KR102026737B1 - 영상 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따르면, 입사 광선을 광 신호로 변환하는 복수의 신틸레이터 층; 상기 입사 광선의 검출 여부에 따라 온/오프되는 복수의 마이크로 셀; 상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하고, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 반응 깊이 판단부; 및 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하고, 촬영 영상을 생성하는 판독부를 포함하는 영상 생성 장치가 제공된다.

Description

영상 생성 장치 및 방법 {Apparatus and method for generating image}
본 개시는 의료 영상 생성 장치 및 영상 생성 방법에 관한 것이다.
환자를 진단하기 위해 인체 내부의 정보를 영상으로 획득하는 의료용 영상 기기는 질병 진단에 필요한 정보를 제공한다. 현재 병원에서 사용 또는 개발되고 있는 의료용 영상 촬영 방법은 크게 해부학적 영상과 생리학적 영상을 얻는 방법으로 나누어진다. 첫째로, 인체의 상세한 해부학적 영상을 높은 해상도로 제공하는 촬영기술의 예로는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 또는 CT(Computed Tomography)가 있다. 이들은 인체의 단면에 대한 2차원 영상, 또는 여러 장의 2차원 영상을 이용하여 3차원 영상을 높은 해상도로 생성하여 인체 내 장기들의 정확한 위치와 형태를 나타낸다. 둘째로, 생리학적 영상 촬영 기술의 예로는 인체 내의 신진 대사 과정을 촬영하여 대사의 이상 유무의 진단에 기여하는 양전자 방출 단층 촬영(PET, Positron emission tomography)가 대표적이다.
양전자 방출 단층 촬영은 양전자를 방출하는 특수 방사성 추적자를 인체 대사에 참여하는 성분의 형태로 생성하고, 이 추적자를 정맥주사나 흡입의 방법으로 인체에 주입하고, 이 추적자에서 방출되는 양전자가 전자와 결합할 때 서로 반대 방향으로 방출되는 511keV의 두 개의 감마선을 외부 기기를 이용하여 검출함으로써 추적자의 위치를 추적하고, 이들의 분포 형태와 시간에 따른 분포 양상의 변화를 관찰하는 촬영 기술이다.
관련된 기술 문헌에는, 미국등록특허 US 8,003,948, 미국등록특허 US 7,601,963, 및 한국공개특허 2008-0009082가 존재한다.
본 개시는 디지털 포토 멀티플라이어를 이용하는 PET 시스템에서, 신틸레이터로부터 출력된 광 신호의 감쇠 속도 또는 감쇠 정도를 구별할 수 있게 하여, PET 영상의 해상도를 향상시키기 위한 것이다.
일 측면에 따르면, 입사 광선을 광 신호로 변환하는 복수의 신틸레이터 층;
상기 입사 광선의 검출 여부에 따라 온/오프되는 복수의 마이크로 셀;
상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하고, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 반응 깊이 판단부; 및
상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하고, 촬영 영상을 생성하는 판독부를 포함하는 영상 생성 장치가 제공된다.
상기 영상 생성 장치는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 따라, 상기 입사 광선의 검출 여부를 판단하는 검출 판별부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 마이크로 셀은 링(ring) 형태로, 수광면이 상기 링의 중심을 향하게 배치되고, 상기 영상 생성 장치는, 온 신호가 검출된 마이크로 셀들의 검출 타이밍이 서로 대응되는지 여부에 따라, 상기 입사 광선의 유효성을 판별하는 타이밍 판별부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반응 깊이 판단부는, 시간당 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호의 개수가 문턱값을 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 반응 깊이 판단부는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격의 평균값이 문턱값 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응 깊이 판단부는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격이 감소하는 속도에 기초하여, 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출할 수 있다.
상기 영상 생성 장치는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여, 상기 입사 광선의 에너지 레벨을 측정하고, 유효한 신호인지 판단하는 에너지 판별부를 더 포함할 수 있다.
상기 판독부는, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류에 따라, 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 신틸레이터 층과, 상기 복수의 신틸레이터 층으로부터 생성되어 출력된 광 신호를 검출하는 복수의 마이크로 셀을 이용하여 피검체의 영상을 생성하는 영상 생성 방법에 있어서,
상기 복수의 마이크로 셀은 상기 복수의 신틸레이터 층으로부터 생성되어 출력된 광 신호의 검출 여부에 따라 온/오프되어, 온/오프 신호를 출력하고,
상기 영상 생성 방법은,
상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하는 단계;
상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계; 및
상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는 단계를 포함하는 영상 생성 방법이 제공된다.
