KR20220151697A - 감마선 검출 시스템 및 그 보정 방법 - Google Patents
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Abstract
감마선 검출 시스템(10)은, 신호 처리 및 제어 시스템(30)을 포함하는 계산 시스템과, 타겟 구역(4)으로부터의 감마선 방출을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 모듈(14)을 포함하는 검출 모듈 어셈블리(13)와, 일반적으로 타겟 구역을 향하도록 배향된 주표면(40a) 및 섬광층의 가장자리를 정의하는 횡방향 부표면(40b)을 갖는 적어도 하나의 모놀리식 섬광판(16)을 포함하는 각각의 검출 모듈, 및 상기 적어도 하나의 섬광판에 결합되고 신호 처리 및 제어 시스템에 연결된 복수의 광자 검출기를 포함한다. 섬광판은 광자 검출기에 의해 측정 가능한 강도를 갖는 하나 이상의 섬광판 내에서 고유의 섬광 이벤트를 유발하는 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 재료를 포함한다. 감마선 검출 시스템은 광자 검출기에 의한 복수의 고유의 섬광 이벤트 출력(37)의 측정에 기초하여 공간 보정 절차를 실행하도록 구성된 보정 모듈을 포함하고, 공간 보정 절차는 광자 검출기의 출력의 함수로서 섬광판에서 섬광 이벤트의 공간적 위치를 결정하는 것이다.
Description
본 발명은 이온빔 방출 장치용 감마선 검출 시스템 및 감마선 검출 시스템의 보정 방법에 관한 것이다. 이온빔 방출 장치는, 특히, 이온빔 치료용 의료 장치, 예를 들어, 종양의 양성자 빔 조사용 의료 장치에 관한 것일 수 있다. 검출 시스템은 감마선을 검출하기 위한 것이다. 검출 시스템은, 이온빔 치료 처치 동안, 선량(dose) 및 구역 모니터링에 사용될 수 있다. 검출 시스템의 사용은 인간이나 동물에 대한 조사 치료(irradiation therapy)에만 국한되지 않고, 기존의 양전자 방출 단층 촬영(PET: Positron Emission Tomography) 스캐너 또는 다른 용도의 컴프톤 카메라(Compton camera)로도 사용될 수 있다.
양성자 또는 이온빔 치료는 외부 방사선 치료의 가장 정확한 방법 중 하나이다. 높은 입사 선량을 갖고 신체를 통과하면서 점차 감소하는 광자 빔과는 달리, 이온빔은 조직을 관통하여, 대부분의 에너지를 브래그 피크(Bragg peak)로 알려진 트랙 단부의 근처에 축적할 수 있다. 본 명세서에서, 일반적인 의미에서의 "이온"이라는 용어는 또한 양성자를 포함하는 음으로 하전되거나 양으로 하전된 이온을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
방사선 치료를 위한 기존의 이온빔 시스템에서, 방사선의 선량은 일반적으로 타겟 조직 구역을 향하여 지향되는 정의된 에너지의 좁은 빔에 의해 전달되며, 빔의 침투 깊이는 빔의 에너지를 변조함으로써 제어된다. 조직을 통과하는 동안, 이온은 핵 반응을 일으키며, 그 중 일부는 감마선을 방출한다. 처치 모니터링을 위해 감지될 수 있는 감마선에는 두 가지 유형이 있다. 1) 양전자 방출 동위원소의 생성에서 나오는 일치 감마선. 2) 목표 핵의 여기로부터의 즉발 감마선(prompt gamma ray). 제 1 유형은 환자의 방사선량이 정확히 어디에 축적되었는지에 대한 정보를 제공하기 위해 양전자 방출 단층 촬영(PET: positron emission tomography) 스캐닝을 사용하여 검출될 수 있다.
임상 과정에서 사용되는 기존의 PET 스캐닝은 다음과 같이 수행될 수 있다.
- 오프라인(off-line) 처리, 환자가 조사실에서 PET 스캐너를 수용하는 다른 방으로 이송되는 동안, 방사선 조사 후 종종 몇 분 지연되어 PET 스캔이 이루어진다. 수명이 몇 분 정도인 동위원소만 검출될 수 있다.
- 인룸(In-room) 처리, 처치실에 설치된 PET 스캐너를 사용하여, 방사선 조사 직후에 PET 스캔이 수행된다. 조사와 스캐닝 사이의 지연은 오프라인 시스템에 비해 감소하지만, 환자를 치료 위치에서 PET 스캐너로 이동시키는 데에는 여전히 약간의 지연이 있다.
- 인빔(In-beam) 처리, 치료 부위 또는 직접적으로 갠트리에 통합된 맞춤형 PET 스캐너를 사용하여 방사선 조사하는 동안, 양전자 소멸 활동을 측정한다. 실시간 데이터 수집을 통해, 수명이 짧은 동위원소로부터의 감마선이 검출될 수 있으므로, 더욱 정확한 선량 및 범위 제어가 가능하다.
양성자 빔 범위를 검증하기 위해 기지의 또 다른 기술은, 예를 들어, 컴프톤 카메라를 사용하여 즉발 감마선(PG: prompt gamma ray) 방출을 측정하는 것이다. PG 방출은 양성자 빔 방출과 실질적으로 동시에 이루어지며, 따라서 치료 중 방출 및 검출 사이에 본질적으로 지연이 없다. 따라서, PG 검출을 통해 상당한 범위 편차를 신속 검출할 수 있지만, PG 검출은 처치 동안 수행되어야 하고 이미지 재구성은 처리하기가 더 복잡하다.
일치 감마선과 즉발 감마선의 정확한 검출은 검출 시스템의 보정이 필요할 수 있다.
개별 결정의 배열이 광자 검출기의 배열에 결합된 기존의 분할 검출기에서는, 어떤 개별 결정에서 섬광 이벤트(scintillating event)가 발생했는지를 식별하기에 충분하다. 따라서, 섬광 결정의 치수에 해당하는 정밀도로 섬광 이벤트의 공간 좌표를 결정할 수 있다. 하나의 신틸레이터(scintillator)에서 생성된 빛이 단일 광자 검출기 채널에 결합되는 일대일 결합이 사용되는 경우, 공간 보정은 불필요하다.
모놀리식 결정 감마선 검출기("모놀리식 검출기")는 PET 스캐너에 점점 더 많이 사용된다. 가장 일반적인 구성은 광자 검출기의 2차원 배열이 모놀리식 섬광 결정의 최대면 중 1개 또는 2개를 덮는 면 결합 검출기이다. 이와 같은 구성은 섬광 이벤트와 광자 검출기 사이의 광학 경로 길이가 비교적 짧지만, 전체 면을 커버하기 위해서는 비교적 많은 수의 광자 검출기가 필요하다. 대안적인 구성은, 예를 들어, WO 2018/081404 A1에 기술된 바와 같은 가장자리 결합형 검출기이며, 여기서, 광은 모놀리식 신틸레이터의 가장자리에서 수집된다. 이것은 광자 검출기의 총수를 감소시키지만, 광학 경로 길이를 증가시킨다. 어떤 경우에도, 모놀리식 검출기의 장점은, 기존의 분할 결정 감마선 검출기에서와 같이, 공간 분해능이 개별 결정 세그먼트의 유한한 크기에 의해 제한되지 않는다는 것이다. 모놀리식 검출기의 또 다른 장점은, 섬광 결정 및 광자 검출기의 수를 크게 줄일 수 있기 때문에, 잠재적으로 제조 비용이 더 저렴하다는 것이다.
모놀리식 검출기의 각 섬광 이벤트에 대해, 여러 광자 검출기가 빛에 노출될 수 있으며, 섬광 이벤트의 원래 좌표를 결정하기 위해 추가 분석이 필요하다. 공간 보정 절차, 즉, 다중 광자 검출기의 응답을 모놀리식 신틸레이터 내부 위치에 매핑하는 것은 분할 검출기보다 더 복잡하다. 기존의 보정 방법에는 다음이 포함된다.
1:
시준된
점 광원 사용한 보정
모놀리식 검출기를 보정하는 제 1 방법은 기지의 에너지로 시준된 방사선원에 노출시키는 것이다. 입사광의 위치와 방향이 잘 기지이기 때문에, 방사선에 대한 각 채널의 응답은 흡수된 방사선의 좌표의 함수로 특성화될 수 있다. 광원은 로봇 시스템에 의해 검출기 면을 가로지르는 서로 다른 위치에서 충분한 데이터를 획득하기 위해 검출기에 대해 상대적으로 이동될 수 있다. 이와 같은 프로세스는 시간이 많이 걸리고, 특수 장비(시준된 광원 및 로봇 시스템)와 복잡한 제어 프로세스가 필요하다.
2: 다중 팬 빔[
Xin
2019]
제 2 방법은 검출기를 다중 팬 방사 빔, 예컨대, xz-평면 내의 하나의 팬, yz-평면 내의 다른 팬 및 아마도 xy-평면 내의 세 번째 팬에 노출시키는 것이다. 데이터 처리 알고리즘은, 예컨대, xz-평면 및 yz-평면의 2개의 팬에서 획득된 신호의 공통 데이터 세트를 추출하는 데 사용된다. 이 공통 데이터 세트는 두 평면의 교차점에 해당한다. 신틸레이터 부피를 가로질러 팬 빔을 배치하면, 검출기의 전체 3차원 공간 보정이 이루어진다. 팬 빔당 보정 위치의 수는 시준된 광원을 사용하는 보정 위치의 수에 비해 상당히 감소시킬 수 있지만, 이 프로세스는 마찬가지로 특수 장비(팬 광원, 기계식 액추에이터)와 복잡한 제어 프로세스가 필요하다. 이러한 제 2 방법은 제조 동안에는 실용적일 수 있지만, 최종 사용자의 구내(예컨대, 병원 또는 실험실)에 사전 설치된 검출 시스템의 보정에는 다음과 같은 단점이 있다.
- 보정에 필요한 모든 보조 장비의 설치가 필요하다.
- 교차 데이터 서브세트를 적절하게 선택하기 위해서는, 신틸레이터 내부의 섬광 이벤트의 공간 분포에 대한 정확한 지식이 필요하다. 이 분포는, 예컨대, 베어 신틸레이터가 방사선원에 직접 노출될 때, 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 계산하는 것이 매우 간단하지만, 이미 조립된 검출 시스템의 경우, 기하학은 훨씬 더 복잡하다.
- 팬 빔을 배치하고 조준하는 데 사용 가능한 공간은 제한될 수 있다.
- 각 신틸레이터는 개별적으로 보정되어야 한다.
- 보정 장비를 설치하고 보정을 수행하고 보정 장비를 제거하려면, 수동 작업이 필요하다.
- 높은 방사성 보정 광원을 사용하면, 보정 동안에 검출실에 대한 접근이 금지되거나 제한된다.
3:
시준되지
않은 광원[
Palomares2019
]
제 3 방법은 검출기를, 예컨대, 점 광원(point source)과 같은 시준되지 않은 방사선원에 노출시키고, 많은 수의 샘플을 "맹목적으로" 획득하는 것이다. 그런 다음, 이 데이터 세트는 코호넨(Kohonen)의 자기 조직화 맵(SOM: self-organizing map)과 같은 자기 조직화 기술을 사용하여 추가로 처리될 수 있다[코호넨 1982]. 섬광 결정당 개별 광자 검출기의 수가 M인 경우, 자기 조직화 기술은 본질적으로 M 차원 데이터 세트의 각 샘플을 신틸레이터 단면 또는 부피에 해당하는 뉴런 또는 노드의 2차원 또는 3차원 격자에 매핑하는 역할을 한다. M 차원 공간에서 유사한 데이터 샘플은 신틸레이터 단면 또는 부피에서 인접 샘플이 될 것이다. 예측된 섬광 이벤트 분포와 매칭시키기 위해, 신틸레이터 부피 내의 결과 샘플 밀도 분포에 대한 추가 보정이 필요할 수 있다.
이 방법의 장점은 이동식 보정 장비를 필요로 하지 않는다는 것과 복수의 검출기 모듈을 동시에 보정할 수 있다는 것을 포함한다.
그러나, 몇 가지 단점은 다음과 같다.
- 자기 조직화 맵을 적절하게 수정하기 위해서는, 각 신틸레이터 내부의 섬광 이벤트 분포에 대해 상세한 예측이 필요하다. 각 유형의 검출기 구성에 대한 몬테카를로 시뮬레이션이 필요하다.
- 대형 검출기 어셈블리의 경우, 단일 광원은, 신틸레이터와 광원 사이의 거리로 인해, 허용 시간 내에 모든 모듈에 대한 충분히 큰 보정 세트를 산출하기에 충분하지 않을 수 있다.
- 대형 검출기 어셈블리의 경우, 모든 개별 신틸레이터를 보정하기 위해, 다중 광원 또는 단일 점 광원의 반복적인 이동이 여전히 필요할 수 있다.
- 광원과 보정될 하나 이상의 신틸레이터 검출기(들) 사이의 경로는 물체(예컨대, 테이블, 소파 또는 로봇 팔)에 의해 방해받을 수 있으며, 방해하는 물체 및/또는 방사선원이 이동되는 경우에 연속적인 보정이 필요하다.
- 광원은 보정할 각 신틸레이터에 대해 정확하고 정밀하게 배치해야 한다. 이전 보정 방법과 마찬가지로, 이는 이미 조립 및 설치된 시스템에서는 어려울 수 있다.
- 보정을 수행하기 위해서는, 수동 개입, 높은 방사선원의 운반 및 취급, 및 실내 점유 등이 여전히 필요하다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
US 10,393,895(Palomares 2019)
WO 2019/183594 A1(Xin 2019)
[비특허문헌]
Alva - Sanchez2018: H. Alva-Sanchez et.al, Understanding the intrinsic radioactivity energy spectrum from 176 Lu in LYSO / LSO scintillation crystals, Scientific Report 8, Art 17310 (2018)
Afanaciev2015: Afanaciev, K.G., Artikov, A.M., Baranov, V.Y. et al. Response of LYSO:Ce scintillation crystals to low energy gamma-rays. Phys. Part. Nuclei Lett. 12, 319-324 (2015). https://doi.org/10.1134/S1547477115020028
Kohonen1982: Kohonen, T. Self-organized formation of topologically correct feature maps. Biol. Cybern. 43, 59-69 (1982). https://doi.org/10.1007/BF00337288
Berger2005 : Berger, M.J., Coursey, J.S., Zucker, M.A., and Chang, J. (2005), ESTAR, PSTAR , and ASTAR : Computer Programs for Calculating Stopping-Power and Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions (version 2.0.1). [Online] Available: http://physics.nist.gov/Star. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD [accessed 2020-01-31].
Delzanno2008: G. L. Delzanno et.al, An optimal robust equidistribution method for two-dimensional grid adaptation based on Monge - Kantorovich optimization, Journal of Computational Physics 227 (2008) 9841-9864. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2008.07.020
Other references
Kohonen's Self-Organizing Map description:
본 발명의 일반적인 목적은 이온빔 방출 장치에 통합하기 위한 비용 효율적이고 정확한 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이다.
특정 애플리케이션 중 하나의 이온빔 방출 장치는 이온빔 방출 치료를 위한 의료 분야에 있다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 경제적이고 효율적인 방식으로 보정될 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이다.
