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문제 정의
- 이 연구의 목적은 저에너지 방사선 방출 선원인 1-125를 사용해서 고분해능, 고민감도 성능을 가지는 SPECT 시스템 파라미터를 몬테카를로 시뮬레이션으로 도출하는 것이다. 파라미터를 결정하기 위해 Geant4 기반의 시뮬레이션 코드인 GATE를 사용하였다.
- 이 연구의 목적은 최적의 1-125 영상용 SPECT 시스템 파라미터를 몬테카를로 시뮬레이션으로 도출하는 것이다. 연구 목적을 달성하기 위해GATE (Geant4 Application for TomographicEmission)를 사용하여 1-125 SPECT에 적합한 평행구멍 조준기 와 바늘구멍 조준기 의 파라미 터 를 결정하고, 결정한 파라미터를 기반으로 모사한 검출기의 성능평가를 수행하였다.
제안 방법
- 2 cm-1이다. 28 keV 감마선이 Nal(Tl)에 입사할 때 두께에 따른 감마선 검출율을 계산하여 (Fig 4), 98% 검출율을 보이는 1 mm 로 섬광결정의 두께를 결정하였다.
- 방사선의 입사 허용각도를 제한하기 위해 허용 각도에 따른 확대율을 계산하였다. 30 mm FOV와 90 mm PSPMT 검출면 (R3292-02 PSPMT의 유효시야)은 고정시킨 후, 확대율이 최소 2인 지점에서 허용 각도 최대값을 정하였다(Fig 3A). 허용각도와 바늘구멍지 름이 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 허용각도를 60, 70, 80, 90 도로 변화시키고, 각각의 허용각도에 대해 0.
- M25 선원 영상화에 적합한 조준기 파라미터를 결정하기 위해 GATE 시뮬레이션을 실행하였다. 사용한 선원의 방사능은 15 MBq이고 직경은 0.
- gate 시뮬레이션을 사용하여 고분해능 평행구멍조준기 , 범용평행구멍 조준기 , 바늘구멍 조준기와 Nal(Tl) 섬광결정을 결합한 SPECT 시스템을 모사한 후 SPECT 영상을 획득하고, FBP방법으로 영상을 재구성한 후 시스템 성능을 평가하였다 (Figure 10). 회전축 중심에 위치한 점선원에 대해 고분해능 평행구멍 조준기 , 범용 평행구멍 조준기 , 바늘구멍조준기를 결합한 SPECT의 공간분해능은 1.
- 검출기 성능을 평가하기 위해 Nal(Tl) 섬광 결정에 평행구멍조준기와 바늘구멍조준기를 결합한 SPECT 시스템을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션에 사용한 1-125 선원의 방사능은 2.
- 4 MBq 1-125로 하였고, 이 선 선원을 조준기 2 mm 앞에 위치시키고 평면영상을 획득하였다(Fig IB). 그리고 이 영상에 대한 공간분해능과 민감도를 측정하였다. 모든 시뮬레이선에서 빛의 이동 및 PMT의 영향은 고려하지 않았다.
- 0 mm로 구멍지름을 변화시키면서 평면영상 획득 시뮬레이션을 하였다. 그리고 채널 높이가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 알아보기 위해서 허용각도가 90도이며, 구멍지름이 1 mm인 바늘구멍조준기를 모사한 뒤, 채널높이를0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 mm로 변화시키면서 평면영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다(Fig 3B).
- 평행구멍 조준기와 바늘구멍 조준기의 여러 파라미터가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 최적화된 조준기를 결합한 I-125 SPECT의 성능을 평가하였다. 결과 시뮬레이션에 대한 신뢰성 검증연구 결과, 측정과 시뮬레이션에서 공간분해능(4%)과 민감도 (3%)가 유사함을 확인하였다.
- 선원을 FOV 중심 및 중심에서 10 mm 떨어진 곳에 위치시킨 후 검출기를 3도 간격으로 360도 회전시키면서 각도별 투사영상을 획득하였다. 그리고 획득한 투사영상을 사용해 영상을 재구성한 후 공간분해능과 민감도를 계산하였다. 평행 구멍 조준기를 사용한 SPECT 단층영상은 2차원 여과후역투사(Filtered Backprojection, FBP)방법으로 재구성하였고, 바늘구멍조준기를 사용한 SPECT 단층 영상은 3차원 FBP방법을 사용해서 재구성하였다.
- 5, 15 nun로 구멍길이를 변화시키면서 평면영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다. 다음으로 구멍모양이 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 사각 구멍 조준기와 동일한 파라미터를 가진 육각 구멍 조준기의 평면 영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다.
