KR101041020B1 - 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법 - Google Patents

위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101041020B1
KR101041020B1 KR1020100011816A KR20100011816A KR101041020B1 KR 101041020 B1 KR101041020 B1 KR 101041020B1 KR 1020100011816 A KR1020100011816 A KR 1020100011816A KR 20100011816 A KR20100011816 A KR 20100011816A KR 101041020 B1 KR101041020 B1 KR 101041020B1
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이찬미
권순일
미끼꼬 이또우
윤현석
박상근
홍성종
이동수
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 양극 별 이득 불균일을 보상부의 가변저항 변화로 보정할 수 있으며, 이에 의해 감마선의 검출위치를 더 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생되는 섬광을 전자로 변환하되, 다수의 채널 별로 전류신호를 증폭 출력하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200); 증폭 출력된 전류신호에 기반하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 증폭 출력된 전류신호가 압축되어 4개의 전류신호로 배분 출력되는 위치검출회로부(300); 각 채널의 출력포트와 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되며 직렬 가변저항(410) 및 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 보상부(400); 및 세기가 보정된 입력 전류신호에 기초하여 배분 출력되는 4개의 전류신호를 입력받아 감마선 검출위치의 좌표를 산출하는 좌표산출부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템이 개시된다.

Description

위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법{COMPENSATION SYSTEM AND COMPENSATION METHOD FOR THE ANODE GAIN NON-UNIFORMITY OF MULTI-ANODE POSITION SENSITIVE PHOTOMULTIPLIER TUBE}
본 발명은 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 위치민감형 다중양극 광전자증배관과 위치검출회로부 사이에 보상부를 두어 위치검출회로부의 입력 전류신호를 균일하게 함으로써 이득 불균일을 보정하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
핵의학 영상 장치는 체내 방사성 의약품 분포를 영상화함으로써 에너지원 대사 및 신경수용체 시스템을 규명하는 등 각종 진단 및 치료에 널리 사용되고 있다. 대표적인 핵의학 기기인 감마카메라, 단일광자단층촬영장치(SPECT; single photon emission computed tomography), 양전자단층촬영장치(PET; positron emission tomography) 등은 감마선과 섬광결정의 상호작용으로 발생한 광자를 전기신호로 변환한 뒤 전자회로 및 컴퓨터 프로그램을 통해 감마선 검출 위치를 영상화하는 기법을 이용한 것이다. 이때 섬광결정 내에서 발생한 약한 빛을 전자로 변환하고 이를 증폭시켜 신호를 출력하는 장치가 바로 광전자증배관이다.
광전자증배관의 형태는 원통형에서 사각형까지 다양한데, 이중 위치민감형 다중양극 광전자증배관(Multi-anode Position Sensitive Photomultiplier Tube, PS-PMT)은 수십~수백 개의 양극이 고집적도로 배열되어 있기 때문에 유효면적이 넓어 단면적이 작은 섬광결정을 사용하는 영상기기에 유리하다. 그러나 이러한 다중양극 광전자증배관의 경우 균일하게 입사되는 광원에 대해 양극별로 상이한 이득을 보이는데, 이러한 이득 불균일(gain non-uniformity)로 인해 감마선 검출 위치 결정에 왜곡이 생길 수 있다.
따라서, 감마선 검출의 정밀도를 높이기 위해 다중양극 광전자증배관의 양극별(또는 채널 별) 이득 불균일을 보정할 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 저항을 변화시키는 보상부를 도입함으로써 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 양극 별 이득 불균일을 보정할 수 있는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 용이하게 보상부의 가변저항을 변화시킴으로써 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 양극 별 이득 불균일을 보정할 수 있으며, 이로써 감마선의 검출위치를 더 정확하게 산출할 수 있는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생되는 섬광을 전자로 변환하되, 다수의 채널 별로 전류신호를 증폭 출력하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200); 증폭 출력된 전류신호에 기반하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 증폭 출력된 전류신호가 압축되어 4개의 전류신호로 배분 출력되는 위치검출회로부(300); 각 채널의 출력포트와 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되며 직렬 가변저항(410) 및 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 보상부(400); 및 세기가 보정된 입력 전류신호에 기초하여 배분 출력되는 4개의 전류신호를 입력받아 감마선 검출위치의 좌표를 산출하는 좌표산출부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템을 제공함으로써 달성될 수 있다.