수동 개입 없이 또는 최소한의 수동 개입을 통해 자동화된 방식으로 보정될 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
정확하고 신뢰할 수 있는 검출을 위해 경제적이고 효율적으로 보정될 수 있는, 휴대 가능하거나 이동 가능한 애플리케이션이나 자주 변경될 수 있는 작동 환경을 위한 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
광자 검출기의 응답에 상당한 영향을 미치고 새로운 보정을 필요로 하는 주변 온도와 같이 매일 또는 계절적 변화로 인해 필요에 따라 쉽게 보정될 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
높은 정밀도로 1차 관심 감마선 에너지(511 keV)로 편리하고 구체적으로 보정될 수 있는 PET-스캐닝 애플리케이션용 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
88 및 681 keV 사이의 모든 에너지에 대해 편리하게 보정 및 검증할 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
개별 광자 검출기 사이의 상대적인 타이밍 오프셋이 보정될 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
개별 광자 검출기의 에너지 의존 타이밍 오프셋이 보정될 수 있는 감마선 검출 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 신호 처리 및 제어 시스템을 포함하는 계산 시스템, 타겟 구역으로부터의 감마선 방출을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 모듈을 포함하는 검출 모듈 어셈블리 - 각각의 검출 모듈은, 일반적으로 타겟 구역을 향하도록 배향된 주표면 및 섬광층의 가장자리를 정의하는 횡방향 부표면을 갖는 적어도 하나의 모놀리식 섬광판을 포함함 -, 및 상기 적어도 하나의 섬광판의 가장자리에 결합되고 신호 처리 및 제어 시스템에 연결된 복수의 광자 검출기를 포함하는 감마선 검출 시스템이 본 명세서에 개시된다. 모놀리식 섬광판은 광자 검출기에 의해 측정 가능한 강도를 갖는 고유의 섬광 이벤트를 유발하는 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 재료를 포함한다. 감마선 검출 시스템은 복수의 광자 검출기에 의해 출력된 복수의 상기 고유의 섬광 이벤트의 측정에 기초하여 공간 보정 절차를 실행하도록 구성된 보정 모듈을 포함하고, 공간 보정 절차는 광자 검출기의 출력의 함수로서 섬광판에서 섬광 이벤트의 공간적 위치를 결정하는 것이다.
일 실시예에서, 상기 섬광판은 섬광 재료층 및 상기 섬광 재료층의 주표면 상에 또는 인접하여 배열된 방사성 재료층을 포함할 수 있으며, 상기 방사성 재료층은 동위원소가 본질적으로 방사선을 방출하는 상기 재료를 구성한다.
다른 실시예에서, 상기 섬광판은 동위원소가 본질적으로 방사선을 방출하는 상기 재료를 구성하는 방사성 재료로 합성 도핑된 섬광 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 섬광판은 자연 발생 동위원소, 예를 들어, 루테튬을 함유하는 섬광 결정을 포함할 수 있고, 보정 프로세스는 고유 방사성 활성, 예를 들어, Lu-176 활성을 사용한다.
유리한 실시예에서, 신호 처리 및 제어 시스템은 사전 정의된 상위 에너지 레벨 이상의 광자 검출기 측정 출력을 배제하도록 구성된 에너지 필터를 포함한다.
실시예에서, 사전 정의된 상위 에너지 레벨은 약 200 keV 내지 약 1,200 keV 범위의 값을 가질 수 있다.
유리한 실시예에서, 사전 정의된 상위 에너지 레벨은 약 200 keV 내지 약 400 keV 범위, 바람직하게는 약 200 keV 내지 약 230 keV 범위, 예를 들어, 약 202 keV의 값을 가질 수 있다.
실시예에서, 에너지 필터는 사전 정의된 에너지 하한값 미만의 광자 검출기 측정 출력을 배제하도록 추가 구성될 수 있다.
실시예에서, 사전 정의된 에너지 하한값은 약 0 keV 내지 약 90 keV의 범위에 있을 수 있다.
유리한 실시예에서, 사전 정의된 하위 에너지 레벨은 약 20 keV 내지 약 90 keV 범위, 바람직하게는 약 65 keV 내지 약 90 keV 범위, 예를 들어, 약 88 keV의 값을 가질 수 있다.
유리한 실시예에서, 감마선 검출 시스템은 적어도 2개의 섬광판, 특히, 적층된 섬광판, 및/또는 인접 배치된 섬광판을 포함하고, 여기서, 보정 절차는, 하나의 판으로부터 방출되고 다른 판에서 흡수되는 사전 정의된 관심 에너지(예컨대, 202 또는 307 keV)를 갖는 감마선으로부터 국부적인 섬광 이벤트를 선택하고, 미지(未知)의 에너지를 갖는 β-스펙트럼의 영향을 억제하기 위해 상기 적어도 2개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 것을 포함한다.
유리한 실시예에서, 보정 모듈은 섬광판에서 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 자기 조직화 맵을 계산하기 위한 알고리즘을 포함한다.
유리한 실시예에서, 감마선 검출 시스템은 적어도 3개의 섬광판을 포함하고, 여기서, 보정 절차는 3개 이하의 국부적인 섬광 이벤트를 선택하기 위해 상기 적어도 3개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 것을 포함하며, 그 중 하나는 베타 전자로부터의 기여를 포함한다.
유리한 실시예에서, 보정 모듈은 섬광판의 가장자리 부근의 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 공간 분해능을 개선하기 위해 국부적 분산 최소화(local variance-minimization)를 계산하기 위한 알고리즘을 포함한다.
유리한 실시예에서, 복수의 광자 검출기는 주표면에 입사되는 감마선으로부터 섬광판 내의 섬광 이벤트를 검출하도록 구성된 상기 가장자리에 대하여 장착된다.
유리한 실시예에서, 검출 모듈 어셈블리는 타겟 구역을 둘러싸고, 이를 통한 이온빔 방출을 위한 갭 또는 오리피스를 포함한다.
또한, 환자 지지부, 적어도 회전축을 중심으로 환자 지지부에 대해 이동 가능한 이온빔 방출기 및 감마선 검출 시스템을 포함하는, 조직 구역의 이온빔 조사를 위한 이온빔 치료 시스템이 본 명세서에 개시된다.
또한, 신호 처리 및 제어 시스템을 포함하는 계산 시스템, 타겟 구역으로부터의 감마선 방출을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 모듈을 포함하는 검출 모듈 어셈블리 - 각각의 검출 모듈은 일반적으로 타겟 구역을 향하도록 배향된 주표면 및 섬광층의 가장자리를 정의하는 측면 부표면을 갖는 적어도 하나의 모놀리식 섬광판을 포함함 -, 및 상기 적어도 하나의 섬광판의 가장자리에 결합되고 신호 처리 및 제어 시스템에 연결된 복수의 광자 검출기를 포함하되, 섬광판은 광자 검출기에 의해 측정 가능한 강도를 갖는 고유의 섬광 이벤트를 유발하는 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 재료를 포함하는 감마선 검출 시스템을 보정하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 이 방법은 복수의 광자 검출기에 의해 복수의 상기 고유의 섬광 이벤트의 세기 및 시간을 검출하는 단계와, 복수의 광자 검출기에 의해 출력된 상기 검출된 강도 및 섬광 이벤트의 시간의 값을 컴퓨팅 시스템에 전송하는 단계, 및 광자 검출기의 출력 함수로서 섬광판 내의 섬광 이벤트의 공간적 위치를 결정하기 위해 컴퓨팅 시스템에서 보정 모듈 프로그램을 실행하는 단계를 포함한다.
방법의 유리한 실시예에서, 섬광판 내의 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 자기 조직화 맵은 보정 모듈의 알고리즘에 의해 계산된다.
방법의 유리한 실시예에서, 2개의 공간 좌표 및 섬광 이벤트 에너지에 대응하는 3차원 자기 조직화 맵이 보정 모듈의 알고리즘에 의해 계산된다.
방법의 유리한 실시예에서, 섬광판의 가장자리 근처의 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 공간 분해능을 개선하기 위한 국부적 분산 최소화는 보정 모듈의 알고리즘에 의해 계산된다.
방법의 일 실시예에서, 보정 절차는 하나의 판으로부터 방출되고 다른 판에서 흡수되는 사전 정의된 관심 에너지(예컨대, 202 또는 307 keV)를 갖는 감마선을 선택하고, 미지의 에너지를 갖는 β-스펙트럼의 영향을 억제하기 위해 상기 적어도 2개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 단계를 포함한다.
방법의 유리한 실시예에서, 사전 정의된 상위 에너지 레벨 이상의 광자 검출기 측정 출력은 제외된다.
방법의 유리한 실시예에서, 사전 정의된 하위 에너지 레벨 아래의 광자 검출기 측정 출력은 제외된다.
실시예에서, 사전 정의된 상위 에너지 레벨은 약 200 keV 내지 약 1,200 keV 범위의 값을 가질 수 있다.
유리한 실시예에서, 사전 정의된 상위 에너지 레벨은 약 200 keV 내지 약 400 keV 범위, 바람직하게는 약 200 keV 내지 약 230 keV 범위, 예를 들어, 약 202 keV의 값을 가질 수 있다.
방법의 실시예에서, 사전 정의된 에너지 하한값 미만의 광자 검출기 측정 출력은 추가로 제외될 수 있다.
실시예에서, 사전 정의된 에너지 하한값은 약 0 keV 내지 약 90 keV의 범위에 있을 수 있다.
유리한 실시예에서, 사전 정의된 하위 에너지 레벨은 약 20 keV 내지 약 90 keV 범위, 바람직하게는 약 65 keV 내지 약 90 keV 범위, 예를 들어, 약 88 keV의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 추가 목적 및 유리한 특징은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 실시예에 대한 이하의 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 감마선 검출 시스템을 구비하는 이온빔 치료 시스템의 투시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 감마선 검출 시스템의 검출 모듈 어셈블리의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈 어셈블리의 가장자리 결합형 광자 검출기를 구비하는 섬광 결정의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈 어셈블리의 면 결합 광자 검출기를 구비하는 섬광 결정의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 검출 시스템의 검출 모듈 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 3b는 검출 모듈의 내부 부분을 보기 위해 일부 광자 검출기 지지 보드가 제거된 도 3a와 유사한 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈의 섬광판의 일부의 상세한 개략 단면도이다.
도 3d는 전자 광학 셔터(EOS: electro-optical shutter)를 포함하는 검출 모듈의 섬광판을 단순화한 개략도이다.
도 4는 감마선 및 β 에너지와 관련된 Lu-176의 붕괴 방식을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 보정(88 keV 초과 202 keV 미만)에 대해 적합한 에너지 창을 나타내는 신틸레이터의 Lu-176으로부터 흡수된 에너지 스펙트럼의 예의 플롯도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트웨어 모듈 및 감마선 검출 시스템을 도시하는 컴퓨팅 시스템의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 검출기의 출력에 연결된 도 6의 컴퓨팅 시스템의 획득 회로의 블록도이다.
도 8a 및 도 8b는 보정 세트의 포맷을 도시하는 샘플링 프로세스를 위한 섬광판에 결합된 광자 검출기의 출력을 나타내고, 각 샘플은 벡터로 처리되고, 각 광자 검출기의 응답은 벡터의 요소를 형성한다.
도 9는 하나의 층에서 생성되는 섬광 이벤트 및 그로부터의 붕괴 생성물의 투과를 도시하는 2개의 적층된 섬광판의 예를 나타내는 개략도이다.
도 10은 모놀리식 신틸레이터 내부의 섬광 이벤트로부터 광자 검출기에 가장자리 결합되고, Z 방향의 에어 갭으로 둘러싸인 광자 경로의 개략도로서, 대부분의 광자는 신틸레이터와 에어 갭 사이의 큰 굴절률 차이로 인해 가장자리에 완전히 내부적으로 반사되는 반면, 섬광 광자의 작은 부분은 신틸레이터를 직접 빠져나와 에어 갭의 다른 측면에 있는 광자 검출기의 2D 배열에 도달하고, 이는 섬광 이벤트의 원래 좌표를 측정하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 고유 방사능 및 픽셀 일치 이벤트를 사용하는 픽셀 검출기의 에너지 보정의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모놀리식 2층 가장자리 결합형 검출기로부터의 실험 데이터의 플롯을 도시하며, 층 일치 이벤트의 에너지 스펙트럼을 도시하며, 여기서, 핵붕괴가 하나의 층에서 발생하고, 하나 또는 2개의 탈출 감마선은 다른 층에서 흡수 및 검출되었다.
도 13a 및 도 13b는 도 12와 같이 동일 이벤트의 2D-히스토그램을 나타내며, 이에 의해, γ_2 = 202 keV 및 γ_3 = 307 keV에 해당하는 에너지는 점선 사각형으로 표시되며, 도 13a 및 도 13b는 상이한 에너지 필터 창을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예의 실험적 검증 설정을 개략적으로 도시하며, 가장자리 결합형 모놀리식 신틸레이터가 방사선원(Na-22)의 한 면에 배치되는 반면, 픽셀 검출기는 다른 면에 배치되는 것을 도시한다. 모놀리식 및 픽셀 검출기의 일치 트리거링은 반대 양전자-소멸 511 keV 감마선으로부터 데이터를 수집하는 데 사용된다. 픽셀 검출기를 모놀리식 검출기보다 광원으로부터 더 멀리 배치함으로써, 모놀리식 검출기의 공간 보정 분해능이 픽셀 검출기의 피치보다 더 좋을 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 단일층 보정 세트(모든 Event 202 keV 미만)를 사용한 공간 정밀도의 히스토그램(도 15a) 및 2층 보정 세트(단일 202 keV 감마선의 흡수와 일치하는 동시 이벤트)를 사용한 공간 정밀도의 히스토그램(도 15b)을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 코호넨의 자기 조직화 맵과 국부적 분산 최소화 기술을 사용한 공간 정밀도의 비교를 보여주는 플로팅을 도시하며, 여기서, 오류는 신틸레이터 중심으로부터 최대 좌표 거리의 함수로 플로팅된다.
도 17a 내지 도 17c는 가장자리당 8개의 광자 검출기를 갖는 가장자리 결합형 검출기를 구비하는 모놀리식 섬광판에 대한 실험적인 실험실 데이터로부터 계산된 평균 광자 검출기 응답 맵의 플로팅을 나타내며, 이에 의해 상이한 플롯들은 상이한 반복의 맵을 도시한다.
도 18a 내지 도 18f는 노드의 2D 격자가 2D 격자 상의 샘플에 매핑(트레이닝)되는 일반적인 SOM 예의 계산 결과를 나타내는 플롯도이고, 선(line)은 각 샘플의 최적 매칭 유닛(BMU: Best Matching Unit)을 가리킨다.
도 19a 및 도 19b는 밀도 수정 메커니즘을 SOM 알고리즘에 통합하는 효과를 나타내는 플롯도이다. 도 19a에서는, 밀도 수정이 적용되지 않아(즉, 원래 SOM 방법[Kohonen1982]), 코너와 가장자리 근처에 샘플이 클러스터링되고, 도 19b에서는, 밀도 수정 기능이 동일 데이터에 사용되어, 샘플이 더 균일하게 분포되었다.
도 20a는 가장자리당 5개의 광자 검출기를 구비하는 가장자리 결합형 50×50mm 신틸레이터에서 단일(Event 1) 및 이중(Event 2) 섬광 이벤트의 위치를 나타낸다.
도 20b는 4개의 가장자리를 따라 Event 1 및 Event 2에 대해 대응하는 광자 검출기 신호를 나타낸다.
도 21은 202 + 307 keV 에너지 피크가 표시된 이중층 이벤트로부터의 샘플을 사용하여, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 검출기의 에너지 히스토그램을 나타낸다.
도 22는 3D SOM의 원리 또는 층의 동시 공간 보정 및 에너지 특성화의 원리를 그래픽으로 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 감마선 검출 시스템의 검출 모듈 어셈블리의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈 어셈블리의 가장자리 결합형 광자 검출기를 구비하는 섬광 결정의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈 어셈블리의 면 결합 광자 검출기를 구비하는 섬광 결정의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 검출 시스템의 검출 모듈 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 3b는 검출 모듈의 내부 부분을 보기 위해 일부 광자 검출기 지지 보드가 제거된 도 3a와 유사한 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 모듈의 섬광판의 일부의 상세한 개략 단면도이다.
도 3d는 전자 광학 셔터(EOS: electro-optical shutter)를 포함하는 검출 모듈의 섬광판을 단순화한 개략도이다.
도 4는 감마선 및 β 에너지와 관련된 Lu-176의 붕괴 방식을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 보정(88 keV 초과 202 keV 미만)에 대해 적합한 에너지 창을 나타내는 신틸레이터의 Lu-176으로부터 흡수된 에너지 스펙트럼의 예의 플롯도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트웨어 모듈 및 감마선 검출 시스템을 도시하는 컴퓨팅 시스템의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 검출기의 출력에 연결된 도 6의 컴퓨팅 시스템의 획득 회로의 블록도이다.
