CsI(Tl)-PIN 다이오드 소형 감마카메라 영상 검출기 성능평가 및 유용성 연구

Abstract

고령화 되어가고 있는 현대 사회에서 웰빙 라이프는 전 세계 인류가 추구하는 바이다. 의료 및 과학 기술 발달과 더불어 질병에 대한 치료법들이 개발되었음에도 불구하고 암에 의한 사망률은 1위를 차지하고 있다. 종양 치료 성적을 향상시키기 위해서는 치료 장비의 개발도 중요하지만 조기진단시에 생존률을 높일 수 있으므로 진단장치의 개발 또한 요구된다. 그 중 감마카메라는 암 진단에 사용되는 장비로 의료 분야에서의 수요가 급속히 증가하여 많은 국내의료기관에 설립되어 사용되고 있으므로 감마카메라에 사용되는 저가이면서 고성능의 검출기 개발이 요구된다. 한국원자력연구원에서 개발된 감마카메라용 CsI(Tl)-PIN 다이오드 계측기의 감마카메라 적용 가능성을 판단하기 위해 검출기의 특성 및 영상 획득 성능평가를 하였다. CsI(Tl)-PIN 다이오드 계측기의 특성평가를 위해 1) 방사선 교정 선원의 방사선 방출 각도에 따른 photon count 변화 측정, 2) 방사선 에너지 변화에 따른 계측기의 반응특성, 3) 에너지 분해능 평가를 시행하였다. 교정 선원에서 방출되는 방사선의 등방성 분포 평가를 위해 90˚ 간격으로 photon 수를 측정한 결과 모든 방향에서 1% 미만의 오차가 있음을 확인하였고 270°에서 0.6%로 0°와 비교하여 가장 큰 차이를 보였다. 에너지 변화에 따른 각 계측기의 선형성 평가를 위해 22Na, 137Cs 그리고 60Co 선원을 사용하였고 채널 에너지 교정 함수를 산출하여 에너지 교정을 행하였다. 에너지 분해능은 511 keV와 1.28 MeV에서 각각 6.35%, 6.55%로 보였고 662 keV에서는 12.0%, 그리고 1.17 MeV와 1.33 MeV에서는 각각 6.55%, 5.70%의 분해능을 보였다. 계측기를 감마카메라로 사용하기 위한 영상 성능평가를 위해 선원의 위치를 변화하면서 검출기의 위치 추적 가능성을 평가하였다. 20개의 계측기들을 원형으로 배치된 검출기들 내부에 방사선 선원을 위치한 후 각각의 검출기에서 photon의 수를 측정하였고 선원의 위치를 변화하면서 반복하였다. 측정된 photon count를 기반으로 한 2차원 영상 재구성 알고리즘을 개발하였고 획득된 영상의 공간분해능을 평가하였다. 선원이 축 선상에 위치한 경우 0.57 cm 만큼의 위치적 오차를 보이고 있었다. 선원의 위치가 대각선상에 위치한 경우 0.75 cm의 위치적 오차를 보이고 있다. 몬테칼로 모의실험을 통해 획득된 선원의 위치 측정 오차는 축 선상에서 0.57 cm, 대각선상에서 0.81 cm의 오차로 실측값과 비슷한 경향을 보이고 있다. 원자력연구원에서 개발된 소형의 CsI(Tl)-PIN 다이오드 계측기의 특성평가와 영상 획득을 위해 선원의 위치변환에 따른 계측기의 검출능을 분석한 결과 감마카메라의 영상 검출기로 사용가능함을 입증하였다. 향후 정확도 향상을 위하여 원형 모양으로 계측기를 배치할 때 계측기의 수를 증가할 경우 영상의 공간 분해능이 증가될 것이며 저가이면서 소형의 감마카메라용 검출기로 사용이 가능할 것이다. ;As the aging society is becoming, well-being life is what worldwide human pursuit in modern society. Although medical, science technology and the treatment of disease has developed consistently, the cancer still has the highest mortality. Hence, early detection and treatment is necessary to increase the survival rate, which development of diagnosis device is demanded. The most advanced medical diagnosis device, small gamma camera is widely established and used in domestic medical center. In this study, the preliminary test of fabricated CsI(Tl)-PIN diode detector was proceed to evaluate the availability as small gamma camera imaging detector. In this study, fabricated CsI(Tl)-PIN diode detector by KAERI was used to evaluate as small gamma camera imaging detector application. The Monte Carlo simulation modelling and experiment result was compared for the detector characteristics study and feasibility study for small gamma camera system. For the characteristics study of CsI(Tl)-PIN diode detector, calibration source counting measurement, detector's linearity evaluation and energy resolution evaluation was processed. To evaluate the isotropic distribution of the calibration source, the source was rotated every 90° at the same direction and the source photon counts were measured. The source was emitting 10532 ± 103 counts in average. For the linearity test of the detector the 22Na, 137Cs, and 60Co source were used and channel to energy calibration function was calculated and calibrated. The energy resolution at 511 keV and 1.28 MeV was 6.35%, 6.55%, at 662 keV was 12.0% and at 1.17 MeV and 1.33 MeV was 6.55%, 5.70% respectively. For the feasibility study of small gamma camera imaging detector, the sensitivity and spatial resolution was evaluated. The detectors were positioned at circular array. Gain matching and photon counts were measured. To evaluate the spatial resolution, the image reconstruction algorithm was developed based on measured counts by detectors. The spatial resolution was 0.57 cm when the source is located at perpendicular axis line and 0.75 cm at the cross axis line. The spatial resolution based on Monte Carlo simulation modelling was 0.57 cm and 0.81 cm respectively. In this study, it is proven that the possibility of the 2D image extraction was successful by testing the characteristics of the CsI(Tl)-PIN diode detector and applying as small gamma camera system, and by testing the feasibility of the small gamma camera system. For further study, increment of detectors numbers is needed for improving the calculation of normalization coefficient by precise geometry and it has been improved that the system can be improved by supplementing the image reconstruction algorithm.