KR20140026880A - 섬광검출기 반응깊이 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 마이크로 셀로 구성된 실리콘광증폭기에서 가시광선 광자가 검출된 마이크로 셀들의 공간적 분포 정보와 광자검출 시간을 이용하여 3차원적인 방사선 검출위치 및 깊이를 측정하는 섬광검출기 반응깊이 측정방법에 관한 것이다.

Description

섬광검출기 반응깊이 측정방법{Measurement Method of Depth of Interaction in Scintillation Detector}

본 발명은 방사선 검출 위치 추정 기술에 관한 것으로, 특히 본 발명은 섬광검출기 내의 방사선 검출위치를 추정하기 위한 기존의 기술들이 있으나 본 발명에서 제안하는 기술은 섬광체와 광센서가 1:1로 접합된 고성능 섬광검출기 개발에 적합한 섬광검출기 반응깊이 측정방법에 관한 것이다.

섬광검출기(scintillation detector)는 대표적인 방사선검출기로 방사선의 에너지를 흡수하여 이를 자외선이나 가시광선으로 변환시켜주는 섬광체(scintillator)와 섬광체로부터 방출된 자외선이나 가시광선을 검출하는 광센서로 구성된다. 방사선이 섬광체와 반응하면 섬광체에서는 수천에서 수만개의 광자가 수 ns에서 수백 ns의 시간동안 랜덤하게 발생하고 광센서는 이들 중 일부와 반응하여 신호를 출력해 준다.

섬광체에서 방출된 빛을 전기 신호로 변환해 주는 광센서로는 광전자증배관과 광다이오드 등이 사용된다. 이 중에 가장 보편적으로 사용되는 것이 광전자증배관인데, 광전자증배관은 크게 두 가지 기능을 한다. 첫째는 섬광결정에서 발생한 광자를 전기 신호로 변환하는 것이고, 둘째는 이 전기신호를 후단의 전기회로에서 사용할 수 있을 정도의 크기로 증폭하는 것이다. 반도체검출기는 일종의 반도체 다이오드(diode)로 전리방사선뿐 아니라 가시광선이나 자외선을 검출하는데 사용되기도 하는데 이러한 광센서를 통상 광다이오드(photodiode)라 하며 섬광검출기에서 광전자증배관을 대신하여 사용되기도 한다.

광전자 증배관에 비하여 광다이오드는 크기가 작아 고해상도의 영상시스템을 위한 광센서로 적합하며, 전체 시스템의 크기를 소형화하는데 유리하다. 또한 가시광선에서 전자로 전환되는 양자효율(quantum efficiency)이 광전자 증배관보다 우수하다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 광다이오드는 수 mm2의 단면적을 갖는 작은 섬광체와 일대일 결합(coupling)이 가능하므로 섬광결정에서 발생한 빛을 수집하는 수광 성능을 극대화 시킬 수 있어, 섬광검출기의 에너지분해능 및 시간분해능을 최적화하기에 유리하다.

광다이오드의 한 종류인 실리콘광증폭기(SiPM: silicon photo-multiplier)는 도 2에 도시된 바와 같이, 가이거 모드에서 동작하는 APD(avalanche photodiode) 셀(이하 ‘마이크로셀’이라 하자)들을 병렬로 연결한 형태를 갖는데 mm2당 수백에서 수천 개의 셀로 구성되어 있다.

각각의 셀은 독립적으로 광자를 검출하고 신호를 증폭하는데 가이거 모드에서 동작하므로 외부에서 광자가 들어오면 일정한 크기의 출력신호를 낸다. 병렬로 연결된 셀들의 신호를 합친 전체 출력신호는 따라서 광자가 검출된 셀 수에 비례하므로, 입사된 광자수에 비례하는 출력신호를 내어 방사선의 에너지 정보도 제공한다. 광전자 증배관에 필적할 만한 높은 신호증폭률을 보이며, 시간 분해능이 우수하고 100 V 이하의 낮은 동작 전원을 갖는 장점이 있다. 실리콘광증폭기는 SiPM, SSPM, GAPD, MPPC 등의 이름으로도 불리고 있다.

이러한 실리콘광증폭기 내부의 각 마이크로 셀은 광자를 검출하면 일정 크기의 출력신호를 방출하므로, 일정 역치 이상의 출력신호가 발생하면 각 마이크로 셀 출력신호 검출 여부 및 크기를 기록하고 출력신호가 발생한 시간을 측정할 수 있다.

현재 섬광검출기 내의 방사선 검출위치를 추정하기 위한 기존의 기술들이 있으나, 보다 정확한 위치를 추정할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 섬광결정과 실리콘증폭기를 접합한 섬광검출기의 섬광결정에 발생한 빛들이 마이크로 셀들에서 검출되는 공간적 분포와 시간적 분포를 측정 분석하여 섬광체 내에서 방사선이 검출된 위치 정보를 추정하는 섬광검출기 반응깊이 측정방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 특징에 따르면 다수의 마이크로 셀로 구성된 실리콘광증폭기에서 가시광선 광자가 검출된 마이크로 셀들의 공간적 분포 정보와 광자검출 시간을 이용하여 3차원적인 방사선 검출위치 및 깊이를 측정하는 섬광검출기 반응깊이 측정방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 섬광체내에서 방사선 반응위치의 3차원 좌표 정보를 보다 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한 방사선원(source)의 위치 추정 및 이를 기반으로 한 2차원 또는 3차원 방사선원 영상의 공간해상도 및 공간해상도의 균일도(uniformity)를 개선할 수 있으며, 이를 이용하여 섬광검출기에서 방사선이 검출된 시간 측정의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 종래의 섬광체와 광다이오드의 결합을 보인 도면이다.
도 2는 종래의 마이크로 셀로 구성된 실리콘 광증폭기의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬광체 내의 빛 퍼짐과 반응셀 분포 차이를 이용한 감마선 반응 위치 판별 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 섬광체 내의 빛 퍼짐과 반응셀 분포 차이를 이용한 감마선 반응 깊이 판별 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 섬광검출기 반응깊이 측정시스템의 블록 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 섬광검출기 반응깊이 측정방법을 상세히 설명한다.