상기 영상 생성 방법은, 상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 따라, 상기 입사 광선의 검출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 마이크로 셀은 링(ring) 형태로, 수광면이 상기 링의 중심을 향하게 배치되고, 상기 영상 생성 방법은, 온 신호가 검출된 마이크로 셀들의 검출 타이밍이 서로 대응되는지 여부에 따라, 상기 입사 광선의 유효성을 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 시간당 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호의 개수가 문턱값을 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격의 평균값이 문턱값 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격이 감소하는 속도에 기초하여, 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출할 수 있다.
상기 영상 생성 방법은, 상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여, 상기 입사 광선의 에너지 레벨을 측정하고, 유효한 신호인지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는 단계는, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류에 따라, 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정할 수 있다.
본 개시에 따르면, 디지털 포토 멀티플라이어를 이용하는 PET 시스템에서, 신틸레이터로부터 출력된 광 신호의 감쇠 속도 또는 감쇠 정도를 구별할 수 있게 하여, PET 영상의 해상도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 의료 영상 생성 장치를 나타낸 것으로서, 대상체의 단면에 대한 영상을 생성하는 전체적인 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 LOR 데이터의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 추적자로부터 방출되는 두 개의 감마선이 직선을 이루지 않는 경우의 예를 나타낸 것이다.
도 4는 양전자와 전자의 반응 깊이 차이에 따른 LOR을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 검출기(110)의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 검출기(110)의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)의 픽셀(P) 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 감마선이 신틸레이터 층과 반응하는 일례를 도시한 도면이다.
도 9는 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)으로부터 발생한 광 신호의 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따라 신틸레이터 층의 광 신호의 감쇠 신호 패턴을 검출하는 방식을 설명한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따라 신틸레이터 층의 광 신호의 감쇠 신호 패턴을 검출하는 방식을 설명한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 영상 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)의 픽셀(P) 구조를 나타낸 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 영상 생성 방법을 나타낸 도면이다.
하기의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명에 따른 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다.
또한 본 명세서 및 도면은 본 발명을 제한하기 위한 목적으로 제공된 것은 아니고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
도 1은 의료 영상 생성 장치를 나타낸 것으로서, 대상체의 단면에 대한 영상을 생성하는 전체적인 시스템을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 영상 생성 장치는 영상 촬영 장치(100), 컴퓨터(200), 디스플레이 장치(300), 사용자 입력장치(400) 및 저장 장치(500)를 포함한다.
도 1의 영상 생성 장치는 대상체의 단면에 대한 영상을 생성할 수 있을 뿐 아니라, 의료 영상의 생성에 사용되는 검출기(110)의 시스템 응답을 생성할 수 있다. 시스템 응답은 검출기(110)의 보정 모델을 나타낼 수 있다. 검출기(110)의 보정 모델은 검출기(110)로부터 획득한 신호를 이용하여 영상을 생성함에 있어서 고해상도의 영상을 생성하기 위하여 사용되거나, 또는 저해상도의 영상을 고해상도의 영상으로 보정하기 위하여 사용되는 모델로써, 그 예로 영상의 퍼짐을 보정하기 위한 블러 모델이 있을 수 있다.
이하에서는 도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 대상체의 단면에 대한 영상을 생성하는 방법과 검출기(110)의 블러 모델을 생성하는 방법의 두 가지 관점을 모두 기술한다. 여기서 블러(blur)란 점 또는 영상이 얼마나 퍼져있는가를 나타내는 것으로서, 보다 구체적으로는 검출기(110)를 이용하여 검출기 내의 검출 공간에 위치하는 양전자 방출 물질의 위치를 추정하는 경우, 추정된 위치들의 분포가 실제 양전자 방출 물질의 위치를 중심으로 얼마나 퍼져 있는가 혹은 얼마나 번져 있는가를 나타내는 것이다. 블러를 나타내기 위하여 PSF(point spread function)가 이용될 수 있음을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.
나아가, 영상 생성 장치는 검출기(110)의 검출 공간 내에서의 위치 좌표들 각각에 위치한 양전자 방출 물질부터 방출되는 신호를 획득하여 위치 좌표들 각각에 대한 PSF를 생성하고, 이러한 PSF들을 모두 합하여 검출기(110)의 검출 공간 전체에 대한 PSF 모델을 생성함에 따라 검출기(110)에 대한 시스템 응답(또는 블러 모델)을 생성할 수 있다.
도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 대상체의 단면에 대한 영상을 생성하는 경우의 예를 들면, 영상 촬영 장치(100)는 대상체에 주입된 추적자로부터 방출되는 신호를 검출한다. 추적자는 양전자를 방출하는 물질을 지칭하는 용어로 사용된다. 예를 들어, 영상 촬영 장치(100)는 대상체에 주입된 양전자 방출 물질로부터 방출된 양전자가 주변의 전자와 결합하여 방출하는 두 개의 감마선을 검출한다. 영상 촬영 장치(100)는 검출한 감마선에 대한 LOR(Line-of-Response) 데이터를 컴퓨터(200)에 전송한다.
