KR101634426B1 - 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 방사선 검출기는 방사선을 방출하는 방사선원부, 상기 방사선에서 복사되는 체렌코프 광을 증폭하고, 광 전류로 변환하여, 방사선 검출 신호를 계수하는 광증배부, 상기 광증배부와 대응되는 상기 방사선원부의 하부에 설치되는 반사부, 및 상기 방사선 검출 신호를 출력하는 영상 출력부를 포함한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 체렌코프 복사 면적이 확장되어 보다 민감한 방사선 검출이 가능하다.

Description

체렌코프 복사 기반 방사선 검출기 {Device for radiodetector based on cherenkov radiation}

본 발명은, 체렌코프 복사 기반에서 복사 면적을 강화하기 위하여 비직선적(non-linear) 투명 튜브 및 반사판을 이용하는 방사선 검출기에 관한 것으로서, 특히 방사선원 가령, 베타(β+, β-) 방사체 동위원소(⁶⁸Ga)를 매질과 함께 투명 튜브에 수용하되, 광전자증배관(PMT)과 대응되는 피검출 영역에서 투명 튜브(가령, HPLC)를 병렬 타입(parallel-type) 혹은 지그재그 타입(zigzag-type)의 비직선적인 형태를 취함으로써 고밀도로 구성하고, 피검출 영역의 하부에는 반사판을 두어 체렌코프 복사광이 자외선 민감형 광전자증배관(UV sensitive PMT)으로 집중되도록 유도하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기에 관한 것이다.

분자영상(Molecular Imaging)이란 생체 내에서 일어나는 다양한 현상들을 분자수준의 관점에서 영상화하는 기법으로 질병 치료 및 생체 내 대사과정의 중요한 단서를 제공해주기 때문에 최근 급속하게 발전하고 있는 기술 분야이다.

분자영상의 가장 큰 장점은 연구하고자 하는 대상이 살아있는 상태에서 세포 또는 분자 수준에서 일어나는 현상들을 영상을 통하여 바로 확인이 가능하며 또 정량적인 분석이 가능하다는 점이다. 이러한 분자영상의 종류에는 크게 가시영역과 적외선 영역대의 광자를 이용한 광학영상(Optical imaging), 방사선 반응에 의해 발생하는 광자를 이용하는 핵의학영상(Nuclear imaging), 자기장 속에 놓여있는 원자핵에서 발생하는 자기공명신호를 영상화하는 자기공명영상(Magnetic resonance imaging; MRI), 그리고 X-선을 투사하여 얻은 정보를 영상화하는 컴퓨터단층촬영영상(CT) 등이 있다.

이 중 분자/세포생물학 분야에서 오래전부터 사용된 광학영상 기법은 이미지의 민감도(sensitivity)가 가장 뛰어나며 방사능 노출 없이 신속하게 이미지를 얻을 수 있다는 점에서 그 활용범위가 가장 넓다고 할 수 있겠다.

광학영상은 크게 생물발광영상(bioluminescence imaging)과 형광영상(fluorescence imaging)으로 나눌 수 있다. 발광영상은 생체 내에서 일어나는 대사과정에 의해 화학적으로 합성되는 빛을 영상화하는 것으로 반딧불에서 발견된 luciferase가 대표적으로 쓰이고 있다. 형광영상은 외부에서 특정 파장의 빛을 흡수하여 더 긴 파장의 빛을 방출하는 형광물질을 세포, 조직 또는 생체 내에 표지하여 영상화하는 방법이다. 형광분자영상은 생체조직에서 일어나는 빛의 흡수, 산란, 그리고 자가형광 등이 최소화가 되는 근적외선 영역에서 가장 효율적인 영상신호를 방출하는 특성이 있다. 혈관에 다량 존재하는 헤모글로빈은 가시광선 영역의 빛을 흡수하고 생체 내 물과 지방은 적외선 영역에서 주로 빛을 흡수하기 때문이다. 따라서 근적외선 형광 물질을 광학영상에 응용할 시에 조직 투과력이 가장 뛰어나며 배우 잡신호가 최소화가 된다.

형광영상기기의 발전과 함께 다양한 형광물질의 개발도 이루어지고 있는데 그 종류는 크게 유기형광 염료와 무기형광 입자로 구분된다. 유기형광 염료는 이미 전반적인 산업 분야 및 분자/세포 생물학 연구 분야에서 널리 이용되고 있는 형광 물질이다. 이들 유기 염료는 여기 파장대 및 방출되는 형광 파장대별로 종류가 다양하여 필요에 의해 선택적으로 사용이 가능하다. 또한 화학적 결합을 통해 다른 물질이나 생물 분자에 접착이 용이하기 때문에 표적형 형광 프로브로서 응용이 기대된다. 하지만 대부분의 유기 염료는 낮은 광 안정성으로 인해 장시간 관찰이 어려울 뿐만 아니라 소수성 성질을 띠기 때문에 수용액 상에서 낮은 용해도를 보이며 생체에 독성을 초래할 수 있다.