- 방사선의 입사 허용각도를 제한하기 위해 허용 각도에 따른 확대율을 계산하였다. 30 mm FOV와 90 mm PSPMT 검출면 (R3292-02 PSPMT의 유효시야)은 고정시킨 후, 확대율이 최소 2인 지점에서 허용 각도 최대값을 정하였다(Fig 3A).
- 선원의 위치는 평행 구멍 조준기가 결합된 SPECT의 경우 조준기 표면에서 회전축 중심으로 22 mm 떨어진 지점이고, 바늘구멍 조준기가 결합된 SPECT의 경우 바늘구멍에서 회전축 중심으로 22 nun 떨어진 지점이다. 선원을 FOV 중심 및 중심에서 10 mm 떨어진 곳에 위치시킨 후 검출기를 3도 간격으로 360도 회전시키면서 각도별 투사영상을 획득하였다. 그리고 획득한 투사영상을 사용해 영상을 재구성한 후 공간분해능과 민감도를 계산하였다.
- 것이다. 연구 목적을 달성하기 위해GATE (Geant4 Application for TomographicEmission)를 사용하여 1-125 SPECT에 적합한 평행구멍 조준기 와 바늘구멍 조준기 의 파라미 터 를 결정하고, 결정한 파라미터를 기반으로 모사한 검출기의 성능평가를 수행하였다.
- 이러한 변수는 사용목적 또는 검출하려는 방사선 에너지에 따라 정해진다. 이 연구에서는 고분해능 또는 범용이라는 사용 목적에 따라 조준기 파라미터를 결정하였다. 평행 구멍 조준기 파라미터 결정 시뮬레이션 시 격벽 두께는 격벽이 얇을수록 민감도가 향상하기 .
- 조준기 구멍 크기와 길이가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 조준기 구멍모양은 사각으로 고정시키고, 격벽 두께는 0.05 mm로 고정시킨 후 구멍크기를 직경 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm로 변화시키고, 각각의 구멍 크기에 대해 5, 7.5, 10, 12.5, 15 nun로 구멍길이를 변화시키면서 평면영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다. 다음으로 구멍모양이 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 사각 구멍 조준기와 동일한 파라미터를 가진 육각 구멍 조준기의 평면 영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다.
- 9% 녹주석) '합금이고, 바늘구멍조준기 재질은 텅스텐으로 하였다(Fig 2). 조준기 파라미터 변화가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 분석하기 우]해 90 mm × 90 nun × 1 mm 크기 평판형 Nal(Tl)을 조준기에 결합시켜 한 각도에서의 평면 영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다.
- 1-125 SPECT기기에 사용할 섬광 결정으로 섬광 빛 출력이 많은 Nal(Tl)을 선택하였으며, 형태는 평판형으로 하였다. 평판형 섬광결정 두께를 결정하기 위해서 1-125에서 방출하는 방사선의 에너지 가중평균치와 이 에너지에 대한 선형감쇠계수, 섬광결정 두께에 따른 검출율을 계산하였다8).
- 그리고 획득한 투사영상을 사용해 영상을 재구성한 후 공간분해능과 민감도를 계산하였다. 평행 구멍 조준기를 사용한 SPECT 단층영상은 2차원 여과후역투사(Filtered Backprojection, FBP)방법으로 재구성하였고, 바늘구멍조준기를 사용한 SPECT 단층 영상은 3차원 FBP방법을 사용해서 재구성하였다. FBP방법으로 영상을 재구성할 때 사용한 Hann 필터의 차단 주파수는 평행구멍조준기 SPECT에서는 0.
- 섬광체로 평판형 Nal(Tl)을 사용하였으며, 두께는 검출효율을 계산해서 결정하였다. 평행구멍 조준기와 바늘구멍 조준기의 여러 파라미터가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 최적화된 조준기를 결합한 I-125 SPECT의 성능을 평가하였다.
- 30 mm FOV와 90 mm PSPMT 검출면 (R3292-02 PSPMT의 유효시야)은 고정시킨 후, 확대율이 최소 2인 지점에서 허용 각도 최대값을 정하였다(Fig 3A). 허용각도와 바늘구멍지 름이 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 허용각도를 60, 70, 80, 90 도로 변화시키고, 각각의 허용각도에 대해 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 mm로 구멍지름을 변화시키면서 평면영상 획득 시뮬레이션을 하였다. 그리고 채널 높이가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 알아보기 위해서 허용각도가 90도이며, 구멍지름이 1 mm인 바늘구멍조준기를 모사한 뒤, 채널높이를0.
