photomultiplier; SSPM), 실리콘 광증배관(Silicon Photodiode; SiPM), 또는 다중픽셀 광계수기(Multi-pixel Photon Counter; MPPC)를 이용할 수 있다.
또한, 각 가이거사태 광전소자(20)에는 실질적으로 섬광신호를 감지하는 감지셀(21)이 구비되어 있다. 이러한 가이거사태 광전소자(20)는 각 섬광결정(11) 에 대하여 각각 하나씩 설치하는 구성도 가능하며, 하나의 가이거사태 광전소자(20)에 대하여 행렬 형태로 다수개의 섬광결정(11)을 배치하는 것도 가능하다. 또한, 감지셀(21)도 가이거사태 광전소자(20)에 각각 하나씩 구성할수도 있으며, 하나의 가이거사태 광전소자(20)에 다수개의 감지셀(21)을 구성하는 것도 가능하다.
도 2에서는 4개의 가이거사태 광전소자(20)를 정방 행렬 형태로 배치하고, 각 가이거사태 광전소자(20)에 대하여 각각 4개씩의 섬광결정(11)과 감지셀(21)이 장착된 예를 보여준다.
도 1의 신호처리부(40)는 섬광결정체(10)에서 검출된 광신호로부터 전기신호를 전환하고, 전환된 전기신호를 증폭하여 필요한 영상을 얻을 수 있도록 신호를 출력하게 된다.
이를 위하여, 신호처리부(40)에는 전기신호를 증폭시켜 주는 신호증폭기(미도시됨)와, 증폭된 각 전기신호로부터 감마선 반응을 일으킨 섬광결정(11)을 추출하기 위한 섬광결정 위치측정수단이 구비되어 있다.
섬광결정 위치측정수단은 행렬 형태로 배치된 상기 섬광결정(11)을 2X2행렬 단위로 구획하여 감마선 반응을 일으킨 섬광결정(11)의 위치를 검출하고, 이 4개의 섬광결정(11)의 신호를 합친 통합신호를 생성하여 에너지와 시간을 판별한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 가이거사태 광전소자(20)의 신호증폭율이 크기 때문에 신호처리부(40)를 섬광결정체(10)로부터 분리하고, 이들을 캡톤, 동축 케이블, 꼬인쌍 케이블 또는 전자기판 등을 이용하여 전기적으로 연결하여 이용하는 구성도 가능하다. 이는 캡톤, 동축케이블, 꼬인쌍 케이블 또는 전자기판만을 차폐하면 되기 때문에, MRI 영상을 얻는데 최소한의 영향을 주게 된다.
이와 같이 섬광결정 위치측정수단으로부터 추출된 감마선 반응을 일으킨 섬광신호는 양전자방출 단층촬영장치라든가 PET-MRI 또는 PET-CT의 외부에 구성되는 영상장치(미도시됨)로 송출되어 영상을 형성하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈의 신호처리부(40)로부터 획득한 각 섬광결정(11)이 감마선과 반응한 위치를 보여주는 플로드(Flood) 영상이다. 도 3에서, X축과 Y축은 각각 PET 섬광모듈(100')의 가로변 및 세로변의 길이를 나타내고, 그래프 상에 나타난 16의 점은 각 섬광결정(11)에서 검출한 섬광신호를 보여준다.
본 발명에 따른 도 1의 PET 섬광모듈(100')은 고정층(30)을 더 포함하여 구성할 수도 있다. 고정층(30)은 섬광결정체(10)와 가이거사태 광전소자(20)를 지지하고 신호처리부(40)에 고정시켜 주기 위한 일종의 지지층이다. 즉, 고정층(30)은 섬광퍼짐층(12)과 함께 가이거사태 광전소자(20)를 지지해 주는 층으로서 이용되며, 하부 지지층인 고정층(30)을 구성하지 않고 가이거사태 광전소자(20)를 직접 신호처리부(40)에 장착하여 사용할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈(100')은 다수개를 행렬 형태로 배열하여 이루어진 섬광모듈체(100)로 제작하는 것도 가능하다.