또한, 이러한 유기염료를 생체친화적인 생물 분자나 생분해성 고분자 물질과 결합시켜 생체 내로 주입시키는 연구가 진행되고 있으나, 이 또한 생체 적합성 및 결합 불안정성으로 인한 부작용이 문제가 되고 있다. 무기형광 입자는 흔히 양자점(quantum dots)이라 불리는 반도체와 유사한 성질을 지닌 나노 크기의 입자를 말하는데 우수한 광 안정성으로 인해 최근 광학영상 분야에서 주목받고 있는 물질이다. 장시간 빛에 노출되어도 안정한 형광을 방출하기 때문에 특정 세포의 분화과정이나 생체 내 대사 과정을 관찰하는데 특히 유리하다. 이 양자점은 입자의 크기에 따라 다양한 색의 형광을 방출하며 넓은 파장 영역에서 빛을 여기 시키는 특성이 있다. 따라서 다양한 크기의 양자점을 각기 다른 부위로 전달하여 동시에 관찰할 수 있는 다중색상 이미징이 가능하다. 양자점의 단점은 유기용매 상에서 합성되기 때문에 생체 내에 적용하려면 반드시 수용성 물질로 표면개질이 필요하며 이 과정에서 입자가 뭉치는 현상이 일어난다. 또한 유기염료에 비해 입자 크기가 상당하기 때문에 세포 내로 전달이 어렵고 양자점의 핵이 카드뮴(Cd)이나 셀레늄(Se)과 같은 중금속으로 이루어져 있기 때문에 생체 안정성 또한 확인되지 않았다. 최근에는 양자점을 이루는 중금속 대신 생체에 비교적 안정적은 금속을 이용한 합성이나 양자점의 세포 투과력을 높이기 위한 시도들이 진행되고 있다.

하지만 현재 사용되고 있는 형광물질들은 생체 적합성이나 입자의 안정성 측면에서 많은 문제점을 내포하고 있다.

다른 한편, 핵의학 영상 기술은 기존에 불가능하던 많은 생체 내 현상을 이미지로 관찰할 수 있게 해 준다. 특히 동위원소를 기반으로 하는 방사선 영상 기술은 높은 감도, 뛰어난 조직 투과성, 뛰어난 정량성의 장점을 바탕으로 동물을 이용한 기초적인 생물학적 실험에서부터 임상에 이르기까지 널리 활용되고 있는 현실이다.

이러한 방사선 검출은, 전산화 단층촬영기(Computed Tomography : CT), 혹은 양전자 방출 단층촬영기(Positron Emission Tomography : PET) 등과 같은 의료 장치, 원자로 장치, 혹은 비파괴 검사 장치 등 산업 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있다.

종래의 방사성 고속 액체 크로마토그래피(radio-HPLC: High Performance Liquid Chromatography) 검출기는, 결정체 신틸레이터 혹은 액체 신틸레이터에 주로 사용되고 있다.

그러나 이러한 종래의 방사성 고속 액체 크로마토그래피(HPLC)에 연결되어 사용되던 고체 검출기는 의도하지 않는 감마선 배경(gamma ray background detection)이 검출되는 문제점이 있다. 특히, 빠른 하강 시간을 가지지 않기 때문에 파일 업(pile-up)의 문제점이 있다.

그 밖에 이러한 고체 검출기는 일반적으로 사용하는 방사선 구역에서 주위에 위치한 많은 방사능 양에 의해 영향을 받을 수밖에 없고, 이들 주위 방사능 양을 줄이기 위해 검출기 주위를 납이나 텅스텐을 이용해 철저히 차폐를 시행하여 차폐체 안에 놓여 있는 검출기 밑을 지나는 관에서 나오는 방사능만을 검출하려는 한계가 있다. 하지만 감마선의 높은 투과력 때문에 완벽한 외부 방사능의 차폐는 불가능하고, 커다란 차폐체를 사용하더라도 어느 정도의 노이즈(noise) 백그라운드는 피할 수 없다.

최근, 신틸레이터(scintillator) 방사선 검출기가 연구 개발 중에 있다. 이러한 방사선 검출기들은 광섬유에 각각 부착된 다수의 신틸레이터를 가진다. 광섬유의 역할은 이온화 방사선에 의해 오염되지 않은 환경에서 신호의 판독을 확실하게 할 수 있도록 신호를 빔 외부로 중계하는 것이다. 한 다발의 광섬유가 검사 헤드를 구성한다.

공개번호 10-2013-0034137에 의하면, 이미지에 대한 신호들 간에 간섭이나 왜곡 등이 발생되지 않는 고해상도의 이미지를 획득할 수 있는 다발의 광섬유 부재를 구비한 방사선 검출기가 개시되어 있다.