도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 환자의 신체 단면에 대한 영상을 생성하는 경우의 예를 들면, 영상 촬영 장치(100)는 대상체에 주입된 추적자로부터 방출되는 신호를 검출한다. 여기서 추적자는 양전자를 방출하는 물질을 지칭하는 용어로 사용한다. 예를 들어 영상 촬영 장치(100)는 대상체의 신체에 주입된 양전자 방출 물질로부터 방출된 양전자가 주변의 전자와 결합하여 방출하는 두 개의 감마선을 검출한다. 영상 촬영 장치(100)는 검출한 감마선에 대한 LOR 데이터를 컴퓨터(200)에 전송한다.
도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 검출기(110)의 블러 모델을 생성하는 경우의 예를 들면, 영상 촬영 장치(100)는 검출기(110) 내에 위치하는 포인트 소스로부터 방출된 양전자가 주변의 전자와 결합하여 방출하는 두 개의 감마선을 검출한다. 영상 촬영 장치(100)는 검출한 감마선에 대한 LOR 데이터를 컴퓨터(200)에 전송한다. LOR 데이터란 공간 내에서 직선의 위치를 나타내는 데이터로, 도 2에서 보다 상세히 설명한다.
도 2는 LOR 데이터의 예를 나타낸 것이다. 도 2을 참조하면, 검출기(110) 내에 위치하는 추적자(22)로부터 양전자가 방출되고, 방출된 양전자가 전자와 반응할 때 180도 방향으로 두 개의 감마선을 방출한다. 두 개의 감마선은 하나의 직선 상에 놓인다. 도 2는 직선(23, 24)이 두 개 검출된 경우의 예를 나타낸 것이다. 직선 23을 참조하면, 검출기(110) 내의 원점을 기준으로 직선 23에 수선을 내렸을 때, 수선까지의 거리는 r1, 수선까지의 각도는 θ1이기에, 직선 23에 대한 LOR은 (r1, θ1)이다. 마찬가지로 직선 24를 참조하면, 검출기(110) 내의 원점을 기준으로 직선 24에 수선을 내렸을 때, 수선까지의 거리는 r2, 수선까지의 각도는 θ2이기에, 직선 24에 대한 LOR은 (r2, θ2)이다. 상기와 같이, 두 개 이상 LOR 데이터를 획득하면 추적자의 위치는 LOR 데이터들로부터 결정될 수 있다. 영상 촬영 장치(100)는 검출된 감마선에 대한 LOR을 컴퓨터(200)에 전송하고, 컴퓨터(200)는 최종적으로 LOR로부터 추적자의 위치를 결정할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 컴퓨터(200)는 영상 촬영 장치(100)로부터 획득한 데이터를 이용하여 대상체에 대한 의료 영상을 생성한다. 도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 대상체의 의료 영상을 생성하는 경우의 예를 들면, 컴퓨터(200)는 영상 촬영 장치(100)로부터 획득한 데이터를 이용하여 대상체의 단면을 나타내는 의료 영상을 생성한다. 도 1의 영상 생성 장치를 이용하여 검출기(110)의 블러 모델을 생성하는 경우의 예를 들면, 컴퓨터(200)는 영상 촬영 장치(100)로부터 획득한 데이터를 이용하여 검출기(110)의 블러 모델을 생성한다.
디스플레이 장치(300)는 컴퓨터(200)로부터 생성된 의료 영상 또는 블러 모델을 디스플레이 패널에 표시한다.
사용자는 사용자 입력장치(400)를 이용하여 컴퓨터(200)의 동작에 필요한 정보를 입력할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 사용자 입력장치(400)를 이용하여 컴퓨터(200)의 동작 시작 또는 동작 종료를 명령할 수 있다.
여기서, 컴퓨터(200)가 대상체에 의료 영상을 생성함에 있어서, 의료 영상의 품질은 검출기(110)의 공간 분해능에 의해 영향을 받는다. PET의 경우, 공간 분해능은 감마선의 각도 요동, 양전자의 비정거리, 검출기의 기하학적 구조 등에 의하여 저하될 수 있다.
