KR101252817B1 - Ｐｅｔ 모듈과 이를 갖는 ｐｅｔ―ｍｒｉ - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 PET모듈은 인체에서 발생하는 감마선을 검출하는 섬광결정체; 상기 섬광결정체에 접하여 설치되어 상기 섬광결정체로부터 신호를 전달받는 광섬유; 상기 광섬유에 접하여 설치되어 상기 광섬유로부터 전달받은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전소자; 상기 광전소자에 접하여 설치되어 상기 광전소자에서 생성된 전기신호를 처리하며, RF가 내부에 유입되는 것을 차폐하기 위한 RF차폐부가 설치된 RF차폐전장부;를 포함하며, 촬영대상을 중심으로 내부에서 외부로 상기 섬광결정체, 상기 광섬유, 상기 광전소자, 상기 RF차폐전장부가 순차적으로 방사상으로 설치되며, 촬영대상을 중심으로 환형으로 복수개가 배치되어 기존의 MRI 내부에 탑재될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

ＰＥＴ 모듈과 이를 갖는 ＰＥＴ―ＭＲＩ{A PET MODULE AND A PET-MRI HAVING THE SAME}

본 발명은 PET 모듈과 이를 갖는 PET-MRI에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PET(양전자방출단층촬영장치, Positron Emission Tomography) 와 MRI(자기공명촬영장치, Magnetic Resonance Imaging) 간의 상호 간섭을 최소화하여 PET와 MRI 영상을 동시에 획득할 수 있도록 한 PET 모듈과 이를 갖는 PET-MRI에 관한 것이다.

PET는 질병의 발생 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 물질 간의 상호작용으로 발생하는 소멸방사선(annihilation radiation)을 체외에서 검출하여 단층촬영 영상을 만든다.

이 소멸방사선인 감마선을 검출하기 위한 광전소자로서 광전증배관(Photomultiplier Tube, PMT)나 사태광전소자(Avalanche Photodiode, APD)를 이용한다. 신체에 투여된 방사선 물질은 베타붕괴를 통해 나온 양전자와 몸 안의 전자가 결합하여 소멸반응을 일으키게 되는데, 이 때 좌우 대칭으로 방출되는 감마선을 검출하여 영상을 얻게 된다.

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. 이 때 같은 진동수를 가진 전자파를 짧게 방출하여 양성자와 상호작용을 일으켰을 때, 양성자는 정렬된 상태에서 잠시 이탈되었다가 제자리로 돌아온다. 이 과정에서 양성자는 약한 전파를 방출하고, 이 전파를 검출하여 모니터에 영상을 형성한다. 이와 같은 장치는 신체의 70%를 차지하는 물분자를 이루는 수소 원자를 이용하여 영상을 얻기 때문에 살아있는 생물체로부터 영상을 얻는데 유리한 물리학적 원리를 이용한 영상기술이다.

최근에는, PET와 MRI를 결합한 PET-MRI와 같은 통합형 영상장치에 관한 연구가 진행되고 있다. 도 1에는 이러한 종래기술에 의한 PET-MRI가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 의한 PET-MRI는 바디코일과 로컬코일 사이에 섬광결정체가 설치된다. 섬광결정체는 감마선을 검출하여 이 신호가 PMT와 전장부를 거치면서 전자적인 영상신호로 변환된다. 한편, 섬광결정체와 PMT 사이에는 광섬유가 길쭉하게 연장된다. 광섬유는 섬광결정체에서 검출된 신호를 PMT로 보내주는 역할을 한다.

이렇게 PMT와 전장부를 섬광결정체로부터 멀리 떨어트리고 그 사이를 광섬유로 연결한 이유는, MRI에서 발생하는 자기장과 고주파 전자파에 의해 PMT와 전장부가 간섭을 받게 되기 때문이다. 한편, 광섬유의 길이를 줄이고 PMT와 전장부를 MRI장치에 가깝게 설치하려면, PMT와 전장부를 보호하기 위한 차폐장치를 필요로 하게 되는데, 이 경우 MRI 영상신호가 함께 차폐되어 MRI영상의 화질을 떨어트리게 될 뿐만 아니라 PMT를 MRI에서 동작하도록 차폐하기는 대단히 어렵다. 종래기술에 의한 PET-MRI는 섬광결정체를 바디코일과 로컬코일 사이에 설치하고 PMT와 전장부는 PET-MRI장치의 외부에 설치하여 위와 같은 문제점을 해결할 수 있게 된 것이다.