그러나 전술한 신틸레이터(scintillator) 방사선 검출기는 특히 광섬유의 배치와 관련하여 매우 높은 제조비용을 지출하게 된다. 게다가, 상기 방사선 검출기의 해상도는 각각의 개별적인 신틸레이터의 크기 및, 가령, 광섬유의 수 및 직경이 얼마인가에 의해 크게 제한을 받는다.

이에 형광물질 및 섬광체(scintillator)를 사용하지 않는 체렌코프 복사 기반의 방사선 검출이 새롭게 시도되고 있다. 체렌코프 복사광은 하전 입자가 매질 내의 빛의 속도보다 빠른 속도로 매질을 투과할 때, 입사선을 중심으로 일정한 각도를 갖는 원추형으로 발생되는 빛으로서 일정 에너지 이상의 하전 입자에 의해 발생된다.

이와 같은 체렌코프 복사가 방사선 검출에 보다 민감한 장점이 있음에도 불구하고, 실제 체렌코프 복사 면적이 크지 않아 보다 강력한 방사선 검출 신호를 획득하지 못하는 단점이 있다.

한국공개번호 10-2013-0034137

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 감마선 배경 노이즈가 최소화되는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고체 검출기에만 사용되던 고속 액체 크로마토그래피(HPLC)를 체렌코프 복사에 확대 적용하는 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 민감한 방사선 검출을 위하여 저강도(low intensity) 동위원소 측정이 가능한 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 체렌코프의 복사 면적을 더 확대하기 위하여 방사선원을 고밀도 형태로 수용 검출하는 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 방사선 검출기는 방사선을 방출하는 방사선원부, 상기 방사선에서 복사되는 체렌코프 광을 증폭하고, 광 전류로 변환하여, 방사선 검출 신호를 계수하는 광증배부, 상기 광증배부와 대응되는 상기 방사선원부의 하부에 설치되는 반사부, 및 상기 방사선 검출 신호를 출력하는 영상 출력부를 포함한다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 체렌코프 복사를 이용하면 섬광이 없기 때문에, 감마선 배경 노이즈가 발생되지 않는다.

둘째, 체렌코프 복사는 짧은 수명 주기로 인하여 파일 업 문제를 해결할 수 있다.

셋째, 방사선원을 매질과 함께 튜브에 수용하여 사용하기 때문에, 관리가 용이하고 비용이 저렴하다.

넷째, 방사선원을 투명 튜브에 수용하기 때문에, 피검출 영역을 임의로 조정하여 체렌코프 복사 광량을 증배할 수 있다.

다섯째, 반사판을 이용하여 체렌코프 복사 밀도를 확대할 수 있어 경제적이다.

여섯째, 현재 임상에 사용되고 있는 양전자 방출 단층촬영기(PET)에 사용되는 핵종들이 대부분 체렌코프 복사를 내고 또한 치료용 방사성 의약품에 사용되는 치료용 핵종 대부분이 베타(β-) 붕괴를 하고 있는 점에서, 그 응용 범위가 매우 넓다.

도 1은 본 발명에 의한 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기의 구성을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기의 구성을 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명에 의한 ⁶⁸Ga 동위원소의 방사능 양에 따라 계수 값이 선형의 값을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 튜브의 물질 및 두께에 따른 체렌코프 복사 민감도를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 300 mV 문턱전압 조건에서 방사능이 측정 가능한 계수 값의 범위를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 0.157 mCi 및 0.03 mCi ⁶⁸Ga 동위원소의 비율에 따른 방사능 양을 비교하는 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 80 MHz 주파수 조건에서 체렌코프 복사 효과를 나타내는 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

최근, 서로 다른 장단점을 가지고 있는 핵의학 영상과 광학 영상을 결합하기 위한 다양한 시도들이 있다. 그러나 핵의학 영상과 광학 영상을 동시에 하나의 영상 프로브에서 얻기 위해서는 핵의학 영상을 위한 방사성 핵종과 광학 영상을 위한 형광이나 생체 발광 프로브를 결합시킨 하이브리드 형태의 프로브를 만드는 수고를 거쳐야만 한다.

특히 하나의 동위원소만을 도입하면 핵의학 영상을 얻을 수 있는 것과 달리 광학 영상의 경우 빛을 내기 위하여 형광물질(fluorophore)이나 발광물질을 도입해야 하는데 대부분의 형광물질(fluorophore)은 금속착물이나 방향족 유기화합물, 또는 양자점등과 같은 벌키한 나노입자로서 원래 분자의 물리화학적 성질을 변화시키는 경우가 많아 생체 내에서 활용에 제한적인 문제가 있었다.