섬광결정(100)은 29 x 29개 사각형 배열 또는 28 x 28개 사각형 배열로 다수의 섬광결정(100)이 단층으로 형성된 단층 섬광결정블록인 것이 바람직하다. 이러한 단층 섬광결정블록은 이외에도 8 x 8개 사각형 배열 또는 16 x 16개 사각형 배열 등이 사용될 수 있다.
그리고, 다수의 채널은 8×8개 사각형 배열의 64개 채널 또는 16×16개 사각형 배열의 256개 채널일 수 있다. 이외에도 다양한 형태 및 다양한 채널일 수 있다.
위치검출회로부(300)는 저항형 전하분배 회로인 것이 바람직하다.
그리고, 보상부(400)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00001
(여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
에 의하여 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것이 바람직하다.
또한, 보상부(400)는 각 채널에 대응되는 입력 전류신호의 세기가 균일하게 보정되도록 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것이 바람직하다.
그리고, 보상부(400)는 직렬 가변저항(410)의 저항값을 고정하고 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것일 수 있다.
병렬 가변저항(420)은 적어도 2 개의 저항을 직렬연결하여 저항값을 변화시킬 수 있다.
그리고, 좌표산출부(500)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00002
,
Figure 112010008621530-pat00003
(여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향에 대응하는 축, Y는 일 방향에 수직하는 방향의 축이며, A, B, C 및 D는 위치검출회로부(300)에서 출력되는 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
에 의하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 평면 좌표로 산출하는 것이 바람직하다.
보상부(400)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00004
,
Figure 112010008621530-pat00005
(여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
에 의하여 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생된 섬광을 전자로 변환하는 단계(S100); 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 다수의 채널을 통해 전류신호를 증폭 출력하는 단계(S110); 보상부(400)가 각 채널의 출력포트와 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되어 직렬 가변저항(410) 및 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 증폭 출력된 전류신호 중 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 단계(S120); 위치검출회로부(300)가 세기가 보정된 입력 전류신호에 기반하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 입력 전류신호를 압축하여 4개의 전류신호로 배분 출력하는 단계(S130); 및 좌표산출부(500)가 배분 출력된 4개의 전류신호를 입력받아 감마선 검출위치의 좌표를 산출하는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는, 각 채널 별로 입력 전류신호의 세기를 균일하게 하기 위해 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 단계인 것이 바람직하다.
보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)에서, 직렬 가변저항(410)의 저항값은 고정되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00006
(여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류신호 세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류신호 세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
에 의하여 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것이 바람직하다.
보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는, 각 채널에 대응되는 입력 전류신호의 세기가 균일하게 보정되도록 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 단계인 것이 바람직하다.