대상 데이터
- 1-125 SPECT기기에 사용할 섬광 결정으로 섬광 빛 출력이 많은 Nal(Tl)을 선택하였으며, 형태는 평판형으로 하였다. 평판형 섬광결정 두께를 결정하기 위해서 1-125에서 방출하는 방사선의 에너지 가중평균치와 이 에너지에 대한 선형감쇠계수, 섬광결정 두께에 따른 검출율을 계산하였다8).
- 5 mm이고, 길이가 10 mm인 육각 구멍 조준기를 선택하였다. 바늘구멍 조준기는 구멍지름이 0.25 mm이고 채널높이가 0.1 mm이며, 허용각도가 90도인 조준기를 선택하였다. 최적화된 고분해능 평행구멍조준기, 범용 평행 구멍 조준기, 바늘구멍조준기를 결합한 M25 SPECT의 재구성 영상 공간분해능은 각각 1.
- 실행하였다. 사용한 선원의 방사능은 15 MBq이고 직경은 0.1 mm로 설정하였다. 평행구멍조준기 시뮬레이션 시 점선원은 조준기 파라미터 변화에 상관없이 조준기에서 15 mm 떨어진 지점에 위치시켰다.
- 대상 및 방법: 시뮬레이션 방법의 신뢰성을 검증하기 위해, Weisenberger 등이 개발한 감마 카메라 시스템을 모사하였다. 섬광체로 평판형 Nal(Tl)을 사용하였으며, 두께는 검출효율을 계산해서 결정하였다. 평행구멍 조준기와 바늘구멍 조준기의 여러 파라미터가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 평가하였다.
- 9% 우수하였다. 시뮬레이션 결과 고분해능 조준기로 구멍 크기가 0.2 mm이고 길이가 5 mm인 사각 구멍 조준기를 선택하였고, 범용 조준기로 구멍크기가 0.5 mm이고, 길이가 10 mm인 육각구멍조준기를 선택하였다.
- Nal(Tl) 두께는 1-125 감마선을 98% 검출할 수 있도록 1 mm로 결정하였다. 시뮬레이션 결과 고분해능 평행 구멍 조준기로 구멍크기가 0.2 mm이고 길이가 5 mm 인사 각 구멍 조준기를 선택하였고, 범용 평행 구멍 조준기로 구멍크기가 0.5 mm이고, 길이가 10 mm인 육각 구멍 조준기를 선택하였다. 바늘구멍 조준기는 구멍지름이 0.
- 허용각 도와 구멍지름이 커질수록 공간분해능은 저하되나 민감도는 향상되었으며 (Fig 8), 채널높이가 증가하면 민감도는 저하되나, 공간분해능은 유사하였다(Fig 9). 시뮬레이션 결과 바늘구멍 조준기로 구멍 크기가 0.25 mm이고 채널높이가 0.1 mm 이며 허용 각도가 90도인 조준기를 선택하였다.
- 9% 녹주석) 합금이다. 시뮬레이션에 사용한 선원은 비교 실험 환경과 유사한 내경 0.8 mm, 길이 8 cm인 튜브에 채운 2.4 MBq 1-125로 하였고, 이 선 선원을 조준기 2 mm 앞에 위치시키고 평면영상을 획득하였다(Fig IB). 그리고 이 영상에 대한 공간분해능과 민감도를 측정하였다.
- 2 mm 두께 반사물질로 분리되어 있다. 이 시스템에 사용한 평행구멍조준기 구멍크기는 0.2 mm × 0.2 mm × 5 mm이며, 격벽두께는 0.05 mm이다(Fig 1A). 조준기 전체 지름은 125 nun이며, 재질은 구리-녹주석(~1.
- Wojcik등이 배열형 섬광결정용으로 개발한 저항 전하 분배 회로와 지도화 알고리즘, 에너지 보정 등13)을 평판형 섬광결정에 적용하여 평판형과 배열형 섬광결정의 성능을 평가한 결과, 영상보정 방법을 평판형 섬광결정에 적용할 경우 고분해능과 고민감도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 최종적으로 결정한 1-125 SPECT의 섬광결정은 두께가 1 mm이며, 지름이 90 mm인 평판형 Nal(Tl)이었다.
- 바늘구멍 조준기 시뮬레이션 시에는 허용각도에 따라 원하는 시야(Field of View, FOV)를 충족시키기 위한 회전반경 (Radius of Rotation, ROR)이 달라지기 때문에 점선원 위치를 허용각도에 따라 달리하였다. 평행구멍조준기 재질은 구리-녹주석 (~1.9% 녹주석) '합금이고, 바늘구멍조준기 재질은 텅스텐으로 하였다(Fig 2). 조준기 파라미터 변화가 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 분석하기 우]해 90 mm × 90 nun × 1 mm 크기 평판형 Nal(Tl)을 조준기에 결합시켜 한 각도에서의 평면 영상 획득 시뮬레이션을 실행하였다.
