KR101175697B1 - Method of improving LCE and linearity of relationship between gamma-ray's energy and the number of photons impinged on photosensor array in PET module - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PET 모듈에서의 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법에 관한 것으로서 감마선으로부터 섬광을 생성하는 섬광 결정, 상기 섬광결정으로부터의 섬광을 광전소자 어레이로 퍼지도록 하는 광 가이드, 및 상기 광 가이드를 통과한 섬광을 전기 신호로 변환하기 위한 광전소자 어레이를 포함하는 PET 모듈에 있어서, 상기 섬광 결정과 상기 광전소자 어레이 사이에 위치하는 광 가이드의 두께를 증가시키고, 상기 광전 소자 어레이를 구성하는 마이크로 셀들의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하며, 큰 면적의 마이크로 셀들을 구비한 GAPD일수록 비선형성이 증가하는 현상에도 불구하고, 광가이드의 두께를 증가시켜 많은 수의 GAPD들로 광자들이 입사함으로써, 고에너지 및 고분해능정보를 동시에 제공하고 비선형성을 개선할 수 있다. The present invention relates to a method for improving linearity between photon collection efficiency (LCE) in a PET module and the number of incident gamma-ray energy versus the number of electrons output from the photovoltaic array. A PET module comprising a light guide for spreading a light into an optoelectronic device array, and an optoelectronic device array for converting the light passing through the light guide into an electrical signal, wherein the light is located between the scintillation crystal and the optoelectronic device array. The thickness of the guide is increased, and the size of the microcells constituting the photovoltaic device array is increased, and the thickness of the light guide despite the phenomenon that the nonlinearity increases with the GAPD having the large area microcells. Photons are incident on a large number of GAPDs, resulting in high energy and high It may provide haeneung information at the same time, improve the non-linearity.
Description
본 발명은 PET 검출기 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PET 모듈에서의 광자 수집 효율 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PET detector module, and more particularly, to a method of improving linearity between photon collection efficiency in a PET module and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from an optoelectronic array.
핵의학 의료영상장비 중 하나인 양전자방출단층촬영기(PET, positron emission tomography)는 인체의 생화학적 변화를 영상화할 수 있는 핵의학 분야의 대표적 영상기술이다.Positron emission tomography (PET), one of the nuclear medical imaging devices, is a representative imaging technology in the field of nuclear medicine that can image biochemical changes in the human body.
PET 모듈을 구성하는 방법들 중에서 1:1 섬광결정-광센서 결합방법은 광손실을 최소로 유지할 수 있으나 고분해능 정보를 제공하는 PET 검출기 구성에 어려움이 있다.Among the methods of constructing the PET module, the 1: 1 scintillation crystal-photo sensor coupling method can maintain the light loss to a minimum, but there is a difficulty in constructing a PET detector that provides high resolution information.
PET 검출기 모듈을 구성하는 방법들 중에서 라이트 쉐어링 (Light sharing)을 이용하는 방법은 고분해능 정보를 제공하는 PET 검출기를 구성하기 위해 가장 쉽게 사용되는 방법이나, 광분배과정에서 발생하는 광 손실로 인해 에너지정보가 떨어지는 단점을 가지고 있다Among the methods of constituting the PET detector module, the method using light sharing is the most easily used to construct a PET detector that provides high resolution information, but energy information is lost due to the light loss generated in the light distribution process. Have a downside
현재까지 PET 모듈로 고분해능, 고에너지 정보를 동시에 제공할 수 있는 PET 모듈은 개발되지 않고 있으며, 보다 얇은 두께를 갖는 쿼르츠(quartz)를 사용하여 고분해능 정보를 얻으면서, 최대한 에너지 정보 손실을 줄이려고 노력하고 있는 실정이다.Until now, PET module that can provide high resolution and high energy information at the same time has not been developed.We try to reduce energy information loss as much as possible while obtaining high resolution information using thinner quartz. I'm doing it.