도 4a는 5개의 PET 섬광모듈(100')을 일렬로 배치한 섬광모듈체(100)이며, 도 4b는 10개의 PET 섬광모듈(100')을 2x5 행렬 형태로 배치한 섬광모듈체(100)의 예를 보여주고 있다. 이와 같이 섬광모듈체(100)로 구성하는 경우, 신호처리부(40)는 1개를 구비하여 각 PET섬광모듈(100')에 대하여 공유하는 형태로 제작하게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 섬광모듈체(100)는 일예로서 예시한 것으로 예시적으로 제시한 갯수에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따르는 양전자방출 단층촬영장치는, 도 5a와 도 5b에서 도시한 바와 같이, 피검체를 수용할 수 있는 몸체(200), 몸체(200) 내부에 설치되는 고주파차폐판(210) 및 고주파차폐판(210) 내부에 설치되는 검출수단(300)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 도면에 도시되지 않은 도면부호 210은 고주파차폐판으로, 검출수단(300)의 외면과 양측면을 감싸는 형태로 설치된다. 또한, 몸체(200)의 도면부호는 검출수단(300)과 혼돈이 생길 수 있기 때문에 생략한다.
검출수단(300)은 다수의 섬광모듈체(100)가 서로 대향되는 위치에 오도록 다각형 형태로 배치되어 이루어진다. 또한, 섬광모듈체(100)는 상술한 PET 섬광모 듈(100')이 행렬형태로 배치되어 이루어진다. 여기서, PET 섬광모듈(100')의 구성에 대해서는 상술한 바와 동일한 구성으로 이루어지기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다.
섬광모듈체(100)는 다양한 행렬 형태로 제작하는 것이 가능하다. 일예로 도 5a에서는 PET 섬광모듈(100')이 1x1 행렬 형태로 배치된 형태를 보여주고 있으며, 도 5b는 PET 섬광모듈(100')이 1x5인 행렬 형태로 배치된 섬광모듈체(100)를 보여주고 있다.
이와 같이 이루어진 섬광모듈체(100)는 1x1행렬인 경우 도 5a에서와 같이 원형인 형태로 배치되어 검출수단(300)을 구성할 수도 있고, 1x5 행렬의 경우 도 5b와 같이 소정의 폭을 갖는 환형 형태로 검출수단(300)을 구성하는 것도 가능하다.
특히, 검출수단(300)은 상술한 바와 같이 원형 또는 환형인 형태로 제작하여 사용하는 것도 가능하며, 6각형 또는 8각형과 같이 변의 갯수가 6개 이상인 짝수인 정다각형 형태로 배치하여, 항상 대향되는 위치에 설치된 섬광모듈체(100)를 통해 양방향에서 감마선을 검출할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에서, 섬광모듈체(100)는 1x1행렬과 1x5행렬인 형태를 보여주고 있으나, 이 이외에도 NxN행렬 형태이라든가, MxN행렬 형태로 제작하여 사용하는 것도 가능하다. 여기서, M과 N은 각각 자연수이다.
고주파차폐판(210)은 RF 신호가 신호처리부(40)라든가 다른 시그널 처리장치 등에 영향을 주지 않도록 고주파를 차단하는 역할을 한다. 이러한 고주파차폐 판(210)은 그물망 또는 박막 형태로 제작하여 환형 형태로 배치된 섬광모듈체(100)를 감싸주도록 몸체(200) 내부에 설치한다. 도 5a와 도 5b에서는 섬광결정체(100)의 구성을 보여주기 위해 고주파차폐판(210)의 도시를 생략한다.
한편, 본 발명은 상술한 양전자방출 단층촬영장치를 PET-MRI에 적용하여 이용할 수도 있다.
일반적으로 MRI는 몸체(200) 및 그 내부에 보디RF코일(220), 고주파차폐판(230) 그리고 그레디언트 코일(240)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 양전자방출 단층촬영장치를 구비한 PET-MRI에서는 이러한 종래의 MRI의 구성에서, 이미 상술한 검출수단(300)과 고주파 차폐판(210)을 더 구성하여 이루어진다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따르는 PET-MRI를 나타내는 도면으로, 가장 안쪽의 은선은 피검체를 나타내고, 섬광결정체(10)와 신호처리부(40)는 단면으로 표시되었으나, 상술한 바와 같이 환형으로 배치된 검출수단(300)를 나타낸다. 여기서, 검출수단(300)을 구성하는 섬광모듈체(100) 및 PET 섬광모듈(100')에 관한 상세한 설명은 상술한 바와 같기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다.
