KR20100117207A

KR20100117207A - 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치

Info

Publication number: KR20100117207A
Application number: KR1020090035826A
Authority: KR
Inventors: 이재성; 미끼꼬 이또우; 홍성종
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-11-03
Also published as: US20100270463A1; US8476600B2; KR101070527B1

Abstract

본 발명은 감마선을 흡수하는 복수의 결정이 인접하여 연속 배열되는 단층의 결정층(10); 결정의 일단에 설치되어 감마선에 의해 결정층(10)에서 발광되는 섬광을 검출하는 섬광검출기;를 포함하는 상호작용깊이 측정장치에 있어서, 결정에는 결정의 길이방향을 따라 투과율을 선형적으로 변화시키는 변화수단을 포함하고, 섬광검출기는 일방향에 따른 제 1 출력신호 및 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하고, 제 1 출력신호 및 제 2 출력신호에 기초하여 결정층(10)에서의 상호작용깊이를 연산하는 제어부(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치에 관한 것이다.

본 발명은 양전자 방출 단층촬영장치의 공간분해능 향상을 위한 상호작용깊이 정보의 획득에 있어, 단층의 결정층을 사용하면서도 반사필름의 배치와 통계적 접근법을 통해 공간분해능을 향상 및 유지할 수 있는 효과가 있다.

양전자 방출 단층촬영장치(PET), 상호작용깊이(DOI), 섬광결정, 섬광검출기

Description

빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치{DEPTH OF INTERACTION DETECTOR USING LIGHT SHARING METHOD, MEASURMENT METHOD AND PET SCANNER USING THE SAME}

본 발명은 양전자 방출 단층촬영장치에서 공간분해능 향상을 위한 상호작용깊이를 측정하는 장비 및 측정 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반사필름이 삽입된 단층의 결정층 내에서 빛 퍼짐(dispersion)성질을 이용한 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치에 관한 것이다.

양전자 방출 단층촬영장치(PET, Positron Emission Tomography)는 X선 전산화 단층촬영(CT, Computerized Tomography), 단일광자 방출 전산화 단층촬영(SPECT, Single Photon Emission Computerized Tomography)과 같이 방사선을 이용한 단층촬영이다.

양전자 방출 단층촬영장치는 통상적으로 연구 및 진단을 위하여 생체 내에 양전자를 방출하는 방사성 시료를 정맥주사 또는 흡입에 의해 주입한 후 이를 검출함으로써 이물질의 체내 분포를 영상화하는 기술이다. 예를 들어, 일부 암세포는 다른 세포보다 포도당을 더 많이 축적한다는 사실에 기초하여 반감기가 약 110분인 방사성 동위원소 F-18을 포도당에 결합한 FDG가 암세포의 추적에 이용되는 것과 같다.

이와 같이 양전자 방출 단층촬영장치는 인체의 물질대사 연구, 암진단, 심장 및 신경계통의 이상 등 여러가지 질병의 진단 및 연구에 사용되고 있다. 양전자 방출 핵종은 주로 핵의 중성자 수가 다소 많은 불안정한 동위원소로서, O15, N13, C11, F18 등과 같은 핵종들이 양전자 방출 단층촬영장치에 주로 이용된다.

이른바 "쌍소멸(pair annihilation)"이라 불리는 현상에 의해, 인체 내의 양전자 방출 핵종으로부터 방출된 양전자는 근처의 전자와 결합하여 γ-선을 방출시킨다.

질량-에너지 등가원리와 관계된 에너지 보존법칙 및 운동량 보존법칙에 따라서 정지상태에 이른 양전자는 근처의 전자와 결합하여 서로 반대방향으로 방출되는 511 keV 에너지를 가지는 소멸 감마선으로 변환된다. 반대방향으로 방출되는 한 쌍의 γ-선을 검출하여 이를 분석함으로써 γ-선의 발생 위치를 결정할 수 있으며, 결과적으로 γ-선의 발생 빈도, 즉 표지된 시료의 축적 농도를 공간 위치좌표의 함수로서 구할 수 있다. 그 결과를 디스플레이 수단 등을 이용하여 나타내면 피검자 인체내의 방사성 핵종의 분포를 알 수 있다.

양전자 방출 단층촬영장치의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 공간분해능(spatial resolution) 및 민감도(detection efficiency)이다. 향상된 성능을 달성하기 위해서는 더 작은 크기의 검출기를 촘촘하게 배치하는 방법으로도 가능하지만, 이는 부품의 소형화에 따른 일정한 한계가 있으며, 더욱이 검출기 및 전자측정 기 등의 갯수 증가로 인하여 비용이 확대되는 단점이 있다.

공간분해능을 높이는 방안으로서 상호작용깊이(DOI, Depth Of Interaction) 정보를 이용하는 방법이 있다. 여기서 상호작용깊이란 결정에서 섬광반응이 발생하는 곳까지의 깊이를 의미한다. 상호작용깊이 정보가 없다면 PET 장치는 시역의 외곽에서 시차오류(Parallex Error)때문에 감마선의 발생 위치를 결정함에 있어 큰 오차를 보여 공간해상도가 떨어질 수 밖에 없다. 따라서 공간해상도를 훼손하지 않으면서 일정한 공간해상도 및 민감도를 유지하기 위해 결정내에서의 상호작용깊이 정보를 이용하는 것이다.