한편, PET 검출기 모듈에 사용되는 GAPD (Geiger-mode avalanche photodiode)는 일반적으로 1 mm2 ~ 9 mm2 단면적 안에 수백 개 또는 수천 개의 마이크로 셀이 2차원 배열되어 있으며, 각 마이크로셀들은 가이거모드에서 동작하는 애벌런치 광다이오드, 억제저항, 바이어스 전압입력부로 구성되어 있다. 각 마이크로셀들은 입사한 광자에 대하여 on-off 스위치로써 동작하며, 온(ON)된 마이크로 셀들의 총 갯수는 흡수된 광자들의 수 및 입사한 감마선 에너지를 반영한다. 그러나 마이크로 셀들의 갯수가 유한하기 때문에 감마선에서 가시광선으로 변환된 광자들의 수가 상대적으로 마이크로 셀들의 수보다 많은 경우 선형성이 상당한 편차를 갖게 된다.On the other hand, GAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) used in PET detector module is generally two-dimensional array of hundreds or thousands of microcells in 1 mm 2 ~ 9 mm 2 cross-sectional area, each microcell operates in Geiger mode It consists of an avalanche photodiode, a suppression resistor, and a bias voltage input part. Each microcell acts as an on-off switch for incident photons, and the total number of microcells that are ON reflects the number of photons absorbed and the incident gamma ray energy. However, since the number of micro cells is finite, the linearity has a considerable deviation when the number of photons converted from gamma rays to visible light is relatively larger than the number of micro cells.
이러한, 비선형성을 해결하기 위해 일반적으로 널리 사용되는 방법은 많은 수의 마이크로셀들을 구비한, 즉 작은 면적의 마이크로셀들을 구비한 GAPD를 사용하여 PET 검출기 모듈을 구성하는 것이다. 그러나, 작은 면적의 마이크로셀들을 구비한 GAPD는 물리적 구조상 유효센서 면적의 감소가 필연적으로 나타나게 되어, 광검출효율과 이득이 감소하는 단점을 가지고 있다.A widely used method for solving such a nonlinearity is to construct a PET detector module using GAPD having a large number of microcells, that is, a small area of microcells. However, GAPD having a small area of microcells has a disadvantage in that the effective sensor area is inevitably reduced due to the physical structure, thereby reducing the light detection efficiency and gain.
따라서, 큰 면적의 마이크로셀들을 구비한 GAPD를 사용함으로써 고에너지 및 고분해능정보를 제공함과 동시에 비선형성을 개선할 수 있도록 하는 PET 검출기 모듈의 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need for a PET detector module that can provide high energy and high resolution information and improve nonlinearity by using GAPD having a large area of microcells.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 PET 검출기 모듈에서 광자 수집 효율 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of improving linearity between photon collection efficiency and incident gamma ray energy in the PET detector module versus the number of electrons output from the photoelectric device array.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 감마선으로부터 섬광을 생성하는 섬광결정, 상기 섬광결정으로부터의 섬광을 광전소자 어레이로 퍼지도록 하는 광 가이드, 및 상기 광 가이드를 통과한 섬광을 전기 신호로 변환하기 위한 광전소자 어레이를 포함하는 PET 모듈에 있어서, 상기 섬광결정과 상기 광전소자 어레이 사이에 위치하는 광 가이드의 두께를 증가시켜 광자 수집 효율(Light Collection Efficiency, LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성을 향상시키는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a flash crystal for generating a flash from gamma rays, a light guide for spreading the flash from the flash crystal to the photoelectric element array, and converting the flash light passing through the light guide into an electrical signal. A PET module comprising an optoelectronic array, comprising: increasing the thickness of a light guide located between the scintillation crystal and the optoelectronic array, thereby increasing the photo collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy to the optoelectronic array. It provides a method to improve the linearity between the number of electrons output from.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광전소자 어레이를 구성하는 마이크로 셀들의 크기를 증가시켜 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by increasing the size of the microcells constituting the optoelectronic device array, the linearity between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the optoelectronic device array may be improved. have.
또한, 상기 섬광결정은 N×M 행렬 크기(N,M은 임의의 자연수)로 구성될 수 있다.In addition, the scintillation crystal may be configured with an N × M matrix size (N and M are arbitrary natural numbers).
또한, 상기 광전소자 어레이의 행렬 크기는 상기 섬광결정의 행렬 크기보다 작도록 구성될 수 있다.In addition, the matrix size of the optoelectronic device array may be configured to be smaller than the matrix size of the scintillation crystal.
