Optimized Method for Designing MR Compatible PET System : Photo-sensor Charge Transmission Using Long Cable = 최적화된 PET/MR 설계 방법 : 광센서 전하신호 전송방법 성능평가
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2009
학위논문사항
Thesis(M.A.)-- 성균관대학교 일반대학원 : 생명의공학협동과정 2009. 2
발행연도
2009
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
대한민국
형태사항
ix, 69 p. ; 26cm
DOI식별코드
소장기관
형태학적 분해능이 우수하고 분자 및 기능적 영상을 획득이 가능한 융합영상기기를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 양전자 방출단층촬영기 (Positron Emission Tomography, PET)와 컴퓨터 단층촬영기 (Computed Tomography, CT)를 융합시킨 PET/CT는 1998년 장비가 도입된 이후, 중요한 핵의학 의료영상장비로 자리매김하게 되었다. 그러나 PET/CT는 구조적으로 동시영상획득이 아닌 순차적 영상을 획득하기 때문에, 완벽하게 PET 영상과 CT 영상의 형태학적인 일치를 이루기 어렵고, 획득영상에서 시간적 연관성을 찾기 어렵다. 이에 반해, PET/MR은 동시영상획득이 가능하고, CT와 비교하여 자기공명영상장치 (Magnetic Resonance Imaging, MRI)는 추가적인 방사선 피폭이 없고, 연조직에서 대조도가 높고, 생화학적 특성을 나타내는 영상을 획득할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 뇌영상 및 골격영상에서는 PET/CT와 비교하였을 때, 보다 효과적인 임상응용지수를 제공한다.
PET/MR 융합영상기기를 개발하는 방법은 신호전송방법에 따라 세가지로 분류할 수 있다. 첫째는 섬광신호 전송으로, 섬광결정에서 발생한 섬광신호를 광섬유를 이용하여 MR 보어 외곽에 위치한 광센서로 전달하는 방법으로 MR 보어에 섬광결정만 삽입된다. 둘째는 증폭신호 전송으로, 전치증폭기나 정형증폭기를 통과하여 증폭된 감마선 전기신호를 MR 보어 외곽에 위치한 신호처리회로로 전달하는 방법으로 MR 보어에 PET 검출기를 구성하는 섬광결정, 광센서, 신호증폭회로 모두가 삽입된다. 셋째는 전하신호 전송으로, 입사한 섬광신호를 광센서에서 전하신호로 변환하여 긴 케이블을 사용하여 MR 보어 외곽에 위치한 전치증폭기로 전달하는 방법으로 MR 보어에 섬광결정과 광센서만 삽입된다.
현재까지 방법 3은 PET/CT, PET/MR은 물론 PET 단일영상기기 개발을 위해서도 이용되지 않았다. 그것은 광센서 신호가 미약한 전하신호이고, 기존에 광센서 노이즈 신호를 최대한 줄이기 위해서이다. 최근에 개발된 SPM은 다른 반도체 광센서들과 성능을 비교하였을 때, 증폭률이 높고 노이즈 특성이 우수하다. 또한, 전송도체 크기가 작고, 캐패시턴스 값이 낮은 보다 우수한 성능의 다채널 소형 케이블들이 계속 개발되고 있다. 또한, SPM에서 발생한 전하신호를 다채널 소형 케이블과 결합한 광센서 전하신호 긴 케이블 전송은 현재까지 연구되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 SPM을 이용하여 PET 검출기를 구성하고, 광센서 전하신호를 긴 케이블을 사용하여 전송함으로써 발생하는 PET 검출기 성능평가를 실시하고 이 방법을 이용한 PET/MR 시스템 구성 가능성을 평가한다.