데이터처리
- GATE 코드에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 Weisenberger 등6)이 보고한 감마카메라 시스템의 성능과 시뮬레이션을 통해 계산한 성능을 비교, 분석하였다. 이들이 개발한 감마카메라 시스템은 CsI(Na) 섬광결정과 평행구멍조준기 및 R3292-02 위치민감형 광전자증배관 (Position Sensitive Photomultiplier Tube, PSPMT)으로 구성되어 있다.
- 사용자가 쉽게 사용할 수 있는 장점을 지닌 이 코드에 대해서 여러 대학과 연구소들은 코드에 대한 검증과 발생한 오류에 대한 수정을 지속적으로 실시하고 있다11). 연구에서도 GATE 코드에 대한 신뢰성을 검증하기 위해, 보고된 측정값과 시뮬레이션으로 계산한 공간분해능과 민감도를 비 교하였다. 공간분해능에서는 4.
이론/모형
- 최적의 1-125 SPECT 시스템 파라미터를 도출하는 것이다. 대상 및 방법: 시뮬레이션 방법의 신뢰성을 검증하기 위해, Weisenberger 등이 개발한 감마 카메라 시스템을 모사하였다. 섬광체로 평판형 Nal(Tl)을 사용하였으며, 두께는 검출효율을 계산해서 결정하였다.
- 1-125는 저에너지(27-35 keV) 방사선을 방 출하기 때문에 두께가 얇은 섬광결정과 조준기를 사용할 수 있어 고분해능, 고민감도 영상획득에 유리한 물리적 특성을 가지고 있다. 이 연구의 목적은 새로운 시뮬레이션 도구인 GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission)를 사용하여 . 최적의 1-125 SPECT 시스템 파라미터를 도출하는 것이다.
- 도출하는 것이다. 파라미터를 결정하기 위해 Geant4 기반의 시뮬레이션 코드인 GATE를 사용하였다. 사용자가 쉽게 사용할 수 있는 장점을 지닌 이 코드에 대해서 여러 대학과 연구소들은 코드에 대한 검증과 발생한 오류에 대한 수정을 지속적으로 실시하고 있다11).
성능/효과
- SPECT 영상획득 시뮬레이션으로 측정한 선원위치별 재구성영상의 공간분해능과 민감도는 사하여 1-125 SPECT 시스템이 FOV내에서 균일한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 재구성 영상 공간분해 능이 평면영상으로 획득한 공간분해능에 비해 상대적으로 높은 수치를 보이는데, 이는 단층 영상 재구성시 투사와 역투사 과정에서 생기는 잡음의 영향이다.
- . Wojcik등이 배열형 섬광결정용으로 개발한 저항 전하 분배 회로와 지도화 알고리즘, 에너지 보정 등13)을 평판형 섬광결정에 적용하여 평판형과 배열형 섬광결정의 성능을 평가한 결과, 영상보정 방법을 평판형 섬광결정에 적용할 경우 고분해능과 고민감도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 최종적으로 결정한 1-125 SPECT의 섬광결정은 두께가 1 mm이며, 지름이 90 mm인 평판형 Nal(Tl)이었다.
- 그리고 최적화된 조준기를 결합한 I-125 SPECT의 성능을 평가하였다. 결과 시뮬레이션에 대한 신뢰성 검증연구 결과, 측정과 시뮬레이션에서 공간분해능(4%)과 민감도 (3%)가 유사함을 확인하였다. Nal(Tl) 두께는 1-125 감마선을 98% 검출할 수 있도록 1 mm로 결정하였다.
- 5 cps/MBq이었다. 결론: GATE 시뮬레이션으로 1-125 영상에 적합한 섬광결정 파라미터 및 조준기 파라미터를 도출하였다. 이 연구결과는 1-125 SPECT로 탁월한 고분해능, 고민감도 영상을 얻을 수 있음을 보여준다.
- 연구에서도 GATE 코드에 대한 신뢰성을 검증하기 위해, 보고된 측정값과 시뮬레이션으로 계산한 공간분해능과 민감도를 비 교하였다. 공간분해능에서는 4.0%, 민감도에서는 3.1%의 오차율을 보임으로서 GATE 코드에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다. 공간분해능과 민감도를 비교했을 때 시뮬레이션이 실험보다 우수한 성능을 보였는데 이는 시뮬레이션에서 섬광빛의 이동, PMT의 비균일성, 실험환경에서 발생할 수 있는 전기적 잡음, 데이터 획득 소프트웨어의 문제점 등을 고려하지 않았기 때문이다.