또한, 상기 광전 소자 어레이를 구성하는 마이크로 셀들의 크기는 10×10 μm2 과 200×200 μm2 사이이고, 상기 광 가이드의 두께는 0.1 mm ~ 10 mm 일 수 있다.In addition, the microcells constituting the photoelectric device array may have a size between 10 × 10 μm 2 and 200 × 200 μm 2 , and the thickness of the light guide may be 0.1 mm to 10 mm.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광전 소자 어레이는 마이크로 셀들로 구성된 GAPD 어레이일 수 있으며, 상기 섬광은 가시광선일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the photoelectric device array may be a GAPD array composed of micro cells, and the flash may be visible light.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 PET 모듈은 상기 감마선으로부터 섬광을 생성한 섬광결정의 위치를 검출하는 위치 검출부를 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the PET module may further include a position detection unit for detecting the position of the scintillation crystal generated the glare from the gamma rays.
본 발명에 따르면, 큰 면적의 마이크로 셀들을 구비한 GAPD일수록 비선형성이 증가하는 현상에도 불구하고, 광가이드의 두께를 증가시켜 많은 수의 GAPD들로 광자들이 입사함으로써, 고에너지 및 고분해능정보를 동시에 제공하고 비선형성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, PDE(photo detection efficiency)가 50%인 검출기 모듈을 구성할 수 있다.According to the present invention, despite the phenomenon in which nonlinearity increases with GAPD having large area microcells, photons are incident on a large number of GAPDs by increasing the thickness of the light guide, thereby simultaneously providing high energy and high resolution information. And improve nonlinearity. In addition, according to the present invention, it is possible to configure a detector module having a PDE (photo detection efficiency) of 50%.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 광 가이드가 없을 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.
도 3은 광 가이드 두께가 작을 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.
도 4는 광 가이드 두께가 클 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.
도 5는 광 가이드 두께와 광전소자로 입사된 광자들의 수의 관계 및 광 가이드 두께와 LCE의 관계를 나타낸 것이다.
도 6은 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 관계를 광 가이드 두께별로 도시한 것이다.1 is a perspective view showing a PET module using an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a PET module using a photoelectric device when there is no light guide.
3 shows a PET module using an optoelectronic device when the light guide thickness is small.
Figure 4 shows a PET module using a photoelectric device when the light guide thickness is large.
5 shows the relationship between the light guide thickness and the number of photons incident on the photoelectric device and the relationship between the light guide thickness and the LCE.
FIG. 6 illustrates the relationship between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the photovoltaic device array by the light guide thickness in the PET module using the photoelectric device.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.Prior to the description of the specific contents of the present invention, for the convenience of understanding, the outline of the solution of the problem to be solved by the present invention or the core of the technical idea will be presented first.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법은 감마선으로부터 섬광을 생성하는 섬광 결정, 상기 섬광결정으로부터의 섬광을 광전소자 어레이로 퍼지도록 하는 광 가이드, 및 상기 광 가이드를 통과한 섬광을 전기 신호로 변환하기 위한 광전소자 어레이를 포함하는 PET 모듈에 있어서, 상기 섬광 결정과 상기 광전소자 어레이 사이에 위치하는 광 가이드의 두께를 증가시키고, 상기 광전 소자 어레이를 구성하는 마이크로 셀들의 크기를 증가시킴으로써 이루어진다.According to an embodiment of the present invention, a method of improving linearity between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the photovoltaic array includes a flash crystal that generates flash from gamma rays, and a flash from the scintillation crystal. A PET module comprising a light guide to spread to an optoelectronic device array, and an optoelectronic device array for converting the light passing through the light guide into an electrical signal, the light guide positioned between the scintillation crystal and the optoelectronic device array. It is achieved by increasing the thickness of and increasing the size of the micro cells constituting the optoelectronic device array.