본 연구에선 LYSO와 SPM이 결합된 PET 검출기를 구성하였고, 전하 감응형 전치증폭기를 이용하여 신호를 증폭하였다. 증폭된 신호는 오실로스코프와 적분형 ADC를 사용하여 신호처리, 측정 및 저장되었다. 광센서와 전치증폭기 사이에 10 cm ~ 300 cm 케이블을 사용하여 케이블 길이에 따른 영향을 실험한 결과, PET 에너지 정보에 대한 변동계수는 3%이하로써 이 수치는 측정오차범위로 케이블 길이의 영향은 거의 없었다. 시간 정보에 대한 변동계수는 30% 이하로 크게 나타났으나, 케이블 길이 증가에 의한 펄스 상승시간 10 ns 변화/ 에너지 분해능 0.3 ns 변화는 10 ns 샘플간격 ADC를 사용하는 PET 시스템에서 큰 영향을 미치는 범위가 아니기 때문에, 케이블 길이증가에 따른 영향은 무시할 수 있다. 본 실험에서 에너지 분해능은 ~20%, 시간 분해능은 ~2 ns로 측정되었다. 위 실험을 MRI 환경에서 반복 실험한 결과 역시 비슷한 추이가 나타났고, 이는 MRI 환경에서 3미터 케이블을 사용하더라도 PET 성능저하는 무시할 정도로 작다는 것을 증명한다. MR 팬텀 영상에서는 PET 검출기를 RF 코일 내부에 삽입하였을 때 문제가 발생하였으나, RF 코일 외부에 삽입하여 실험한 결과 거의 변화가 없었다.
반도체 광센서를 이용한 최적화된 PET 검출기 설계방법을 연구하기 위해 방법 2와 방법 3을 이용한 PET 검출기를 구성하여 실험하였다. 실험결과, 방법 2는 신호증폭회로에서 발생되는 방사열에 의해 광센서 증폭률과 계수율이 감소하는 등 PET 성능저하가 발생하였다. 그러나 방법 3은 PET 성능저하가 거의 발생하지 않았다.
전하신호 긴 케이블 전송은 다른 PET/MR 개발을 위한 방법들과 비교하여 많은 장점을 가지고 있다. 이는 전신체 PET/MR 시스템 구성이 가능하고, MR 보어 내부에 PET 신호처리회로 및 자장차폐가 전혀 삽입되지 않으므로, MR 성능저하가 발생하지 않는다. 또한, PET 성능저하가 발생하지 않고, PET/MR 시스템 비용이 절감되는 효과를 가져온다.
본 연구결과는 긴 케이블을 사용하여 광센서 전하신호를 전치증폭기로 전달하였을 때 PET 검출기 성능저하가 발생하지 않음을 증명하고, 이 방법을 이용하여 보다 최적화된 PET/MR 시스템 구성이 가능함을 시사한다.
There has been interest in the development of multimodal imaging systems for molecular and morphologic image and PET/MRI has several advantages comparing with PET/CT. PET/MRI enables us to obtain the iso-centric and simultaneous image and it provides excellent soft tissue contrast, no additional radiation exposure to the patient, possibility of follow up studies and effective clinical indications value compared with clinical PET/CT in brain and skeleton study. There are three approaches for designing MR compatible PET which are the scintillation light transmission, the voltage signal transmission and the charge signal transmission. Generally, charge signal transmission method has been unconsidered for developing of PET system. Since the photo-sensor output is weak charge signal and ENC is proportioned the input capacitance of preamplifier, it have to be mounted as close as possible to the photo-sensor so as to minimize noise source.
However, SPM is recently developing and optimizing which offer good characteristics such as high gain, low noise and low bias operation to compare with other photo-sensors. Also, we do not known whether the SPM charge output can be transmitted to preamp using long cable without degradation of PET performance. In addition, the method 3 has not been explored so far for developing of PET/MR system.
The purpose of this study is testing the performance of the PET module using SPM as a function of cable length from photo sensor to preamplifier. Also, it is identifying the feasibility which is designing of MR compatible PET system adapting charge signal transmission method which is explored in this study. For the experiment, PET detector module is composed LYSO and SPM array, SPM charge signal is transmitted to the CSA by using various length cables. The amplified voltage signals are feed to the Xilinx Lyrtech FPGA ADCs.
Basic measurements with different cable length revealed no significant change in the PET module performance that were pulse amplitude, pulse area, rise time, fall time, photo-peak position, energy and time resolution. Also, testing inside MR bore revealed no mutual-interference between PET detector module and MRI. When we consider that the range is no more than 1 meter from iso-center to end point in MRI bore, our study demonstrates the feasibility of designing of MR compatible PET scanner using the charge signal transmission method. Therefore, we will build the MR compatible PET system using charge signal transmission method and we can anticipate several potential merits comparing with other approaches. That is designing of simple and cost effective whole-body PET/MR without PET performance degradation, MR image degradation and MRI modification.
In conclusion, no significant change of performance in the PET detector module using charge transmission method was observed outside or inside MRI. Also, the charge transmission method is useful for designing of MR compatible PET system.
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