상호작용깊이를 측정하는 방법 중 하나는 각각 성질이 다른 결정층에서 섬광신호 방출의 시간적 특성이나 크기가 다르다는 것에 기초한 방법이다. 이 방법은 상호작용깊이 측정장치에 다중 결정층을 형성함으로써 상호작용깊이를 측정하는 방법이지만 사용되는 결정층의 개수에 의해 제한된 불연속적인 상호작용깊이 정보만이 얻어진다는 단점이 있다. 또한 결정층속에서 광손실이 발생하고 단층의 결정층보다 비용이 많이 든다는 단점도 있다.

상호작용깊이를 측정하는 다른 방법으로는 섬광결정의 길이방향 양단에 광센서를 달아 광자수를 계수하는 것인데, 상호작용깊이 위치에 가까운 센서가 더 많은 섬광 신호를 검출하므로 그 비율로써 상호작용깊이를 측정하는 기술이다. 그러나 이 방법 또한 섬광결정 양면 모두에 광센서를 갖추어야 하므로 비용이 많이 드는 단점이 있다.

그래서 섬광결정의 길이방향 한면에만 광센서를 설치하고 결정의 표면에 반 사필름을 부착하여 결정간에 공유하는 빛을 측정하는 방법이 안출되었는데, 이는 결정간에 부분적으로 반사필름을 삽입하여 결정의 깊이에 따라 공유되는 빛의 양이 달라진다는 점에 기초한 방법이다.

특히, 이 방법은 두 섬광결정의 쌍을 하나의 섬광검출기 유닛으로 하여 그 쌍으로 된 두 섬광결정 사이에서만 빛을 공유하고 두 섬광결정 사이에서만 공유된 각 광자수를 비교하는 것이다. 따라서, 멀티채널의 광전자증배관으로 측정할 경우는 각 광 픽셀에 섬광결정을 1:1 매칭하는 것이 필수적이며, 광센서로 측정할 경우는 개개의 결정마다 광센서를 부착해야한다. 그리고 광전자증배관 표면과 광픽셀 사이의 유리에 의해 빛이 사방으로 퍼져 상호작용깊이 응답이 악화되고, 광센서 수 증가 및 그 증가에 따른 전자장비 증가로 제작비가 증가하는 문제점도 있었다.

따라서 상기와 같은 문제를 해결하는 상호작용깊이 측정장치의 모델 및 이를 이용한 상호작용깊이 측정 방법에 대한 요구가 있어 왔다.

본 발명의 목적은 PET 장비의 공간분해능 향상을 위한 상호작용깊이 정보의 획득에 있어, 결정의 일면에만 섬광검출기가 구비된 단층의 결정층을 사용하면서도 공간분해능을 향상 시킬수 있는 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 다중 결정층을 이용하는 기존 모델에서의 상호작용깊이 정보의 불연속성을 해결하여 연속적인 상호작용깊이 정보를 제공하는 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치를 제공하는데 있다.

그리고, 결정 양면에 광센서를 구비하거나 복층의 결정층을 가지는 등의 기존 모델에서의 비용문제를 해결하는 상호작용깊이 측정장치, 측정방법 및 이를 이용한 양전자 방출 단층촬영장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 감마선을 흡수하는 복수의 결정이 인접하여 연속 배열되는 단층의 결정층(10); 결정의 일단에 설치되어 감마선에 의해 결정층(10)에서 발광되는 섬광을 검출하는 섬광검출기;를 포함하는 상호작용깊이 측정장치에 있어서, 결정에는 결정의 길이방향을 따라 투과율을 선형적으로 변화시키는 변화수단을 포함하고, 섬광검출기는 일방향에 따른 제 1 출력신호 및 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하고, 제 1 출력신호 및 제 2 출력신호에 기초하여 결정층(10)에서의 상호작용깊이를 연산하는 제어부(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치에 의해 달성될 수 있다.

변화수단은 결정의 길이 방향에 따른 반사물질의 코팅 농도에 기초한 것이 바람직하다. 그리고, 반사물질은 흰색 또는 은색의 페인트인 것이 바람직하다.

또한, 변화수단은 결정들 사이에 삽입되는 반사필름을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 반사필름은 결정의 길이 방향에 따른 반사필름의 기하학적 변화에 기초하는 것이 바람직하다.

그리고, 반사필름은, 길이방향의 일변에 결정의 너비를 밑변으로 하고 결정 길이의 절반을 높이로 하는 삼각형상이 구비되어, 결정의 너비마다 삼각형상이 반복 형성된 긴 띠모양의 삼각톱니필름(111)인 것이 바람직하다.