도 8a 및 도 8b는 보정 세트의 포맷을 도시하는 샘플링 프로세스를 위한 섬광판에 결합된 광자 검출기의 출력을 나타내고, 각 샘플은 벡터로 처리되고, 각 광자 검출기의 응답은 벡터의 요소를 형성한다.
도 9는 하나의 층에서 생성되는 섬광 이벤트 및 그로부터의 붕괴 생성물의 투과를 도시하는 2개의 적층된 섬광판의 예를 나타내는 개략도이다.
도 10은 모놀리식 신틸레이터 내부의 섬광 이벤트로부터 광자 검출기에 가장자리 결합되고, Z 방향의 에어 갭으로 둘러싸인 광자 경로의 개략도로서, 대부분의 광자는 신틸레이터와 에어 갭 사이의 큰 굴절률 차이로 인해 가장자리에 완전히 내부적으로 반사되는 반면, 섬광 광자의 작은 부분은 신틸레이터를 직접 빠져나와 에어 갭의 다른 측면에 있는 광자 검출기의 2D 배열에 도달하고, 이는 섬광 이벤트의 원래 좌표를 측정하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 고유 방사능 및 픽셀 일치 이벤트를 사용하는 픽셀 검출기의 에너지 보정의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모놀리식 2층 가장자리 결합형 검출기로부터의 실험 데이터의 플롯을 도시하며, 층 일치 이벤트의 에너지 스펙트럼을 도시하며, 여기서, 핵붕괴가 하나의 층에서 발생하고, 하나 또는 2개의 탈출 감마선은 다른 층에서 흡수 및 검출되었다.
도 13a 및 도 13b는 도 12와 같이 동일 이벤트의 2D-히스토그램을 나타내며, 이에 의해, γ_2 = 202 keV 및 γ_3 = 307 keV에 해당하는 에너지는 점선 사각형으로 표시되며, 도 13a 및 도 13b는 상이한 에너지 필터 창을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예의 실험적 검증 설정을 개략적으로 도시하며, 가장자리 결합형 모놀리식 신틸레이터가 방사선원(Na-22)의 한 면에 배치되는 반면, 픽셀 검출기는 다른 면에 배치되는 것을 도시한다. 모놀리식 및 픽셀 검출기의 일치 트리거링은 반대 양전자-소멸 511 keV 감마선으로부터 데이터를 수집하는 데 사용된다. 픽셀 검출기를 모놀리식 검출기보다 광원으로부터 더 멀리 배치함으로써, 모놀리식 검출기의 공간 보정 분해능이 픽셀 검출기의 피치보다 더 좋을 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 단일층 보정 세트(모든 Event 202 keV 미만)를 사용한 공간 정밀도의 히스토그램(도 15a) 및 2층 보정 세트(단일 202 keV 감마선의 흡수와 일치하는 동시 이벤트)를 사용한 공간 정밀도의 히스토그램(도 15b)을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 코호넨의 자기 조직화 맵과 국부적 분산 최소화 기술을 사용한 공간 정밀도의 비교를 보여주는 플로팅을 도시하며, 여기서, 오류는 신틸레이터 중심으로부터 최대 좌표 거리의 함수로 플로팅된다.
도 17a 내지 도 17c는 가장자리당 8개의 광자 검출기를 갖는 가장자리 결합형 검출기를 구비하는 모놀리식 섬광판에 대한 실험적인 실험실 데이터로부터 계산된 평균 광자 검출기 응답 맵의 플로팅을 나타내며, 이에 의해 상이한 플롯들은 상이한 반복의 맵을 도시한다.
도 18a 내지 도 18f는 노드의 2D 격자가 2D 격자 상의 샘플에 매핑(트레이닝)되는 일반적인 SOM 예의 계산 결과를 나타내는 플롯도이고, 선(line)은 각 샘플의 최적 매칭 유닛(BMU: Best Matching Unit)을 가리킨다.
도 19a 및 도 19b는 밀도 수정 메커니즘을 SOM 알고리즘에 통합하는 효과를 나타내는 플롯도이다. 도 19a에서는, 밀도 수정이 적용되지 않아(즉, 원래 SOM 방법[Kohonen1982]), 코너와 가장자리 근처에 샘플이 클러스터링되고, 도 19b에서는, 밀도 수정 기능이 동일 데이터에 사용되어, 샘플이 더 균일하게 분포되었다.
도 20a는 가장자리당 5개의 광자 검출기를 구비하는 가장자리 결합형 50×50mm 신틸레이터에서 단일(Event 1) 및 이중(Event 2) 섬광 이벤트의 위치를 나타낸다.
도 20b는 4개의 가장자리를 따라 Event 1 및 Event 2에 대해 대응하는 광자 검출기 신호를 나타낸다.
도 21은 202 + 307 keV 에너지 피크가 표시된 이중층 이벤트로부터의 샘플을 사용하여, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 검출기의 에너지 히스토그램을 나타낸다.
도 22는 3D SOM의 원리 또는 층의 동시 공간 보정 및 에너지 특성화의 원리를 그래픽으로 나타낸다.
도면을 참조하면, 도 1부터 시작하여, 본 발명의 일 실시예에 따른, 특히, 이온빔 방사선 치료 또는 조직 구역의 양성자 빔 조사를 위한 이온빔 치료 시스템(6)이 도시되어 있다. 본 실시예에서, 환자(5)는 적어도 대략 회전축을 중심으로 또한 병진 이동으로 이온빔 방출기(8)에 대해 이동 가능한 환자 지지대(7) 상에 위치된다. 환자 지지부(7)는, 특히, 고정 기준(예를 들어, 접지)에 대한 적어도 하나의 축, 특히, 수평축 X를 따라 적어도 병진 이동될 수 있고, 이온빔 방출기는 고정 기준(예를 들어, 접지)에 대해 상기 수평축 X를 중심으로 회전 가능할 수 있다. 그러나, 환자 지지부 및/또는 이온빔 방출기는, 이온빔 방출기로 하여금, 환자에게 상대적인 임의의 위치 및 각도에 위치될 수 있도록 하는 완전 3차원 이동까지, 복수의 축을 따라 병진 이동 및/또는 해당 축을 중심으로 회전 이동될 수 있다.
이온빔 치료 시스템은 감마선 검출 시스템(10)을 더 포함한다. 또한, 감마선 검출 시스템(10)은, 특정 실시예에서, 하나 이상의 축을 따라 또는 그 축을 중심으로 환자 지지부에 대해 상대적으로 이동 가능할 수 있다. 일 실시예에서, 감마선 검출 시스템은 적어도 병진 방향을 따라, 특히, 수평축 X를 따라 이동 가능하며, 변형예에서, 이온빔 방출기(8)와 협력하여 상기 수평축을 중심으로 회전으로도 이동 가능하다.
변형예(도시되지 않음)에서, 고정 기준에 대해 정적이거나, 접지와 같은 고정 기준에 대해서만 병진 이동하는 감마선 검출 시스템을 가질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 감마선 검출 시스템(10)은 일반적으로 링 또는 다각형 형상인 검출 모듈 어셈블리(13)를 포함한다. 일 실시예에서, 검출 모듈 어셈블리는 이온빔 방출기(8)의 방출 방향이 검출 모듈 어셈블리와 실질적으로 동일한 평면에 있도록, 이온빔 방출기(8)로 하여금, 개구를 통해 이온(예컨대, 양성자)을 전달할 수 있게 하는 개구(42)를 포함할 수 있다. 이것은 이온빔을 받는 타겟 구역으로부터 방출되는 감마선을 동시에 효율적으로 검출한다. 검출 모듈 어셈블리(13)는, 예를 들어, 이온빔 방출기(8)가 개구를 통해 이온을 투과시킬 수 있도록, C 형상의 대향 단부 사이에 개구를 제공하기 위해 통상 "C" 형상을 가질 수 있다. 그러나, 변형예에서, 실질적으로 닫힌 링/다각형 형상은, 예를 들어, 일반적으로 원통형인 검출 모듈 어셈블리에 이온빔(1)이 투과되도록 그 일부를 관통하는 오리피스가 제공될 수 있다(변형예는 도시되지 않음).
이미징 방식에 따라, 이미지는 511 keV 양전자-전자 소멸 감마선 및 응답선, LOR(27), 또는 컴프톤 원뿔(25)로부터의 컴프톤 카메라 이미지 재구성의 동시 검출 처리에서 생성될 수 있다. 일부 응용예에서, LOR(27)과 컴프톤 원뿔(25)의 교차점(27b)을 활용하여 이미지를 생성하는 것이 유리할 수 있다.
이온빔 방출기(8)의 회전축 X 방향에서 검출 모듈 어셈블리(13)의 길이는, 변형예에 따라, 약 5-10 cm 내지 약 50-100 cm, 또는, 전신 스캐너의 경우, 100-200 cm의 범위일 수 있다. 더 짧은 축 방향 길이를 갖는 검출 구성의 경우, 검출 모듈 어셈블리(13)의 병진 이동은 가능하게는 이온빔 방출기와 관련하여 이온빔 치료 동안 영향을 받을 수 있다. 또한, 검출 모듈 어셈블리는, 실시예에 따라, 이온빔 방출 후, 또는 진단 동안(예컨대, 암의 검출과 같은 기존 PET 스캐너로 사용됨), 타겟 구역의 스캐닝을 위해 병진 이동될 수 있다. 전체 타겟 구역에 걸쳐 연장하기에 충분한 길이를 갖는 검출 모듈 어셈블리를 사용하여, 환자에 대해 정적인 검출 모듈 어셈블리를 가질 수 있으며, 이에 따라 이온빔 또는 이온빔 방출기의 변위가 검출 시스템에 의해 뒤따르지 않을 수 있다.
검출 모듈 어셈블리의 이동은, 타겟 위치, 타겟 환경, 및 이온빔 방출기(8)의 위치와 경사각의 함수로서, 이온빔 방출기의 이동에 평행하거나 대응할 수 있거나, 타겟으로부터 방출된 즉발 감마선 및 양전자 소멸 감마선의 검출을 최적화하도록 구성된 다른 이동을 따를 수 있다는 것을 알 수 있다. 이온빔 방출기 및 검출 시스템의 최적의 이동은 특히 샘플 조직에 대한 시스템의 보정으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이온빔 치료 시스템(6)에 사용되는 감마선 검출 시스템(10)의 중요한 장점은, 양성자 빔 방출 동안, 실시간으로 검출이 수행되어, 양성자 소멸 감마선뿐만 아니라, 즉발 감마선을 모두 포착할 수 있다는 것이다. 또한, 양성자 빔 방출 후, 일정 시간 동안, 또는 치료 동안 연속적인 양성자 빔 방출 펄스 사이에 방출되는 양전자 소멸 감마선이 검출될 수 있다. 이를 통해, 타겟 구역에 대한 양성자 빔 흡수가 지속적으로 모니터링될 수 있으며, 검출 시스템의 피드백을 통해, 처치 동안이나 처치 후에 타겟 구역의 이동을 고려하여 타겟 구역의 타겟팅을 정확하게 하기 위해, 그리고 기존 시스템과 관련하여 이전에 논의된 워시 아웃 효과 등과 같은 다른 문제를 피하기 위해 조정될 수 있다.
타겟에 의해 방출된 즉발 감마선은 컴프톤 카메라로 기능하는 검출기로 검출될 수 있는 반면, 양전자 소멸 감마선은 PET 스캐너 기능 원리를 사용하여 검출 모듈로 검출될 수 있으며, 이들 양 검출 방법은 본 발명의 실시예에 따른 검출 어셈블리의 검출 모듈에 통합되어 있다. PET 검출은 이온빔 방출 동안, 이온빔 방출과 이온빔 방출 후의 사이에 작동될 수 있거나, 대안적으로 이온빔 방출 펄스 사이 및 그 이후에만 스위칭 온 될 수 있음을 알 수 있다. 이온빔 방출 동안, 즉발 감마선 방출 속도는 매우 높으며, 이는 양전자 방출 소멸의 동시 감마선의 측정을 덜 정확하고 신뢰할 수 있게 만들 수 있는 반면, 이온빔 방출 후 일정 시간 동안, 즉발 감마선 방출은 낮고, 양전자 소멸 감마선 방출은 이온빔 방출 동안 및 그 후에 측정이 수행될 수 있도록 (그 자체로 잘 알려진 바와 같이) 일정 시간 동안 계속된다.
검출 모듈 어셈블리(13)는 복수의 검출 모듈(14)을 포함한다. 검출 모듈(14)은, 도 2a에 나타내는 바와 같은 실시예에서, 세그먼트를 형성하도록 정렬된 방식으로 배열될 수 있다. 그러나, 다양한 다른 구성이 가능하므로, 세그먼트를 형성하도록 정렬되거나 실질적으로 원형 배열 또는 다각형 배열(도시된 바와 같음)로 배치된 모듈의 수가 달라질 수 있다.
검출 모듈(14)은 컴프톤 카메라 및 PET 스캐너 모두로서 기능하도록 구성될 수 있다.
각각의 검출 모듈(14)은 하나 또는 복수의 적층된 섬광판(16) 및 섬광판에서 섬광 이벤트를 검출하도록 배열된 복수의 광자 검출기(18)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 2a, 도 2b 및 도 3b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 섬광판은 일반적으로 타겟 구역 또는 축 Z를 향하도록 배향된 주표면(40a) 및 섬광판의 가장자리 또는 윤곽을 정의하는 횡방향 부표면(40b)을 포함한다. 단순화를 위해, 측면 부표면(40b)은 또한 본원에서 "가장자리(edge)"로 명명될 것이다.
복수의 적층된 섬광판을 갖는 실시예에서, 검출 모듈(14)에서의 섬광판(16)의 적층 방향은 주표면(40a)에 수직이다.
바람직한 실시예에 따르면, 광자 검출기(18)는, 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 섬광판(16)의 가장자리(40b) 상에 위치된다. 이것은, 또한, 본 명세서에서 가장자리 결합형 섬광판으로 지칭된다.
다른 실시예에 따르면, 광자 검출기(18)는, 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 타겟(4)으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 섬광판(16)의 주표면(40a) 상에 위치된다. 이것은 또한 본 명세서에서 면 결합된 섬광판으로 지칭된다. 복수의 적층된 섬광판을 갖는 실시예에서, 광자 검출기는 타겟(27c)으로부터 가장 멀리 떨어진 최외곽 섬광판 상에 위치될 수 있다. 면 결합 신틸레이터의 스택은 일반적으로 층당 개별 이벤트를 해결하기 위해 섬광층당 하나의 광자 검출기 배열을 갖고, 그렇지 않으면, 단지 하나의 두꺼운 신틸레이터만이 사용될 수 있다. 변형예에서, 광자 검출기는 스택 내의 선택된 섬광판 각각에 또는 그 위에 위치될 수 있으며, 광자 검출기는 동시적이고 즉각적인 감마 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하다.
검출 모듈은, 실시예에 따라, 방사상 갭이 없는 섬광판의 스택을 포함할 수 있거나, 또는 다른 실시예에 따라, 방사상 갭(17)을 포함하는 섬광판의 스택을 포함할 수 있다.
방사상 갭(17)은 컴프톤 카메라의 기능에 특히 유용하며, 이에 의해, 가장 안쪽의 섬광판, 즉, 타겟 구역에 가장 가까운 것은 컴프톤 카메라용의 산란 섬광판으로 작용하고, 방사상으로 가장 바깥쪽의 신틸레이터 요소의 스택은 흡수체 섬광판(들)으로 작용한다. 산란 섬광판은 밀접하게 적층된 하나 이상의 섬광판을 함께 포함할 수 있고, 흡수체 섬광판은 변형예에 따라 밀접하게 적층된 하나 또는 복수의 섬광판을 포함할 수 있다.