그리고, 좌표산출부(500)의 감마선 검출위치의 좌표산출단계(S140)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00007
,
Figure 112010008621530-pat00008
(여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향으로의 위치, Y는 일 방향에 수직하는 방향으로의 위치이며, A, B, C 및 D는 위치검출회로부(300)에서 출력되는 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
에 의하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치의 평면 좌표를 산출하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00009
,
Figure 112010008621530-pat00010
(여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
에 의하여 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 일 실시예에 의하면, 저항을 변화시키는 보상부를 도입함으로써 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 양극 별 이득 불균일을 보정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 보상부의 가변저항을 변화시킴으로써 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 양극 별 이득 불균일을 보정하여 감마선의 검출위치를 더 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 보정 시스템이 적용될 수 있는 일반적인 감마선 검출 시스템을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명인 보정 시스템의 일 실시예 구성을 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명인 보정 시스템의 개념을 개략적으로 나타낸 회로도,
도 4는 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템의 일 실시예를 나타낸 회로도 및 부분확대도,
도 5는 도 4에 도시된 이득 불균일 보정 시스템에서 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 각 채널에 대응하여 보상된 병렬 가변저항의 저항값을 표로 나타낸 도면,
도 6a는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템을 적용하기 위해 가상의 감마선 검출위치를 상대적 위치로 하여 도트로 표시한 감마선 검출위치 맵을 나타낸 도면,
도 6b는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템을 적용하여 보정된 후의 균일도 맵을 나타낸 도면,
도 7a는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템이 적용되기 전 H9500(HAMAMATSU 社) 각 채널(16×16개 사각형 배열의 256개 채널)의 균일도를 균일도 맵으로 나타낸 도면이며,
도 7b 내지 도 7d는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템이 H9500에 적용되어 1차 보정, 2차 보정, 3차 보정 결과 균일도 맵을 차례대로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
< 실시예 >
<이득 불균일 보정 시스템>
도 1은 본 발명의 보정 시스템이 적용될 수 있는 일반적인 감마선 검출 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 감마선 검출 시스템은 감마선을 흡수하여 섬광을 발생시키는 다수의 섬광결정(100), 섬광에 의해 전자를 발생시키고 이를 다수의 채널을 통해 전류신호로 증폭 출력하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200) 및 전류신호를 압축하여 4개의 전류신호로 출력하는 위치검출회로부(300)로 구성된다. 도 1에 도시되지 않았지만, 4개의 전류신호를 4개의 위치검출회로부 출력포트(310)를 통해 입력받아 감마선 검출위치를 산출하는 좌표산출부(미도시)가 더 부가된다. 이에 더해, 1개의 다이노드 신호를 다이노드 신호 출력포트(320)를 통해 추가 출력함으로써 트리거로 사용한다.
도 2는 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템의 일 실시예 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 기본적인 감마선 검출 시스템 구성을 모두 포함하되, 이득 불균일을 보정할 수 있는 보상부(400)가 더 구비되어 구성된다.
본 발명의 작용을 간단히 설명하면, 섬광결정(100)에 의해 흡수된 감마선은 섬광을 조사하고 조사된 섬광 에너지가 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)을 통해 전자를 발생시키며 증폭된 전류신호로 변환된다. 증폭된 전류신호는 종래와 같이 그대로 위치검출회로부(300)를 통해 좌표산출부(500)로 출력되는 것이 아니라 보상부(400)의 보정에 의해 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력 전류신호가 균일하게 입력됨으로써 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)의 이득 분균일이 보정된다. 보정된 입력 전류신호가 위치검출회로부(300)를 통해 4개의 전류신호로 압축되어 좌표산출부(500)로 출력되면 정밀한 감마선 검출위치가 산출되는 것이다. 결국, 이득 불균일의 보정은 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 균일하게 하는 것과 등가적 의미를 갖게 된다.
위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)은 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생되는 섬광을 전자로 변환하되, 다수의 채널 별로 전류신호를 증폭 출력한다. 이러한 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)은 다수의 채널을 갖는데, 8×8개 사각형 배열의 64개 채널 또는 16×16개 사각형 배열의 256개 채널이 사용될 수 있다. 이외에도 다양한 형태 및 다양한 채널수의 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 HAMAMATSU 社가 제작한 H8500이 사용되었으며, 이외에도 H9500이 사용될 수도 있다. H8500은 49×49 mm2의 유효면적으로 89％의 우수한 충전밀도(유효면적/외부크기)를 보인다. 총 64개의 양극이 8×8 형태로 배열되어있으며 한 개 양극 크기는 5.8×5.8 mm2, 양극 간 거리는 6.08 mm이다.
섬광결정(100)은 감마선을 흡수하여 섬광을 발생시키며, 29 x 29개 사각형 배열 또는 28 x 28개 사각형 배열을 갖는 다수의 섬광결정(100)이 단층으로 형성된 단층 섬광결정블록(pixelated scintillator array)이 사용될 수 있다. 본 실시예에서 사용된 섬광결정(100)은 반사체에 의해 정렬된 단층 섬광결정블록으로서 단위 섬광결정(100)의 크기는 1.5×1.5×7 mm3 이며, L0 .9GSO 재질을 사용하였다.