설명에 앞서 본 발명은 섬광체와 광센서, 전단회로, 신호획득장치 등으로 구성되는 섬광검출기에서 방사선이 섬광체내에서 검출된 위치 및 깊이를 추정하기 위한 새로운 기술이다. 다수의 마이크로 셀로 구성된 실리콘광증폭기에서 가시광선 광자가 검출된 마이크로 셀들의 공간적 분포 정보와 광자검출 시간을 이용하여 3차원적인 방사선 검출위치 및 깊이를 측정한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬광체 내의 빛 퍼짐과 반응셀 분포 차이를 이용한 감마선 반응 위치 판별 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 정의된 x-y 평면상에서 광자가 들어온 마이크로셀(이하 ‘반응셀’이라 한다)들의 중심위치를 계산하면 섬광체 내에서 방사선이 검출된 위치의 (p, q) 정보를 얻을 수 있다. 즉 그림 3은 방사선의 섬광체의 서로 다른 두 위치에서 방사선이 검출된 경우의 반응셀의 분포가 다름을 보여 주고 있다.

간단한 예로 다음의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 반응셀 분포의 중심위치를 구하여 방사선 검출위치를 추정할 수 있다.

상기에서 (xi, yi)는 각 마이크로 셀의 좌표이며, N은 마이크로 셀의 총수이다. 해당 마이크로 셀이 반응셀인 경우 ai는 1 또는 0이 아닌 값을 갖고, 반응셀이 아닌 경우 0의 값을 갖는다. 함수 f와 g는 임의의 형태를 갖는다.

또한 반응셀의 분포로부터 섬광체 내에서 감마선이 검출된 깊이 정보 r(반응깊이)을 추정할 수 있는데, 예컨대 다음의 2가지 방법이 있다.

(첫번째 방법)

도 4에 도시된 바와 같이 첫 번째(또는 n번째) 광자가 검출된 후 일정시간(τ) 까지 광자가 들어온 반응셀들의 공간적 분포가 퍼져 있는 정보를 측정하여 깊이 정도 r을 추정한다.

반응깊이가 광센서에 가까우면 섬광체에서 발생한 빛이 퍼질 수 있는 거리 및 시간이 충분치 않아 반응셀들이 특정 부분에 모여 있으며, 반응깊이가 광센서에서 멀어지면 빛이 많이 퍼져 반응셀들이 넓게 퍼지게 되므로, 반응셀들의 퍼짐 정보를 이용하여 반응깊이(depth of interaction: DOI)를 추정한다.

분포를 추정하는 시간 τ가 너무 길면 대부분의 마이크로 셀들이 반응셀이 되므로 반응깊이를 추정하는 대조도가 낮아진다. 따라서 시간 τ는 최상의 반응깊이 대조도를 얻는 시간으로 조정될 수 있다. 반응셀들의 퍼짐 정도를 측정하기 위하여 반응셀 분포 (xi, yi)의 분산 등을 측정할 수 있다.

(두번째 방법)

반응깊이를 추정하기 위하여 각 마이크로셀에 빛이 들어온 시간(t) 정보를 이용할 수 있다. 즉 반응깊이가 광센서와 가까우면 짧은 시간 동안 많은 광자가 동시에 들어오고, 반응깊이가 광센서와 멀면 광자들이 들어오는 분포도 넓어지는 현상을 이용한다. 예를 들면 시간 t 분포의 평균시간(tm)을 구하여 깊이 정보를 추정할 수 있다. 또 다른 예로 첫 번째(또는 n번째) 광자가 검출된 후 일정시간(τ1) 까지 반응한 반응 셀의 개수와 일정 시간 후 τ2까지 반응한 반응 셀의 개수를 비교하여 깊이 정보를 추정할 수 있다. 이를 각각 N1, N2라 하면 N1/N2는 반응깊이가 광센서와 가까우면 크고, 멀면 작아지는 현상을 이용한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 섬광검출기 반응깊이 측정시스템의 블록 구성도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각 마이크로 셀의 출력신호가 신호판별기와 신호측정기를 거치면서 얻게 되는 반응셀의 시간(ti) 및 공간 정보 (xi, yi)를 이용하여 반응셀의 시간 및 공간 분포를 추정하는 시간추정기와 공간추정기로 구성되며 추정된 시간 및 공간 관련 신호는 메인보드를 거쳐 컴퓨터로 전달된다.

본 발명은 양전자방출단층촬영(positron emission tomography: PET), 단일광자방출단층촬영(single photon emission computed tomography: SPECT), 컴프턴카메라(Compton camera), 전산화단층촬영(computed tomography: CT)와 같은 의료용 방사선기기에서 실시할 수 있다. 방사선이 검출되면 섬광체 내에서 방사선이 검출된 위치 정보를 제공한다. 이를 통해 공간해상도 및 공간해상도 균일도를 개선할 수 있으며, 시간해상도를 개선할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 다수의 마이크로 셀로 구성된 실리콘광증폭기에서 가시광선 광자가 검출된 마이크로 셀들의 공간적 분포 정보와 광자검출 시간을 이용하여 3차원적인 방사선 검출위치 및 깊이를 측정하는 섬광검출기 반응깊이 측정방법.

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