그리고, 결정은 정방형의 단면을 가지는 직육면체결정(110)이고, 삼각톱니필름(111)은, 직육면체결정(110)의 일측면과 나란히 연속적으로 배치하되 일측면과 수직하는 측면으로는 역상으로 삽입 배치된 것이 바람직하다.

또한, 직육면체결정(110)은 미가공 표면에 굴절률이 1.82 이며, 결정층(10)은, 직육면체결정(110)의 배열이 29행 29열의 정방형인 것이 바람직하다.

그리고, 직육면체결정(110)의 크기는, 1.5mm 의 일변을 갖는 정방형 단면에 길이가 12mm ~ 24mm 인 것이 바람직하다.

또한, 반사필름은, 길이방향 일변에 동일 형상이 결정 일측면 너비마다 반복되는 띠모양의 필름으로서, 단일 형상이 마름모형상인 마름모필름(121) 또는 삼각 형상인 삼각형필름(122)인 것이 바람직하다.

결정은 정삼각 단면을 가지는 삼각기둥체결정(120)이고, 마름모필름(121)은 삼각기둥체결정(120)의 일측면과 나란히 연속적으로 배치되고, 삼각형필름(122)은 일측면과 교차하는 다른 측면 중 하나에 나란히 연속적으로 배치하되 나머지 측면에는 삼각형필름(122)을 역상으로 한 역삼각형필름(123)이 연속적으로 배치된 것이 바람직하다.

또한, 반사필름은 결정의 길이 방향에 따른 반사필름의 농도 변화에 기초한 것이 바람직하다.

반사필름은, 직사각형상을 갖는 직사각형 띠로서 결정 일측면 너비마다 결합홈(130)이 형성되고 결정의 길이 방향으로 농도 변화가 선형적인 계조필름(112)인 것이 바람직하다. 그리고 계조필름(112)은 투명 비닐에 흰색 또는 은색 페인트로 도포한 것이 바람직하다.

결정은 정방형의 면을 가지는 직육면체결정(110)이고, 계조필름(112)은 상부가 투명부위가 되도록 직육면체결정(110)의 일측면과 평행하게 연속적으로 삽입 배치되고, 일측면과 수직되는 다른 측면으로는 결합홈(130)과 결합 가능하도록 계조필름(112)을 역상으로 하여 연속 삽입 배치된 것이 바람직하다.

한편, 결정은 LSO, BGO, NaI 결정 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 그리고,섬광검출기는 하나 이상의 광감지픽셀(200)이 구비된 위치감지 광전자증배관(20)인 것이 바람직하다.

그리고 위치감지 광전자증배관(20)은, 결정층(10)과 결합하는 광감지픽 셀(200)이 16행 16열 또는 8행 8열의 정방형구조로 배열된 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 상호작용깊이 측정장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 양전자 방출 단층촬영장치에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 목적은 감마선을 흡수한 복수 결정의 소정 위치에서 섬광이 방출되는 단계(S100); 결정의 길이방향을 따라 투과율이 선형적으로 변화되는 결정 또는 반사필름에 의해 섬광의 분산 정도가 조절되는 단계(S200); 결정의 일단에 설치된 섬광검출기(400)에 섬광이 검출되는 단계(S300); 섬광검출기에서 섬광에 대응하는 일방향에 따른 제 1 출력신호 및 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하는 단계(S400); 및 제어부(30)가 제 1 출력신호 및 제 2 출력신호에 기초하여 결정의 상호작용깊이를 연산하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정 방법에 의해서도 달성될 수 있다.

또한, 상호작용깊이 연산단계(S500)는, 제 1 출력신호와 제 2 출력신호에 의해 각각의 방향에서 광자수 분산값의 크기를 연산하는 단계(S510); 광자수 분산값을 기초로 상호작용깊이 각을 도출하는 단계(S520); 및 상호작용깊이 각에 기초하여 상호작용깊이를 연산하는 단계(S530);를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상호작용깊이 각은 다음의 수학식

에 의해 산출되는 것이 바람직하다.(θ_doi는 상호작용깊이 각, σ_x ²은 x축 분산값, σ_y ² 은 y축 분산값임.)

본 발명은 종래기술에서 문제시 되었던 PET 장비의 공간분해능 향상을 위한 상호작용깊이 정보의 획득에 있어, 단층의 결정층을 사용하면서도 반사필름의 배치와 통계적 접근을 통해 공간분해능을 향상 및 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 빛이 퍼지는 2차원 분포의 경향 측정을 통해 상호작용깊이를 추정하므로 멀티 채널을 가지는 광전자증배관 사용으로도 좋은 상호작용깊이 분해능을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 다중 결정층을 이용하는 기존 모델에서의 상호작용깊이 정보의 불연속성을 해결하여 연속적인 상호작용깊이 정보를 제공한다.

또한, 본 발명은 결정과 광센서의 픽셀을 개별적으로 매칭시키지 않아도 되므로 광센서의 광픽셀이 결정의 수만큼 필요하지 않므며, 결정의 크기에 제한이 없어 비용절감 및 조립용이성이라는 효과가 있다.