위치검출회로부(300)는 증폭 출력된 전류신호에 기반하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 증폭 출력된 전류신호를 압축하여 4개의 전류신호로 배분 출력한다. 이러한 위치검출회로부(300)는 저항형 전하분배 회로(Resistive Charge Division Circuit)로 구성되며, 8×8 형태의 경우 64 개의 양극에서 출력되는 신호를 개별적으로 처리하려면 회로의 규모가 비효율적으로 커지기 때문에 64개의 신호를 4개로 압축하여 출력하는 것이다.
보상부(400)는 각 채널의 출력포트와 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되며 직렬 가변저항(410) 및 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 직렬 가변저항(410)을 20kΩ으로 고정하고 병렬 가변저항(420)의 저항값만을 변화시키면서 입력 전류신호를 보정하였다.
여기서, 위치검출회로부(300)의 입력포트는 해당 채널의 보상부(400)의 일 구성인 직렬 가변저항(410)에 등가적으로 연결되는 위치검출회로부(300)의 입력포트를 의미한다.
보상부(400)는 다음의 수학식 1
Figure 112010008621530-pat00011
(여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
에 의하여 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시킴으로써 위치검출회로부(300)로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정한다.
또한, 보상부(400)는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시킴으로써 모든 채널에 대응되는 입력 전류신호의 세기를 균일하게 보정하여 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일을 보정하게 된다. 이러한 보상부(400)의 이득 불균일 보정, 즉 입력 전류신호의 균일 보정은 1차보정 이외에도 2차보정 및 3차보정을 반복 수행할 수 있음은 물론이고 이에 의해 좀 더 개선된 균일도를 얻을 수 있다.
여기서, 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키기 위해 적어도 2 개의 저항을 조합하여 직렬연결함으로써 원하는 저항값을 구현할 수도 있다.
좌표산출부(500)는 세기가 보정된 입력 전류신호에 기초하여 배분 출력되는 4개의 전류신호를 입력받아 감마선 검출위치의 좌표를 산출한다. 8×8개 사각형 배열 또는 16×16개 사각형 배열에 대응되도록 평면좌표로 산출하며, 이를 통해 이득 불균일 여부를 판단하고, 변화된 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시킴으로써 이득 불균일을 좀 더 개선하게 된다.
좌표산출부(500)는 다음의 수학식 2
Figure 112010008621530-pat00012
(여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향에 대응하는 축, Y는 일 방향에 수직하는 방향의 축이며, A, B, C 및 D는 위치검출회로부(300)에서 출력되는 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
에 의하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 평면 좌표(X,Y)로 산출하여 이득 불균일 정도를 파악할 수 있으며, 또한 이러한 데이터는 보상부(400)가 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)의 이득 불균일을 재보정하기 위해 재사용된다.
좌표산출부(500)를 통해 획득된 보상부(400)의 1차보정 결과는 재보정을 위해 사용되는데, 구체적으로 보상부(400)가 다음의 수학식 3
Figure 112010008621530-pat00013
Figure 112010008621530-pat00014
(여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
에 의하여 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키게 된다. 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)의 이득 불균일을 개선하기 위해 이러한 보정은 반복하여 수행될 수 있다.
3차보정의 경우 보상부(400)는 다음의 수학식 4
Figure 112010008621530-pat00015
Figure 112010008621530-pat00016
(여기서,Rp3(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 2차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 4개의 전류신호 세기의 두번째 합신호 적분값, 2차보정 합신호 적분최대값은 4개의 전류신호 세기의 두번째 합신호 적분 최대값임.)
에 의하여 병렬 가변저항(420)을 변화시켜 보상하게 된다.
여기서, 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)의 출력 이득은 각 채널별 위치검출회로부(300)의 입력포트에 입력되는 입력 전류신호에 비례하는 값이므로 균일도 값 100일 때 1mA의 비율로 환산하여 사용할 수 있다.