이에 본 발명은 특정한 방사성 핵종의 경우 발광을 위한 형광물질 등이 없이도 자체적으로 빛을 방출하며 상기 방출된 빛을 검출하여 광학 영상을 획득할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 상술한 특정한 방사성 핵종을 조영제 등으로 활용하는 경우 추가적으로 형광물질을 부착하는 과정 없이도 손쉽게 광학 영상을 획득할 수 있어 기질의 물리화학적 성질을 변화시키지 않고서도 실시간으로 광학 영상을 획득할 수 있다.

이를 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 광학 영상 조영제는 방사성 붕괴 시 하기 [관계식 1]의 T값을 만족하는 에너지를 가지는 입자를 방출하는 방사성 핵종을 포함할 수 있다.

[관계식 1]

T(keV) ≥ 511[1 / (1-1/n2)1/2 - 1]

단, n은 매질의 굴절률

구체적으로, [관계식 1]은 체렌코프(Cerenkov) 복사 방출이 일어날 수 있는 쓰레숄드(threshold)에 관한 방정식으로서 [관계식 1]의 T값을 만족하는 에너지를 가지는 입자를 방출하는 경우 방사성 핵종에서 자체 발광이 일어날 수 있다.

전술한 특정 방사성 핵종의 자체 발광은 체렌코프 법칙에 따른 체렌코프 복사와 밀접한 관계를 가진다. 구체적으로 체렌코프 복사는 하전입자가 매질에서 빛보다 빠른 속도로 움직일 때 나오는 빛이다. 다시 말해, 하전입자가 매질에서 빛보다 빠른 속도로 움직이는 경우(운동에너지를 갖는 경우) 빛의 속도로 떨어지면서 그 차이만큼 운동 에너지가 빛 에너지로 변환되는 것을 의미한다.

32P같은 높은 에너지의 β-를 방출하는 핵종은 체렌코프 계수 (Cerenkov counting) 라고 알려진 체렌코프 빛을 사용하여 측정한다. 체렌코프 복사의 방출에 대한 쓰레숄드(threshold)는 위 [관계식 1]을 사용하여 계산할 수 있다.

예컨대, 물은 1.33의 굴절률을 가지므로, 본 발명의 발광하는 방사성 핵종을 포함하는 조영제가 생체 내에 주입되는 경우 생체 환경 즉 매질이 물이므로 체렌코프 복사 방출의 최소 에너지는 262 keV이다. 그러므로 이론적으로 매질이 물인 경우 방사성 핵종이 붕괴하는 동안 262 keV 이상의 에너지를 가지는 양전자 또는 β-입자를 방출하는 방사성 핵종들은 체렌코프 복사를 통해 광을 방출할 수 있고, 높은 민감도를 가지는 발광 검출기(detector)를 사용하여 방출된 광을 검출할 수 있다. 이것은 68Ga, 32P, 124I, 18F, 131I와 64Cu 같은 높은 에너지의 전자와 양전자를 방출하는 핵종은 강한 신호를 나타내는 반면, 111In, 99mTc과 35S는 약한 신호를 내는 현상을 설명해 준다.

한편, 방사성 핵종의 붕괴 시 방출되는 입자는 다양한 에너지 분포를 가진다. 예를 들어 18F의 경우 방출되는 입자가 갖는 평균 에너지가 250 keV이며 방출되는 에너지의 최대값이 634 keV 이므로 상기 방출되는 입자는 0 ~ 634 keV의 연속된 에너지 분포를 가지게 된다. 그런데, [관계식 1]은 매질의 굴절률에 따라 광을 발생시키는데 필요한 최소한의 에너지에 관한 공식이므로 매질이 공기(굴절률 : 1.0003)인 경우 광을 발생시키는 데 필요한 최소한의 에너지가 20355 keV가 된다. 또한, 상기 방사성 핵종의 방출되는 에너지의 최대값은 634 keV에 불과하므로 결과적으로 광이 방출되지 않게 된다. 그러나 매질이 물(굴절률 : 1.33)인 경우 광을 발생시키는데 필요한 최소한의 에너지가 공기보다 적은 262 keV이므로 방출되는 입자 중 262 keV 이상의 에너지를 갖는 입자는 상기 입자가 가지는 에너지가 광으로 변환되므로 빛을 발산할 수 있게 된다.

다시 말해 빛의 속도 이상의 운동 에너지를 가지는 방사성 핵종에서 방출된 입자가 빛의 속도로 떨어지게 되면서 그 차이만큼의 운동 에너지가 빛 에너지로 변환되는 것이다. 한편, 매질이 물보다 굴절률이 높은 유리(굴절률 : 1.52)인 경우 광을 발생시키는데 필요한 최소한의 에너지가 물보다 적은 168 keV이므로 방출되는 입자 중 168 keV 이상의 에너지를 갖는 입자는 상기 에너지가 광으로 변환되므로 광을 발산할 수 있게 된다. 상술한 예에서 매질이 물이거나 유리인 경우 모두 발광현상이 발생하나 굴절률이 높은 유리가 굴절률 낮은 물에 비하여 광을 발생시키는데 필요한 최소한의 에너지가 작으므로 더 넓은 범위의 에너지 분포를 갖는 입자에서 방출되는 에너지가 광으로 변환될 수 있게 되어 결국 광량이 증가하게 된다.