섬광판의 주표면(40a)은 감마선이 입사되는 표면이고, 예를 들어, 주표면에 실질적으로 직교할 수 있고, 섬광판의 대향면 사이에서 연장되는 가장자리(40b)는 바람직한 실시예에 따라 광자 검출기(18)가 배열되는 섬광판의 가장자리를 형성한다. 가장자리 결합형 검출기의 맥락에서, 주표면(40a)은 광자 검출기에 광학적으로 결합되지 않은 면들 중 하나이며, 이에 의해, 보정 동안, 인접층의 감마선은 "위" 또는 "아래"로부터 올 수 있으며, 검출기 작동 동안, 대부분의 감마선은 스캐닝 대상(타겟)으로부터 나온다.
광자 검출기의 바람직한 배열은 상호작용 깊이(DOI: depth of interaction) 측정(Z 방향)의 정확도 및/또는 판독 채널 수의 감소와 섬광판의 주표면(XY 평면)에서 섬광 위치 결정의 정확도 사이의 관계의 최적화를 추가한다.
바람직한 실시예에 따르면, 섬광판의 가장자리(40b)를 따라, 가장자리 광 확산 재료층(26)이 제공될 수 있다. 가장자리 광 확산 재료(26)의 기능은 하나의 가장자리(40b)에 매우 가까운 신틸레이터에 입사되는 감마선으로부터의 섬광이 상기 하나의 가장자리에 근접한 여러 광자 검출기에 의해 검출될 수 있을 정도로 충분히 확산되도록 섬광을 확산시키는 것이다.
바람직한 실시예에 따르면, 섬광층의 가장자리(40b)에는 가장자리를 통해 광자 검출기로의 광학 전송을 최적화하고/하거나 일정하지 않은 인터페이스(예컨대, 공기, 가변 갭 등으로 인함)로 인해 발생할 수 있는 불일치를 피하기 위해 층을 통해 광자의 일관되고 예측 가능한 투과를 제공하는 인터페이스 재료를 포함하는 검출기-신틸레이터 광학 인터페이스(22)가 추가 제공될 수 있다. 광학 인터페이스는 또한 공간 분해능을 향상시키기 위해 다중 광자 검출기 위에 신틸레이터 가장자리 근처에서 발생하는 섬광 이벤트로부터 빛을 확산시키는 역할을 한다.
섬광층들 중 하나 이상을 따라, 전기 광학 셔터(EOS)(24)는, 검출기 모듈(14)의 작동 상태에 따라, 광자가 가장자리를 통해 광자 검출기로 통과하거나 광자 검출기로의 통과로부터 차단되도록 하기 위해 스위치가 온(광학적으로 투명) 또는 오프(흡수 또는 반사)되도록 전자적으로 작동되는 기능이 추가로 제공될 수 있다.
본원에서 언급된 반경 방향은 검출 모듈을 도시하는 도면들에 표시된 방향 Z에 대응한다는 것을 알 수 있다.
섬광판(16)의 가장자리(40b)를 따라 배열된 광자 검출기(18)는, 예를 들어, 광자 검출기를 검출 모듈(14)의 신호 처리 및 제어 시스템(30)에 연결하기 위한 회로 트레이스를 갖는 회로 기판의 형태일 수 있는 광자 검출기 지지 보드(20) 상에 제공될 수 있다.
검출 모듈 어셈블리(13)의 신호 획득, 처리 및 제어 시스템(30)은, 예를 들어, 검출 모듈의 처리 및 제어를 위한 마이크로프로세서 및 메모리를 포함하는, 예를 들어, 회로 기판(32) 및 그 위에 장착된 전자 부품(34)을 포함할 수 있다. 회로 기판(32)은 모듈의 최외측 방사 단부에 장착될 수 있고, 회로 기판(32)을 광자 검출기 지지 기판(20)에 연결하고, 나아가 이미지 재구성을 위한 감마선 검출 시스템(10)의 전자 제어 시스템에 연결하기 위한 커넥터(36a, 36b)를 포함한다.
신호 처리 및 제어 시스템(30)은 검출 모듈에 설치된 컴퓨팅 시스템의 일부를 형성하거나 이에 연결될 수 있거나, 또는 검출 모듈의 외부에 있거나, 또는 부분적으로 이온빔 방출 장치의 외부에 있을 수 있다. 소프트웨어의 실행과 광자 검출기로부터의 데이터 계산 및 평가는 검출 모듈 어셈블리의 전자 회로 내에서 및/또는 감마선 검출 시스템의 하드웨어 구성요소에 연결되지만 외부에 있는 컴퓨팅 장치에서 중앙 집중식 또는 분산 방식으로 수행될 수 있음을 이해할 것이다.
가장자리 결합형 검출기에 대한 일 실시예에서, 지지 기판(20)은 검출 모듈 어셈블리(13)의 인접한 검출 모듈(14) 사이의 갭을 유리하게 최소화하는 가장자리 커넥터(36b)를 갖는 실리콘 광전자 증배관 배열 기판(silicon photomultiplier array board)으로 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 면 결합 광자 검출기의 경우, 광자 검출기는 섬광판을 향하는 회로 기판(32)의 일 측면에 장착될 수 있다. 적층된 섬광판 상에 면 결합된 광자 검출기를 갖는 변형예에서, 하나 이상의 지지 기판(20)이 그 각각의 층에서 광자 검출기에 전기적으로 연결되도록 제공될 수 있다.
가장자리 결합형 실시예에서, 광자 검출기(18)는 개별층 광자 검출기(18a) 및/또는 스트립 다층 광자 검출기(18b)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 광자 검출기(18)는 복수의 적층된 섬광판(16)의 가장자리를 가로질러 방사상으로(Z 방향으로) 연장되는 스트립 다층 광자 검출기(18b) 및 개별 섬광층 상에 위치된 개별층 광자 검출기(18a)의 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 검출 모듈(14)은 모듈의 각 측면에 복수의 스트립 다층 광자 검출기(18b)를 포함할 수 있으며, 추가로 모듈의 각 측면에 또는 그 측면의 일부에만 또는 변형예에 따른 한 측면에만 개별층 광자 검출기(18a)의 열을 포함할 수 있다. 개별층 광자 검출기(18a)는 입사 감마선이 흡수되는 층(들)의 결정을 가능하게 하는 반면, 다층 스트립 광자 검출기(18b)(조명된 개별층 광자 검출기와 조합된 것일 수 있음)는 흡수된 감마선의 입사 위치가 반경 방향에 직교하는 평면(즉, 섬광판(16)의 주표면(40a)에 평행한 평면) 내에서 결정되는 것을 가능하게 한다.
스트립 다층 광자 검출기(18b) 사용의 중요한 장점은 측정 정확도를 감소시키지 않으면서 주어진 수의 적층된 섬광판에 대해 신호 처리 및 제어 전자 장치에 의해 처리되어야 하는 채널 수를 감소시키는 것이다. 따라서, 데이터 처리 요건은 물론 장비의 관련 비용이 크게 감소하거나, 대안적으로 주어진 판독 채널의 수에 대해 더 많은 수의 적층된 섬광판을 가짐으로써 상호 작용 측정의 깊이에서 더 높은 정확도를 얻을 수 있다.
본 발명에서와 같이 모놀리식 섬광판을 사용하는 경우, 정확한 측정을 보장하기 위해서는 섬광 결정 부피 내부의 어느 위치에서 섬광 이벤트가 발생했는지를 정확하게 결정해야 한다. 이것은 각 섬광 이벤트에 대해 많은 수의 광자 검출기(가장자리 결합형 또는 면 결합형)가 빛에 노출되고 섬광 이벤트의 원래 좌표를 결정하기 위해 추가 분석이 필요하기 때문에 공간 보정 프로세스가 필요하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 보정 프로세스는, 신호 처리 및 제어 시스템(30) 및/또는 보다 일반적인 컴퓨팅 시스템에서, 섬광 결정의 재료(16)의 고유 방사선의 광자 검출기(18)에 의한 측정값을 사용하여, 보정 소프트웨어 모듈을 실행함으로써 수행된다. 고유 방사선을 이용함으로써, 검출기를 외부 방사선원에 노출시킬 필요가 없어지며, 이는 여러 가지 이유로 매우 유리하다. 더 적은 장비가 필요하기 때문에, 장치의 제조 비용과 후속 유지 보수 및 운영 비용이 절감된다. 또한, 고유 방사선이 항상 존재하기 때문에, 보정은, 수동 개입, 전동형 액추에이터의 설정 또는 검출기가 위치되는 방에 들어갈 필요 없이, 언제든지 신호 처리 및 제어 시스템에서 실행될 수 있다.
보정 프로세스는, 이온빔 방출 장치가 작동 중이지 않을 경우, 신호 처리 및 제어 시스템(30)에서 실행되는 보정 소프트웨어 모듈에 의해 수동 개입 또는 제어 없이 광자 검출기로부터 측정 출력을 수신할 수 있으므로, 언제든지 완전 자동화되고 실행될 수 있다. 또한, 고유 방사선은 긴 수명으로 인해 본질적으로 안정적이며, 후속 보정은 제조에서 폐기/해체까지 검출기의 작동 수명 동안 신호 처리 및 제어 시스템(30)의 메모리에 저장된 이전에 계산된 보정 데이터와 비교될 수 있다.
기존 PET 검출기에 사용되는 가장 널리 사용되는 섬광 재료 중 일부에는 루테튬, 즉, 루테튬 옥시오소실리케이트(LSO: lutetium oxyorthosilicate), 루테튬 이트륨 옥시오소실리케이트(LYSO: lutetium yttrium oxyorthosilicate) 및 루테튬 파인 실리케이트(LSF: lutetium fine silicate)가 포함되어 있다. 천연 루테튬은 동위원소 Lu-176의 2.6%를 포함하고 있으며, Hf-176으로 붕괴하며, 반감기는 3.76×1010 년이다. 이로 인해, 신틸레이터 결정 cm3 당 약 307 Bq의 고유 배경 속도(intrinsic background rate)가 발생된다. Lu-176은 주로 β- 방출을 통해 붕괴되고, 이어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 감마 방출이 뒤따른다. 방출된 전자의 운동 에너지는 0~593 keV(99.66%) 또는 0~192 keV(0.34%)에서 변화한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 섬광판은 루테튬을 함유하는 재료를 포함하고, 보정 프로세스는 고유 Lu-176 활성을 사용한다.
에너지 스펙트럼[도 5]의 피크는 붕괴 사슬, 즉, 88 keV(γ1), 202 keV(γ2) 및 307 keV(γ3)을 따른 하나 이상의 방출된 감마선의 흡수에 해당한다. 결정에 축적된 총 에너지의 스펙트럼은 결정의 치수에 따라 크게 달라지는 데, 이는 감마선이 결정에서 탈출할 확률에 영향을 미치거나, 아니면, 더 작은 범위에서 β-입자가 탈출할 확률에 영향을 미치기 때문이다. 에너지 스펙트럼은 방출된 β-입자의 운동 에너지가 0 내지 593 keV의 비교적 넓은 분포를 갖고 있다는 사실로 인해 더 복잡해지고, 상위 범위는 모든 감마선의 합에 가깝다.
이상적인 보정원의 경우, 빛은 신틸레이터 내의 기지의 단일 지점(국부적)에서 방출되어야 한다. 그러나, 섬광 결정에서의 Lu-176의 붕괴는 선험적으로 알려진 위치에서 발생되지 않으며, 단일 지점에서도 섬광 프로세스가 발생되지 않는다. 에너지가 서로 다른 복수의 감마선이 방출될 수 있다. 방출된 감마선의 50%, 95% 및 99%를 흡수하는 데 필요한 평균 거리는 표 1에 요약되어 있다.
표 1:
LYSO의
감마선 및 전자 범위.
88 keV 감마선 방출의 경우, 감마 방사선의 약 50%는 방출 지점의 약 0.25 mm 이내에서 흡수되고, 감마 방사선의 약 95%는 약 1.1 mm 내에서 흡수될 것이다. 또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 감마선 방출 확률은 15.5%에 불과하며, 내부 변환을 통한 탈여기는 훨씬 더 가능성이 크기 때문에, 궤도 전자를 방출하는 범위가 훨씬 더 짧다. 176-Hf K-쉘의 결합 에너지는 약 65.3 keV이므로, 방출된 전자의 운동 에너지는 88-65.3 = 22 keV 정도로 낮을 수 있다.
그러나, 202 keV 감마선의 경우, 감마 방사선의 약 50%가 신틸레이터에 흡수되기 전에 방출 지점에서 약 1.8 mm 이상 벗어날 것이다.
본 발명은 루테튬을 함유하는 일반적인 무기 결정 신틸레이터로 한정되는 것이 아니라, 설명된 보정 절차가 적용될 수 있는 충분한 크기(섬광 광자의 수) 및 속도(초당 붕괴)의 실질적으로 특성화될 수 있는 섬광 이벤트를 생성하는 고유 방사능을 나타내는 모든 신틸레이터에 적용할 수 있다.
(충분한) 고유 방사능을 나타내지 않는 섬광 재료는 방사성 동위원소가, 예를 들어, 신틸레이터 또는 모듈 제조 프로세스 동안, 신틸레이터 부피 전체에 걸쳐 섬광 재료에 균일하게 도입되거나, 신틸레이터 표면(40a)의 위 또는 그 근처의 코팅(예컨대, β- 방출을 통해 붕괴하는 C-14 동위원소를 함유하는 탄소 코팅)이나 얇은 층에 균일하게 분포되도록 변형될 수 있다. 동위원소의 선택은 응용예에 따라 다르다.
일 예는 Sr-90이고, 이는 β- 붕괴를 통해 붕괴하고, 전자 에너지가 최대 546 keV이며 반감기는 약 29년이다. 감마 방출의 결여 및 상대적으로 짧은 범위의 전자(위의 표 1 참조)가 유리할 수 있는 데, 이는 붕괴로 인한 섬광이 붕괴 위치에 크게 국한될 것이기 때문이다. 이는 서로 다른 신틸레이터 간의 영향을 감소시키고, 이벤트 유효성 검사 프로세스를 단순화할 수 있다. 또 다른 장점은 방출된 전자가 검출기 내부에서 쉽게 흡수되어 환자와 직원에 대한 방사선 노출을 최소화한다는 점이다.
또 다른 예는 Na-22이고, 이는 β+ 붕괴를 통해 붕괴되고, 뒤이어 전자-양전자 소멸로 역평행 511 keV 감마선이 생성된다. PET-스캐너의 맥락에서, 이것은 감마 에너지가 관심있는 작동 감마 에너지와 정확히 일치하기 때문에 검출기의 에너지 보정에 유리할 것이다. 그러나, 작동 중에 본질적으로 방출되는 감마선과 타겟으로부터 방출되는 감마선을 구별하는 것은 문제가 될 수 있다.
플라스틱 신틸레이터와 같은 낮은 Z 신틸레이터에서, 감마선의 저지력은 일반적인 높은 Z 신틸레이터(LYSO, LSO, CsI(Tl), BGO, NaI(Tl))에 비해 낮다. 높은 공간 보정 정밀도를 달성하기 위해서는, 고유 보정을 위한 짧은 범위의 β- 원을 도입하는 것이 유리할 수 있다.
보정 광원으로서 γ1 및 저 에너지 β - 를 사용함
신틸레이터의 부피가 감마선의 범위에 비해 크면, 대부분의 감마선은 신틸레이터 내부에 흡수될 수 있는 데, 이는 대부분의 붕괴가 신틸레이터의 벌크 내에서 발생할 것이고, 표면에 가깝지 않기 때문이다. 그러나, 신틸레이터가 감마선의 범위에 비해 작은 경우, 감마선의 상당 부분은 섬광을 생성하지 않고 신틸레이터를 빠져나간다. 이들 감마선은 대신 인접한 신틸레이터에 흡수될 수 있다. 유사하게, 신틸레이터의 표면에 가깝게 방출된 β- 입자도 신틸레이터를 벗어날 수 있다.