그리고, 각 채널별 위치검출회로부(300) 입력포트로 입력되는 입력 전류신호는 4개의 출력포트(310)를 통해 출력되므로 4개 전류신호 세기의 합을 하나의 신호로 하는 합신호 적분값이 바로 이득 불균일의 1차보정 후 또는 2차보정 후 이득이 된다.
도 3은 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템의 개념을 개략적으로 나타낸 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)의 각 채널을 전류원(Cs, current source)으로 하여 이로부터 증폭 출력되는 전류신호의 세기 I가 회로 상에 흐른다.
보상부(400)의 일 구성인 직렬 가변저항(410)이 위치검출회로부(300)의 등가저항(430)과 직렬 연결되어 있으며 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호(I2)가 흐르고 있다.
또한, 병렬 가변저항(420)이 직렬 가변저항(410) 및 등가저항(430)과 병렬로 연결되어 있으며 병렬 가변저항(420)으로 I1의 세기를 갖는 전류신호가 흐른다.
결국, 본 발명의 이득 불균일 보정 시스템은 등가저항(430)에 입력되는 입력 전류신호(I2)를 각 채널마다 균일하게 보정함으로써 이득 불균일을 보정하게 되는 것이다. 이때, 직렬 가변저항(410)의 크기는 저항형 전하분배 회로의 입력 임피던스인 등가저항(430)의 크기보다 훨씬 커서 저항형 전하분배 회로의 기능에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 바람직하다(약 100~300배 차이).
도 4는 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템의 일 실시예를 나타낸 회로도 및 부분확대도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 출력포트(A1, B1, C1, D1)를 갖는 위치검출회로부(300)와 64개의 채널을 갖는 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200), 그리고 부분확대도에서 알 수 있듯이, 해당 채널과 위치검출회로부(300) 사이에 20kΩ을 갖는 직렬 저항과 보정후 74.512kΩ을 갖는 병렬 저항이 도시되어 있다.
도 5는 도 4에 도시된 이득 불균일 보정 시스템에서 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 각 채널에 대응하여 보상된 병렬 가변저항의 저항값을 표로 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템의 일 구성인 병렬 가변저항(420)의 저항값은 HAMAMATSU 社로부터 제공된 H8500의 각 채널의 균일도값을 기초로 하여 보상된 값이며, A, B, C 및 D의 4개의 전류신호가 각각 출력되는 4개의 출력포트(A1, B1, C1, D1)를 기준으로 하여 64개의 각 채널을 섬광결정의 감마선 검출위치(P1 ~ P64)에 대응되도록 나타내었다.
도 6a는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템을 적용하기 위해 가상의 감마선 검출위치를 상대적인 2차원 좌표 위치로 하여 도트로 표시한 감마선 검출위치 맵을 나타낸 도면이며, 도 6b는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템을 적용하여 보정된 후의 균일도 맵을 나타낸 도면이다. 도 6a에 도시된 감마선 검출 위치의 균일성에 대응하여 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템을 적용한 결과 도 6b와 같이 이득이 균일한 균일도맵을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 도 6b에 도시된 균일도 맵은 P1 ~ P64의 채널에 대응하여 100을 최고치로 하여 그 균일도를 표시하였는데, 도 6b는 3차보정을 거친 균일도 맵이고, 균일도 평균 및 표준편차는 96.8±1.3 (1.3％)이다.
도 7a는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템이 적용되기 전 H9500(HAMAMATSU 社) 각 채널(16×16개 사각형 배열의 256개 채널)의 균일도를 균일도 맵으로 나타낸 도면이며, 도 7b 내지 도 7d는 본 발명인 이득 불균일 보정 시스템이 H9500에 적용되어 1차 보정, 2차 보정, 3차 보정 결과 균일도 맵을 차례대로 나타낸 도면이다. 도 7b 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 본 발명인 보정 시스템을 여러 번 적용할수록 이득 불균일이 더 개선될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 이득의 균일도를 높이기 위해 3차 보정 후에도 동일한 방식으로 계속 보정할 수 있음은 물론이다.