그러나, 종래기술에 의한 PET-MRI는 광섬유에 의해 섬광결정체와 PMT 및 전장부가 연결되므로, 광섬유의 길이가 길어질수록 얻어진 영상의 시간분해능과 에너지 분해능이 저하된다는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 의한 PET-MRI는 PET-MRI장치의 크기를 키우기 위해 장치를 축방향으로 연장하려고 하면 할수록 광섬유의 길이도 함께 길어져 얻어진 영상의 질이 저하되므로, PET-MRI장치의 크기를 확장하는 데 한계를 갖게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 광섬유의 길이를 축소하고 MRI 고자장과 RF에 강한 실리콘 광전증배관(Silicon Photomultiplier, SiPM)과 같은 반도체 광전소자를 사용함으로써 PET에 의해 얻어지는 영상의 질을 향상시키는 동시에, 전장부를 보호하는 차폐장치에 의해 MRI의 신호가 차폐되는 것을 최소화할 수 있도록 한 PET 모듈과 이를 포함하는 PET-MRI를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 PET모듈은 인체에서 발생하는 감마선을 검출하는 섬광결정체; 상기 섬광결정체에 접하여 설치되어 상기 섬광결정체로부터 신호를 전달받는 광섬유; 상기 광섬유에 접하여 설치되어 상기 광섬유로부터 전달받은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전소자; 상기 광전소자에 접하여 설치되어 상기 광전소자에서 생성된 전기신호를 처리하며, RF가 내부에 유입되는 것을 차폐하기 위한 RF차폐부가 설치된 RF차폐전장부;를 포함하며, 촬영대상을 중심으로 내부에서 외부로 상기 섬광결정체, 상기 광섬유, 상기 광전소자, 상기 RF차폐전장부가 순차적으로 방사상으로 설치되며, 촬영대상을 중심으로 환형으로 복수개가 배치되어 기존의 MRI 내부에 탑재될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 PET모듈은, 상기 섬광결정체를 이루는 물질은 LYSO를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 PET모듈은, 상기 광전소자는 실리콘광증배소자, 가이거사태광전소자, 다중픽셀광계수기 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 PET-MRI는, 주자기장을 발생시키는 메인 자석; 경사자장을 발생시키는 경사코일; RF신호를 송수신하기 위한 바디코일;을 포함하며, 인체에서 발생하는 감마선을 검출하는 섬광결정체; 상기 섬광결정체에 접하여 설치되어 상기 섬광결정체로부터 신호를 전달받는 광섬유; 상기 광섬유에 접하여 설치되어 상기 광섬유로부터 전달받은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전소자; 상기 광전소자에 접하여 설치되어 상기 광전소자에서 생성된 전기신호를 처리하며, RF가 내부에 유입되는 것을 차폐하기 위한 RF차폐부가 설치된 RF차폐전장부;를 갖는 PET모듈을 포함하며, 상기 PET모듈의 상기 섬광결정체, 상기 광섬유, 상기 광전소자, 상기 RF차폐전장부는 촬영대상을 중심으로 내부에서 외부로 순차적으로 방사상으로 설치되며, 상기 PET모듈은 촬영대상을 중심으로 환형으로 복수개가 배치되며, 상기 바디코일의 안 쪽에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 PET-MRI는, 상기 PET모듈의 안 쪽에는 로컬코일이 설치되며, 상기 메인자석, 상기 경사코일, 상기 바디코일은 고정식으로 설치되고, 상기 PET모듈과 상기 로컬코일은 설치 및 해체가 가능하도록 이동식으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 의한 PET모듈과 PET-MRI에 의하면, 기존의 MRI에 이동식으로 설치 및 해체가 가능한 PET모듈과 로컬코일을 사용할 수 있으므로 기존의 MRI구조를 바꾸지 않고도 PET모듈을 이용하여 PET/MRI영상을 얻을 수 있는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에 의한 PET모듈과 PET-MRI에 의하면, PET모듈이 MRI의 RF신호 송수신을 방해하는 것이 최소화되는 동시에, PET모듈 내에 설치되는 광섬유의 길이도 최소화할 수 있으므로 적정 수준 이상의 PET/MRI영상을 얻을 수 있는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에 의한 PET모듈과 PET-MRI에 의하면, PET-MRI를 축방향으로 더 길게 제작한다고 하여도 광섬유의 길이를 일정하게 유지할 수 있으므로, PET신호의 질이 저하되는 것이 방지된다. 즉, PET-MRI의 축방향 확장성이 향상되는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에 의한 PET모듈과 PET-MRI에 의하면, PET모듈에 장착되는 로컬코일은 RF수신전용일 수 있기 때문에, 로컬코일의 설계와 제작이 간단해 질 수 있는 효과가 발생한다.