감마선의 각도 요동의 예를 들면, 추적자로부터 방출되는 두 개의 감마선이 정확히 180도를 이루지 않고 180도보다 약간 크거나 약간 작은 각도를 이루면서 방출됨에 따라 PET 영상의 해상도가 저하된다. 이러한 현상을 각도 요동이라고 하며 이하에서 그 예를 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 추적자로부터 방출되는 두 개의 감마선이 직선을 이루지 않는 경우의 예를 나타낸 것이다. 도 3은 추적자(30)로부터 방출된 두 개의 감마선(31, 32)이 정확히 180도를 이루지 않고 180보다 약간 작은 각도(34)를 이루면서 방출된 경우의 예를 나타낸 것이다. 이때, 검출기(110)는 감마선이 검출된 위치(35, 36)를 인식하고, 그러한 위치(35, 36)를 연결한 직선(33) 상에 추적자가 위치한다고 추정한다. 그러나 실제로 추적자는 직선(33) 위에 존재하지 않는다. 이러한 문제점에 의한 PET 영상의 해상도 저하는 검출기의 직경이 클수록 현저하게 나타난다.
양전자의 비정거리의 예를 들면, 양전자가 전자와 반응하기 전에 추적자로부터 이동함에 따라 PET 영상의 해상도가 저하된다. 예를 들어 설명하면, 양전자는 추적자로부터 방출된 후 짧은 거리를 이동하면서 에너지를 소실하고, 그 후 전자와 결합하여 소멸하면서 511keV의 에너지를 갖는 한 쌍의 감마선을 방출한다. 이때, 양전자가 에너지를 소실하면서 이동하는 거리를 비정 거리(positron range)이라고 한다. 이렇게 양전자가 추적자로부터 비정 거리만큼 이동한 후 감마선을 방출함에 따라, 추적자의 위치와 감마선이 방출된 위치는 정확히 일치하지 않게 된다. 따라서 감마선이 방출된 위치를 계산하고, 그 위치가 추적자의 위치라고 가정하는 경우 오차가 발생한다. 이러한 오차에 의한 PET 의 분해능 저하를 비정거리 효과 (positron range effect)라고 하며, 일반적으로 양전자의 에너지가 클수록 비정거리는 길어지고 PET 영상의 해상도는 더욱 저하된다.
도 4는 양전자와 전자의 반응 깊이 차이에 따른 LOR을 나타낸 도면이다.
영상 생성 장치는, 검출기(110)의 기하학적 구조에 의한 위치 별 반응 깊이 차이로 인한 시차로 인해 검출기(110)의 중심으로부터 멀어질수록 해상도가 저하되는 문제가 있다. 예를 들어 설명하면, 검출기(110)의 표면에는 복수 개의 검출 소자가 촘촘하게 배열되어 있다. 그러한 검출 소자가 깊이 방향으로 더 긴 직사각형의 형태인 경우, 감마선이 검출소자에 비스듬히 입사하게 되면, 하나의 검출 소자에서만 감마선이 검출되는 것이 아니라 여러 개의 인접한 검출 소자에서 동시에 감마선이 검출된다. 따라서 추적자의 정확한 위치를 추정하는 것이 어려워지고, PET 영상의 해상도가 저하된다.
도 4를 참조하면, A 위치에서 양전자와 전자가 반응하는 경우, 방출된 감마 선이 검출기(110)의 표면에 비교적 수직으로 입사됨으로 인해, 감마선이 검출되는 검출소자의 분포가 매우 집중되어 있다. 그러나 B 위치에서 양전자와 전자가 반응하는 경우, 방출된 감마선이 검출기(110)의 표면에 비스듬하게 입사됨으로 인해, 여러 개의 인접한 검출 소자에서 동시에 감마선이 검출될 수 있다. 따라서 FOV의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 LOR의 폭이 넓어져, PET 영상의 해상도가 저하된다.
위와 같은 세 가지 요인을 비롯한 여러 요인들에 의해 PET 영상의 해상도는 저하된다. 이들 요인들 중 일부는 확률적으로 발생하는 것이기 때문에 기술적 또는 기계적인 향상에 의하여 그 분해능을 향상시키는 것에 한계가 있다. 따라서 이를 해결하기 위해, 검출기(110) 내의 각 픽셀에 해당하는 확률적인 블러(blur) 정보를 PSF(point spread function) 형태로 생성하고, 이로부터 검출기(110) 전체에 대한 블러 모델을 생성한 후, 검출기(110)로 촬영한 저해상도의 PET 영상에 검출기(110)의 블러 모델을 역으로 적용하여, 블러가 제거된 고해상도 영상을 생성할 수 있다.
실시예들은 디지털 포토 멀티플라이어를 이용하는 검출기(110)에서, 복수의 신틸레이터 층을 구비하면서, 감마선이 어느 신틸레이터 층과 반응하였는지를 검출함으로써, PET 영상의 분해능을 향상시킨다.
도 5는 일 실시예에 따른 검출기(110)의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 검출기(110)의 구조를 나타낸 단면도이다.