<이득 불균일 보정 방법>
도 8은 본 발명인 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 8을 참조하면, 우선 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생된 섬광을 전자로 변환한다(S100).
다음, 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 다수의 채널을 통해 전류신호를 증폭 출력한다(S110).
다음, 보상부(400)가 각 채널의 출력포트와 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되어 직렬 가변저항(410) 및 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 증폭 출력된 전류신호 중 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정한다(S120).
여기서, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는, 각 채널 별로 입력 전류신호의 세기를 균일하게 하기 위해 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 단계이다. 또한, 직렬 가변저항(410)의 저항값을 고정하고 병렬 가변저항(420)만을 변화시킨다.
이때, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는, 각 채널에 대응되는 입력 전류신호의 세기가 균일하게 보정되도록 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시켜 보상한다.
그리고, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00017
(여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류신호 세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류신호 세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
에 의하여 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시켜 저항값을 보상함으로써 입력 전류신호의 세기를 보정한다.
다음, 위치검출회로부(300)가 세기가 보정된 입력 전류신호에 기반하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 입력 전류신호를 압축하여 4개의 전류신호로 배분 출력한다(S130).
다음, 좌표산출부(500)가 배분 출력된 4개의 전류신호를 입력받아 감마선 검출위치의 좌표를 산출함으로써(S140) 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법이 수행된다.
여기서, 좌표산출부(500)의 감마선 검출위치의 좌표산출단계(S140)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00018
,
Figure 112010008621530-pat00019
(여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향으로의 위치, Y는 일 방향에 수직하는 방향으로의 위치이며, A, B, C 및 D는 위치검출회로부(300)에서 출력되는 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
에 의하여 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치의 평면 좌표를 산출단계이다.
나아가, 좀 더 균일도를 향상시키기 위해 1차보정후 결과데이터를 바탕으로 재보정을 할 수 있다. 이 경우, 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
Figure 112010008621530-pat00020
,
Figure 112010008621530-pat00021
(여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
에 의하여 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키는 단계를 더 포함하여 수행된다. 물론, 2차보정 후 3차보정을 할 수도 있으며, 이러한 반복보정으로 균일도가 향상될 수 있다.
100: 섬광결정
200: 위치민감형 다중양극 광전자증배관
300: 위치검출회로부
310, A1, B1, C1, D1: 위치검출회로부 출력포트
400: 보상부
410: 직렬 가변저항
420: 병렬 가변저항
430: 위치검출회로의 등가저항
500: 좌표산출부

Claims (17)

  1. 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생되는 섬광을 전자로 변환하되, 다수의 채널 별로 전류신호를 증폭 출력하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200);
    상기 증폭 출력된 전류신호에 기반하여 상기 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 상기 증폭 출력된 전류신호가 압축되어 4개의 전류신호로 배분 출력되는 위치검출회로부(300);
    상기 각 채널의 출력포트와 상기 각 채널에 대응되는 상기 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되며 상기 직렬 가변저항(410) 및 상기 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 상기 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 보상부(400); 및
    세기가 보정된 상기 입력 전류신호에 기초하여 상기 배분 출력되는 4개의 전류신호를 입력받아 상기 감마선 검출위치의 좌표를 산출하는 좌표산출부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 섬광결정(100)은 29 x 29개 사각형 배열 또는 28 x 28개 사각형 배열로 다수의 섬광결정(100)이 단층으로 형성된 단층 섬광결정블록인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 채널은 8×8개 사각형 배열의 64개 채널 또는 16×16개 사각형 배열의 256개 채널인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 위치검출회로부(300)는 저항형 전하분배 회로인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보상부(400)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00022

    (여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
    에 의하여 상기 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보상부(400)는 상기 각 채널에 대응되는 입력 전류신호의 세기가 균일하게 보정되도록 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 보상부(400)는 상기 직렬 가변저항(410)의 저항값을 고정하고 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 병렬 가변저항(420)은 적어도 2 개의 저항을 직렬연결하여 상기 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 좌표산출부(500)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00023
    ,
    Figure 112010008621530-pat00024

    (여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향에 대응하는 축, Y는 상기 일 방향에 수직하는 방향의 축이며, A, B, C 및 D는 상기 위치검출회로부(300)에서 출력되는 상기 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 상기 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
    에 의하여 상기 섬광결정(100) 상의 상기 감마선 검출위치를 평면 좌표로 산출하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보상부(400)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00025
    ,
    Figure 112010008621530-pat00026

    (여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 상기 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 상기 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
    에 의하여 상기 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 시스템.