또한, 결정 양면에 광센서를 이용하는 기존 모델과 비교해도 추가적인 광센서와 전자장비가 불필요하므로 비용절감의 효과가 있다.

또한, 본 발명 중 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치, 측정방법은 양전자단층촬영장치 뿐만 아니라 방사선을 이용하는 SPECT, CT, 컴프턴카메라, 감마카메라 등에 모두 적용할 수 있어 실용적이다.

<제 1실시예>

도 1은 제 1실시예의 반사필름인 삼각톱니필름(111)을 나타낸 도면이다. 한변에 삼각형상이 반복 형성되어 있는 얇은 띠모양의 필름이다.

삼각톱니필름(111)의 삼각형상은 부착되는 결정의 너비를 밑변으로 하고 결정 길이의 절반을 높이로 하는 삼각형 모양이다. 본 실시예에서 삼각톱니필름(111) 두께는 0.065mm 이고 반사율 98%의 ESR 폴리머 소재를 사용한다.

도 2는 삼각톱니필름(111)간의 결합을 나타낸 도면이다. 삼각톱니필름(111)이 부착되는 직육면체결정(110)의 일측면과 나란히 연속적으로 배치하되 일측면과 수직하는 측면으로는 삼각톱니필름(111)을 역상으로 하여 연속적으로 삽입 배치하여 격자구조가 형성된다.

도 3은 단일 직육면체결정(110)에 삼각톱니필름(111)이 부착된 상태를 나타낸 사시도이다. 결정은 511keV 에너지를 갖는 감마선을 흡수하여 섬광을 방출하므로 섬광결정이라고 하는데, 감마선을 검출하고 빛의 분산성(dispersion)을 이용하여 섬광 발생위치를 알기 위해 필요한 구성이다.

한편, 본 실시예에서의 결정은 정방형의 면을 가지는 직육면체결정(110)으로서, 크기가 가로 1.5mm, 세로 1.5mm의 단면에 길이가 20mm인 것이 사용된다. 단면은 미가공으로서 1.82 의 굴절율에 종류는 LSO(Lutetium Oxyorthosilicate) 직육면체결정(110)을 사용한다.

도 4는 제 1실시예의 전체 구성을 나타낸 사시도이다. 제 1실시예는 직육면 체결정(110), 결정층(10), 삼각톱니필름(111), 위치감지 광전자증배관(20), 제어부(30)로 구성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 직육면체결정(110)이 정방형의 배열체(array)를 형성하여 결정층(10)을 이루고 있으며, 직육면체결정(110) 사이에는 삼각톱니필름(111)이 부착된 상태이다. 그리고 결정층(10)은 위치감지 광전자증배관(20)과 연결되고 위치감지 광전자증배관(20)은 제어부(30)와 연결된다.

제 1실시예는 상호작용깊이(h)에 따라 x축 및 y축에 부착된 반사필름의 면적을 변화시켜 섬광의 퍼짐을 조절하는 구성이다. 이로 인해 광전자증배관(20)에서 광자의 수가 방향별로 달리 검출된다.

여기서, 결정층(10)은 동일 종류의 직육면체결정(110)이 29행 29열의 정방형으로 배열되고, 결정층(10) 측면 테두리는 반사필름을 이용하여 인접 결정층에 대해 광차단된다.

위치감지 광전자증배관(PS-PMT)(20)은 섬광검출기 중 하나로서, 다중 양극배열을 가진 것을 사용하며, 결정층(10)과 연결되는 부분은 하나 이상의 광감지픽셀(200)이 구비되어 있다. 그리고 섬광검출기는 위치감지 광전자증배관(20) 이외에도 고체소자를 이용한 광센서가 사용될 수 있다.

본 실시예는 결정층(10)과 결합한 위치감지 광전자증배관(20)내 광감지픽셀(200)이 16행 16열 정방형구조로 배열된다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 x축과 y축에 따른 2차원의 섬광신호를 해석하여 상호작용깊이(h)를 측정하므로 광감지픽셀(200)과 결정층(10)내 결정은 1:1 매칭을 할 필요가 없다.

제어부(30)는 위치감지 광전자증배관(20)과 연결되어 결정층(10)의 x축과 y축에서 출력된 각각의 출력신호를 위치감지 광전자증배관(20)으로부터 입력받고 상호작용깊이(h)를 산출한다.

그리고, 삼각톱니필름(111)과 직육면체결정(110), 직육면체결정(110)과 위치감지 광전자증배관(20)의 결합에는 광학접착제인 광학시멘트 또는 그리스(greas)가 사용되며 광학접착제의 굴절율은 1.5이다.

<제 2실시예>

제 2실시예는 제 1실시예에서 반사필름을 계조필름(112)으로 하여 구성한 것이다. 제 1실시예와 구성에 차이점이 있는 부분만을 설명한다.