본 발명의 PET-MRI의 구성에 대하여 좀 더 상세하게 설명하면, 도 6a에서 도시한 바와 같이, 검출수단(300)를 보디RF코일(220)의 내부에 위치하도록 배치하고, 이 섬광모듈체(100)의 외주연을 고주파차폐판(210)으로 감싸서 이루어진다. 이와 같이 이루어진 본 발명의 PET-MRI는 전신용 PET-MRI에 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 신체 일부의 영상을 얻기 위해, 도 6b에서 도시한 바와 같이, 상기 검출수단(300)의 내부에 헤드 및 사지용 코일(250)을 더 구성하여 본 발명에 따르는 PET-MRI를 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 검출수단(300)이 보디RF코일(220)의 내부에 위치하는 것으로 기재되어 있으나, 보디RF코일(220)의 외부에 검출수단(300)을 설치하는 구성도 가능하다.
도 7a와 도 7b를 참조하여, 본 발명에 따른 양전자방출 단층촬영장치가 MRI에 장착된 상태를 좀 더 상세하게 설명한다.
도 7a는 RF코일을 지지하는 지지대(251)의 외주면에 일정한 폭을 갖는 환형의 지지대(310)를 설치하고, 미도시된 몸체(200)와 지지대(310) 사이에 검출수단(300)을 장착한다. 이때, 검출수단(300)은 섬광결정체(10)가 서로 마주보는 형태가 되도록 설치하며, 고주파차폐판(210)은 신호처리부(40) 전체를 감싸주는 형태로 설치한다. 도 7a에서 미설명 부호 20은 가이거사태 광전소자(20)이며, 검출수단(300)은 1개만 도시되어 있으나 이는 설명을 위한 것으로 실제로는 환형 형태로 설치되어 있다.
또한, 본 발명의 PET는 MRI 촬상에 영향을 최소화할 수 있도록 하기 위하여, 도 7b와 같이 장착할 수도 있다. 도 7b는 도 7a와 동일한 구성으로 이루어지나, 신호처리장치(50)를 MRI의 영상을 얻는 RF코일을 지지하는 지지대(251) 외부에 장 착한다. 즉, 지지대(251)의 외부에 별도의 지지대(43)를 더 구성하고, 그 위에 신호처리장치(50)를 설치하는 것이다. 여기서, 신호처리장치(50)는 검출수단(300)의 신호처리부(40)가 될 수 있으며, 이 신호처리부(40)와 가이거사태 광전소자(20)를 전송수단(51)으로 연결한 것이다. 또한, 전송수단(51)은 캡톤, 동축케이블, 꼬인쌍 케이블, 또는 전자기판이 될 수 있으며, 신호처리장치(50)는 미도시된 신호증폭기일 수 있다.
이에, 도 7a와 달리 도 7b에서는 신호처리부(40)를 보호하기 위한 고주파차폐판을 구성함에 있어서, 도 7a에서는 RF코일 지지대(251)를 일정한 폭으로 감싸주는 구성인 반면에, 도 7b에서는 가이거사태 광전소자(20)와 신호처리부(40)가 분리되어 전송수단(51)으로 연결되기 때문에, 전송수단(51)만 차폐시켜 주면 된다. 따라서, 도 7a에 비해 도 7b의 경우가 MRI의 촬상시 덜 영향을 주게 되는 것이다.
도 7a 및 도 7b에서 검출수단(300)은 상술한 바와 같이 원형 또는 정다각형 형태로 배치하여 구성하게 되나, 여기서는 설치 상태를 보여주기 위해 하나의 검출수단(300)만을 도시하였다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 양전자방출 단층촬영장치를 이용한 PET-MRI는 MRI영상만을 얻거나, MRI 영상과 양전자 방출 촬영 영상을 동시에 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 양전자방출 단층촬영장치를 이용한 PET-MRI의 최상의 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.