  11. 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 소정 섬광결정(100)에 입사된 감마선에 의해 발생된 섬광을 전자로 변환하는 단계(S100);
    상기 위치민감형 다중양극 광전자증배관(200)이 다수의 채널을 통해 전류신호를 증폭 출력하는 단계(S110);
    보상부(400)가 상기 각 채널의 출력포트와 상기 각 채널에 대응되는 위치검출회로부(300)의 입력포트 사이에 직렬 가변저항(410)과 병렬 가변저항(420)을 기반으로 연결되어 상기 직렬 가변저항(410) 및 상기 병렬 가변저항(420) 중 적어도 하나의 저항값을 변화시킴으로써 상기 증폭 출력된 전류신호 중 상기 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 입력 전류신호의 세기를 보정하는 단계(S120);
    상기 위치검출회로부(300)가 세기가 보정된 상기 입력 전류신호에 기반하여 상기 섬광결정(100) 상의 감마선 검출위치를 2차원 에너지분포로 나타내기 위해 상기 입력 전류신호를 압축하여 4개의 전류신호로 배분 출력하는 단계(S130); 및
    좌표산출부(500)가 상기 배분 출력된 4개의 전류신호를 입력받아 상기 감마선 검출위치의 좌표를 산출하는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는,
    상기 각 채널 별로 상기 입력 전류신호의 세기를 균일하게 하기 위해 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)에서,
    상기 직렬 가변저항(410)의 저항값은 고정되어 있음을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00027

    (여기서, Rp(i)는 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, I2는 위치검출회로부(300)의 입력포트로 입력되는 전류신호 세기 및 I1은 병렬 가변저항(420)에 흐르는 전류신호 세기, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값임.)
    에 의하여 상기 각 채널에 대응되는 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는,
    상기 각 채널에 대응되는 상기 입력 전류신호의 세기가 균일하게 보정되도록 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 변화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 좌표산출부(500)의 감마선 검출위치의 좌표산출단계(S140)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00028
    ,
    Figure 112010008621530-pat00029

    (여기서, X는 섬광결정(100) 평면 상의 일 방향으로의 위치, Y는 상기 일 방향에 수직하는 방향으로의 위치이며, A, B, C 및 D는 상기 위치검출회로부(300)에서 출력되는 상기 4개의 전류신호 세기의 적분값, A+B+C+D는 상기 4개의 전류신호 세기의 합신호 적분값임.)
    에 의하여 상기 섬광결정(100) 상의 상기 감마선 검출위치의 평면 좌표를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 보상부(400)의 입력 전류신호의 세기 보정단계(S120)는 다음의 수학식
    Figure 112010008621530-pat00030
    ,
    Figure 112010008621530-pat00031

    (여기서,Rp2(i)는 재변화된 i번째 채널의 병렬 가변저항(420)의 저항값, Rs는 직렬 가변저항(410)의 저항값, Omin 최소 균일도 값, O(i)는 i번째 채널의 균일도 값, 1차보정 합신호 적분값(i)은 i번째 채널에 대응하는 상기 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분값, 1차보정 합신호 적분최대값은 상기 4개의 전류신호 세기의 첫번째 합신호 적분 최대값임.)
    에 의하여 상기 입력 전류신호를 재보정하기 위하여 상기 병렬 가변저항(420)의 저항값을 재변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정 방법.
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