두 감마선의 흡수에 해당하는 최소 에너지는 88 keV + 202 keV = 290 keV이다. 둘 이상의 감마선으로부터 기원할 수 있는 섬광 이벤트를 필터링하기 위해, E < 290 keV의 상한 에너지가 적용될 수 있다. 그러나, 이 에너지는 단일 88 keV 감마와 202 keV 미만의 β-, 또는 202 keV 감마와 88 keV 미만의 β-로도 축적될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 후자의 경우, β-는 방출 지점 근처에서 멈출 가능성이 큰 반면, 202 keV 감마는 흡수되기 전에 더 멀리 이동할 수 있다. 즉, 섬광은 본질적으로 2개의 점 광원과 유사한 2개의 공간적으로 분리된 위치로부터 방출될 것이다. 임의의 방출된 감마선의 컴프톤 산란은 총 에너지가 290 keV 미만인 비국부적 섬광을 유발할 수도 있다.
대부분의 비국부적 이벤트를 거부하기 위해서는 에너지 상한값이 더 낮아야 한다. 에너지 상한값이 E < 202 keV인 경우, 주로 88 keV γ선과 β-의 섬광의 합은 측정된 광 신호에 기여할 것이다. β- 에너지는 이 경우 114 keV 또는 수십 ㎛ 범위로 제한되며, 이는 88 keV γ선의 범위보다 훨씬 낮다.
원칙적으로 β- 입자로부터의 기여가 202 keV γ선으로부터의 기여와 비교하여 무시할 수 있도록 에너지 제한이 설정되면, 다소 더 높은 에너지 제한이 적용될 수 있다. 그러면 섬광은 주로 밝은 점 광원(202 keV 감마)에서 나오며, β- 입자로부터의 희미한 광원에 의해 오염된다.
그러나, 본 발명의 유리한 실시예에서, 보정 방법은 복수의 모놀리식 섬광 검출기의 어셈블리, 가능하게는 서로 인접하고 근접한 어셈블리에 적용 가능하다. 202 keV γ선이 하나의 신틸레이터에서 방출되고 다른 신틸레이터에서 흡수될 가능성이 더 크기 때문에, 전술한 실시예에서 보정을 위해 허용 가능한 이벤트의 에너지 상한을 202 keV 미만으로 안전하게 설정하는 것이 유리하다. 이것은 인접 모듈 사이에 "오염"의 영향을 최소화하고, 어셈블리 중앙에 있는 모듈과 어셈블리의 주변 모듈 사이에 잠재적으로 서로 다른 보정 정밀도를 최소화한다. 이하에 설명하는 바와 같이, 정확한 보정을 위해서는 신틸레이터 부피 내에서 섬광 이벤트의 공간적 분포에 대한 일부 사전 지식이 필요하다. 가장 간단한 가정은 신틸레이터 내에서 섬광 이벤트의 균일 분포이다. 다음과 같은 경우, 이는 상당히 정확한 가정이다.
컴프톤 산란 감마선이 발생할 수 있지만, 88 keV 감마선(및 최대 몇 100 keV)의 경우, 광전 흡수가 지배적이다.
결론적으로, 보정 데이터 세트에 포함할 섬광 이벤트의 에너지 상한은 더 높은 에너지 γ 선을 제외하기 위해 202 keV 미만인 것이 바람직하다.
에너지 하한은, 예를 들어, 88 keV로 설정될 수 있다. 실제로는, 주로 획득 및 디지털화 도구의 한계에 따라 달라진다. 에너지 하한이 너무 낮으면, 보정 데이터 세트는 노이즈가 지배하는 이벤트로 인해 오염될 수 있다.
에너지 상한값은 궁극적으로 원하는 보정 정밀도에 따라 달라진다. 예를 들어, 거친 분해능을 가진 더 큰 신틸레이터 시스템의 경우, 단일 176-Lu 붕괴로부터 모든 감마선이 신틸레이터에 흡수되는 이벤트를 수용할 수 있다. 그러면, 에너지 상한선은 88+202+307+593 keV = 1,190 keV로 될 것이다.
개선된 분해능을 위해, γ3이 흡수된 이벤트를 제외하기를 원할 수 있다. 그런 다음, γ1이 신틸레이터를 거의 벗어나지 않는다고 가정하면, 에너지 상한은 307 keV 또는 307+88 keV = 395 keV로 설정될 수 있다.
더 나은 분해능을 위해, 전술한 바와 같이, 에너지 임계값이 약 202 keV인 γ2도 제외되어야 한다.
광자 검출 시스템이 매우 민감하고 매우 높은 정밀도가 요구되는 경우, 모든 감마선으로부터의 기여를 제외하려 할 수 있다. 이 경우, 에너지 임계값은 88-65.3 keV = 22.7 keV로 낮게 설정해야 하며, K-쉘로부터 내부 변환(IC)을 통한 176-Hf γ1 탈여기도 제외해야 한다. γ1 탈출의 가능성을 배제하려는 경우, γ2 IC를 제외하면, 에너지 임계값을 202-63.5 keV = 138.5 keV로 설정한다. γ1 탈출을 무시하면, 에너지 임계값이 88+202-63.5 keV = 226.5 keV로 설정된다.
보정 광원으로서
γ
2
및
γ
3
사용
이전 섹션에서 설명된 바와 같이, 에너지 상한값을 202 keV 미만, 예를 들어, 100 또는 150 또는 175 keV로 설정하면, 광량이 적기 때문에, 신틸레이터 가장자리를 따라 여러 광자 검출기가 트리거되지 않을 수 있다. 따라서, 많은 샘플에는 0인 요소가 포함된다. 이 문제의 크기는 에너지 트리거 상한값 및 하한값의 정확한 선택, 트리거 방식, 측면당 광자 검출기 수, 판독 노이즈, 섬광 재료의 선택, 광학 결합 효율, 광자 검출 효율 및 디지털화 임계값과 같은 인자에 따라 달라진다.
다층 섬광판과 가장자리 결합형 광자 검출기를 구비하는 실시예에서, 더 높은 에너지의 감마선(γ2 = 202 keV 및/또는 γ3 = 307 keV)을 이용하는 한 가지 방법은 이들 감마선이 한 층에서 탈출할 수 있지만, 인접층에서 흡수될 수 있다는 사실을 이용하는 것이다. 이들 이벤트는 인접/근접하는 층 사이의 일치 트리거링으로 식별될 수 있다. 하나의 층에 적층된 에너지(층당 모든 광자 검출기의 합계로 대략적으로 제공됨)가 202 또는 307 keV에 해당하는 적절한 트리거링 창과 일치하면, 해당 층의 샘플은 이하에 설명된 보정 소프트웨어 모듈의 자기 조직화 알고리즘에 대한 트레이닝 샘플로 사용될 수 있다. 이와 같은 이벤트의 예가 도 9에 도시되어 있고, 여기서, 307 keV 감마는 제 1 층인 붕괴층으로부터 탈출하여 제 2 층에 흡수된다.
보정 방사선의 광원으로서 인접 섬광층을 활용하는 것은 여러 측면에서 유리하다.
탈출하는 감마선이 상호 작용하기 전에 하나 이상의 신틸레이터를 통과할 수 있기 때문에, "인접"이라는 용어가 반드시 주요면 인접 신틸레이터로 한정되는 것은 아니다.
삼중층
이벤트
이중층 이벤트에서는, 샘플 중 하나만이 보정에 사용된다. 또한, 202 또는 307 keV의 흡수를 식별하기 위해 관련 층 중 하나에 부과되는 고에너지 임계값 제한(도 13b)으로 인해, 이중층 이벤트의 일부만이 국부적 보정 샘플을 생성하는 데 적합하다. 그러나, 여전히 모호함이 있다. 즉, 높은 적층 에너지가 붕괴층에서 탈출하는 202 keV 감마선 및 307 keV 감마선의 동시 흡수 또는 상호 작용으로 인해 발생할 수 있기 때문에, 고에너지 층으로부터의 샘플은 붕괴층으로 잘못 식별될 수 있다. 베타 전자 에너지는 또한 붕괴층에서의 에너지 적층이 202 또는 307 keV 흡수에 가깝도록 될 수 있다. 이들 이벤트에서, 붕괴층으로부터의 샘플이 보정 샘플로 잘못 사용된다. 베타 전자의 에너지 스펙트럼(하위 에너지일 가능성이 높음)으로 인해, 모든 선택된 보정 샘플의 에너지가 하위 에너지 쪽으로 기울어질 수 있다.
예컨대, 307 keV 감마선의 흡수로 식별된 보정 샘플은 실제로는 202 keV 감마선과 컴프톤 산란된 307 keV 감마선의 합의 흡수(또는 202 또는 307 keV에 가까운 총 에너지 적층을 갖는 붕괴층으로부터 탈출하는 감마선의 일부 다른 운동학적 조합)일 수도 있다. 이와 같은 오식별로 인해, 비국부적 이벤트가 공간 보정에 사용되게 되어 보정 맵이 왜곡된다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 삼중층 이벤트는 보정 샘플을 생성하기 위해 추가로 또는 대안적으로 사용된다. 202 및 307 keV 감마선은 제 1 붕괴층을 탈출하여 제 2 및 제 3 층에서 상호 작용할 수 있다(짧은 범위 88 keV 감마선도 가능하지만, 가능성은 낮음). 탈출된 감마선이 제 2 및 제 3 층에서 흡수되면, 3개의 관련 층에서의 에너지 적층은 통계적으로 높은 신뢰도로 기본 프로세스를 식별할 수 있게 한다. 즉, 제 2 및 제 3 층은 202 및 307 keV를 흡수하고, 제 1 층은 88 keV에 해당하는 에너지와 베타 전자 에너지의 합을 흡수한다. 이러한 유형의 이벤트 시그니처는 3개 층 모두에서의 에너지 적층이 잘 국부화되어 있기 때문에 보정에 특히 유리하다. 따라서, 이러한 유형의 이벤트는 붕괴층(국부적이지만, 에너지는 정확히 알려지지 않음)으로부터의 1개, 기지의 에너지(202 또는 307 keV)의 2개 등 3개의 잘 국부화된 샘플을 직접 생성한다.
511
keV에
대한 특정 에너지 보정:
PET 스캐닝 애플리케이션용 검출기를 보정하고 검증하기 위해, 511 keV 감마선을 방출하는 감마선원에 노출시키는 것이 유리할 것이다. 본 발명의 유리한 실시예에서, 202 및 307 keV 감마선이 이를 위해 이용될 수 있다. 202 및 307 keV 감마선이 제 1 붕괴층을 탈출하여 제 2 층에 모두 흡수되는 이중층 이벤트를 식별하면, 509 keV에서 에너지 히스토그램 피크가 생성되며, 즉, 관심의 1차 에너지와 0.4% 미만의 차이가 발생한다. 종래의 픽셀화된 검출기에서, 동일한 신틸레이터 픽셀에서 이들 2개의 탈출된 감마선의 동시 흡수 확률은 층화된 모놀리식 구조를 사용하는, 본 발명의 확률에 비해 매우 낮을 것이다.
요약하면, 고유 방사선에 의해 유발되는 이벤트의 세 가지 유형, 및 보정을 위해 이를 활용하는 방법은 다음과 같다.
o 다른 층과 비동시적으로 트리거되는 단일층.
o 하나(또는 복수)의 에너지 창은 이벤트를 검증하는 데 사용된다.
o 공간 보정의 경우, 에너지 창(들)은 섬광 이벤트가 국부화되었다는 확신을 줄 수 있도록 정의되어야 한다. LYSO의 경우, 이것은, γ2 및 γ3이 흡수되기 전에 붕괴 지점으로부터 멀리 이동할 수 있기 때문에, 이것들을 거부해야 한다.
o 동시에 트리거된 2개의 층
o 2개의 관련 층에 대한 유효한 에너지 조합은, 예를 들어, 도 13b에서와 같이, 기지의 에너지의 단일 감마선의 흡수가 층들 중 하나에서 발생되었음을 식별하기 위해 정의된다. LYSO의 경우, 한 층의 에너지는 약 202 또는 307 keV(+/- 일부 측정 정밀도 마진)이어야 한다.
o 또한, 202 + 307 keV 이벤트는 511 keV 근처에서 검출기의 에너지 측정 정확도를 검증하는 데 사용될 수 있다.
o 동시에 트리거된 3개의 층
o 에너지 창은 202 및 307 keV 감마선이 제 1 붕괴층에서 빠져나와 다른 제 2 및 제 3 층에 흡수된 삼중층 이벤트를 식별하는 데 사용된다.
o 각각의 유효한 이벤트는 상이한 3개의 층으로부터 3개의 보정 샘플을 생성하고, 이는 2개의 기지의 에너지 및 1개의 미지의 에너지를 가지고 있다.
샘플 검증 프로세스
에너지 창 및 층 일치를 기반으로 하는 잠재적 보정 샘플의 제 1 검증 단계는 위에서 설명하였다. 추가 검증 단계에는, 예를 들어, 가장자리 프로파일(예컨대, 오목, 볼록)의 검증, 이전 보정 세트와의 비교, 트리거되지 않은 채널의 존재 또는 개별 광자 검출기 채널의 타임스탬프 정보가 포함될 수 있다. 모든 검증 단계를 통과한 샘플은 보정 세트에 저장된다.
발명의 실험적 검증
실험 설정
섬광층의 개수: 2[도 9]
각 섬광층의 치수: 26.5 × 26.5 × 3 mm
신틸레이터 사이의 간격: 13.8 mm
가장자리(층)당 광자 검출기의 개수: 8(32)
2층 가장자리 검출기에 대한 1차원 에너지 히스토그램의 예는 일치 이벤트의 경우가 도 12에 도시되어 있다. 에너지는 ADC(Analog to Digital Converter) 유닛 내에 있으며 층당 모든 가장자리 광자 검출기의 ADC 값의 합으로 계산되며, 202 및 307 keV 감마로부터의 피크가 명확하게 구별될 수 있다.
동일한 데이터 세트의 2차원 히스토그램이 도 13a, 도 13b에 도시된다. 각 검출기의 202 및 307 keV 에너지 영역은 Layer 1에 대해 수직으로 지향된 영역이고, 다운스트림 Layer 2에 대해 수평으로 지향된 영역으로 볼 수 있다. 고밀도 중첩 영역(어두운 영역)에는 202 또는 307 keV의 감마선이 실제로 흡수된 층이 명확하지 않은 이벤트가 포함되어 있는데 이는 두 층에 적층된 에너지가 202 또는 307 keV와 일치하기 때문이다. β-는 0과 593 keV 사이의 에너지 분포를 가지기 때문에, 한 층은 88 keV 감마선과 202-88=114 keV 또는 307-88=219 keV의 에너지를 가진 β-를 흡수하는 한편, 다른 층은 202 또는 307 keV 감마선을 흡수할 수 있다. 예컨대, 컴프톤 산란을 포함하는 다른 흡수 방식도 또한 가능하다.
점선 직사각형은 공간 보정 세트에 사용될 수 있는 이벤트에 대한 일치 트리거 에너지 창의 예를 나타낸다. 원칙적으로, 88 keV 감마선 및 β-의 범위가 상대적으로 짧고, 에너지 적층이 거의 유사 지점으로 간주될 수 있기 때문에, 전술한 중첩 영역을 포함할 수도 있다.
에너지 스펙트럼에서 볼 수 없는 것은 202 및 307 keV 감마선의 양쪽 모두가 하나의 층에서 방출되지만 다른 층에서는 흡수되는 이벤트이다. 테스트된 신틸레이터 검출기 구성의 경우, 이러한 유형의 이벤트 확률은 낮았다. 도 21은 509 keV 피크가 더 뚜렷하게 나타나는 다른 설정의 예를 나타낸다.
보정 소프트웨어 모듈에 의해 정확한 공간 보정을 실행하기 위해서는, 인접한 섬광층으로부터 202 keV 및 307 keV 감마선의 흡수를 포함하는 이벤트에 대한 각 섬광층의 공간 분포를 정확하게 아는 것이 유리하다. 이것은 Lu-176의 농도가 신틸레이터에서 균일하다는 가정하에, 예컨대, 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 사전에 쉽게 계산되거나 시뮬레이팅될 수 있다. 예를 들어, 다중 층 구성(2층 초과)에서, 중앙 층은, 한 측면에 인접층이 없는 "상층" 및 "하층"에 비해, 다른 층의 감마선을 흡수할 가능성이 더 크다. 다중 모듈 구성에서, 감마선의 모듈 간 탈출(및 산란)도 고려해야 할 수 있다.
