감마선 분포 측정을 위한 섬광필름 기반의 감마 영상 검출기 제작 및 성능평가 Fabrication and Performance Evaluation of a Scintillating Film-based Gamma Imaging Detector to Measure Gamma-ray Distribution원문보기
As a feasibility study on development of a gamma imaging probe, we developed a scintillating film-based gamma imaging detector that can obtain scintillation images with information of gamma-ray distribution. The scintillating film-based gamma imaging detector was composed of a sensing probe, an imag...
As a feasibility study on development of a gamma imaging probe, we developed a scintillating film-based gamma imaging detector that can obtain scintillation images with information of gamma-ray distribution. The scintillating film-based gamma imaging detector was composed of a sensing probe, an image intensifier, and a beam profiler. To detect and transmit scintillation image, the sensing probe was fabricated by coupling a scintillating film, a fiber-optic image conduit, and a fiber-optic taper, consecutively. First, the optical images of USAF 1951 resolution target were obtained and then, modulation transfer function values were calculated to test the image quality of the sensing probe. Second, we measured the scintillation images according to the activity of the 137Cs and the distance between the surface of 137Cs and the distal-end of sensing probe. Finally, the intensities of scintillating light as functions of the activity and the distance were evaluated from the region of interest in the scintillation image. From the results of this study, it is expected that a fiber-optic gamma imaging detector can be developed to detect gamma-rays emitted from radiopharmaceuticals during radioimmunoguided surgery.
As a feasibility study on development of a gamma imaging probe, we developed a scintillating film-based gamma imaging detector that can obtain scintillation images with information of gamma-ray distribution. The scintillating film-based gamma imaging detector was composed of a sensing probe, an image intensifier, and a beam profiler. To detect and transmit scintillation image, the sensing probe was fabricated by coupling a scintillating film, a fiber-optic image conduit, and a fiber-optic taper, consecutively. First, the optical images of USAF 1951 resolution target were obtained and then, modulation transfer function values were calculated to test the image quality of the sensing probe. Second, we measured the scintillation images according to the activity of the 137Cs and the distance between the surface of 137Cs and the distal-end of sensing probe. Finally, the intensities of scintillating light as functions of the activity and the distance were evaluated from the region of interest in the scintillation image. From the results of this study, it is expected that a fiber-optic gamma imaging detector can be developed to detect gamma-rays emitted from radiopharmaceuticals during radioimmunoguided surgery.
본 연구에서는 소형화가 가능하고, 실시간 영상획득이 가능한 새로운 유형의 영상용 감마 프로브를 개발하기 위하여 섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기를 제작하였으며, 이는 감마선을 검출하여 평면영상을 구현하기 위해 기존의 섬광체만을 사용한 섬광검출 방식에 광섬유(optical fiber)를 접목시킨 것이다. 일반적으로 광섬유를 이용한 방사선 검출기는 섬광체, 광섬유 그리고 광 계측기기로 구성된다[6-8].
가설 설정
이는 137Cs 감마선원으로부터 방출되는 감마선의 분포를 나타내는 섬광영상신호의 미약한 광 강도를 영상증배관으로 증배함에 있어 적절한 증폭도로 최적의 섬광영상을 획득하기 위함이다. 제어전압을 선정하는 과정은 광섬유 감마선 영상 검출기를 이용하여 5 μCi의 137Cs를 검출할 경우를 기준으로 하였다. Fig.
제안 방법
광섬유는 섬광체에서 발생된 섬광신호(scintillation signal)를 광 계측기기로 전달하는 역할을 하며 온도, 압력, 고주파 및 전자기파에 의한 영향을 받지 않으면서 원거리에 광신호를 전송할 수 있다는 장점을 가진다. 광섬유 방사선 검출기의 광 계측기기로 광증배관(photomultiplier tube, PMT)이 주로 사용되나, 본 연구에서는 영상 획득에 용이한 전하결합소자(charge-coupled device, CCD) 기반의 빔 프로파일러(beam profiler)를 광 계측기기로 사용하였다. 기존의 광섬유를 이용한 방사선 검출기의 광 계측 및 처리부는 PMT로부터 출력된 미약한 세기의 전기신호를 증폭하기 위하여 증폭기 (amplifier)를 사용한다.