도 5 에 도시된 바와 같이 반사필름은 직사각형상을 갖는 직사각형 띠로서, 부착되는 직육면체결정(110)의 일 측면 너비마다 결합홈(130)이 형성되고 직육면체결정(110)의 깊이 방향으로 농도가 선형적 변화를 보이는 계조필름(112)이다.

여기서 계조필름(112)은 제 1실시예와 동일한 두께를 갖는 투명한 비닐에 반사물질인 흰색 또는 은색 페인트로 도포한 것으로서 농담의 정도가 점점이 대비될 수 있도록 반사율이 가장 높은 농도부터 완전 투명한 농도까지 표현된다.

또한, 계조필름(112)은 상부가 투명부위가 되도록 직육면체결정(110)의 일측면과 나란히 배치하되 동일하게 연속적으로 삽입되고, 일측면과 수직되는 다른 측면은 결합홈(130)과 결합가능하도록 역상으로 연속 삽입된 격자구조를 이룬다.

도 6은 단일 직육면체결정(110)에 계조필름(112)이 부착된 상태를 나타낸 도 면이다. 직육면체결정(110)의 종류, 크기, 굴절률은 제 1실시예와 동일하며, 직육면체결정(110)과 계조필름(112)의 접착에 사용되는 광학접착제 또한 제 1실시예와 동일하다.

도 7은 제 2실시예의 전체 구성을 나타낸 사시도이다. 제 2실시예에서 계조필름(112)을 제외하고 직육면체결정(110), 단층의 결정층(10), 위치감지 광전자증배관(20) 및 제어부(30)의 구성 및 그 결합은 제 1실시예와 동일하다.

제 2실시예는 상호작용깊이(h)에 따라 x축 및 y축에 부착된 반사필름의 농도를 변화시켜 섬광의 퍼짐을 조절하는 구성이라는 점에서 제 1실시예와 다르나, 이로 인해 광전자증배관(20)에서 광자의 수가 방향별로 달리 검출되는 것은 제 1실시예와 동일하다.

그리고, 직육면체결정(110)과 위치감지 광전자증배관(20)의 결합에 사용되는 광합접착제의 종류 및 굴절률 또한 제 1실시예와 동일하다.

<제 3실시예>

제 3실시예에서는 결정 및 반사 필름을 제외한 구성이 제 1실시예와 동일하다. 따라서 이하 제 1실시예와 차이점이 있는 부분을 설명한다.

도 8a는 제 3실시예의 반사필름 중 단일 형상이 마름모형상인 마름모필름(121)의 정면도이고, 도 8b는 제 3실시예의 반사필름 중 단일 형상이 삼각형상인 삼각형필름(122)의 정면도이며, 도 8c는 제 3실시예의 반사필름 중 삼각형필름(122)을 역상으로 한 역삼각형필름(123)의 정면도이다. 여기서, 필름의 재질, 반 사도 및 두께는 제 1실시예와 동일하다.

또한, 마름모필름(121), 삼각형필름(122) 및 역삼각형필름(123)의 반복되는 형상은 부착되는 결정의 각 측면 너비마다 반복되게 구성된다.

도 9a는 제 3실시예의 마름모필름(121)이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 9b는 제 3실시예의 삼각형필름(122)이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도이며, 도 9c는 제 3실시예의 역삼각형필름(123)이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도이다.

즉, 도 9a, 9b, 9c는 단일 삼각기둥체결정(120)에 반사필름이 결합된 상태를 세 방향(a면, b면, c면)에서 본 사시도이다. 도 9a, 9b, 9c에 도시된 바와 같이 삼각기둥체결정(120)의 a면에는 마름모필름(121), b면에는 삼각형필름(122), 그리고 c면에는 역삼각형필름(123)이 부착된다.

결정은 단면이 정삼각형을 갖는 삼각기둥체결정(120)이며, 결정의 종류는 제 1실시예와 동일하고 결정과 필름의 부착에 사용되는 접착제도 제 1실시예와 동일하다.

도 10은 제 3실시예의 결정과 반사필름의 결합상태의 일부를 위에서 본 평면도이다. 제 3실시예는 제 1실시예와 결정 및 반사필름이 다른 것을 제외하고 단층의 결정층을 가지며, 위치감지 광전자증배관(20) 및 제어부(30)의 구성을 갖는다는 점은 동일하다. 그리고 삼각기둥체결정(120)으로 구성된 단층의 결정층과 위치감지 광전자증배관(20)의 결합구성, 그리고 그 결합에 사용되는 광학접착제 또한 제 1실시예와 동일하다.

반사필름의 결합은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 마름모필름(121)이 삼각기둥체결정(120)의 일측면(a면)과 나란히 연속적으로 삽입 배치되고, 삼각형필름(122)은 삼각기둥체결정(120)의 나머지 다른 측면 중 한 측면(b면)에 나란히 연속적으로 삽입 배치며 나머지 한 측면(c면)은 역삼각형필름(123)이 배치되어 격자구조를 형성한다.