일 실시예에 따른 검출기(110)는 검출 소자가 도 4에 도시된 바와 같이 링 형태로 배치된 구조를 갖는다. 검출기(110)는 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)이 배치된 phoswich detector 구조를 가질 수 있다. 검출기(110)는 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM) 상에 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)이 배치된 구조를 갖는다. 신틸레이터 층(S1, S2)의 수광면은 링의 중심을 향해 배치되고, 신틸레이터 층(S1, S2)은 추적자(22)에서 방출된 입사 광선(예를 들면, 감마선; . 본 명세서에서는 입사 광선이 감마선인 실시예를 중심으로 기술한다)과 반응한다. 신틸레이터 층(S1, S2)에서 반응한 감마선은, 광 신호(예를 들면, 가시광선)로 변환되어 방출되고, 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)는 신틸레이터 층(S1, S2)에서 방출된 광 신호를 검출한다. 감마선은 복수의 신틸레이터 층(S1, S2) 중 하나의 층에서 반응할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)과 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM) 사이에 라이트 파이프(light pipe)를 배치할 수 있다. 라이트 파이프는 신틸레이터 층(S1 또는 S2)에서 변환된 광 신호의 경로 길이를 증가시켜, 감마선의 반응 위치를 보다 정확히 판별할 수 있도록 하는 효과가 있다.
실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)는 복수의 픽셀(P)들로 구성된다. 복수의 픽셀(P)들은 신틸레이터 층(S1, S2) 후면에 어레이 형태로 배치된다.
도 7은 일 실시예에 따른 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)의 픽셀(P) 구조를 나타낸 도면이다.
각 픽셀(P)은 복수의 마이크로 셀(MC), 반응 깊이 판단부(710), 및 판독부(720)를 포함할 수 있다.
복수의 마이크로 셀(MC)은 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)와 인접한 신틸레이터 층(S2)을 향해 어레이 형태로 배치된다. 각 마이크로 셀(MC)은 포토 다이오드를 구비하여, 신틸레이터 층(S1, S2)으로부터 출력된 광 신호를 검출할 수 있다. 각 마이크로 셀(MC)은 광 신호를 검출함에 따라 온/오프되어, 펄스 신호를 출력할 수 있다.
반응 깊이 판단부(710)는 복수의 마이크로 셀의 펄스 신호에 기초하여, 광 신호의 감쇠 신호를 검출하고, 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별한다. 복수의 신틸레이터 층은 서로 다른 물질이기 때문에, 감쇠 신호의 패턴도 서로 다르게 나타난다. 반응 깊이 판단부(710)는 감쇠 신호의 패턴에 따라, 어느 신틸레이터 층에서 감마선이 반응했는지 판단하여, 감마선이 반응한 신틸레이터 층을 기준으로 감마선의 발생 위치를 결정한다.
도 8은 감마선이 신틸레이터 층과 반응하는 일례를 도시한 도면이다.
감마선이 검출기(110)로 입사되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 감마선이 검출기(110)의 복수의 신틸레이터 층(S1, S2) 중 어느 하나와 반응할 수 있다. 예를 들면 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 신틸레이터 층(S1)과 감마선이 반응할 수 있다. 반응 깊이 판단부(710)은 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 감쇠 신호로부터 감마선이 제1 신틸레이터 층(S1)과 반응했음을 검출하고, 감마선이 발생한 위치가 d1 영역 내라고 판단한다.
일 실시 예에 따르면 도 8과 같이 서로 다른 물질로 구성된 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)을 이용함으로써, 감마선의 검출 정확도를 향상시킬 수 있다. 만약 단일 신틸레이터 층을 이용한다면, 감마선이 발생한 영역이 d 영역 내에 있다는 정보만 얻을 수 있다. 그러나 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)으로 구성함으로써, 감마선이 발생한 영역이 da 영역인지 db 영역인지를 구별할 수 있어, PET 영상의 해상도를 향상시킨다.
도 9는 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)으로부터 발생한 광 신호의 패턴을 나타낸 도면이다.
복수의 신틸레이터 층(S1, S2)으로부터 발생한 광 신호는 도 9에 도시된 바와 같이 신틸레이터 층의 물질 종류에 따라 다른 패턴을 나타낸다. 도 9는 LYSO(Lu1.8 Y0 .2 SiO5)와 BGO(Bi4Ge3O12)를 각각 제1 신틸레이터 층(S1)과 제2 신틸레이터 층(S2)에 이용한 경우, 복수의 신틸레이터 층(S1, S2) 각각에서 변환되어 출력되는 광 신호의 패턴을 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 서로 다른 물질로 구현된 신틸레이터 층에서 출력되는 광 신호는 그 패턴이 서로 상이하다. LYSO 신틸레이터 층의 상승 시간(RT1)과 감쇠 시간(DT1)은, BGO 신틸레이터 층의 상승 시간(RT2)과 감쇠 시간(DT2)에 비해 매우 짧다. 일반적으로 상승 시간에 비해 감쇠 시간이 더 길게 나타나기 때문에, 감쇠 신호를 검출하여 감마선이 반응하여 광 신호를 발생시킨 신틸레이터 층의 종류를 구별할 수 있다.