이하, 전술한 체렌코프 복사 기반 방사선 검출의 구체적인 수단과 방법을 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기(100)는, 방사선을 방출하는 방사선원부(110), 방사선에서 복사되는 체렌코프 광을 증폭, 변환, 및 계수하는 광증배부(120), 광증배부(200)와 대응되는 방사선원부(110)의 하부에 설치되는 반사부(130), 방사선 검출 신호를 출력하는 영상 출력부(140)를 포함한다.

방사선원부(110)는, 방사선원(112), 매질(114), 및 투명 튜브(116)를 포함한다.

방사선원(112)은, 방사선을 방출하는 방사선 물질을 포함한다. 여기서, 방사선원(112)은 베타(β+, β-) 방사체 동위원소를 포함한다. 가령, ⁶⁸Ga 동위원소를 포함할 수 있다. 베타 방사선은 추가적인 섬광체(scintillator) 없이 전하를 띤 입자를 방출함으로써, 본 발명은 이러한 베타선 방출 핵종을 높은 민감도로 정량적으로 관측하는 검출기를 제안하다.

방사선원부(110)는, 방사선원(112)과 함께 매질(114)을 함께 수용한다. 즉, 방사선원(112)에서 체렌코프 광이 복사 방출되기 위해서는 소정의 굴절률을 만족하는 매질(114) 속에서 방사선원(112)의 하전 입자가 빛의 속도 이상으로 운동 에너지를 가져야 한다. 체렌코프 광량은 매질(114)의 굴절률에 비례하기 때문에, 적절한 굴절률을 가지는 매질(114)이 사용될 수 있다. 따라서 매질(114)은 공기를 제외한다면 특별한 제한이 없으며, 체렌코프 광을 복사하기 위한 최소한의 에너지값이 보장된다면 공기를 제외한 어떠한 물질도 가능하다.

투명 튜브(116)는, 방사선원(112)을 포함하는 피검출 물질이 통과할 수 있는 테프론(불소수지) 재질의 파이프이다. 테프론은, 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성들을 가지기 때문에, 투명 튜브(116)는 테프론으로 제작되는 것이 바람직하다.

체렌코프 복사는 전하를 띤 입자가 통과하는 매질의 굴절률에 비례하는데, 굴절률이 높을수록 많은 체렌코프 복사를 얻을 수 있으므로 본 발명에서는 가능한 굴절률이 높은 재질의 튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 발생한 빛이 모두 밖으로 나와 광전자증배관(PMT)에 검출될 수 있도록 가능한 투명한 관을 사용하는 것이 바람직하다.

투명 튜브(116)는 길게 연장되는 파이프 형태이지만, 본 발명에서 광증배부(120)와 대응되는 영역에는 병렬적으로 결합되거나 혹은 직렬적으로 연장되되 지그재그 형태로 고밀도 특징을 가진다.

투명 튜브(116)는, 반사부(130)와 대응되는 고밀도 피검출 영역(116a)과, 방사선원(112) 및 매질(114)을 공급하거나 배출하는 전달 영역(116b)을 포함할 수 있다. 고밀도 피검출 영역(116a)은 투명 튜브(116)가 다양한 형태로 변경가능한데, 전달 영역(116b)과 비교하여 경로가 다소 복잡한 병렬 타입(parallel-type)이거나 지그재그 타입(zigzag-type)으로 비직선적(non-linear)이다.

혹은 투명 튜브(116)는 고밀도 피검출 영역(116a)에서 전달 영역(116b)과 대비하여, 직경이 클 수 있다. 가령, 직경이 작은 파이프에서 큰 파이프로 갈수록 매질의 유속이 느려지기 때문에, 피검출 영역(116a)에서 방사선원(112)이 고밀도로 측정될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 검출기는 투명 튜브(116) 가령, 고속 액체 크로마토그래피에 연결함으로써 진단·치료용 방사성 의약품 개발에 기초가 되는 방사선 합성에 응용하여 보다 유용하게 쓰일 수 있다.

반사부(130)는, 투명 튜브(116)의 하부로 복사되는 체렌코프 광을 광증배부(120)가 위치하는 상부로 반사되도록 하고, 동시에 하부에서 입사되는 잡광을 방지하는 반사판일 수 있다. 특히, 반사부(130)는, 투명 튜브(116)의 고밀도 영역(116a)에 대응되는 부분에 설치될 수 있다. 본 발명에서 반사판은 투명 튜브(116)의 하부 방향으로 복사되는 체렌코프 광을 상부 방향으로 반사되도록 하여 방사선 검출 효과를 높이는 특징이 있다.