이때, 본 발명에 따르는 PET-MRI는 섬광결정체(10)의 섬광결정(11)으로서 LYSO를 이용하고, 가이거사태 광전소자(20)로 SSPM을 이용하여 본 발명에 따른 PET 섬광모듈을 구성한다. 또한, 가이거사태 광전소자(20)를 보호하기 위한 SSPM 보호필터를 더 구성한다.
도 8은 SSPM보호필터를 도시한 것이다. 도 8에서 도시한 바와 같이, SSPM 보호필터는 SSPM과 연결된 RC필터(R,C)와, 이 RC필터(R,C)에 병렬연결된 역전류방지용 다이오드(1N4007, 1N4752A)를 포함하여 이루어진다. 여기서, SSPM 보호필터는 신호제어부(40)에 구성하는 것이 바람직하며, 다이오드는 처리 전류에 따라 2개 이상 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성한 본 발명의 PET-MRI를 이용하여 MRI의 내부와 외부, 즉 MRI 촬영시 PET에 의한 영향을 받는지 그렇지 않은지를 확인하기 위하여 MRI의 촬상영역 안과 밖에서 각각 에너지분해능과 시간분해능을 비교한 그래프가 도 9a와 도 9b에 도시되어 있다. 도 9a에서 X축과 Y축은 각각 챠지(charge, ADC bits)과 이벤트수(Number of Events/30bits)를 나타내고, 도 9a에서 X축과 Y축은 각각 일치시간(Coincidence Time, TDC bits)과 이벤트수(Number of Events/30bits)를 나타낸다.
도 9a에서 보는 바와 같이, 피크 ADC(Peek ADC)가 MRI 외부에서는 3098bits 이고 MRI 내부에서는 3156Bits로 약 2%의 차이가 있으나, 이는 거의 동일하다고 할 수 있는 수준이다. 또한, 에너지분해능(FWHM)은 MRI의 외부와 내부에서 각각 16.3%와 15.0%로 거의 같음을 알 수 있다.
또한, 시간분해능에서, 도 9b를 참조해 보면, 피크 TDC가 MRI 외부와 내부에서 각각 -297Bits와 -295Bits로 거의 동일하다고 볼 수 있고, 시간분해능에 있어서도 MRI 외내부에서 각각 1.06ns와 1.18ns로 거의 같다고 할 수 있다.
또한, 도 10a와 도 10b는 각각 PET가 없는 MRI만으로 얻은 MRI 팬텀 영상과 본 발명에 따른 PET 및 MRI로부터 동시에 얻은 MRI 팬텀 영상을 보여준다. 여기서, 각 그래프의 수평축은 점선과 파선의 길이를 나타내고, 세로축은 깊이를 나타낸다. 또한, 도 10a와 도 10b에서, 위의 그림은 각각 점선인 경우의 영상을, 그리고 아래 그림은 각각 파선인 경우의 영상을 나타낸다.
도 10a 및 도 10b의 첨부된 이미지에서, 지름이 작은 2개의 검은색 원은 빈곳이고 이 2개의 원과 큰 원 사이에는 물이 채워져 있다. 또한, 점선(Dotted line)과 파선(Dashed line)을 따라서 각각 얻은 영상을 보여주고 있다.
도 10a와 도 10b에서 보는 바와 같이, MRI만으로 얻은 그래프와 MRI 및 본 발명에 따른 PET(SSPM-LYSO 적용)로 동시에 얻은 영상을 비교해 볼 때 물이 채워져 있는 곳에서는 약 200이 나오고 물이 채워지지 않은 부분에 대해서는 0의 값으로 실제 거의 동일하다고 볼 수 있다.