또한, 이 보정 방식은 단일층 방식과 비교하여 "가장자리 효과" 또는 "코너 효과"에 더 민감할 수 있다. 즉, 섬광 이벤트의 공간 및 에너지 분포는 벌크에서 보다 신틸레이터의 표면 가까이에서 상당히 다를 수 있다.
대신 88 keV 감마선과 하위 에너지 β-가 보정에 사용되는 경우, 신틸레이터 내부의 이벤트 분포가 더 균일할 것이고, 매우 적은 감마선과 β-가 신틸레이터를 탈출할 것이기 때문에, 이벤트 분포는 비록 신틸레이터 표면의 바로 근처에서 편차가 뚜렷하더라도 Lu-176 분포와 유사할 것이다.
좌표
매핑
보정 데이터 세트를 수집한 후, 특정 샘플을 신틸레이터 표면의 2D 좌표에 연결하기 위해 신호 처리 및 제어 시스템에 의한 후처리가 필요하다. 이와 같은 두 가지 방법은 본 발명의 실시예에서 고려된다. (1) 코호넨의 자기 조직화 맵(SOM), 및 (2) 본 발명자들이 고안한 국부적 분산 최소화 방법.
보정
트레이닝
세트
트레이닝 세트를 형성하는 보정 데이터 세트는 N s 샘플로 구성되고, 각 샘플은 차원 N k 를 가진 벡터이다. 가장자리당 N e 광자 검출기를 가진 정사각형 가장자리 검출기의 경우, N k = 4×N e 및 전체 데이터 세트는 N s ×N k (행×열)를 갖는 행렬로 나타내어질 수 있다. 예들이 도 8a, 도 8b에 도시되어 있으며, 가장자리당 N e = 5 광자 검출기를 구비한다.
평가 세트
보정 이벤트의 공간 좌표가 기지인 경우, 보정 데이터 세트는, 예컨대, 트레이닝 세트 및 평가 세트와 같은 하나 이상의 서브세트로 더 분할될 수 있다. 이것은 보정 파라미터의 트리밍 및 조정에 특히 유용하다. 고유의 섬광 이벤트의 위치를 측정하기 위해, 신틸레이터(16) 위와 아래에 에어 갭(119)을 두고, 도 10에 나타낸 바와 같이, 신틸레이터의 어느 한 표면에 가깝게 광자 검출기(118)의 2차원 배열을 위치시킬 수 있다. 신틸레이터의 높은 굴절률로 인해, 대부분의 광자(등방성으로 방출됨)는 내부 전반사를 통해 가장자리 광자 검출기(18)에 도달할 것이다. 그러나, 섬광 광자의 일부는 2D 광자 검출기 배열(118)에 충돌할 것이고, 이 정보는 섬광 이벤트의 기원을 결정하는 데 사용될 수 있다. 원점을 아는 것은 자체 보정 절차의 파라미터 및 이벤트 검증 기준을 최적화하는 데 유리할 수 있다. 다중(1 초과) 동시 섬광 이벤트의 경우, 이 설정은, 예를 들어, 단일(국부적, 유효) 및 다중(비국부적, 무효) 섬광 이벤트의 서명으로 기계 학습 알고리즘을 트레이닝함으로써, 보정 세트에 대해 이들 이벤트의 서명을 직접 거부할 수 있게 하기 위해, 이들 이벤트의 서명에 대한 정보를 제공할 수도 있다.
코호넨의
자기 조직화 맵
원칙: SOM의 계산은 2차원 격자를 고차원의 데이터 세트(여기서는 트레이닝 세트 C)에 매핑하는 것을 목적으로 하고 개별 샘플이 서로 어떻게 관련되어 있는지에 대한 사전 지식이 필요하지 않다. 2D 격자의 각 노드는 고차원 좌표에 매핑되어 데이터 지점 C를 가능한 한 스팬하는 것을 목적으로 하는 늘어나거나 접히고 왜곡된 2D 표면이 생성될 것이다. 그런 다음, 각 데이터 지점이 가장 가까운 격자점 또는 노드에 연결된다. 이하에 설명된 바와 같이, 서로 유사한 샘플은 동일하거나 인접한 노드에 연결될 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모놀리식 섬광판(16)의 자가 보정과 관련하여, SOM은 본질적으로 신틸레이터를 개별 격자로 분할한다. 그런 다음, SOM을 초기화하기 위해, 트레이닝 세트로부터의 샘플을 격자의 임의의 지점에 무작위로 할당할 수 있다(다른 초기화 전략이 가능함). 그런 다음, 보정 소프트웨어 모듈의 반복 정렬 알고리즘은 다음과 같이 모든 샘플을 재배열하는 것을 목표로 한다.
인접 격자점 간의 유사성이 기준이기 때문에, 자체 정렬 알고리즘은 전역적으로 정렬된 데이터 세트를 생성할 것이다. 신뢰할 수 있는 보정을 수행하기 위해서는 상당히 많은 수의 샘플(≫ 격자점 당 1개의 샘플)이 필요하다.
신틸레이터 경계(코너, 가장자리) 근처에서 기원하는 섬광 이벤트의 샘플은 한쪽에 다른 쪽보다 더 많은 인접 샘플을 갖는다. 이러한 비대칭으로 인해, 경계 샘플이, 결국, 정렬 절차 동안, 가장자리와 코너를 향해 확산된다.
원래 SOM은 샘플 밀도, 즉, 격자점 당 샘플 수를 고려하지 않으며, 경계(신틸레이터 가장자리와 코너)에 가까운 인위적으로 높은 샘플 밀도를 생성하는 경향이 있다는 것은 이 방법의 그 자체로 잘 알려진 아티팩트(artefact)이다. 이하에, 본 발명자들은 또한 최적화 후의 수정이 아닌 반복적인 계산 과정에서 이미 이를 수정하는 방법을 제안한다. SOM은 또한 샘플을 2차원 격자 초과로 매핑하는 데 사용될 수 있다.
노드
N k 차원 데이터 세트는 x 및 y에서 신틸레이터의 공간적 범위에 해당하는 2D 격자에 매핑되어야 한다. 이 격자는, 예를 들어, 데카르트 격자 또는 육각형 격자 또는 지그재그 격자 또는 다른 적절한 격자 스타일로 배열될 수 있는 노드의 세트이다. 예를 들어, 가장자리 근처에서 더 미세한 분해능을 갖는 격자가 사용될 수 있다. 단순화를 위해, 2D 데카르트 격자만이 예시된 실시예에서 논의되지만, 방법이 다른 유형의 격자에 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 신틸레이터가 직사각형이 아니라, 예를 들어, 3개 또는 6개의 측면을 갖는 다각형이거나 적어도 하나의 곡면으로 둘러싸인 다각형인 경우, 격자의 레이아웃은 그에 따라 조정될 수 있다.
가중치
각 노드 i, j는 노드를 샘플 공간의 좌표에 매핑하는 차원 N k 의 가중치 벡터 
와 연관된다. 코호넨의 자기 조직화 맵의 원칙은 각 데이터 샘플이 데이터 샘플과 가장 유사한 가중치 벡터를 갖는 노드에 매핑된다는 것이다(이하의 "최적 매칭 유닛" 참조). 또한, 노드 가중치는 이웃하는 노드 가중치에 따라 반복적으로 업데이트된다(이하의 "가중치 조정" 참조).
최적 매칭 유닛(
BMU
)
샘플 s의 "최적 매칭 유닛(Best Matching Unit)" 또는 BMU를 정의하는 한 가지 방법은 가중치 벡터가 샘플에 대해 가장 짧은 유클리드를 갖는 노드를 찾는 것이다. 즉:
당업자에게, 
의 합을 사용하거나, 낮은 가중치의 광자 검출기의 필터링, 즉, s[k]가 일부 임계값 미만인 k를 폐기하는 것과 같은 대체적인 BMU 정의를 적용할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
샘플 정규화
다른 샘플은 다른 에너지의 섬광 이벤트와 광자 방출 및 광자 검출의 확률적 특성으로 인해 발생할 수 있기 때문에 검출된 광자의 수는 샘플마다 다를 것이다. "검출된 광자"라는 용어는 본원에서 광자 검출기로부터의 스칼라 값을 나타내는 데 사용된다. 실제로 측정된 양은, 예컨대, (디지털화된) 전하 적분, 기준선 보정된 전하 적분, 시간 초과 임계값, 작동된 단일 광자 애벌랜치 다이오드의 수 또는 유사한 양일 수 있다. 다양한 노이즈원, 도구적 아티팩트 및 기타 불완전성도 마찬가지로 샘플 간 편차를 유발할 것이다. 서로 다른 에너지의 샘플을 가중치 벡터의 최적 매칭 유닛과 일치시키기 위해, 샘플의 일종의 정규화를 수행해야 한다. 간결함을 위해, 본원의 발명자들은 각각의 정규화된 샘플의 광자 검출기 합이 1과 같도록 간단한 정규화를 사용하는 프로세스를 설명한다.
SOM의 모든 샘플이 거의 동일한 에너지를 갖는 경우, 샘플 정규화는 불필요하다.
샘플 수정
샘플은 정규화 전에 다른 수정을 받을 수 있다. 이와 같은 수정은, 예를 들어, 분석 계산, 시뮬레이션 또는 이전 보정에 기초하여, 양자 효율 또는 광학 커플링 효율의 편차를 보상하기 위해, 각 광자 검출기에서 예상되는 다크 카운트 수를 감산하거나, 개별 광자 검출기 또는 광자 검출기 그룹(예컨대, 동일한 신틸레이터 가장자리를 따르는 광자 검출기 또는 동일한 섬광층에 결합된 광자 검출기)에 일부 스케일링 계수를 곱하는 것으로 구성될 수 있다.
인접 함수
인접 함수는 두 노드 (i 1 ,j 1 )과 (i 2 ,j 2 )가 얼마나 가까운지를 측정한 것으로 최적화 절차의 핵심 인자이다. 통상적인 인접 함수는 가우스 함수이다.
여기서, 데카르트 격자의 경우:
그리고, σ는 일반적으로 초기에는 노드 격자의 반대쪽 단부에 있는 노드가 서로를 끌어당길 수 있을 만큼 충분히 크지만(비슷한 경우), 반복 횟수가 증가함에 따라 크기가 감소하고 노드 가중치가 일부 최종값으로 수렴된다. 일부 거리 상한값 W보다 많이 분리된 노드의 경우, 인접 함수는, 예를 들어, W = 2σ 또는 W = 3σ와 같이 0으로 잘릴 수 있다.
당업자에게 있어서, 상이한 특징적 형상의 인접 함수가 사용될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 예를 들어,
종종 기하급수적으로 감소하는 값이 σ에 대해 사용되는 경우가 있다.
여기서, t는 반복 횟수이다.
가중치 조정
가중치는 다음에 따라 업데이트된다.
α는 노드와 샘플 사이의 인력을 정의하는 파라미터이며, 일반적으로 [0, 1]의 범위에 있으며, 예컨대,
당업자에게 있어서, σ 및 α의 값을 점진적으로 감소시키기 위한 다른 방식이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
밀도 및 수정
반복적인 자기 조직화 프로세스의 단부에서, 공간 샘플 밀도는 노드당 BMU 일치 샘플 수로 제공된다. 이 밀도는 신틸레이터 영역에서 예상되는 섬광 이벤트 분포와 이상적으로 일치해야 한다. 그러나, 위에 정의된 바와 같이, 표준 BMU 매칭을 사용하면, 더 높은 밀도의 샘플 클러스터가 광자 검출기의 중심에 가까운 가장자리를 따라 신틸레이터 코너에 형성되는 경향이 있다. 이것은 섬광 이벤트의 실제 분포를 반영하지 않는 밀도 아티팩트이며, 샘플로부터 섬광 이벤트 좌표로의 매핑을 왜곡할 것이다. 본 아티팩트를 수정하는 방법의 두 가지 예는 다음과 같다.
1. Palomares2019에서 제안된 사후 최적화 수정(Monge-Kantorovich 최적화 사용: Delzanno2008)
2. 최적화 프로세스에서 이미 예상되는 섬광 이벤트 분포를 더 잘 반영하도록 샘플 밀도를 강제한다.
유리한 실시예에서, 본 발명자들은 BMU 매칭을 다음과 같이 조정함으로써 밀도 강제를 구현하는 것이 제안된다.
여기서, 함수 f(ρ[i,j])는 이미 높게 밀집된 노드의 인력을 줄이는 역할을 하여 밀도를 더 균일하게 만드는 샘플 밀도 ρ[i,j]의 함수이다. f(ρ)의 일 구현예는, 높게 밀집된 노드를 더 "반감"시키기 위해, 세트 f(ρ) = ρ 또는 심지어 f(ρ)=ρ p (p≥1, 예를 들어, p=2, p=3 또는 p=4)로 간단히 설정하는 것이다.
밀도 수정이 있거나 없는 최종 자기 조직화 맵 간의 비교예가 도 19a 및 도 19b에 도시되어 있으며, 각 샘플은 그 각각의 BMU 노드(노드 격자 = 24×24) 주위에 플로팅된다. 가장자리 클러스터링 효과는 도 19a에서 명확하게 볼 수 있는 반면, 샘플 밀도는 도 19b에서 더 균일하다.
밀도 함수는, 예컨대, Monte Carlo 시뮬레이션에 의해 얻어진 바와 같이, 예상되는 섬광 이벤트 분포, ρ ref [i,j]에 따라 조정될 수 있으며, (Monte Carlo-기준과 비교하여) 밀집되지 않은 노드는 더 높은 인력을 갖고, 밀집된 노드는 더 낮은 인력을 갖는다. 그런 다음, 밀도 수정은, 예를 들어, 비율 ρ[i,j]/ρ _ ref[i,j]의 함수일 수 있다.
가속(Speed-up): 적응형 격자 밀도
자기 최적화에 필요한 계산 시간은 연속적으로 개선된 시뮬레이션 격자를 사용하여 상당히 단축될 수 있다:
1. 거친 격자, 예컨대, 
에서 노드 격자 및 노드 가중치를 초기화한다.
2. 일정 횟수의 반복, 또는 일부 수렴 기준이 충족될 때까지 최적화를 실행한다.
a. 수렴 기준은 노드 가중치 벡터의 변화가 일부 임계값 미만일 수 있다.
3. 격자 밀도를 
로 증가시킨다.
a. σ 및 W는 새 격자 분해능과 원활하게 일치하도록 크기 조정될 수 있다.
4. 더 미세한 격자에서 신규 노드 가중치를 보간한다.
5. 포인트 2.로부터 원하는 공간 분해능이 충족될 때까지 반복한다.
가속(Speed-up):
감소된
샘플 세트
계산 시간을 단축하는 또 다른 방법은 자기 조직화 프로세스에 참여하는 샘플의 수를 연속적으로 증가시키는 것이다. 노드 가중치 맵이 점진적으로 수렴됨에 따라 상대적으로 적은 수의 샘플(노드 당)로 시작하여 점진적으로 또는 단계적으로 최적화 절차에 더 많은 샘플을 포함할 수 있다. 예를 들어, 격자 밀도가 증가할 때마다 노드당 평균 샘플 수가 일정하도록 자기 조직화 프로세스에 참여하는 더 많은 샘플을 도입할 수 있다.
샘플 제거
인접 샘플과 상당히 다른 것처럼 보이는 샘플은 제거될 수 있다. 이와 같은 샘플은 전자 노이즈로 인해 발생될 수 있다. 또 다른 가능한 원인은 우연한 섬광 이벤트, 예를 들어, 한 지점에서 하나의 88 keV 감마선의 광전 흡수가 다른 지점에서 컴프톤 산란된 202 keV 감마선과 우연히 일치한다. 총 에너지는 허용 창 내에 있을 수 있지만, 빛은 2개의 다른 위치에서 기원하기 때문에, 그와 같은 이벤트의 광자 검출 패턴은 단일 감마선의 광전 흡수로부터의 섬광과 비교하여 왜곡될 것이다.