도 1은 종래기술에 의한 PET-MRI를 보인 개념도이다.
도 2는 본 발명에 의한 PET-MRI의 단면을 보인 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의한 PET-MRI의 단면을 보인 개념도로서, 도 2의 III-III선에 따른 것이다.
도 4는 본 발명의 두 실시예에 의한 PET-MRI를 보인 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 PET모듈 및 이를 갖는 PET-MRI의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 PET-MRI를 보인 개념도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 PET-MRI는 속이 빈 원통형으로 형성되는 메인자석(1)을 포함한다. 메인자석(1)은 의료현장에서 통상적으로 사용되는 구조와 동일 구조를 갖는다. 즉, 초전도체를 사용하여 강한 자력을 갖도록 구성되는 전자석으로 이루어진다. 체내의 수소 원자들이 메인자석(1)에 의한 자기장 안에 놓이면, 수소 원자핵, 즉 양성자는 자기장의 방향으로 정렬되고, 자기장의 세기에 관계되는 진동수로 세차운동(precessional motion)을 한다.

메인자석(1)의 안 쪽에는 경사코일(3)이 설치된다. 경사코일(3)은 X경사코일, Y경사코일, Z경사코일을 포함한다. 경사코일(3)은 메인자석(1)보다 약한 자기장을 형성시키지만, 경사자장을 형성시키므로 이를 이용하여 3차원의 공간정보를 얻을 수 있게 된다.

경사코일(3)의 안 쪽에는 바디코일(5)과 로컬코일(7)이 설치된다. 바디코일(5)과 로컬코일(7)은 모두 RF코일이다. 세차운동을 하는 양성자에 동일한 주파수의 RF 펄스를 인가하면 공명현상이 일어나 양성자는 신호를 방출한다. RF코일은 이 RF펄스를 인가하고 양성자로부터 신호를 받는 안테나 역할을 한다. 바디코일(5)은 인체 모든 부분의 영상을 얻을 수 있고 송, 수신 기능이 있다. 로컬코일(7)은 신체의 일부에 대한 영상을 얻을 수 있다. 로컬코일(7)은 송, 수신 기능을 모두 갖게 할 수도 있고, 수신기능만을 갖도록 구성할 수 있다.

메인자석(1), 경사코일(3), 바디코일(5)은 하나의 하우징 안에 고정되도록 설치하고, 로컬코일(7)은 필요에 따라 설치 또는 해체 할 수 있도록 이동식으로 설치한다.

바디코일(5)과 로컬코일(7) 사이에는 PET모듈(10)이 설치된다. 로컬코일(7)이 본 실시예에서와 같이 수신기능만을 갖도록 구성하는 경우에는, 바디코일(5)이 송신을 담당하게 된다. 본 발명에 의한 PET모듈(10)은 PET모듈(10)에 의해 RF코일의 송수신이 방해받지 않도록 구성한 것으로, 구체적인 구조를 이하에서 설명한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, PET모듈(10)은 로컬코일(7)과 바디코일(5) 사이에 복수개가 환형으로 배치된다. 하나의 PET모듈(10)은 섬광결정체(11), 광섬유(13), 광전소자(15), RF차폐전장부(17)를 포함한다. PET모듈(10)을 이루는 섬광결정체(11), 광섬유(13), 광전소자(15), RF차폐전장부(17)는 순차적으로 PET-MRI의 중앙축으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 배치된다.