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby. The configuration of the invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on the preferred embodiment of the present invention, the same in the reference numerals to the components of the drawings The same reference numerals are given to the components even though they are on different drawings, and it is to be noted that in the description of the drawings, components of other drawings may be cited if necessary. In the following description, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a PET module using an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광전소자를 이용한 PET 모듈은 섬광결정부(100), 광 가이드(110), 및 광전소자(120)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, the PET module using the photoelectric device according to the present exemplary embodiment includes a
섬광결정부(100)는 감마선을 수용하고, 이로부터 가시광선을 생성하는 섬광결정(111)과 하나의 섬광결정으로부터 다른 섬광결정으로 섬광이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위한 반사체(112)를 포함한다. The
섬광결정부(100)는 적어도 하나 이상의 섬광결정(111)들로 구성된 어레이를 형성하고, 각 섬광결정(111)은 반사체(112)로 싸여있다.The
섬광결정부(100)는 반사체(112)로 둘러싸인 섬광결정(111)을 행렬 형태, 즉 N × M(여기서, N과 M은 자연수)인 형태로 배치할 수 있다.The
섬광결정(111)으로는 LSO, BGO, LYSO, LaBr3, NaI, 또는 LGSO 등을 이용할 수 있으며, 이들을 한층 혹은 다층 형태로 구성할 수 있다.As the
광 가이드(110)는 섬광결정부(100)에서 생성된 가시광선이 광 가이드(110) 하부에 위치한 광전소자(120)에 잘 퍼지도록 하기 위한 것이다. The
광 가이드(110)는 석영(quartz)이나 플렉시유리(flexiglass)를 이용할 수 있다. The
광 가이드(110)는 두께가 0.1 mm ~ 10 mm이고, 각각의 섬광결정(111)에 대응하는 광 가이드의 넓이는 섬광결정(111)과 동일한 크기로 제작할 수 있다. The
도 1 내지 도 4에서는 광전소자가 4 × 4 정방행렬 형태로 배치된 예를 나타낸 것이다.1 to 4 show an example in which the optoelectronic devices are arranged in a 4 × 4 square matrix.
광전소자(photoelectric element, 120)는 광 가이드(110)를 통과한 광신호를 전기 신호로 변환하기 위한 소자이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광신호는 감마선에서 변환된 가시광선일 수 있다. The
또한, 광전소자(120)는 행렬 형태의 GAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)일 수 있다.In addition, the
또한, 광전소자(120)는 solid state photomultiplier (SSPM), silicon photomultiplier (SiPM), multi pixel photon counters (MPPC), micro-pixel avalanche photodiode (MAPD) 등으로 알려진, 가이거모드에서 동작하는 애벌런치 광다이오드일 수 있다.The
광전소자(120)는 복수의 마이크로 셀들로 구성되어 있으며, 이러한 복수의 마이크로 셀들이 실질적으로 광신호를 감지한다. 본 발명의 실시예에 따르면 복수 개의 마이크로 셀들로 구성된 GAPD를 이용한 PET 모듈에 관한 것이다. The
광전소자(120)는 각 섬광결정(111)에 대응하여 각각 하나씩 설치하는 구성도 가능하고, 하나의 광전소자(120)에 대하여 행렬 형태로 다수 개의 섬광결정(111)을 배치하는 것도 가능하다. The
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광전소자(120)의 각 전기신호로부터 감마선 반응을 일으킨 섬광결정(111)을 결정하는 섬광위치 결정부(미도시)가 더 구비될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a flash position determiner (not shown) for determining the
광전소자(120)가 4×4 배열형 GAPD인 경우 Anger circuit을 통해 채널수가 16개에서 4개로 감소하고, 섬광위치는 독특한 Anger 수식에 의해 판별할 수 있다.When the
도 2는 광 가이드가 없을 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.Figure 2 shows a PET module using a photoelectric device when there is no light guide.
섬광결정(111)을 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태(210), 광전소자(120)를 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태(220), 및 섬광결정(111) 아래에 광전소자(120)가 위치한 상태(230)가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도(240)를 보면, 섬광결정(111) 내에서 섬광이 발생하면, 대부분의 광신호는 섬광이 발생한 섬광결정 바로 아래에 있는 광전소자로 입사되는 것을 알 수 있다. 이는 섬광결정과 광전소자 사이에 광 가이드가 없기 때문에 광신호가 퍼지지 못하기 때문이다.Referring to the side
도 3은 광 가이드 두께가 작을 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.3 shows a PET module using an optoelectronic device when the light guide thickness is small.