- 구멍모양이 영상 질에 미치는 영향은 구멍 크기가 0.2 mm이고, 길이가 5 mm일 때는 사각 구멍이 육각구멍보다 공간분해능은 8.9%, 민감도는 28.7% 우수하였다. 구멍크기가 0.
- 7% 우수하였다. 구멍크기가 0.5 mm이고, 길이가 10 mm일 때는 공간분해능은 육각구멍이 6.1% 우수하였으며, 민감도는 사각구멍이 25.9% 우수하였다. 시뮬레이션 결과 고분해능 조준기로 구멍 크기가 0.
- 종래의 검출기는 1 mm 정도 공간분해능을 획득하기 위해 민감도가 현저히 나쁜 바늘구멍조준기를 사용하였다. 그러나 시뮬레이션 결과 1-125 SPECT는 평행 구멍 조준기를 사용해서 1 mm 정도 공간분해능을 획득함과 동시에 고민감도를 얻을 수 있을 것으로 예상한다.
- Fig 5와 6에 나타내었다. 동일 구멍 길이를 가지면 구멍 크기가 커질수록 공간분해능은 저하되나 민감도는 향상되 었으며, 동일 구멍크기를 가지면 구멍길이가 길어질수록 공간분해능은 향상되나 민감도는 저하되었다.
- 25 mm)와 유사한 감마선 차폐효과를 가지는 파라미터이다. 바늘구멍조준기 파라미터 평가 시뮬레이션 결과 조준기 공간분해능은 확대율이나 허용 각도보다 구멍 크기에 영향을 더 많이 받는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션으로 도출한 최적의 파라미터를 사용해 모사한 조준기의 성능은 고분해능 평 행구멍조준기의 경우 공간분해능은 0.
- 또한 검출기를 회전시키면서 각도별 영상정보를 획득하는 시뮬레이션도 할 수 있다. 시뮬레이션 결과 검출기에서 반응이 일어난 시간, 위치 및 그 때의 에너지 정보를 예측할 수 있으며, 획득한 데이터를 사용하여 영상 재구성을 위한 여현곡선을 만들 수 있고, 산란분획을 얻을 수 있다.
- 바늘구멍조준기 파라미터 평가 시뮬레이션 결과 조준기 공간분해능은 확대율이나 허용 각도보다 구멍 크기에 영향을 더 많이 받는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션으로 도출한 최적의 파라미터를 사용해 모사한 조준기의 성능은 고분해능 평 행구멍조준기의 경우 공간분해능은 0.8 mm, 민감도는 40.0 cps/MBq이었고, 범용 평행 구멍 조준기의 경우 공간분해능은 1.1 mm, 민감도는 71.1 cps/MBq이었으며, 초고분해능 바늘구멍 조준기의 경우 공간분해능은 0.3 mm, 민감도는 5.5 cps/MBq이었다.
- 결론: GATE 시뮬레이션으로 1-125 영상에 적합한 섬광결정 파라미터 및 조준기 파라미터를 도출하였다. 이 연구결과는 1-125 SPECT로 탁월한 고분해능, 고민감도 영상을 얻을 수 있음을 보여준다.
- 1 mm이며, 허용각도가 90도인 조준기를 선택하였다. 최적화된 고분해능 평행구멍조준기, 범용 평행 구멍 조준기, 바늘구멍조준기를 결합한 M25 SPECT의 재구성 영상 공간분해능은 각각 1.2 mm, 1.7 mm, 0.8 mm 였으며, 민감도는 39.7 cps/MBq, 71.9 cps/MBq, 5.5 cps/MBq이었다. 결론: GATE 시뮬레이션으로 1-125 영상에 적합한 섬광결정 파라미터 및 조준기 파라미터를 도출하였다.
- 최대 입사 허용각도는 96도였다(Fig 7). 허용각 도와 구멍지름이 커질수록 공간분해능은 저하되나 민감도는 향상되었으며 (Fig 8), 채널높이가 증가하면 민감도는 저하되나, 공간분해능은 유사하였다(Fig 9). 시뮬레이션 결과 바늘구멍 조준기로 구멍 크기가 0.
후속연구
- 현재 시뮬레이션으로 도출한 파라미터를 사용해 1-125 SPECT 시스템을 구축하기 위해 섬광 결정과 조준기를 제작중이며, 시스템 구축 후에는 1-125를 이용한 소동물 핵의학 영상 획득에 이용 할 계획이다.
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