본 연구에서는 감마선 방출 핵종에 대한 섬광영상의 획득이 가능한 섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기의 제작을 위한 기초실험을 수행하였다. 먼저 섬광영상을 획득하기 위하여 섬광필름(scintillating film)에 광섬유 다발(coherent fiber bundle)로 제작된 광섬유 영상 도관(fiber-optic image conduit) 및 광섬유 테이퍼(fiber-optic taper)를 결합하여 감지 프로브(sensing probe)를 제작하였다. 다음으로 감지 프로브에 적용된 광섬유 영상 도관과 테이퍼의 영상분해능(image resolution)을 분석하였으며 마지막으로 방사능(activity)의 변화, 선원과 감지 프로브 사이의 거리에 따른 광섬유 감마선 영상 검출기의 성능을 평가하였다.
기존의 광섬유를 이용한 방사선 검출기의 광 계측 및 처리부는 PMT로부터 출력된 미약한 세기의 전기신호를 증폭하기 위하여 증폭기 (amplifier)를 사용한다. 이와 달리 본 연구에서는 광 계측기기로 사용된CCD 빔프로파일러와광섬유사이에, 섬광영상(scintillation image)을 증폭시키기 위하여 영상증배관(image intensifier)을 이용하였다. 위와 같은 구성으로 제작된 섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기(gamma imaging detector)는 영상의 전송이 가능한 광섬유 다발을 사용하므로 감마선을 방출하는 방사성핵종 (radionuclide)의 실시간 영상 검출이 가능하며, 미약한 영상신호를 영상증배관을 통해 증폭시키기 때문에 높은 공간분해능 및 계수 효율(counting efficiency)을 가질 수 있다.
대상 데이터
1은 감지 프로브의 구조를 보여준다. 사용된 섬광필름 (LANEX Fast Screens, Kodak)은 0.35 mm 두께의 Gd2O2S:Tb(terbium-activated gadolinium oxysulfide)을 0.036 mm의 투명한 박막(thin film)에 코팅한 형태로 최대 섬광방출파장은 545 nm이다. 섬광필름의 섬광물질은 얇은 두께로 도포되어 있기 때문에 시준기(collimator)가 없는 시스템 하에서 발생되는 반음영(penumbra)을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다.
섬광영상신호의 전송을 위하여 사용된 광섬유 영상 도관(#38-307, Edmund Optics)은 직경이 100 μm인 3,012개의 유리 광섬유를 하나의 광섬유 다발로 제작한 것이다. 광섬유 영상 도관은 의료용 내시경에서 사용되는 영상 가이드(image guide)가 빛에 의해 포착된 신체 내부의 영상을 외부로 전달하는 하는데, 이를 섬광영상의 검출에 접목한 것이다.
데이터처리
먼저 섬광영상을 획득하기 위하여 섬광필름(scintillating film)에 광섬유 다발(coherent fiber bundle)로 제작된 광섬유 영상 도관(fiber-optic image conduit) 및 광섬유 테이퍼(fiber-optic taper)를 결합하여 감지 프로브(sensing probe)를 제작하였다. 다음으로 감지 프로브에 적용된 광섬유 영상 도관과 테이퍼의 영상분해능(image resolution)을 분석하였으며 마지막으로 방사능(activity)의 변화, 선원과 감지 프로브 사이의 거리에 따른 광섬유 감마선 영상 검출기의 성능을 평가하였다.
먼저 감지 프로브의 영상분해능을 평가하기 위하여 섬광필름을 제외한 감지 프로브로 광학영상을 획득하였고, MTF를 도출하였다. 실험결과, 광섬유 영상 도관에 광섬유 테이퍼를 결합한 경우의 영상분해능이 광섬유 영상 도관만을 사용하였을 때의 영상분해능보다는 낮았으나, 인접한 0.
섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기를 이용하여 감마선의 분포를 나타내는 섬광영상을 획득하기에 앞서, 광섬유 영상 도관과 광섬유 테이퍼만으로 구성된, 즉 섬광필름을 제외한 감지 프로브를 이용하여 광학영상(optical image)을 촬영하였고, 공간분해능을 평가하였다.
성능/효과
25 μCi의 방사능까지 실시간 영상 획득이 가능하였으며, 방사능에 따라 선형적인 응답을 가지는 것을 확인하였다. 또한 섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기를 이용하여 137Cs 감마선원으로부터 거리에 따른 섬광영상을 측정한 결과, 1 mm에서 20 mm까지의 거리에 위치한 선원을 구분할 수 있었으며, 분석된 섬광빛의 광 강도는 선원으로부터 거리에 따른 선량과 일치하였다.
섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기를 이용하여 137Cs의 섬광영상을 획득한 결과, 0.25 μCi의 방사능까지 실시간 영상 획득이 가능하였으며, 방사능에 따라 선형적인 응답을 가지는 것을 확인하였다. 또한 섬광필름 기반의 감마선 영상 검출기를 이용하여 137Cs 감마선원으로부터 거리에 따른 섬광영상을 측정한 결과, 1 mm에서 20 mm까지의 거리에 위치한 선원을 구분할 수 있었으며, 분석된 섬광빛의 광 강도는 선원으로부터 거리에 따른 선량과 일치하였다.
먼저 감지 프로브의 영상분해능을 평가하기 위하여 섬광필름을 제외한 감지 프로브로 광학영상을 획득하였고, MTF를 도출하였다. 실험결과, 광섬유 영상 도관에 광섬유 테이퍼를 결합한 경우의 영상분해능이 광섬유 영상 도관만을 사용하였을 때의 영상분해능보다는 낮았으나, 인접한 0.25 mm크기의 물체까지는 구분 가능한 것으로 평가되었으며, 광섬유 테이퍼를 사용함으로써 2.27배 확대된 영상을 획득할 수 있었다.
후속연구
앞으로의 연구 방향은 섬광필름과 광섬유 영상 도관을 섬광체 다발(scintillator bundle)과 영상 가이드(image guide)로 각각 교체하여 영상분해능과 유연성이 뛰어난 초소형 감마선 영상 검출기를 개발하는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핵의학 영상 진단과 치료분야에 있어서 최근 어떤 기술이 크게 발전하였는가?
핵의학(nuclear medicine)은 인체 내에 주입된 방사성의약품 (radiopharmaceutical)으로부터 발생되는 방사선을 측정한 뒤, 영상으로 구현하여 환자의 생리적, 병리적 상태를 진단하거나 치료하는 의학 분야이다. 최근 핵의학 영상 진단과 치료분야에 있어 지속적인 연구를 통한 기반지식의 구축으로 방사성의약품을 이용하여 종양을 촬영하는 기술인 방사면역신티그라피 (radioimmunoscintigraphy, RIS)와 종양을 제거하는 기술인 방사 면역지침수술(radioimmunoguided surgery, RIGS)이 크게 발전하였다. 이러한 기술은 종양에 대한 항체에 방사성동위원소 (radioisotope)를 표지(labeling)하여 종양을 영상화하는 기술로서 종양에만 특이적으로 집적된 방사성의약품에서 방출되는 감마선(gamma-ray)의 검출을 목적으로 한다.
최근 발전한 핵의학 영상 진단과 치료분야의 기술들은 무엇을 목적으로 하는가?
최근 핵의학 영상 진단과 치료분야에 있어 지속적인 연구를 통한 기반지식의 구축으로 방사성의약품을 이용하여 종양을 촬영하는 기술인 방사면역신티그라피 (radioimmunoscintigraphy, RIS)와 종양을 제거하는 기술인 방사 면역지침수술(radioimmunoguided surgery, RIGS)이 크게 발전하였다. 이러한 기술은 종양에 대한 항체에 방사성동위원소 (radioisotope)를 표지(labeling)하여 종양을 영상화하는 기술로서 종양에만 특이적으로 집적된 방사성의약품에서 방출되는 감마선(gamma-ray)의 검출을 목적으로 한다. 이는 적절한 종양 표식자를 이용하여 위암 및 대장암 치료에 있어 표준수술로 이용되는 절게 및 항암약물치료의 낮은 치료성적으로 인한 한계성을 극복할 수 있는 중요한 기술로 각광받고 있다[1,2].
핵의학이란?
핵의학(nuclear medicine)은 인체 내에 주입된 방사성의약품 (radiopharmaceutical)으로부터 발생되는 방사선을 측정한 뒤, 영상으로 구현하여 환자의 생리적, 병리적 상태를 진단하거나 치료하는 의학 분야이다. 최근 핵의학 영상 진단과 치료분야에 있어 지속적인 연구를 통한 기반지식의 구축으로 방사성의약품을 이용하여 종양을 촬영하는 기술인 방사면역신티그라피 (radioimmunoscintigraphy, RIS)와 종양을 제거하는 기술인 방사 면역지침수술(radioimmunoguided surgery, RIGS)이 크게 발전하였다.
참고문헌 (12)
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