제 3실시예는 상호작용깊이(h)에 따라 섬광의 퍼짐을 차단 또는 통과시켜 방향에 따른 빛의 퍼짐을 다르게 하는 구성이라는 점은 제 1, 2실시예와 동일하나, 그 방향을 더욱 세분화하여 상호작용깊이(h)의 분해능을 향상시킬 수 있다는 점이 다르다. 이로 인해 위치감지 광전자증배관(20)에서 광자의 수가 방향별로 달리 검출되는 것은 제 1, 2실시예와 동일하다.

<측정 방법>

<제 1실시예>

제 1실시예에 의한 상호작용깊이(h) 측정방법은 다음과 같다. 이하 도 4에 기초하여 설명한다. 직육면체결정(110)에 반사필름을 삽입 부착하되, 일방향을 x축이라 하여 상부를 향하는 삼각톱니필름(111)을 부착하고 일방향과 수직인 방향을 y축이라 하여 하부를 향하는 삼각톱니필름(111)을 부착한다.

상호작용깊이(h)가 얕은 위치 즉, 위치감지 광전자증배관(20)으로 부터 먼 상부쪽에서 발생한 섬광은 y축 방향으로만 퍼져 x축방향으로 검출되는 광자수가 적을 것이다. 따라서, 이러한 원리로 미지의 상호작용깊이(h)를 측정하는 방법은 다 음과 같다.

도 11은 측정 방법의 흐름도이다. 이에 따라 설명하면 먼저, 감마선을 흡수한 직육면체결정(110)의 소정 위치에서 섬광이 방출되고(S100), 직육면체결정(110)의 길이방향을 따라 면적이 변화되는 삼각톱니필름(111)에 의해 섬광의 빛 퍼짐 정도가 달라진다(S200).

섬광의 분산(dispersion)에 의해 흩어진 광자가 직육면체결정(110)의 일단에 설치된 위치감지 광전자증배관(20)에 검출되고(S300), 위치감지 광전자증배관(20)에서 섬광의 광자수에 대응하는 제 1 출력신호 및 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하게된다(S400).

이후 제어부(30)는 별개 채널로 2차원의 각 방향에 따른 제 1 , 2 출력신호를 받아 직육면체결정(110)의 상호작용깊이(h)를 연산 및 표시부에 표시하게 된다.(S500)

상호작용깊이 연산방법에 대해서는 도 12를 참조하여 자세히 설명한다.

제어부(30)가 상호작용깊이(h)를 연산하는 방법은 먼저, 제 1 출력신호와 제 2 출력신호에 의해 각각의 방향에서 갖는 광자수 분산값(variance value)의 크기를 다음과 같이 연산한다.(S510)

[수학식 1] [수학식 2]

여기서 x_i와 y_i는 광감지픽셀에서 각각의 x 및 y 의 i번째 위치를 의미한다. 그리고, N_xi는 x축으로 i번째 광감지픽셀들의 카운트된 광자수의 합이며, N_yi는 y축으로 i번째 광감지픽셀들의 카운트된 광자수의 합이다. 또한, x₀는 N_xi 에 대한 x_i의 평균, y₀는 N_yi에 대한 y_i의 평균을 나타낸 것이다.

다음, 아래와 같이 분산값을 기초로 상호작용깊이 각(θ_doi)을 정의 하여 상호작용깊이를 연산한다.

도 13은 섬광에 의해 검출된 광자의 분산값을 나타낸 그래프이다. 각각의 점들은 단일 섬광에 의한 x, y방향으로 분산을 나타낸다. 도 13에 도시된 바와 같이, 직육면체결정(110)내에서 상호작용깊이(2mm, 6mm, 10mm, 14mm, 18mm는 위치감지 광전자증배관으로 부터 떨어진 거리임)에 따른 각 방향의 분산값을 측정하여 좌표평면상의 인덱스를 구비한다. 도 13의 그래프는 전체적으로 사분원의 형태를 띄게 된다. 그리고 이를 참조하여 그래프에서 사분원의 반지름방향의 중심(실험예: 55, 55 )과 측정된 2차원 분산값 좌표점 사이를 잇는 선이 x분산축과 이루는 각을 상호작용깊이 각(θ_doi)으로 정의한다.

그리고 도 13에서 도시된 바와 같이 좌표평면상의 기하학적원리에 기해 도출되는 다음의 식으로 상호작용깊이 각(θ_doi)을 알 수 있다.(S520)

[수학식 3]

위의 식으로 구한 상호작용깊이 각(θ_doi)은 상호작용깊이에 따른 위치를 알 수 있는 지표값에 해당한다. 그리고, 인덱스를 참조하면 연속적인 상호작용깊이 정보도 알 수 있다.(S530)

도 14는 각각의 상호작용깊이(2mm, 6mm, 10mm, 14mm, 18mm는 위치감지 광전자증배관으로 부터 떨어진 거리임)가 갖는 분산값들을 θ_doi(radian값) 에 따라 나타낸 히스토그램이다. x축은 θ_doi(radian값)이며 y축은 분산값의 개수이다. 도 14에 의한 상호작용깊이 분해능은 피크와 피크 사이에서의 반치폭(FWHM)으로 계산되어진 값으로 평균 1.7mm 이다.