가장 안 쪽에 위치한 섬광결정체(11)는 6X6의 섬광결정으로 배열하고, 섬광결정을 이루는 물질은 LYSO(Lutetium-Yttrium OxyorthoSilicate)를 사용한다. 섬광물질은 이 외에도 LSO, BGO 등을 사용할 수 있다. 섬광결정체(11)는 인체에서 발생하는 감마선을 검출한다.

섬광결정체(11)의 바깥쪽에는 광섬유(13)가 섬광결정체(11)에 접하여 설치된다. 광섬유(13)는 섬광결정체(11)에서 검출한 신호를 광전소자(15)로 전달해준다. 광섬유(13)는 여러 개의 광섬유(13)를 밀집된 다발로 묶어 설치한다. 광섬유(13)의 길이가 100mm를 넘으면 신호전달 성능이 크게 저하되기 시작하므로 길이가 이를 넘지 않도록 한다.

광전소자(15)는 PMT를 사용하면 자기장에 영향을 받게 되므로, 자기장에 영향을 받지 않는 실리콘광증배소자(SiPM, Silicon Photomultiplier), 가이거사태광전소자(G-APD, Geiger Avalanche Photodiode), 다중픽셀광계수기(MPPC, Multi-Pixel Photon Counter)를 사용하는 것이 좋다. 광전소자(15)는 광섬유(13)를 통해 입력된 광신호를 전자신호로 바꾸어 RF차폐전장부(17)로 입력한다.

RF차폐전장부(17)에는 광전소자(15)를 통해 입력된 전자신호를 받아 이를 증폭하는 등의 신호처리를 하는 전자소자들이 설치된다. RF차폐전장부(17)의 외면에는 동 박막이 덮혀 이로 인해 MRI에서 발생하는 RF에 의해 내부의 전자소자들이 영향을 받는 것을 최소화한다.

도 4에 도시한 바와 같이 PET모듈(10)을 이루는 부품들은 하우징(20)에 설치될 수 있다. 섬광결정체(11), 광섬유(13), 광전소자(15), RF차폐전장부(17)는 모두 신호를 송수신할 수 있도록 직렬로 연결되어 있어야 하므로 이들을 함께 탑재할 수 있도록 하우징(20)에 설치하는 것이다. 하우징(20)은 PET모듈(10)이 MRI환경에서 동작해야 하므로 금속부품을 최소화할 수 있도록 플라스틱을 재질로 하여 제작한다. 또한, 하우징(20)을 이루는 복수의 부품들을 결합하기 위한 나사 등의 체결수단(21)도 역시 플라스틱 재질을 사용한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, RF차폐전장부(17)는 PET-MRI의 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는데, 이들은 일정한 간격을 갖고 떨어져 있으므로 이 틈을 통해 MRI의 RF신호가 송수신될 수 있다.

이들 RF차폐전장부(17)의 간격을 최대한 떨어트리려면 광섬유(13)다발의 길이를 늘리면 되나, 일정 길이 이상으로 늘리면 신호의 질이 저하되므로, PET신호와 MRI신호를 모두 적정한 수준에서 얻을 수 있는 길이값을 각 시스템에 따라 실험에 따라 구할 수 있을 것이다.

또한, 도 4를 참조하면, 도 4 (a)와 같이 섬광결정체(11)를 포함한 PET모듈(10)의 폭이 좁은 경우에는, RF차폐전장부(17) 사이의 폭도 좁아지며, 도 4 (b)와 같이 광섬유(13)의 길이는 같으나 섬광결정체(11)를 포함한 PET모듈(10)의 폭이 넓은 경우에는, RF차폐전장부(17) 사이의 폭도 넓어진다. 따라서, 도 4 (a)의 경우보다 도 4 (b)의 경우에 고화질의 MRI영상을 얻을 수 있을 것이다. 다만, 도 4 (b)의 경우 도 4 (a)의 경우보다 PET모듈(10)의 성능이 더 좋아야 PET모듈(10)로부터 얻어지는 영상의 화질도 향상될 수 있을 것이다.