광전소자를 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태(310), 섬광결정을 8×8 정방 행렬 형태로 배치한 상태(320), 및 섬광결정 아래에 광 가이드가 위치하고, 광가이드 아래에 광전소자가 위치한 상태(330)가 도시되어 있다.The photoelectric device is arranged in the form of 4 × 4
도 3에 도시된 광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도(340)를 보면, 섬광결정(111)내에 섬광이 발생하면, 광 가이드(110)를 통과하면서, 일부 광신호가 인접한 광전소자에 입사되는 것을 알 수 있다.Referring to the side
도 4는 광 가이드 두께가 클 때의 광전소자를 이용한 PET 모듈을 나타낸 것이다.Figure 4 shows a PET module using a photoelectric device when the light guide thickness is large.
광전소자를 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태(410), 섬광결정을 8×8 정방 행렬 형태로 배치한 상태(420), 및 섬광결정 아래에 광 가이드가 위치하고, 광가이드 아래에 광전소자가 위치한 상태(430)가 도시되어 있다.The photoelectric element is arranged in the form of a 4 × 4 square matrix (410), the scintillation crystal is arranged in the form of an 8 × 8 square matrix (420), and the light guide is located under the scintillation crystal, and the photoelectric element is located under the light guide.
도 4에 도시된 광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도(440)를 보면, 섬광결정(111)내에 섬광이 발생할 때, 두께가 두꺼운 광 가이드(110)를 광신호가 통과하면서, 도 3에서 광신호가 입사되는 광전소자 보다 더 많은 인접한 광전소자에 광신호가 분배되어 입사되는 것을 알 수 있다.Referring to the side
도 2를 참조하면, 섬광결정과 광전소자를 1:1로 결합하는 경우에는 하나의 광전소자만이 광신호를 받아들이게 된다. 광전소자는 일반적으로 온-오프 스위치 기능을 가지므로, 일정 수준 이상의 광신호가 수신되면 아무리 많은 광신호가 수신되어도 온(ON) 되는 결과는 같다.Referring to FIG. 2, when the scintillation crystal and the photoelectric device are combined 1: 1, only one photoelectric device receives an optical signal. Since optoelectronic devices generally have an on-off switch function, the result of turning on an optical signal no matter how many optical signals are received when a predetermined level or more of optical signals is received is the same.
그러나 도 4를 참조하면, 섬광결정과 광전소자 사이에 두께가 두꺼운 광 가이드를 위치시킴으로써, 도 2 또는 도 3에서보다 많은 광전소자에 광신호가 입사하게 된다. However, referring to FIG. 4, by placing a thick light guide between the scintillation crystal and the optoelectronic device, an optical signal is incident on more photoelectric devices than in FIG. 2 or 3.
보다 상세하게 살펴보면, 광전소자(120)는 복수의 마이크로 셀들로 구성되어 있으며, 각 마이크로 셀의 크기는 10 μm x 10 μm ~ 200 μm x 200 μm 범위 내에 있다. 광 가이드(110) 두께는 0.1 mm ~ 10 mm일 수 있다.In more detail, the
섬광결정(111)에서 생성되는 수천 개의 입사 광자들은 광 가이드(110)를 통해 인접하는 광전소자(120), 예를 들면 GAPD 픽셀들 사이로 퍼지게 된다.Thousands of incident photons generated in the
이후, 단지 수백 개의 광자들만이 각 GAPD로 입사하게 되고, GAPD는 수천 개의 광자들에 대해서는 비선형적으로 동작하더라도, 수백 개의 광자들에 대해서는 선형적으로 동작하게 된다. 따라서, 수백 개의 광자들이 GAPD로 입사하는 경우에 포화되는 현상이 없이 GAPD를 동작시키는 것이 가능하게 되며, 총 입사한 감마선 에너지는 각 GAPD들에 입사한 감마선 에너지의 합으로 표현할 수 있다.Thereafter, only a few hundred photons enter each GAPD, and although the GAPD operates non-linearly for thousands of photons, it operates linearly for hundreds of photons. Therefore, when hundreds of photons are incident to GAPD, the GAPD can be operated without saturation, and the total incident gamma ray energy can be expressed as the sum of the gamma ray energy incident to the GAPDs.