신틸레이터 층의 감쇠 신호는 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112013007530070-pat00001
여기서, τrise 는 상승 시간 상수를 나타내고, τdecay는 감쇠 시간 상수를 나타낸다. τrise 와 τdecay는 신틸레이터 층의 종류에 따라 달라진다. 상수 a 는 광량을 의미하는 비례 상수이고, 신틸레이터 종류에 따라 달라진다.
그런데 각 마이크로 셀의 온/오프 여부만 검출하는 디지털 포토 멀티플라이어를 사용하는 경우에는, 신틸레이터 층에서 출력되는 광 신호의 감쇠 신호의 패턴을 검출할 수 없다. 일 실시예에 따르면, 디지털 포토 멀티플라이어를 이용하면서, 반응 깊이 판단부(710)에서 감쇠 신호의 패턴을 검출하여, 복수의 신틸레이터 층(S1, S2) 중 감마선과 반응한 신틸레이터 층을 판별한다.
도 10은 일 실시예에 따라 신틸레이터 층의 광 신호의 감쇠 신호 패턴을 검출하는 방식을 설명한 도면이다.
일 실시예예 따르면, 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력되는 펄스 신호의 개수를 카운팅하여 감쇠 신호의 패턴을 검출한다. 이 때, 도 10에 도시된 바와 같이, 기준 시간 간격(△t) 내의 펄스 신호의 개수를 카운팅하고, 기준 시간 간격(△t) 내의 펄스 신호의 개수가 문턱값 이하이면, 신틸레이터에서 발생한 광 신호의 감쇠가 끝난 것으로 판단할 수 있다. 반응 깊이 판단부(710)는 이를 위해, 계속적으로, 시간당 펄스 신호의 개수를 검출하고, 시간당 펄스 신호의 개수가 감소하는 구간에서 시간당 펄스 신호의 개수가 문턱값 이하로 감소하는지 여부를 계속해서 판단할 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따라 신틸레이터 층의 광 신호의 감쇠 신호 패턴을 검출하는 방식을 설명한 도면이다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력되는 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)의 평균값을 산출하고, 시간 폭(△t1, △t2, △t3)의 평균값에 따라 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별한다. 즉, 시간 폭(△t1, △t2, △t3)의 평균값이 작으면, 감쇠 시간 상수가 작은 신틸레이터 층에서 감마선이 반응했다고 판단하고, 시간 폭(△t1, △t2, △t3)의 평균값이 크면, 감쇠 시간 상수가 큰 신틸레이터 층에서 감마선이 반응했다고 판단한다. 또한, 반응 깊이 판단부(710)는 시간 폭(△t1, △t2, △t3)의 평균값과 소정의 기준값을 비교하여 감쇠 신호의 패턴을 판별하고, 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력되는 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)이 줄어드는 속도에 따라, 감마선이 반응한 신틸체이터층의 종류를 판별할 수 있다. 즉, 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)이 줄어드는 속도가 느리면, 감쇠 시간 상수가 작은 신틸레이터 층에서 감마선이 반응했다고 판단하고, 시간 폭(△t1, △t2, △t3)이 줄어드는 속도가 느리면, 감쇠 시간 상수가 큰 신틸레이터 층에서 감마선이 반응했다고 판단한다. 이를 위해, 반응 깊이 판단부(710)는 시간 폭(△t1, △t2, △t3)이 감소하는 속도와 소정의 기준값을 비교하여 감쇠 신호의 패턴을 판별하고, 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별할 수 있다.
도 11에서 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)을 보다 정확히 측정하고, 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하기 위해, 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)을 정수배하여 펄스 신호 사이의 시간 폭(△t1, △t2, △t3)을 관찰하는 것도 가능하다.
다시 도 7을 참조하면 판독부(720)는 복수의 마이크로 셀(MC)의 출력 신호와 반응 깊이 판단부(710)의 반응 깊이 판단 결과를 참조하여 PET 영상을 생성한다. 판독부(720)는 검출기(110)에서 각도 별로 얻어진 검출 신호를 이용하여 시노그램을 생성하고, 시노그램에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여, PET 단층 영상을 구현한다.