광증배부(120)는 투명 튜브(116)에서 복사되는 체렌코프 광의 강도가 약하기 때문에, 체렌코프 광을 전자로 변환하고, 전자를 방사선 양에 비례하는 전류 펄스로 전환하여 광 검출을 효과적으로 수행할 수 있다.

광증배부(120)는, 본 발명에서 광전관의 출력을 트랜지스터 또는 진공관 증폭기로 증폭하는 경우에 비해 훨씬 잡음이 적은 출력이 얻어지기 때문에, 미약한 빛을 검출하는 데 적합한 광전자증배관(PM-tube)(122)을 사용하지만, 반드시 여기에 제한되는 것은 아니고 실리콘 광증배관(SIPM) 등이 사용될 수 있다. 광전자증배관(122)은 고전압 모듈(124)을 통하여 전원이 공급된다.

한편, 체렌코프 복사가 투과되는 광전자증배관(PMT)의 입사면은 간단하게 고굴절의 투명관을 사용할 수도 있다. 하지만 가능한 검출기 부분을 통과하며 많은 빛을 방출할 수 있도록 미세 유체 기술을 활용한 다양한 패턴의 후로셀(flow cell)을 디자인할 수 있다.

광증배부(120)는, 방사선 검출 신호를 증폭하는 전치증폭기(126a), 직류를 교류로 변환하는 인버터(126b), 판별기(126c), 및 방사선 검출 신호를 계수하는 신호 계수기(126d) 등을 더 포함할 수 있다. 이로써, 광전자증배관(122)에서 증배된 신호를 BNC 케이블을 통해 전치증폭기(126a)에서 성형 및 증폭시켜 위치와 에너지의 검출이 가능한 전기적인 신호로 변환한 후 32비트 신호 계수기(126d)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 영상 출력부(140)에 입력시킨다.

영상 출력부(140)는, 방사선 검출 신호를 여러 가지 영상으로 출력하여 모니터링 기능을 제공하는 컴퓨터를 포함한다.

본 발명은 체렌코프 복사를 일으키지 않는 핵종이나 미약한 복사를 보이는 핵종을 위해 기존 NaI(Tl) 섬광 단결정 검출기와 함께 연결하여 사용함으로써, 검출 핵종의 범위를 넓히는 것을 배제하지 않는다.

이하, 본 발명에 의한 체렌코프 복사 기반의 방사선 검출 과정을 설명한다.

투명 튜브(116)를 통과하는 베타 방사체 동위원소는 체렌코프 복사를 발생하는 매질과 함께 수용된다. 이와 같은 복사는 광전자증배관(122)에 의하여 검출되고, 검출 신호는 전치증폭기(126a)에 전송된다.

이러한 검출 신호는 400 MHz 대역폭의 전치증폭기(126a)에 의하여 십 수배 증폭되고, 증폭된 음극 신호는 카운터에서 읽을 수 없기 때문에 인버터(126b)를 이용하여 양의 신호로 변환 된다. 문턱 값보다 큰 증폭 신호는 100 MHz 대역폭의 판별기(126c)를 이용하여 TTL(Transistor-Transistor-Logic) 신호로 전환된다. 계속해서, 신호는 FPGA 로직과 같은 신호 계수기(126d)에 의하여 계수된다. 이러한 계수 로직은 32 비트 클럭 에지 계수기에 관한 것이다. 가령, 최대 100 MHz count/s 가능하며 로직을 통한 시간 감시 정보 또한 얻을 수 있다.

위 신호는 동일한 간격 시간 동안 계수된다. 이러한 시간은 1 ms 내지 1s 범위 내에서 변경가능하다. 신호는 FPGA 더블 버퍼를 이용하여 저장된다. 마침내, 데이터는 이더넷 인터페이스를 이용하여 퍼스널 컴퓨터와 같은 영상 출력부(140)에 전송되어 모니터링 된다.

이하, 본 발명에 의한 체렌코프 복사 기반의 방사선 검출 실험례를 도면을 참조하여 설명한다.

도 4를 참조하면, 베타선(β+, β-)을 방출하는 방사성 핵종 ⁶⁸Ga 동위원소를 이용하여 광전자증배관(122)을 지나는 동안 체렌코프 복사를 검출할 수 있었다. 189.07 MBq (5.11 mCi)를 투명 튜브(116)를 통해 투여하였고, 이는 광전자증배관(122)을 통과하는 ⁶⁸Ga 동위원소의 방사능 양을 고려했을 때 0.47 MBq (12.57 )에 해당한다.