결국, 도 9a 및 도 9b 그리고 도 10a 및 도 10b에서 보는 바와 같이, 본 발 명에 따른 PET를 통상의 MRI에 적용하더라도 MRI 영상에 대하여 거의 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 PET를 적용한 MRI는 상호간에 영향을 주지 않으면서도 독자적으로 영상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 동시에 영상을 얻는 것도 가능하다. 특히, 본 발명은 가이거사태 광전소자를 적용하기 때문에 기존의 장비에 비해 훨씬 우수한 시간분해능을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 MRI는 보디 RF코일(220) 내부 뿐만 아니라 보디 RF코일(220) 외부에 설치하더라도 얻어지는 영상에 있어서 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따르는 양전자방출 단층촬영장치(PET)는 위에서 예로 든 PET-MRI 뿐만 아니라 PET-CT에도 적용이 가능하며, 뿐만 아니라 PET를 적용한 광학장치에도 이용할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌으나, 이러한 실시예는 본 발명을 더욱 명확히 개시하기 위한 것이며, 본 명세서 및 도면에 기재된 사항의 범위에서 신규사항을 추가함이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다 할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 명세서 및 도면에 기재된 사항 및 그 기재에 의하여 당업자가 일의적으로 추론할 수 있는 범위내에서 이러한 수정이나 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따르는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈에서 섬광결정체를 분리한 상태를 보여주는 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈로부터 얻은 플로드(Flood) 영상 사진.
도 4a는 본 발명에 따른 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈의 다른 실시예를 나타내는 사시도.
도 4b는 본 발명에 따른 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 양전자방출 단층촬영장치의 실시예를 설명하기 위한 사시도.
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 PET-MRI의 실시예를 나타내는 단면도.
도 7a와 도 7b는 본 발명에 따른 PET의 장착예를 보여주는 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 SSPM 보호필터를 나타내는 회로도.
도 9a는 본 발명에 따른 PET-MRI를 이용하여 MRI의 외부에서의 시간분해능을 나타내는 그래프.
도 9b는 본 발명에 따른 PET-MRI를 이용하여 MRI의 내부에서의 시간분해능을 나타내는 그래프.
도 10a는 MRI만으로 얻은 MRI 팬텀 영상을 보여주는 사진 및 그래프.
도 10b는 본 발명에 따른 PET-MRI를 이용한 MRI 팬텀 영상을 보여주는 사진 및 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 섬광결정체
11 : 섬광결정
12 : 섬광퍼짐층
13 : 반사체
20 : 가이거사태 광전소자
21 : 민감셀
30 : 고정층
40 : 신호처리부
43 : 지지대
50 : 신호처리장치
51 : 전송수단
100 : 섬광모듈체
100' : PET 섬광모듈
110 : 지지대
200 : 몸체
210, 230 : 고주파차폐판
220 : 보디 RF코일
221 : 지지대
240 : 그레디언트 코일
250 : 헤드 및 사지용 코일
300 : 검출수단
Claims (22)
- 감마선을 검출하여 이를 전기적 신호로 변환시켜 주는 PET 섬광모듈(100')에 있어서,상기 PET 섬광모듈(100')은,감마선을 검출하는 섬광결정체(10);상기 섬광결정체(10) 하부에 구비되는 가이거사태 광전소자(20); 및상기 가이거사태 광전소자(20)에서 검출한 전기적 신호를 처리하는 신호처리부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 섬광결정체(10)는 행렬 형태로 배치된 섬광결정(11)과, 그 하부에 위치하는 섬광퍼짐층(12)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 2 항에 있어서,상기 섬광결정(11)은 LSO, BGO, LYSO, LaBr3, NaI, 또는 LGSO인 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 3 항에 있어서,상기 섬광결정(11)은 다른 섬광결정으로 섬광이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위한 반사체(13)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 2 항에 있어서,상기 섬광퍼짐층(12)은 석영 또는 플렉시유리인 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 5 항에 있어서,상기 섬광퍼짐층(12)은 두께 1~10mm이고, 상기 섬광퍼짐층(12)의 단면과 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 섬광결정체(10)의 섬광결정(11)은 4X4열로 배열되고,상기 가이거사태 광전소자(20)는 2X2열로 배치되며,상기 각 가이거사태 광전소자(20) 상에는 4개의 섬광결정(11)이 배치되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 가이거사태 광전소자(20)는 반도체 광증배관(SSPM), 실리콘 광증배관(SiPM), 또는 다중픽셀 광계수기(MPPC)인 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 8 항에 있어서,상기 가이거사태 광전소자(20)는 섬광결정체(10)의 행렬 배치 및 장착이 용이하게 이루어지도록 하부에 고정층(30)이 더 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 신호처리부(40)는 상기 가이거사태 광전소자(20)로부터 검출된 전기신호를 증폭시켜 주기 위한 신호증폭기와, 증폭된 신호로부터 감마선 반응을 일으킨 섬광결정을 추출하는 섬광결정 위치측정수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 10 항에 있어서,상기 섬광결정 위치측정수단은 행렬 형태로 배치된 상기 섬광결정(11)을 2X2행렬 단위로 구획하여 감마선 반응을 일으킨 섬광결정(11)의 위치를 검출하고, 이 4개의 상기 섬광결정(11)의 신호를 합친 통합신호를 생성하여 에너지와 시간을 판별하는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 10 항에 있어서,상기 신호처리부(40)는 상기 섬광결정체(10)로부터 획득한 신호를 전달받는 매체로서 캡톤, 동축케이블, 꼬인쌍 케이블, 또는 전자기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,상기 PET 섬광모듈(100')은 다수개의 PET 섬광모듈을 행렬 형태로 배치된 섬광모듈체(100) 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 가이거사태 광전소자를 이용한 ＰＥＴ 섬광모듈.