도 12는 일 실시예에 따른 영상 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
일 실시예에 따른 영상 생성 방법은, 우선 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 검출 신호로부터, 복수의 신틸레이터 층(S1, S2)으로부터 출력된 광 신호의 감쇠 시간을 검출한다(S1202). 광 신호의 감쇠 시간은 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 펄스 신호의 시간당 펄스 신호의 갯수를 이용하여 검출하거나, 펄스 신호 사이의 시간 폭의 평균값을 산출하여 검출하거나, 펄스 신호 사이의 시간 폭이 줄어드는 속도를 측정하여 검출할 수 있다.
다음으로 광 신호의 감쇠 시간에 기초하여, 감마선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별한다(S1204). 앞서 설명한 바와 같이, 감쇠 신호의 감쇠 패턴에 따라 신틸레이터 층의 종류를 판별할 수 있다.
다음으로, 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 검출 신호와, 반응한 신틸레이터 층의 종류에 대한 정보를 이용하여, 감마선의 발생 위치를 결정한다(S1206). 감마선의 발생 위치가 결정되면, 이를 이용하여 시노그램을 생성하고, 시노그램에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여, PET 단층 영상을 구현할 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)의 픽셀(P) 구조를 나타낸 도면이다.
각 픽셀(P)은 복수의 마이크로 셀(MC), 반응 깊이 판단부(710), 판독부(720), 검출 판별부(1310), 타이밍 판별부(1320), 및 에너지 판별부(1330)를 포함한다.
검출 판별부(1310)는 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 펄스 신호로부터, 검출된 펄스 신호들이 유효한 신호인지 여부를 판단한다. 즉, 검출 판별부(1310)는 펄스 신호가 신틸레이터 층으로부터 출력된 광 신호에 의한 펄스 신호인지, 다크 펄스인지 여부를 판단한다.
일 실시예에 따르면, 검출 판별부(1310)는 단위 시간당 펄스 수가 문턱값 이상이면, 펄스 신호가 신틸레이터에 의해 발생한 광 신호에 의한 것이라고 인식하고, 유효한 신호로 판단한다.
타이밍 판별부(1320)는 펄스 신호들의 타이밍에 기초하여, 펄스 신호가 유효한 신호인지 여부를 판단한다. 도 4를 참조하면, 피검체의 추적자로부터 감마선이 발생한 경우, 감마선은 양 방향으로 방출된다. 따라서 검출기(110)에서는 서로 마주보는 픽셀(P)에서 동시에 감마선이 검출된다. 타이밍 판별부(1320)는 서로 다른 위치의 픽셀(P)에서 동시에 감마선이 검출되었는지 여부를 판별하여 펄스 신호가 유효한 신호인지 여부를 판별한다. 즉, 타이밍 판별부(1320)는 서로 다른 위치의 픽셀(P)에서 감마선이 검출되고, 각 픽셀(P)의 검출 타이밍이 일치하는 경우, 유효한 신호로 판단하고, 검출 타이밍이 일치하지 않는 경우, 유효하지 않은 신호로 판단한다.
에너지 판별부(1330)는 복수의 마이크로 셀(MC)로부터 출력된 펄스 신호로부터, 추적자로부터 방출된 감마선의 에너지 레벨을 판단하여, 검출 신호의 유효성 여부를 판별한다. 앞서 설명한 바와 같이 추적자로부터 방출된 양전자와 전자가 결합하여 소멸하는 경우, 511keV의 에너지를 갖는 한 쌍의 감마선을 방출한다. 감마선의 에너지는, 신틸레이터 층에서 방출된 포톤의 개수로부터 알 수 있다. 만약 이와 다른 에너지 레벨의 감마선이 검출되었다면, 이는 유효하지 않은 신호이다. 에너지 판별부(1330)는 단위 면적당 포톤(photon)의 개수를 펄스 신호를 이용하여 측정하고, 포톤의 개수가 511keV에 해당한다면, 유효한 신호로 판단하고, 그렇지 않으면 유효하지 않은 신호로 판단할 수 있다.
판독부(720)는 검출 판별부(1310), 타이밍 판별부(1320), 에너지 판별부(1330)에서 유효한 검출 신호인 것으로 판단되면, 반응 깊이 판단부(710)로부터 판단된 반응한 신틸레이터 층의 종류(DOI; Depth of interaction) 및 복수의 마이크로 셀(MC)의 검출 신호로부터 감마선의 발생 위치를 결정하고, 시노그램을 생성한 후, PET 영상을 생성한다.
본 실시예에 따르면, 유효하지 않은 다크 펄스를 제거하고, 보다 정확한 PET 영상을 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 영상 생성 방법을 나타낸 도면이다.
우선, 펄스 신호가 출력되면, 펄스 신호의 개수로부터 유효한 신호인지 여부를 판단한다(S1402). 시간당 펄스 신호의 개수가 문턱값 이상이면 유효한 신호로 판단할 수 있다.