도 20a는 단일 지점으로부터 기원하는 이벤트(Event 1)와 2개의 서로 다른 위치로부터 기원하는 다른 이벤트(Event 2)의 예를 도시한다. 도 20b는 각 가장자리를 따라 광자 검출기의 대응하는 응답을 나타낸다. Event 1과 같은 이벤트는 일반적으로 볼록하거나 단조롭게 증가/감소하는 가장자리 프로파일을 산출하는 반면, Event 2와 같은 이벤트는 섬광 이벤트와 개인적인 섬광 이벤트의 상대적 에너지 사이의 거리에 따라, 하나 이상의 가장자리를 따라 오목한 가장자리 프로파일을 산출할 수 있다. 따라서 가장자리 프로파일의 특징적인 형상은 샘플을 검증하는 데 사용될 수 있다.
허용 가능한 가장자리 프로파일에 대한 기준은 복수의 일치하지만 공간적으로 분리된 섬광 이벤트에서 비롯될 가능성이 있는 샘플을 폐기하는 데 사용될 수 있다.
이와 같은 기준은 다음을 기반으로 할 수 있다.
처음 5개 카테고리에 기반한 데이터 및 검증 기준은 폐기할 샘플을 신속하게 식별하는 데 사용될 수 있다. 자체 정렬 알고리즘을 기반으로 하는 보정의 맥락에서, 마지막 카테고리는 샘플 주변과 이탈 샘플을 식별하기 위해 적어도 데이터의 예비 공간 정렬을 수행해야 한다. 기계 학습 알고리즘은 Event 2와 유사한 이벤트를 식별하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초기 보정 데이터 세트는 사전 정의되고 신호 처리 및 제어 시스템(30)의 비휘발성 메모리(31)에 저장되며, 사전 정의된 보정 데이터는 유사 지점에 가까운 이벤트에 대한 허용 기준에 대응한다. 즉, 대부분의 섬광 생성은 원하는 공간 분해능에 비해 충분히 작은 부피 세그먼트 내에서 일어난다. 이것은, 광원이 점 광원과 유사하다는 의미에서, 개별 샘플이 "깨끗"하기 때문에, 획득한 보정 데이터 세트를 신틸레이터의 횡방향 공간 치수에 대응하는 2차원 맵에 매핑하는 프로세스를 용이하게 한다.
가중치 맵 방향
조직 프로세스가 감독되지 않기 때문에, 수렴 가중치 맵이 신틸레이터의 광자 검출기의 물리적 위치와 관련하여 올바르게 지향되지 않았을 수 있다. 가중치 맵은, 예를 들어, x축 또는 y축을 따라 미러링되거나, z축을 따라 90도, 180도 또는 270도 회전될 수 있다. 광자 검출기의 물리적 위치가 알려졌기 때문에, 각 가중치 맵의 최대값 위치가 연관된 광자 검출기의 기지의 위치와 일치하도록 가중치 맵을 뒤집거나 미러링하거나 회전시킴으로써 이를 쉽게 자동으로 수정할 수 있다.
가중치 및 분산 맵
최적화 절차가 최종 솔루션에 수렴되면, 각 광자 검출기 k에 대해 각 노드에서 평균 가중치 및 분산 맵을 계산할 수 있다.
여기서, X ij 는 노드 (i,j)에 BMU가 있는 데이터의 서브세트이다.
평균 및 분산은 0이 아닌 샘플 요소에서만 계산하거나, 일부 다른 자격 메트릭(예컨대, 이상치 거부)을 통과하는 샘플 요소에서만 계산될 수 있다.
BMU로부터의
Lowess
맵
수량 μ[i,j,k] 및 
는 BMU가 노드 [i,j]인 샘플에서만 계산된다. 격자가 미세할수록 노드당 샘플 수가 적고, 평균 및 분산이 아티팩트와 노이즈에 더 취약하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, (미세 노드 격자를 사용하여) 미세 공간 분해능을 유지하면서, 노드당 적은 수의 샘플로 인한 노이즈를 여전히 억제하기 위해, 시스템은 2차원 국부적 가중된 회귀, 예를 들어, μ 및 
(더 높은 차수가 사용될 수도 있음)에 대한 차수 1의 Lowess Smoothing을 적용하여 BMU 맵을 더욱 평활화하는 추가 단계를 취할 수 있다.
자기 조직화
코호넨
맵 - 예시
자기 조직화 절차의 원리는 2차원 샘플 세트를 노드의 2차원 격자에 매핑함으로써 설명될 수 있다. 이하에 설명된 예에서, 샘플은 창 x∈[0,3] 및 y∈[0,3] 내의 25×25개의 점 격자로 구성되며, 이는 7×7 노드 세트에 매핑된다. 밀도 이질성(Density heterogeneity)은 ρ 4에 비례하여 처리된다.
도 18a는 0회 반복 이후의 매핑을 나타낸다. 샘플은 원형 마커로 플로팅된다. 각 노드의 가중치 벡터는 샘플과 같은 차원이며 각 노드의 가중치 벡터는 정사각형으로 플로팅된다. 각 샘플의 BMU 또는 최적 매칭 노드는 샘플 및 매칭 노드 사이의 선으로 그려진다. 마찬가지로, 인접 노드 사이, 즉, 노드 (i,j)와 (i-1,j), (i,j-1) 등 사이에 선이 그려진다. 0회의 반복에서 노드의 가중치 벡터는 무작위로 생성된다.
도 18b는 4회 반복 후의 매핑을 나타낸다. 노드는 이제 샘플 중심 내의 좁은 영역에 걸쳐 분산된다. 60회 반복 후(도 18d), 노드가 "해제(disentangling)"되어 정렬되고 있다는 것이 명백해지기 시작한다. 밀도 수정의 결과로서, 각 샘플의 BMU가 반드시 가장 가까운 노드는 아니라는 점에 유의한다. 즉, 샘플의 가장 유사한 BMU가 이미 다른 많은 샘플로 채워져 있으면, 다른 노드가 BMU로 선택될 가능성이 높다. 140회 반복 후(도 18e), 노드 가중치는 샘플에 걸쳐 있는 영역의 상당 부분에 퍼져 있다. 약 490회 반복 후(도 18f), 노드 가중치는 안정적인 솔루션으로 수렴되었다.
국부적
LOWESS
분산 최소화
본 발명의 또 다른 실시예에서, 노드의 경계 영역의 가장자리와 코너에 가까운 아티팩트(즉, 신틸레이터 가장자리에 가까운 및 가장자리)로 인해, 공간 정밀도가 제한되는 코호넨 SOM의 약점을 극복하기 위해 코호넨의 자기 조직화 맵에 대한 대안이 제안된다. 신틸레이터의 중심에서, 각 노드 또는 뉴런은 모든 측면에서 주변 뉴런과 샘플을 두고 경쟁한다. 그러나, 경계에 있는 노드는 신틸레이터의 중심에 더 가까운 뉴런을 가진 샘플에 대해서만 경쟁한다. 이 비대칭 경쟁은 평균 광자 검출기 응답 μ[i,j,k]의 노드 맵의 기울기가 경계에서 억제되는 효과가 있다. 이는 격자를 미세 조정함으로써 어느 정도 극복할 수 있지만, 노드 수가 격자 분해능에 따라 2차적으로 증가하기 때문에, 게다가 노드당 평균 샘플 수를 통계상 허용 가능한 수준으로 유지하기 위해 더 큰 보정 세트가 필요하다는 사실 때문에, 더 긴 계산 시간이 소요된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이 유리한 방법은 각 노드에서 국부적 분산을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 이 특징은 올바르게 구성된 보정 세트의 자연스러운 속성으로 간주된다. 절차의 예는 다음과 같다.
1. 물리적 신틸레이터의 (x,y) 범위의 공간 좌표에 해당하는 노드 격자를 정의한다.
2. 선택적으로, 모든 샘플을 샘플 무게 중심에 해당하는 노드 좌표로 초기화한다(모놀리식 면 결합 검출기의 경우). 모놀리식 가장자리 결합형 검출기의 경우, 초기화 좌표의 일 예는 반대쪽 가장자리의 광자 검출기로부터의 평균 무게 중심이다. 예를 들어, 신틸레이터 표면의 더 큰 부분을 커버하기 위해 무게 중심 값에 선형 스케일링을 적용하는 것과 같은 다른 초기화 좌표가 가능하다.
3. 모든 샘플의 할당된 좌표에서, 신틸레이터 표면 x, y에 걸쳐 모든 광자 검출기 k의 국부적으로 가중된 2차원 회귀 맵("LOWESS 맵"), 즉, 
및 
을 생성한다.
4. 모든 샘플 m∈[0,N s ]에 대해 반복하고 각 샘플을 Lowess 맵에서 최적 매칭 노드로 이동한다. 발명자는 다음과 같은 유사한 결과로 "최적 매칭 노드"에 대한 다른 매트릭을 시도하였다(t는 에포크를 나타냄).
a. 국부적 분산 최소화:
i. 
b. 최대 확률 최소화:
i. 
c. 새로운 BMU 세트에서, 에포크 t+1에 대한 새로운 Lowess 맵을 계산한다.
d. 본 발명자가 SOM에 대해 제안한 것과 마찬가지로, BMU 매칭은 샘플 밀도를 직접 고려하도록 조정될 수 있다. 균일한 샘플 밀도를 달성하려는 경우, 위의 a)를, 예를 들어, 다음과 같이 간단히 조정할 수 있다.
i. 
,
여기서, ρ[i,j]는 노드 [i, j]에서의 샘플 수이다. 과잉 밀집 노드는 부족 밀집 노드보다 반발력이 더 크다. 여기서, 0.5의 예시적인 최소 밀도값은 모든 비밀집 노드(ρ= 0)에서 동일한 수치(0)를 피하는데 사용되었다. 이것은 보정 절차를 시작할 때나, 일부 노드가 아직 밀집되지 않았을 때나 노드당 평균 샘플 수가 낮은 경우에 주로 중요하다.
5. 솔루션이 수렴될 때까지 #4 단계를 반복한다.
유리한 실시예에 따르면, 안정적인 솔루션에 도달하기 위해, 계산 시작 시에 2차원 Lowess 회귀에 대한 넓은 반경이 사용된다(연속적으로 축소되는 σ값을 사용하는 코호넨의 인접 함수와 유사함).
마찬가지로, 예를 들어, 사전 정의된 수의 에포크 이후나 일부 안정성 기준이 충족되는 경우(예컨대, 하나의 에포크에서 다음 에포크로의 Lowess 맵 요소의 변경 진폭에 기초함), 격자 분해능을 연속적으로 증가시킬 수 있다. 가장자리당 N e 광자 검출기를 구비한 모놀리식 가장자리 결합형 검출기 또는 N e ×N e 광자 검출기를 구비한 모놀리식 면 결합형 검출기의 경우를 고려하면, N e ×N e 노드의 격자로 최적화를 시작한 다음 원하는 공간 분해능이 충족될 때까지 가장자리당 노드 수를 증가시킬 수 있다.
예컨대, 상이한 유형의 가중치 함수를 사용하여, Lowess 회귀의 상이한 변형이 가능하다. 또한, 샘플이 이산 노드에 할당되면, 각 노드에 할당된 샘플의 평균 및 분산으로부터 선형, 2차 또는 바이큐빅 보간(bicubic interpolation), 또는 샘플 세트로부터의 유사한 보간 기술을 만들 수도 있다.
알고리즘을 안정화하기 위해, 각 반복에서 새로운 BMU로 이동된 샘플 수를 모든 샘플의 일부, 예컨대, 25% 또는 50%로 제한할 수 있다.
이 기술의 주요 장점은, Lowess 맵이 국부적 보간에서 생성되기 때문에, 가장자리에서의 맵 값이 더 많은 중앙 샘플에 의해 덜 제한되어 더 가파른 가장자리 기울기를 허용한다는 것이다.
몬테카를로 검증:
코호넨의
SOM
대 국부적 분산 최소화
본 발명의 유리한 양태에 따른 코호넨의 SOM 대 국부적 분산 최소화 방법의 정밀도를 비교하기 위해, 본 발명자들은 몬테카를로 시뮬레이션의 데이터 세트를 사용했으며, 여기서, 고정 에너지 감마 빔은 -24.5mm 내지 +24.5mm(50×50 격자점), 1×1mm 격자에서 50×50×6mm 신틸레이터를 향해 조준되었다. 몬테카를로 검증을 사용하면 각 섬광 이벤트의 좌표를 정확하게 알 수 있다는 장점이 있다.
신틸레이터에는 각 가장자리를 따라 5개의 광자 검출기가 장착되어 있다(N k =5×4=20). 각각의 감마선 신틸레이터 상호 작용에 대해, 섬광 광자는 광자 검출기 또는 다른 매체에 의해 흡수될 때까지 추적되었다. 각 검출기에 의해 검출된 광자의 수가 기록되었다. 각 감마선의 x, y 좌표와 함께 대규모 데이터 세트(500,000개 초과의 샘플)가 저장되었다. 이 데이터 세트의 일부는 SOM 및 국부적 분산 최소화기 모두에 대한 트레이닝 데이터로 사용되었으며, 두 경우 모두 동일한 최종 노드 수(30×30 노드)를 사용하였다. 마지막으로, 2개의 옵티마이저에 대한 예측 능력은 다음과 같은 검증 샘플 세트(트레이닝에서는 사용되지 않음)를 사용하여 테스트되었다. 즉, 검증 세트의 각 샘플이 BMU와 매칭되었고, 매칭된 BMU 좌표와 실제 감마선의 상호작용 좌표 사이의 차이(몬테카를로 시뮬레이션에서의 입력 좌표)가 계산되었다.
특히 흥미로운 것은 신틸레이터 가장자리에 가까운 샘플에 대해 두 기술의 정밀도를 비교하는 것이다. 신틸레이터의 중심을 x = y = 0으로 정의하면, 실제 섬광 이벤트 좌표와 매칭된 노드의 좌표 사이의 유클리드 거리인 공간 오차 
를, 
의 함수(중앙에서 0이고, 신틸레이터 가장자리에서 +25mm임)로 평가할 수 있다.
도 16은 SOM과 국부적 분산 최소화 기법 모두에 대한 r의 함수(전체 평가 세트에 대한 Δ(r)의 1차원 Lowes 회귀)로서 Δ를 나타낸다. 신틸레이터의 중앙 영역(r<20)에서, 두 기술은 유사한 정밀도를 제공한다. 그러나, 신틸레이터의 외곽(r≥20)에서, 국부적 분산 최소화는 훨씬 더 나은 공간 정밀도를 생성한다. 즉, 가장자리(r=25)에서 최대 인자 2개까지이다.
신틸레이터의 외측 5mm(r∈[20,25])는 신틸레이터 표면의 36% 또는 검출된 이벤트의 1/3 이상을 나타낸다. 따라서 유리한 실시예에 따른 국부적 분산 최소화 기법은 고유 방사능을 사용하는 공간 보정뿐만 아니라, 외부 방사능 선원을 사용하는 임의의 모놀리식 검출기를 공간적으로 보정하기 위한 전반적인 공간 정밀도에 대한 상당한 개선을 나타낸다.