이러한 방법은 마이크로 셀들의 크기를 수정하는 것 없이 광 공유 환경을 통해 광자들을 검출하는 마이크로 셀들의 수를 증가시키는 데 유리하다. 그 결과 PDE(photo detection efficiency)와 GAPD의 이득을 변화시키지 않고, 선형성과 LCE(light collection efficiency)를 향상시키는 것이 가능하다.This method is advantageous for increasing the number of micro cells that detect photons through a light sharing environment without modifying the size of the micro cells. As a result, it is possible to improve linearity and light collection efficiency (LCE) without changing the PDE (photo detection efficiency) and GAPD gain.
LCE는 광자 수집 효율을 의미하는 것으로, 광전소자와 충돌한 광자의 수를 광전소자로 입사된(entered) 광자의 수로 나눈 값을 의미한다.LCE means photon collection efficiency, which means the number of photons colliding with the photoelectric device divided by the number of photons incident to the photoelectric device.
도 5는 광 가이드 두께와 광전소자로 입사된 광자들의 수의 관계 및 광 가이드 두께와 LCE의 관계를 나타낸 것이다.5 shows the relationship between the light guide thickness and the number of photons incident on the photoelectric device and the relationship between the light guide thickness and the LCE.
세 가지 타입의 4×4 광전소자들로서, 일반적으로 PET 검출기에 가장 많이 사용되는 25%의 QE를 갖는 PSPMT, 작은 면적 마이크로셀들로 구성되어 30%의 PDE를 갖는 GAPD1, 큰 면적 마이크로셀들로 구성되어 45%의 PDE를 갖는 GAPD2를 이용하여 입사 광자들을 카운팅한다. 각 광전소자 픽셀은 3×3 mm2의 액티브 영역을 갖는다. PSPMT는 50×50 μm2 과 100×100 μm2의 마이크로 셀들로 구성된 다른 두 개의 타입의 GAPD의 성능과 비교된다.Three types of 4x4 optoelectronics: PSPMT with 25% QE, most commonly used for PET detectors, GAPD1 with 30% PDE and large area microcells. Configured to count incident photons using GAPD2 with 45% PDE. Each optoelectronic pixel has an active area of 3 x 3 mm 2 . PSPMT compares with the performance of the other two types of GAPD, which consist of 50 × 50 μm 2 and 100 × 100 μm 2 microcells.
도 5a는 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 광 가이드 두께와 광전소자로 입사된 광자들의 수의 관계를 광전소자의 종류(PSPMT, GAPD) 별로 도시한 것이다. 특히, 광전소자가 GAPD일 때, 마이크로 셀의 크기가 50 μm x 50 μm 인 경우와 100 μm x 100 μm 인 경우를 비교하였다.FIG. 5A illustrates the relationship between the thickness of the light guide and the number of photons incident on the photoelectric device for each type of photoelectric device (PSPMT, GAPD) in the PET module using the photoelectric device. In particular, when the photoelectric device is GAPD, the size of the microcell is 50 μm x 50 μm compared with the case of 100 μm x 100 μm.
511 keV 감마선에 대하여 카운트된 광자들의 수는 GAPD에 대하여 광 가이드의 두께가 증가함에 따라 증가한다. 특히, 마이크로 셀의 크기가 100 μm x 100 μm 이고, 광가이드의 두께가 2 mm 이상인 경우에는 다른 광전소자의 경우보다 입사된 광자들의 수가 현저하게 많아진다. 반면에 PSPMT는 약간 감소한다.The number of photons counted for 511 keV gamma rays increases as the thickness of the light guide increases for GAPD. In particular, when the size of the microcell is 100 μm × 100 μm, and the thickness of the light guide is 2 mm or more, the number of incident photons is significantly greater than that of other optoelectronic devices. On the other hand, PSPMT decreases slightly.