로컬코일(7)로 수신된 RF신호는 외부로 송신되며, RF차폐전장부(17)로 입력된 신호도 외부로 송신된다. PET-MRI는 MRI신호와 PET신호를 합성하여 PET/MRI동시영상을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 의한 PET모듈(10)과 이를 갖는 PET-MRI는 메인자석(1), 경사코일(3), 바디코일(5)이 고정되는 기존의 MRI에 이동식으로 설치 및 해체가 가능한 PET모듈(10)과 로컬코일(7)을 사용할 수 있으므로, 기존의 MRI 구조를 바꾸지 않고도 MRI와 PET모듈(10)을 이용하여 PET/MRI영상을 얻을 수 있다.

또한, PET모듈(10)이 MRI의 RF신호 송수신을 방해하는 것이 최소화되는 동시에, PET모듈(10) 내에 설치되는 광섬유(13)의 길이도 최소화할 수 있으므로 적정 수준 이상의 PET신호와 MRI신호를 얻을 수 있게 된다.

또한, PET-MRI를 축방향으로 더 길게 제작한다고 하여도 광섬유(13)의 길이는 일정하게 유지시킬 수 있으므로, PET신호의 질이 저하되는 것이 방지된다. 따라서, PET-MRI의 축방향 확장성이 향상될 수 있다.

1 메인자석 3 경사코일
5 바디코일 7 로컬코일
10 PET모듈 11 섬광결정체
13 광섬유 15 광전소자
17 RF차폐전장부

Claims (5)

1. 인체에서 발생하는 감마선을 검출하는 섬광결정체;
   10㎜ 초과 및 100㎜ 미만의 길이를 갖는 복수의 다발로 이루어지며 상기 섬광결정체에 접하여 설치되어 상기 섬광결정체로부터 신호를 전달받는 광섬유;
   상기 광섬유에 접하여 설치되어 상기 광섬유로부터 전달받은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전소자;
   상기 광전소자에 접하여 설치되어 상기 광전소자에서 생성된 전기신호를 처리하며, RF가 내부에 유입되는 것을 차폐하기 위한 RF차폐부가 설치된 RF차폐전장부;를 포함하며,
   촬영대상을 중심으로 내부에서 외부로 상기 섬광결정체, 상기 광섬유, 상기 광전소자, 상기 RF차폐전장부가 순차적으로 방사상으로 설치되며, 촬영대상을 중심으로 환형으로 복수개가 배치되어 기존의 MRI 내부에 탑재될 수 있는 PET모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 섬광결정체를 이루는 물질은 LYSO를 포함하는 것을 특징으로 하는 PET모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 광전소자는 실리콘광증배소자, 가이거사태광전소자, 다중픽셀광계수기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 PET모듈.
4. 주자기장을 발생시키는 메인 자석;
   경사자장을 발생시키는 경사코일;
   RF신호를 송수신하기 위한 바디코일;을 포함하며,
   인체에서 발생하는 감마선을 검출하는 섬광결정체;
   10㎜ 초과 및 100㎜ 미만의 길이를 갖는 복수의 다발로 이루어지며 상기 섬광결정체에 접하여 설치되어 상기 섬광결정체로부터 신호를 전달받는 광섬유;
   상기 광섬유에 접하여 설치되어 상기 광섬유로부터 전달받은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전소자;
   상기 광전소자에 접하여 설치되어 상기 광전소자에서 생성된 전기신호를 처리하며, RF가 내부에 유입되는 것을 차폐하기 위한 RF차폐부가 설치된 RF차폐전장부;를 갖는 PET모듈을 포함하며,
   상기 PET모듈의 상기 섬광결정체, 상기 광섬유, 상기 광전소자, 상기 RF차폐전장부는 촬영대상을 중심으로 내부에서 외부로 순차적으로 방사상으로 설치되며,
   상기 PET모듈은 촬영대상을 중심으로 환형으로 복수개가 배치되며, 상기 바디코일의 안 쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 PET모듈의 안 쪽에는 로컬코일이 설치되며, 상기 메인자석, 상기 경사코일, 상기 바디코일은 고정식으로 설치되고, 상기 PET모듈과 상기 로컬코일은 설치 및 해체가 가능하도록 이동식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 PET-MRI.

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