본 실험에서는 광전자증배관(122)을 지나는 ⁶⁸Ga 동위원소의 방사능 양에 따라 계수 값이 선형의 값을 가지는 확인하기 위해 방사능의 양을 줄여가며 계수 값을 측정하였다. 0.47 MBq (12.57 )의 방사능을 광전자증배관(122)을 통해 통과시켰을 때 얻은 계수 값은 거기에 약 1/100에 해당하는 4.81 kBq (0.13 )의 방사능을 통과시켰을 때 얻은 계수 값의 약 100배가 된 것을 확인할 수 있다. 그리고 2.22 kBq (0.06 )의 방사능을 광전자증배관(122)에 통과시켰을 때 4.81 kBq (0.13 ) 계수 값의 약 1/2배가 측정되었다. 도 4에서 ⁶⁸Ga 동위원소의 방사능 양에 따라 계수 값이 선형의 값을 가지는 것을 알 수 있다.

도 5를 참조하면, 광전자증배관(122)을 지나는 투명 튜브(116)의 물질 및 두께에 의한 체렌코프 복사의 검출 민감도를 확인할 수 있다. 투명 튜브(116)는 고속 액체 크로마토그래피에 쓰이는 1.59 mm 외경의 테프론 테드라 플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(Teflon FEP) 중 내경이 각 각 0.5 mm, 0.25 mm, 및 0.2 mm인 것과 외경이 1.59 mm인 테프론 테드라 플루오르에틸렌-페트플루오트 알킬비닐에테르 공중합체(Teflon PFA) 중 내경이 0.5 mm인 4종류를 이용하였다.

투명 튜브(116)가 투명하여 빛을 통과할 수 있고, 굴절률이 높아 체렌코프 복사를 더욱 강하게 할 수 있는 재질일수록 더욱 민감도를 높일 수 있다. 아래 표 1과 같이 Teflon FEP 투명 튜브(116) 중에서 0.5 mm의 내경을 가지는 투명 튜브(116)에서 가장 큰 체렌코프 복사를 검출할 수 있었으며, 이와 동일한 내경을 가지는 Teflon PFA 투명 튜브(116)에서 검출된 체렌코프 복사와 비교하였을 때 Teflon PFA 투명 튜브(116)에서 검출된 체렌코프 빛이 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명의 투명 튜브(116)는, 0.4 내지 0.6 mm의 내경과, 1.50 mm 내지 1.70 mm의 외경을 가지는 것이 바람직하다.

	재질 (Teflon)	외경 (mm)	내경 (mm)
1	FEP	1.59	0.5
2	FEP	1.59	0.25
3	FEP	1.59	0.2
4	PFA	1.59	0.5

도 6을 참조하면, ⁶⁸Ga 동위원소를 이용하여 체렌코프 복사를 측정함에 있어서, 투명 튜브(116)는 빛 차단을 위한 암실 상자 내부에서 광전자증배관(122)에 설치되고, 고전압 모듈(124)은 광전자증배관(122)에 700 V (-) 바이어스를 인가하다. 계수기의 문턱 전압은 300 mV에서 설정되었다. 이러한 문턱 전압은 도 5에 도시된 바와 같이, 배경 노이즈를 피하는데 효과적이다.

위 실험에서, 가장 민감도가 좋은 Teflon PFA 투명 튜브(116)를 이용해 광전자증배관(122)에 통과시키는 ⁶⁸Ga의 방사능 양을 측정하였을 때 0.26 kBq (0.007 )을 투여한 경우에도 작지만 계수 값을 측정할 수 있었다.

도 7을 참조하면, 0.157 mCi 및 0.03 mCi ⁶⁸Ga 동위원소의 비율을 비교하였다. 가령, ⁶⁸Ga 동위원소를 주사기 펌프를 이용하여 광전자증배관(122)을 통과시켰을 때와 통과시키지 않았을 때를 비교하고, ⁶⁸Ga 동위원소의 방사능 양을 5.8 kBq (0.157 )에서 1.11 kBq (0.03 )로 1/5 줄였을 때를 비교하였다. 재생 능력을 체크하기 위하여, 0.157 mCi 소스를 두 번 투입했다. 그리고 300 sec 후에, 0.03 mCi 베타 방사체 동위원소를 투입했다. 그 결과를 도 7에서 보여주고 있다. 그것은 0.157 mCi 동위원소가 광전자증배관(122)을 통과할 때, 10,000 counts/s를 보여주고 있다. 또한, 0.157 mCi의 두 번째 테스트 역시 유사한 결과를 보여주고 있다. 결국, 0.03 mCi은 0.157 mCi과 비교하여 5배 더 작은 값을 가지고 있음을 알 수 있다.

도 8을 참조하면, 에질런트 기능 발생기를 이용하여 체렌코프 복사 효과를 테스트하였다. 50 mV 사인 펄스가 계수기로 전송되었다. 주파수는 1 MHz 내지 80 MHz 범위 내에서 설정 변경되었고, 계수는 1 ms 동안 진행되었다. 도 8은 80 MHz 주파수 조건에서 그 결과를 보여주고 있다. 비교기의 고 주파수 한계 때문에, 계수율은 1.2% 범위 내에 있다.