<제 2실시예>

제 2실시예에 의한 상호작용깊이(h) 측정방법은 다음과 같다. 이하 도 7에 기초하여 설명한다. 직육면체결정(110)에 반사필름을 삽입 부착하되, 일방향을 x축이라 하여 상부가 투명한 계조필름(112)을 부착하고 일방향과 수직인 방향을 y축이 라 하여 하부가 투명한 계조필름(112)을 부착한다.

상호작용깊이(h)가 얕은 위치 즉, 위치감지 광전자증배관(20)으로 부터 먼 상부쪽에서 발생한 섬광은 y축 방향으로만 퍼져 x축 방향을 따라서 검출되는 광자수가 적을 것이다. 반대로 상호작용깊이(h)가 깊은 위치 즉, 위치감지 광전자증배관(20)으로부터 가까운 하부쪽에서 발생한 섬광은 x축 방향으로만 퍼져 y축 방향을 따라서 검출되는 광자수가 적을 것이다. 따라서, 이러한 원리로 미지의 상호작용깊이(h)를 측정하는 방법은 제 1실예와 동일하다.

<제 3실시예>

제 3실시예에 의한 상호작용깊이(h) 측정방법은 다음과 같다. 이하 도 10에 기초하여 설명한다. 삼각기둥체결정(120)에 반사필름을 삽입 부착하되, 반사필름 간에는 60°를 이루게 된다.

섬광이 발생하면 상호작용깊이(h)가 얕은 위치에서는 마름모필름(123)을 따라 광자수가 많이 검출되고, 상호작용깊이(h)가 결정길이의 절반정도인 곳은 삼각형필름(121)을 따라 광자수가 많이 검출되며, 상호작용깊이(h)가 깊은 위치에서는 역삼각형필름(122)을 따라 광자수가 많이 검출된다. 따라서, 이러한 원리로 미지의 상호작용깊이(h)를 측정하는 방법은 제 1실예와 동일하다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반사필름을 나타낸 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 반사필름간의 결합을 나타낸 조립 사시도.

도 3은 제 1실시예의 반사필름이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도.

도 4는 제 1실시예의 전체 구성을 나타낸 사시도.

도 5는 제 2실시예의 반사필름을 나타낸 정면도.

도 6은 제 2실시예의 반사필름이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도.

도 7은 제 2실시예의 전체 구성을 나타낸 사시도

도 8a는 제 3실시예의 반사필름 중 마름모필름의 정면도.

도 8b는 제 3실시예의 반사필름 중 삼각형필름의 정면도.

도 8c는 제 3실시예의 반사필름 중 역삼각형필름의 정면도.

도 9a는 제 3실시예의 마름모필름이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도.

도 9b는 제 3실시예의 삼각형필름이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도.

도 9c는 제 3실시예의 역삼각형필름이 단일 결정의 표면에 부착된 상태를 나타낸 사시도.

도 10은 제 3실시예의 결정과 반사필름으로 구성된 결정층의 일부 평면도.

도 11은 상호작용깊이(h) 측정방법의 전체 흐름도.

도 12는 상호작용깊이(h) 연산방법의 흐름도.

도 13은 결정내에서 상호작용깊이(위치감지 광전자증배관으로 부터 2mm, 6mm, 10mm, 14mm, 18mm 떨어진 위치)에 따른 각 방향의 분산값(variance value)을 도시한 그래프.

도 14는 상호작용깊이 각(θ_i)에 따른 상호작용깊이 분산값의 히스토그램이다.

<주요 부분의 도면번호>

10: 결정층

110: 직육면체결정 120: 삼각기둥체결정 130: 결합홈

111: 삼각톱니필름 112: 계조필름 121: 마름모필름 122: 삼각형필름

123: 역삼각형필름

20: 위치감지 광전자증배관 200: 광감지픽셀

30: 제어부

Claims

감마선을 흡수하는 복수의 결정이 인접하여 연속 배열되는 단층의 결정층(10);

상기 결정의 일단에 설치되어 상기 감마선에 의해 상기 결정층(10)에서 발광되는 섬광을 검출하는 섬광검출기;를 포함하는 상호작용깊이 측정장치에 있어서,

상기 결정에는 상기 결정의 길이방향을 따라 투과율을 선형적으로 변화시키는 변화수단을 포함하고,

상기 섬광검출기는 일방향에 따른 제 1 출력신호 및 상기 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하고,

상기 제 1 출력신호 및 상기 제 2 출력신호에 기초하여 상기 결정층(10)에서의 상호작용깊이를 연산하는 제어부(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 변화수단은 상기 결정의 길이 방향에 따른 반사물질의 코팅 농도에 기초한 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 2항에 있어서,

상기 반사물질은 흰색 또는 은색의 페인트인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 변화수단은 상기 결정들 사이에 삽입되는 반사필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 4항에 있어서,