- 피검체를 수용할 수 있는 몸체(200);상기 몸체(200) 내부에 설치되어 감마선을 검출하는 검출수단(300); 및상기 검출수단(300)으로부터 검출된 신호로 영상으로 보여주고 저장하는 영상장치;를 포함하여 이루어지고,상기 검출수단(300)은 복수의 섬광모듈체(100)가 양쪽으로 방출되는 감마선을 검출할 수 있도록 환형으로 이루어지고,상기 섬광모듈체(100)는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항으로 이루어진 ＰＥＴ 섬광모듈(100')을 행렬 형태로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양전자방출 단층촬영장치.
- 제 14 항에 있어서,상기 검출수단(300)은 섬광모듈체(100)를 원형, 또는 변의 갯수가 적어도 6개의 짝수인 정다각형 형태로 배치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 양전자방출 단층촬영장치.
- 몸체(200);상기 몸체(200) 안쪽에 설치되는 보디RF코일(220), 고주파차폐판(230) 및 그레디언트 코일(240); 및상기 몸체(20) 내부에 설치된 양전자방출 단층촬영장치;를 포함하여 이루어지며,상기 양전자방출 단층촬영장치는, 상기 몸체(200) 내부에 설치되는 고주파차폐판(210); 및 상기 고주파차폐판(210) 내부에 설치되어 감마선을 검출하는 검출수단(300);을 포함하여 이루어지며,상기 검출수단(300)은 섬광모듈체(100)가 양쪽으로 방출되는 감마선을 검출할 수 있도록 환형으로 배치하여 이루어지고,상기 섬광모듈체(100)는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 택일된 PET 섬광모듈(100')을 행렬 형태로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PET- MRI.
- 제 16 항에 있어서,상기 고주파차폐판(210)은 보디RF코일(220) 내부 또는 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
- 제 16 항에 있어서,상기 각 섬광모듈(100')은 상기 신호처리부(40)를 상기 가이거사태 광전소자(20)로부터 분리하여 MRI 촬상 영역 밖에 설치하고, 상기 신호처리부(40)와 상기 가이거사태 광전소자(20)를 연결시켜 주는 캡톤, 동출 케이블, 꼬인쌍 케이블 또는 전자기판을 차폐시켜 주는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
- 제 16 항에 있어서,상기 PET-MRI는 상기 섬광모듈체(100)의 안쪽에 헤드 및 사지용 RF 코일(250)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
- 제 19 항에 있어서,상기 PET-MRI는 LYSO를 상기 섬광결정체(10)의 섬광 결정으로 이용하고, SSPM을 가이거사태 광전소자(20)로서 이용하는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
- 제 20 항에 있어서,상기 PET-MRI는 SSPM과 연결된 RC필터와, RC필터에 병렬연결된 역전류방지용 다이오드를 포함하여 이루어진 SSPM 보호필터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
- 제 21 항에 있어서,상기 PET-MRI는 MRI 영상만 얻거나, 양전자방출 단층촬영장치 및 MRI로부터 동시에 영상을 얻는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
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