또한 서로 다른 위치의 픽셀(P)들에서 펄스 신호가 출력된 경우, 서로 다른 위치의 픽셀(P)들의 펄스 신호의 타이밍이 서로 대응되는지 여부를 판단한다(S1404). 펄스 신호들의 타이밍이 서로 대응되는 경우, 유효한 신호로 판단할 수 있다.
또한, 펄스 신호의 개수로부터 감마선의 에너지 레벨을 측정하여, 펄스 신호의 유효성 여부를 판단한다(S1406). 단위 면적당 펄스 신호의 개수를 검출하여, 감마선이 소정의 에너지 레벨(예를 들면 511keV)에 해당하면, 유효한 신호로 판단할 수 있다.
검출된 펄스 신호가 유효한 신호로 판단된 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 광 신호의 감쇠 시간을 검출하고(S1408), 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하여(S1410), 감마광의 발생 위치를 결정한다(S1412).
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 입사 광선을 광 신호로 변환하는 복수의 신틸레이터 층;
    상기 입사 광선의 검출 여부에 따라 온/오프되는 복수의 마이크로 셀;
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하고, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 반응 깊이 판단부; 및
    상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하고, 촬영 영상을 생성하는 판독부를 포함하고,
    상기 반응 깊이 판단부는,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 시간 간격의 평균값에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하고, 상기 검출된 감쇠 패턴에 기초하여 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하고,
    상기 판독부는,
    상기 판별된 신틸레이터 층의 종류에 기초하여 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는 영상 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영상 생성 장치는,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 따라, 상기 입사 광선의 검출 여부를 판단하는 검출 판별부를 더 포함하는 영상 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 셀은 링(ring) 형태로, 수광면이 상기 링의 중심을 향하게 배치되고,
    상기 영상 생성 장치는,
    온 신호가 검출된 마이크로 셀들의 검출 타이밍이 서로 대응되는지 여부에 따라, 상기 입사 광선의 유효성을 판별하는 타이밍 판별부를 더 포함하는 영상 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응 깊이 판단부는, 시간당 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호의 개수가 문턱값을 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출하는, 영상 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응 깊이 판단부는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격의 평균값이 문턱값 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출하는, 영상 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응 깊이 판단부는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격이 감소하는 속도에 기초하여, 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하는, 영상 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 영상 생성 장치는,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여, 상기 입사 광선의 에너지 레벨을 측정하고, 유효한 신호인지 판단하는 에너지 판별부를 더 포함하는 영상 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판독부는, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류에 따라, 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는, 영상 생성 장치.
  9. 복수의 신틸레이터 층과, 상기 복수의 신틸레이터 층으로부터 생성되어 출력된 광 신호를 검출하는 복수의 마이크로 셀을 이용하여 피검체의 영상을 생성하는 영상 생성 방법에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 셀은 상기 복수의 신틸레이터 층으로부터 생성되어 출력된 광 신호의 검출 여부에 따라 온/오프되어, 온/오프 신호를 출력하고,
    상기 영상 생성 방법은,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하는 단계;
    입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계; 및
    상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 판별하는 단계는,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 시간 간격의 평균값에 기초하여 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하고, 상기 검출된 감쇠 패턴에 기초하여 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하고,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 판별된 신틸레이터 층의 종류에 기초하여 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는, 영상 생성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 영상 생성 방법은,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 따라, 상기 입사 광선의 검출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 영상 생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 셀은 링(ring) 형태로, 수광면이 상기 링의 중심을 향하게 배치되고,
    상기 영상 생성 방법은,
    온 신호가 검출된 마이크로 셀들의 검출 타이밍이 서로 대응되는지 여부에 따라, 상기 입사 광선의 유효성을 판별하는 단계를 더 포함하는, 영상 생성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 시간당 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호의 개수가 문턱값을 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출하는, 영상 생성 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격의 평균값이 문턱값 이하인지 여부를 판단하여, 상기 광 신호의 감쇠 시간을 검출하는, 영상 생성 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류를 판별하는 단계는, 상기 복수의 마이크로 셀의 온 신호 사이의 간격이 감소하는 속도에 기초하여, 상기 광 신호의 감쇠 패턴을 검출하는, 영상 생성 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 영상 생성 방법은,
    상기 복수의 마이크로 셀의 온/오프 신호에 기초하여, 상기 입사 광선의 에너지 레벨을 측정하고, 유효한 신호인지 판단하는 단계를 더 포함하는 영상 생성 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는 단계는, 상기 입사 광선이 반응한 신틸레이터 층의 종류에 따라, 상기 입사 광선의 발생 위치를 결정하는, 영상 생성 방법.
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