전술한 바와 같이, 단일 광자 계수기는 ⁶⁸Ga 동위원소를 이용하여 체렌코프 복사를 측정할 수 있다. 저강도의 동위원소도 측정 가능한 점이 특징이다. 특히, 이러한 시스템은 감마선 상호 작용에 민감하기 때문에, 감마선 배경 노이즈를 최소화하는데 유용하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 보다 민감한 방사선 검출을 위하여 체렌코프 복사를 이용하되, 방사선원 및 매질을 수용하는 튜브를 특히 피검출 영역에서 비직선적으로 형성함으로써 체렌코프 복사 면적을 더 높이는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

100: 방사선 검출기 110: 방사선원부
112: 방사선원 114: 매질
116: 투명 튜브 120: 광증배부
122: 광전자증배관 124: 고전압 모듈
126a: 전치증폭기 126b: 인버터
126c: 판별기 126d: 신호 계수기
130: 반사부 140: 영상 출력부

Claims (14)

1. 방사선을 방출하는 방사선원부;
   상기 방사선에서 복사되는 체렌코프 광을 증폭하고, 광 전류로 변환하여, 방사선 검출 신호를 계수하는 광증배부;
   상기 광증배부와 대응되는 상기 방사선원부의 하부에 설치되는 반사부; 및
   상기 방사선 검출 신호를 출력하는 영상 출력부;를 포함하고,
   상기 방사선원부는, 방사선원을 수용하는 테프론(불소수지) 계열의 투명 튜브를 포함하며,
   상기 방사선원은, 베타(β-) 방사체 동위원소로서 소정의 굴절률을 가지는 매질과 함께 상기 투명 튜브에 수용되고,
   상기 방사선원은 상기 매질과 함께 상기 투명 튜브에 수용됨으로써, 상기 방사선원은 상기 매질에 의하여 상기 투명 튜브를 지속적으로 통과하며,
   상기 반사부는 비직선적인 상기 투명 튜브의 하부로 복사되는 상기 체렌코프 광을 상기 광증배부가 위치하는 상부로 반사되도록 하고, 동시에 하부에서 입사되는 잡광을 방지함으로써, 상기 체렌코프 광의 복사 밀도를 확대하는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 튜브는, 0.4 내지 0.6 mm의 내경과, 1.5 mm 내지 1.7 mm의 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 튜브는,
   상기 반사부와 대응되는 피검출 영역과,
   상기 방사선원 및 매질을 공급하거나 배출하는 전달 영역을 포함하고,
   상기 피검출 영역은 상기 전달 영역과 대비하여 고밀도인 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 피검출 영역은, 상기 투명 튜브가 병렬적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 피검출 영역은, 상기 투명 튜브가 지그재그로 연장되는 것을 하는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 광증배부는,
   상기 체렌코프 광을 검출하는 광전자증배관;
   상기 체렌코프 광을 증폭하는 전치증폭기;
   음극 신호를 양의 신호로 변환하는 인버터;
   인버터 신호를 TTL(Transistor-Transistor-Logic) 신호로 변환하는 판별기; 및
   단위 시간당 인가된 상기 방사선 검출 신호를 계수하는 신호 계수기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방사선 검출 신호의 계수 값은, 상기 방사선원의 방사능 양에 대하여 선형 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 방사선원을 ⁶⁸Ga 동위원소로 할 때, 최소 계수 값을 가지는 상기 방사능 양은 0.26 kBq (0.007 ) 이상인 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
12. 베타 방사체 동위원소의 하전 입자가 빛의 속도 이상의 운동 에너지를 가지는 물이 수용되는 피검출 튜브를 포함하고,
    상기 피검출 튜브는,
    매질이 공급 혹은 배출되는 전달 영역; 및
    상기 전달 영역에 비하여 고밀도로 구성되는 피검출 영역;을 포함하고,
    상기 베타 방사체 동위원소는 상기 매질과 함께 체렌코프 광의 복사를 발생하고,
    상기 베타 방사체 동위원소는 상기 매질과 함께 상기 피검출 튜브에 수용됨으로써, 상기 베타 방사체 동위원소는 상기 매질에 의하여 상기 피검출 튜브를 지속적으로 통과하고,
    상기 피검출 튜브의 하부에 설치되는 반사부를 더 포함하고,
    상기 반사부는 비직선적인 상기 피검출 튜브의 하부로 복사되는 상기 체렌코프 광을 상부로 반사되도록 하고, 동시에 하부에서 입사되는 잡광을 방지함으로써, 상기 체렌코프 광의 복사 밀도를 확대하여 구성됨을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 피검출 튜브는, 테프론 테드라 플루오르에틸렌-페트플루오트 알킬비닐에테르 공중합체(Teflon PFA)의 투명 튜브인 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전달 영역은, 직선적(linear)이고,
    상기 피검출 영역은, 지그재그 타입의 비직선적(non-linear)인 것을 특징으로 하는 체렌코프 복사 기반 방사선 검출기.

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