도 5b는 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 광 가이드 두께와 LCE(light collection efficiency)의 관계를 광전소자의 종류(PSPMT, GAPD) 별로 도시한 것이다.FIG. 5B illustrates a relationship between a light guide thickness and a light collection efficiency (LCE) for each type of photoelectric device (PSPMT and GAPD) in a PET module using an optoelectronic device.
도 5a와 마찬가지로, 광전소자가 GAPD일 때, 마이크로 셀의 크기가 50 μm x 50 μm 인 경우와 100 μm x 100 μm 인 경우를 비교하였다.As in FIG. 5A, when the photoelectric device is GAPD, the case where the size of the microcell is 50 μm × 50 μm and 100 μm × 100 μm was compared.
GAPD1(50×50 μm2의 마이크로 셀들)의 LCE는 24%에서 30%로 향상되고, GAPD2(100×100 μm2의 마이크로 셀들)의 LCE는 14%에서 41%로 향상되므로, 마이크로 셀들의 크기가 커짐에 따라 LCE가 향상됨을 알 수 있다.The LCE of GAPD1 (50 × 50 μm 2 microcells) improved from 24% to 30%, and the LCE of GAPD2 (100 × 100 μm 2 microcells) increased from 14% to 41% It can be seen that the LCE is improved as is increased.
도 5a와 도 5b를 참조하면, 광 가이드의 두께가 더 두꺼울수록 광전소자로 입사되는 광자들의 수와 LCE가 개선됨을 알 수 있다. 또한, GAPD를 구성하는 마이크로셀의 크기가 넓을수록 광전소자로 입사되는 광자들의 수와 LCE가 개선됨을 알 수 있다.5A and 5B, it can be seen that the thicker the light guide, the better the number of photons incident on the photoelectric device and the LCE. In addition, it can be seen that the larger the size of the microcell constituting the GAPD, the number of photons incident on the photoelectric device and the LCE are improved.
도 6은 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 관계를 광 가이드 두께별로 도시한 것이다.FIG. 6 illustrates the relationship between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the photovoltaic device array by the light guide thickness in the PET module using the photoelectric device.
도 6a는 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 마이크로 셀의 크기가 50 μm x 50 μm 인 경우, 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 관계를 광 가이드 두께별로 도시한 것이다.FIG. 6A illustrates the relationship between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the photoelectric device array according to the light guide thickness when the microcell size is 50 μm × 50 μm in the PET module using the photoelectric device.
도 6b는 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 마이크로 셀의 크기가 100 μm x 100 μm 인 경우, 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 관계를 광 가이드 두께별로 도시한 것이다.FIG. 6B illustrates the relationship between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the photoelectric device array for each light guide thickness when the microcell is 100 μm × 100 μm in the PET module using the photoelectric device.
도 6을 참조하면, 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 관계는 광 가이드의 두께가 두꺼울수록, 마이크로 셀의 크기가 클수록 개선됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the relationship between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the photoelectric device array is improved as the thickness of the light guide is thicker and the size of the microcell is larger.
도 5와 도 6을 참조하면, 광전소자를 이용한 PET 모듈에 있어서, 보다 넓은 마이크로 셀들을 갖는 GAPD와 보다 두꺼운 광 가이드를 이용할수록 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성, 에너지, 및 공간분해능 정보를 동시에 개선할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 섬광결정에서 감마선 반응 후 광 가이드를 통한 광퍼짐정도가 클수록 그리고, 마이크로 셀 면적이 클수록, 보다 높은 에너지 정보를 얻을 수 있다. Referring to FIGS. 5 and 6, in the PET module using the photoelectric device, the linearity between the GaPD having wider microcells and the thicker light guide, the incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the photoelectric device array, It can be seen that energy and spatial resolution information can be improved simultaneously. That is, as the degree of light spread through the light guide after the gamma ray reaction in the scintillation crystal is larger and the microcell area is larger, higher energy information can be obtained.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. In the present invention as described above has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from these descriptions.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
본 발명은 고분해능을 요구하는 PET 검출기에 활용이 가능하다. 특히, 소동물 PET 뿐 아니라 전신체 PET에서도 활용이 가능한 기술이다.The present invention can be utilized in PET detectors requiring high resolution. In particular, it is a technology that can be used not only small animal PET, but also whole body PET.