상기 반사필름은 상기 결정의 길이 방향에 따른 상기 반사필름의 기하학적 변화에 기초하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 5항에 있어서,

상기 반사필름은, 길이방향의 일변에 상기 결정의 너비를 밑변으로 하고 상기 결정 길이의 절반을 높이로 하는 삼각형상이 구비되어, 상기 결정의 너비마다 상기 삼각형상이 반복 형성된 긴 띠모양의 삼각톱니필름(111)인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 6항에 있어서,

상기 결정은 정방형의 단면을 가지는 직육면체결정(110)이고,

상기 삼각톱니필름(111)은, 상기 직육면체결정(110)의 일측면과 나란히 연속적으로 배치하되 상기 일측면과 수직하는 측면으로는 역상으로 삽입 배치된 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 7항에 있어서,

상기 직육면체결정(110)은 미가공 표면에 굴절률이 1.82 이며,

상기 결정층(10)은, 상기 직육면체결정(110)의 배열이 29행 29열의 정방형인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 8항에 있어서,

상기 직육면체결정(110)의 크기는, 1.5mm 의 일변을 갖는 정방형 단면에 길이가 12mm ~ 24mm 인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 5항에 있어서,

상기 반사필름은, 길이방향 일변에 동일 형상이 상기 결정 일측면 너비마다 반복되는 띠모양의 필름으로서, 단일 형상이 마름모형상인 마름모필름(121) 또는 삼각형상인 삼각형필름(122)인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 10항에 있어서,

상기 결정은 정삼각 단면을 가지는 삼각기둥체결정(120)이고,

상기 마름모필름(121)은 상기 삼각기둥체결정(120)의 일측면과 나란히 연속적으로 배치되고,

상기 삼각형필름(122)은 상기 일측면과 교차하는 다른 측면 중 하나에 나란히 연속적으로 배치하되 나머지 측면에는 상기 삼각형필름(122)을 역상으로 한 역삼각형필름(123)이 연속적으로 배치된 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 4항에 있어서,

상기 반사필름은 상기 결정의 길이 방향에 따른 상기 반사필름의 농도 변화 에 기초한 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 12항에 있어서,

상기 반사필름은, 직사각형상을 갖는 직사각형 띠로서 상기 결정 일측면 너비마다 결합홈(130)이 형성되고 상기 결정의 길이 방향으로 농도 변화가 선형적인 계조필름(112)인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 13항에 있어서,

상기 계조필름(112)은 투명 비닐에 흰색 또는 은색 페인트로 도포한 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 13항에 있어서,

상기 결정은 정방형의 면을 가지는 직육면체결정(110)이고,

상기 계조필름(112)은 상부가 투명부위가 되도록 상기 직육면체결정(110)의 일측면과 평행하게 연속적으로 삽입 배치되고, 상기 일측면과 수직되는 다른 측면으로는 상기 결합홈(130)과 결합 가능하도록 상기 계조필름(112)을 역상으로 하여 연속 삽입 배치된 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 결정은 LSO, BGO, NaI 결정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 섬광검출기는 하나 이상의 광감지픽셀(200)이 구비된 위치감지 광전자증배관(20)인 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 17항에 있어서,

상기 위치감지 광전자증배관(20)은,

상기 결정층(10)과 결합하는 상기 광감지픽셀(200)이 16행 16열 또는 8행 8열의 정방형구조로 배열된 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정장치.
제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 상기 상호작용깊이 측정장치를 이용하 는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 양전자 방출 단층촬영장치.
감마선을 흡수한 복수 결정의 소정 위치에서 섬광이 방출되는 단계(S100);

상기 결정의 길이방향을 따라 투과율이 선형적으로 변화되는 상기 결정 또는 반사필름에 의해 섬광의 분산 정도가 조절되는 단계(S200);

상기 결정의 일단에 설치된 섬광검출기(400)에 상기 섬광이 검출되는 단계(S300);

상기 섬광검출기에서 상기 섬광에 대응하는 일방향에 따른 제 1 출력신호 및 상기 일방향에 직각인 방향에 따른 제 2 출력신호를 각각 출력하는 단계(S400);및

제어부(30)가 상기 제 1 출력신호 및 상기 제 2 출력신호에 기초하여 상기 결정의 상호작용깊이를 연산하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정 방법.
제 20항에 있어서,

상기 상호작용깊이 연산단계(S500)는,

상기 제 1 출력신호와 상기 제 2 출력신호에 의해 각각의 방향에서 광자수 분산값의 크기를 연산하는 단계(S510);

상기 광자수 분산값을 기초로 상호작용깊이 각을 도출하는 단계(S520);및

상기 상호작용깊이 각에 기초하여 상기 상호작용깊이를 연산하는 단계(S530);를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정 방법.
제 21항에 있어서,

상기 상호작용깊이 각은 다음의 수학식

에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 빛 퍼짐을 이용한 상호작용깊이 측정 방법.(θ_doi는 상호작용깊이 각, σ_x ²은 x축 분산값, σ_y ²은 y축 분산값임.)