실험실 검증
이 항목에서는 실험적 검증 설정과 데이터 수집 결과에 대해 설명한다. 치수, 사양, 임계값, 가장자리당 픽셀 수, 섬광 재료, 광자 검출기 유형 등과 같은 임의의 숫자는 단지 설명을 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범주 내에서 다른 구성 및 값이 가능하다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 실현 가능성을 테스트하기 위해, 본 발명자들은 신틸레이터 가장자리당 8개의 광자 검출기를 구비하는 LYSO 신틸레이터의 2개 층을 사용하여 스퀘어 가장자리 결합형 모놀리식 검출기를 구축하였다. 모놀리식 검출기는 8×8 SiPM(실리콘 광전자 증배관) 배열, 3.3mm 피치에 결합된 8×8 신틸레이터 배열 검출기 맞은편에 있는 방사성 점 광원(Na-22, 0.25mm 직경)의 한 쪽에 배치되었다. 모놀리식 검출기는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 픽셀 검출기보다 광원에 더 가깝게 배치되었다. 양전자 소멸 시, 2개의 반대되고 일치하는 511 keV 감마선이 광원으로부터 방출된다. 픽셀 검출기에서 흡수되고 있는 감마선의 위치는 알려졌으며, 모놀리식 검출기에서 흡수되고 있는 감마선의 위치는 점 광원을 통해 픽셀 검출기로부터 모놀리식 검출기로의 상호 작용선을 통해 추론될 수 있다. 픽셀 검출기를 모놀리식 검출기보다 광원에서 더 멀리 배치함으로써, 모놀리식 검출기의 공간 분해능이 픽셀 검출기의 피치보다 더 좋을 수 있다.
검증 절차 단계는 다음과 같다.
1. 모놀리식 검출기의 고유 방사능으로부터 광자 검출기 데이터를 획득하는 단계
2. 다음과 같은 2개의 개별 보정 세트를 생성한다.
a. 보정 세트 1, C 1: 단일층 이벤트. 88-180 keV에 해당하는 에너지 필터가 적용되어, 창 밖의 모든 이벤트를 거부하였다.
b. 보정 세트 2, C 2: 202 keV 감마선을 사용하는 2층 이벤트. 양 섬광층이 모두 트리거된 이벤트만이 사용되었다. Layer 1의 에너지 적층이 220 keV ± 20 keV이고, Layer 2의 에너지 적층 > 300 keV인 이벤트만 허용하여 추가 필터링이 구현되었다. 이것은 Layer 2에서 방출된 r 2가 Layer 1에서 흡수된 대부분의 이벤트를 선택한다.
3. 코호넨의 SOM 또는 2개의 보정 세트에 대한 국부적 분산 최소화에 따라 보정 맵을 생성한다.
4. 방사선원을 삽입하고 모놀리식 검출기와 픽셀 검출기 상의 일치 이벤트로부터 데이터를 수집한다.
5. 3단계로부터의 보정 맵과 4단계로부터의 모놀리식 샘플을 사용하여, 픽셀 검출기 상에서 트리거된 픽셀을 예측한다. 실제로 트리거된 픽셀과 비교하고 모놀리식 검출기에서의 x 및 y, ε x 및 ε y 에서의 공간적 차이를 계산한다.
ε x , ε y 의 히스토그램 및 보정 세트 C 1 및 C 2를 사용한 절대 오차 
는 도 15a 및 도 15b에 표시된다. C 1의 경우, 50,000개의 샘플이 트레이닝에 사용되었으며, C 2의 경우, 20,000개의 샘플이 사용되었다. 절대 오차의 중앙값은 두 보정 세트에 대해 대략 1mm이다.
3중층
이벤트를 사용한 동시 에너지 및 공간 보정
전술한 삼중층을 사용하여 국부적 보정 샘플을 생성하면, 붕괴층에서 정의되지 않은 에너지(88 keV + 베타 전자 에너지)의 보정 샘플이 생성될 수 있다. 이들 샘플의 적층 에너지는 본질적으로 연속적인 에너지 분포로부터 취해질 것이다. 이와 같이, 이들 샘플은 전술한 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있는 3차원 자기 조직화 맵에서 사용하기에 매우 적합하다. 즉, 횡방향 좌표 x와 y는 2개의 파라미터이고, 적층 에너지는 제 3 파라미터이다. 예를 들어, 3차원 보정 노드 격자가 사용될 수 있고, 이는 차원 중 하나가 에너지 적층에 해당한다.
대안적으로, 보정 샘플을 복수의 개별 SOM 맵 세트로 배열할 수 있으며, 각 맵은 도 22에 나타내는 바와 같이 하위 에너지 범위 E_0, E_1, …, E_n에 해당한다. 분류하기 전에, 샘플은, 예를 들어, 섬광 에너지와 상관되는 모든 광자 센서의 샘플 합에 따라, 특정 SOM에 할당될 수 있다. 전술한 SOM 알고리즘은 에너지 차원을 따라 보간된 Lowess 맵으로 Lowess 맵을 정기적으로 업데이트함으로써 추가 차원을 커버하도록 적응될 수 있으며, 이는 개별 Lowess 맵을 모노토닉 에너지 순서로 유지하는 역할을 한다. 샘플은, BMU 매칭을 적용할 때, 서로 다른 맵 사이를 자유롭게 이동할 수 있다.
수렴 시, Lowess 맵당 최종 샘플 수(즉, 하위 에너지 범위당)는 베타 전자 스펙트럼에 해당하는 고에너지 테일(tail)과 202 및 307 keV에 해당하는 피크로 에너지 히스토그램을 반영할 것이다. 이러한 하위 에너지 범위당 샘플 주파수는 88~681 keV 사이의 모든 에너지의 국부적 이벤트에 대한 검출기 응답을 보정하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은, 다른 에너지의 샘플을 비교할 때, 샘플 정규화와 관련된 특정 문제를 해결한다.
룩업
테이블
보정 출력은 섬광 좌표의 더 빠른 재구성을 위해 룩업 테이블의 형태로 전자적으로 저장될 수 있다.
환자 5
타겟 구역(예컨대, 종양) 4
이온빔 치료 시스템 6(예컨대, 양성자빔 치료 시스템)
환자 지지대 7
이온빔 방출기 8
이온빔 1
감마선 검출 시스템 10
검출 모듈 어셈블리 13
개구 42
검출 모듈 14
섬광판 /층 16
주표면 40a
부(횡방향)표면 40b("가장자리"라고도 지칭함)
방사상 갭 17
광자 검출기 18
개별층 광자 검출기 18a("광자 검출기 픽셀" 또는 단지 "픽셀"이라고도 지칭함)
스트립 다층 광자 검출기 18b("광자 검출기 스트립" 또는 단지 "스트립 검출기"라고도 지칭함)
광자 검출 출력 신호 37
광자 검출기 지지 기판(보드) 20
검출기-신틸레이터 광학 인터페이스 22
전자 광학 셔터(EOS) 24
가장자리 광 확산기 26
컴퓨팅 시스템
신호 처리 및 제어 시스템 30
비휘발성 메모리 31
회로 기판 32
전자 부품 34
마이크로프로세서, 메모리
커넥터 36a, 36b
좌표 매핑 평가 설정
광자 검출기 배열 118
에어 갭 119
콤프톤 원뿔 25
응답선( LOR : Line of response) 27
컴프톤 원뿔 - LOR 교차점 27b
관심 부피( 타겟 구역) 27c
타겟 구역(예컨대, 종양) 4
이온빔 치료 시스템 6(예컨대, 양성자빔 치료 시스템)
환자 지지대 7
이온빔 방출기 8
이온빔 1
감마선 검출 시스템 10
검출 모듈 어셈블리 13
개구 42
검출 모듈 14
섬광판 /층 16
주표면 40a
부(횡방향)표면 40b("가장자리"라고도 지칭함)
방사상 갭 17
광자 검출기 18
개별층 광자 검출기 18a("광자 검출기 픽셀" 또는 단지 "픽셀"이라고도 지칭함)
스트립 다층 광자 검출기 18b("광자 검출기 스트립" 또는 단지 "스트립 검출기"라고도 지칭함)
광자 검출 출력 신호 37
광자 검출기 지지 기판(보드) 20
검출기-신틸레이터 광학 인터페이스 22
전자 광학 셔터(EOS) 24
가장자리 광 확산기 26
컴퓨팅 시스템
신호 처리 및 제어 시스템 30
비휘발성 메모리 31
회로 기판 32
전자 부품 34
마이크로프로세서, 메모리
커넥터 36a, 36b
좌표 매핑 평가 설정
광자 검출기 배열 118
에어 갭 119
콤프톤 원뿔 25
응답선( LOR : Line of response) 27
컴프톤 원뿔 - LOR 교차점 27b
관심 부피( 타겟 구역) 27c
Claims (22)
- 감마선 검출 시스템(10)으로서,
신호 처리 및 제어 시스템(30)을 포함하는 계산 시스템과,
타겟 구역(4)으로부터의 감마선 방출을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 모듈(14)을 포함하는 검출 모듈 어셈블리(13) - 각각의 검출 모듈은 일반적으로 타겟 구역을 향하도록 배향된 주표면(40a) 및 섬광층의 가장자리를 정의하는 횡방향 부표면(minor surfaces; 40b)을 갖는 적어도 하나의 모놀리식 섬광판(monolithic scintillator plate; 16)을 포함함, 및
상기 적어도 하나의 모놀리식 섬광판의 가장자리에 결합되고, 상기 신호 처리 및 제어 시스템에 연결된 복수의 광자 검출기 - 상기 적어도 하나의 모놀리식 섬광판은, 상기 광자 검출기에 의해 측정 가능한 강도를 갖는 고유의 섬광 이벤트(intrinsic scintillation events)를 유발하는 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 재료를 포함함 - 를 포함하되,
상기 감마선 검출 시스템은, 상기 광자 검출기에 의해 출력된 복수의 상기 고유의 섬광 이벤트의 측정에 기초하여 공간 보정 절차를 실행하도록 구성된 보정 모듈을 포함하고, 상기 공간 보정 절차는, 상기 복수의 광자 검출기의 출력의 함수로서, 상기 모놀리식 섬광판 내의 섬광 이벤트의 공간 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 감마선 검출 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 섬광판은, 섬광 재료층 및 상기 섬광 재료층의 주표면 상에 또는 상기 섬광 재료층에 인접하여 배열된 방사성 재료층을 포함하고, 상기 방사성 재료층은 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 상기 재료를 구성하거나, 또는 상기 섬광판은, 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 상기 재료를 구성하는 방사성 재료로 합성 도핑된 섬광 재료를 포함하거나, 또는 상기 섬광판은, 루테튬을 함유하는 섬광 결정을 포함하고, 상기 보정 프로세스는, 고유의 Lu-176 활성을 사용하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 신호 처리 및 제어 시스템은, 사전 정의된 에너지 상한값을 초과하는 광자 검출기 측정 출력을 배제하도록 구성된 에너지 필터를 포함하고, 선택적으로 상기 에너지 필터는, 사전 정의된 에너지 하한값 미만의 광자 검출기 측정 출력을 배제하도록 구성되는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 2개의 적층된 섬광판을 포함하되, 상기 보정 절차는, 하나의 판에서 방출되고 다른 판에서 흡수되는 사전 정의된 관심 에너지(energies of interest)(예컨대, 202 또는 307 keV)를 갖는 감마선을 선택하고, 미지의 에너지(unknown energy)를 가진 β - 스펙트럼의 영향을 억제하기 위해 상기 적어도 2개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 것을 포함하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보정 모듈은, 섬광판에서 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 자기 조직화 맵을 계산하기 위한 알고리즘을 포함하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보정 모듈은, 상기 섬광판의 가장자리 부근의 고유의 섬광 이벤트의 상기 2차원 공간 위치의 공간 분해능을 개선하기 위해 국부적 분산 최소화(local variance-minimization)를 계산하기 위한 알고리즘을 포함하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 광자 검출기(18)는 상기 주표면에 입사되는 감마선으로부터 상기 섬광판 내의 섬광 이벤트를 검출하도록 구성된 상기 가장자리의 각각에 대해 장착되는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 모듈 어셈블리는, 타겟 구역을 둘러싸고, 타겟 구역을 통과하는 이온빔 방출을 위한 갭(42) 또는 오리피스를 포함하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 3개의 섬광판을 포함하되, 상기 보정 절차는, 3개의 국부적인 섬광 이벤트를 선택하기 위해 상기 적어도 3개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 것을 포함하며, 3개의 국부적인 섬광 이벤트 중 하나는 베타 전자로부터의 기여를 포함하는 것인, 감마선 검출 시스템. - 조직 구역의 이온빔 조사를 위한 이온빔 치료 시스템(6)으로서,
환자 지지부(7), 적어도 회전축을 중심으로 상기 환자 지지부에 대해 이동 가능한 이온빔 방출기(8) 및 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 감마선 검출 시스템을 포함하는, 이온빔 치료 시스템. - 감마선 검출 시스템(10)을 보정하는 방법으로서,
상기 감마선 검출 시스템은, 신호 처리 및 제어 시스템(30)을 포함하는 계산 시스템과, 타겟 구역(4)으로부터의 감마선 방출을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 모듈(14)을 포함하는 검출 모듈 어셈블리(13) - 각각의 검출 모듈은 일반적으로 타겟 구역을 향하도록 배향된 주표면(40a) 및 섬광층의 가장자리를 정의하는 횡방향 부표면(40b)을 갖는 적어도 하나의 모놀리식 섬광판(16)을 포함함 -, 및 상기 적어도 하나의 모놀리식 섬광판의 가장자리에 결합되고 상기 신호 처리 및 제어 시스템에 연결된 복수의 광자 검출기 - 상기 섬광판은, 상기 광자 검출기에 의해 측정 가능한 강도를 갖는 고유의 섬광 이벤트를 유발하는 방사선을 본질적으로 방출하는 동위원소를 갖는 재료를 포함함 - 를 포함하고,
상기 방법은,
상기 복수의 광자 검출기에 의해 복수의 상기 고유의 섬광 이벤트의 강도 및 시간을 검출하는 단계와,
상기 복수의 광자 검출기에 의해 출력된 섬광 이벤트의 상기 검출된 강도 및 시간의 값을 컴퓨팅 시스템으로 전송하는 단계, 및
상기 광자 검출기의 출력의 함수로서 상기 모놀리식 섬광판에서 섬광 이벤트의 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 컴퓨팅 시스템에서 교정 모듈 프로그램을 실행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
사전 정의된 상위 에너지 레벨 위로 검출된 강도는 제외되고, 선택적으로 사전 정의된 하위 에너지 레벨 미만으로 검출된 강도는 제외되는 것인, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
모놀리식 섬광판에서 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치에 대한 자기 조직화 맵은, 상기 보정 모듈의 알고리즘에 의해 계산되는 것인, 방법. - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬광판의 가장자리 근처의 고유의 섬광 이벤트의 2차원 공간 위치의 공간 분해능을 개선하기 위한 국부적 분산 최소화는, 상기 보정 모듈의 알고리즘에 의해 계산되는 것인, 방법. - 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나의 판으로부터 방출되고 다른 판에서 흡수되는 사전 정의된 관심 에너지(예컨대, 202 또는 307 keV)를 갖는 감마선을 선택하고 미지의 에너지를 갖는 β-스펙트럼의 영향을 억제하기 위해 상기 적어도 2개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 단계를 포함하는 방법. - 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
3개의 국부적인 섬광 이벤트를 선택하기 위해 상기 적어도 3개의 섬광판 사이에서 일치하는 고유의 섬광 이벤트를 측정하는 단계를 포함하되, 그 중 하나는 베타 전자로부터의 기여를 포함하는, 방법. - 제 3 항에 따른 시스템 또는 제 12 항에 따른 방법으로서,
상기 사전 정의된 에너지 상한값은, 200 keV 내지 약 1200 keV의 범위에 있는 것인, 시스템 또는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 사전 정의된 에너지 상한값은, 200 keV 내지 약 400 keV 범위에 있는 것인, 시스템 또는 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 사전 정의된 에너지 상한값은, 200 keV 내지 230 keV의 범위, 예를 들어, 약 202 keV인 것인, 시스템 또는 방법. - 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 사전 정의된 에너지 하한값은, 0 keV 내지 90 keV 범위에 있는 것인, 시스템 또는 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 사전 정의된 에너지 하한값은, 20 keV 내지 90 keV 범위에 있는 것인, 시스템 또는 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 사전 정의된 에너지 하한값은, 65 keV 내지 90 keV의 범위, 예를 들어, 약 88 keV인 것인, 시스템 또는 방법.
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