100:섬광결정부 110:광 가이드
120:광전소자 111:섬광결정
112:반사체
210:섬광결정(111)을 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태
220:광전소자(120)를 4×4 정방 행렬 형태로 배치한 상태
230:섬광결정(111) 아래에 광전소자(120)가 위치한 상태
240:광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도
310:섬광결정(111)을 4×4를 정방 행렬 형태로 배치한 상태
320:광전소자(120)를 8×8 정방 행렬 형태로 배치한 상태
330:섬광결정(111) 아래에 광 가이드(110)가 위치하고, 광 가이드(110) 아래에 광전소자(120)가 위치한 상태
340:광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도
410:섬광결정(111)을 4×4를 정방 행렬 형태로 배치한 상태
420:광전소자(120)를 8×8 정방 행렬 형태로 배치한 상태
430:섬광결정(111) 아래에 광 가이드(110)가 위치하고, 광 가이드(110) 아래에 광전소자(120)가 위치한 상태
440:광전소자를 이용한 PET 모듈의 측단면도100: flash crystal part 110: light guide
120: photoelectric element 111: flash crystal
112: reflector
210: the state in which the
220:
230:
240: side sectional view of a PET module using a photoelectric device
310: the
320:
330:
340: side cross-sectional view of a PET module using a photoelectric device
410: The state in which the
420:
430: The
440: side cross-sectional view of a PET module using a photoelectric device
Claims (9)
상기 광 가이드의 두께는 2mm 이상 10mm 이하이고,
상기 광전소자 어레이를 구성하는 마이크로 셀들의 크기는 50×50 μm2 이상 200×200 μm2 이하일 때, 상기 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수와 광자 수집 효율(LCE)이 최대가 되고,
입사한 감마선 에너지 대 상기 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성이 최대가 되는 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.PET detector module comprising a flash crystal for generating flash from gamma rays, a light guide for spreading the flash from the flash crystal to the photoelectric element array, and an photoelectric element array for converting the flash light passing through the light guide into an electrical signal. A method of improving linearity between the photon collection efficiency (LCE) and the incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the optoelectronic array,
The light guide has a thickness of 2 mm or more and 10 mm or less,
When the size of the microcells constituting the optoelectronic device array is 50 × 50 μm 2 or more and 200 × 200 μm 2 or less, the number of electrons and the photon collection efficiency (LCE) output from the optoelectronic device array are maximized.
A linearity improvement method between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma-ray energy versus the number of electrons output from the photonic device array, characterized in that the linearity between the incident gamma ray energy and the number of electrons output from the optoelectronic device array is maximized. .
상기 섬광결정은 N×M 행렬 크기(N,M은 임의의 자연수)인 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.The method of claim 1,
And said scintillation crystal is an N × M matrix size (where N and M are any natural numbers) and linearity between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the optoelectronic array.
상기 광전소자 어레이의 행렬 크기는 상기 섬광결정의 행렬 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.The method of claim 1,
Wherein the matrix size of the optoelectronic device array is smaller than the matrix size of the scintillation crystal; photon collection efficiency (LCE) and the incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the optoelectronic device array.
상기 광전소자 어레이는 마이크로 셀들로 구성된 GAPD 어레이인 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.The method of claim 1,
And said photoelectron array is a GAPD array of microcells. The method of improving linearity between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the photoelectric array.
상기 PET 모듈은 상기 감마선으로부터 섬광을 생성한 섬광결정의 위치를 검출하는 위치 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.The method of claim 1,
The PET module further includes a position detector for detecting a position of a scintillation crystal that generated scintillation from the gamma rays, between the photon collection efficiency (LCE) and the number of incident gamma ray energy versus the number of electrons output from the photoelectric element array. How to improve linearity.
상기 섬광은 가시광선인 것을 특징으로 하는 광자 수집 효율(LCE) 및 입사한 감마선 에너지 대 광전소자 어레이에서 출력된 전자의 수 간의 선형성 향상 방법.The method of claim 1,
And said strobe light is visible light. The method of improving linearity between photon collection efficiency (LCE) and incident gamma ray energy versus the number of electrons output from an optoelectronic array.
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