[논문]실리콘 광증폭기와 반응깊이 측정방법을 이용한 수술용 베타 영상/감마 프로브 가능성 연구

곽인석; 강한규; 손정환; 이재성; 홍성종

doi:10.9718/jber.2016.37.1.7

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Radiopharmaceutical agents for positron emission tomography (PET), such as $^{18}F$-FDG and $^{68}Ga$, have been used not only for whole-body PET imaging but also for intraoperative radionuclide-guided surgery due to their quantitative and sensitive imaging characteristics. Cur...

Radiopharmaceutical agents for positron emission tomography (PET), such as $^{18}F$-FDG and $^{68}Ga$, have been used not only for whole-body PET imaging but also for intraoperative radionuclide-guided surgery due to their quantitative and sensitive imaging characteristics. Current intraoperative probes detect gamma or beta particles, but not both of them. Gamma probes have low sensitivities since a collimator has to be used to reduce backgrounds. Positron probes have a high tumor-to-background ratio, but they have a 1-2 mm depth limitation from the body surface. Most of current intraoperative probes produce only audible sounds proportional to count rates without providing tumor images. This research aims to detect both positrons and annihilation photons from $^{18}F$ using plastic scintillators and a GAGG scintillation crystal attached to silicon photomultiplier (SiPM). The depth-of-interaction (DOI) along the plastic scintillator can be used to obtain the 2-D images of tumors near the body surface. The front and rear part of the intraoperative probe consists of $4{\times}1$ plastic scintillators ($2.9{\times}2.0{\times}12.0mm^3$) for positron detection and a Ce:GAGG scintillation crystal ($12.0{\times}12.0{\times}9.0mm^3$) for annihilation photon detection, respectively. The DOI resolution of $4.4{\pm}1.6mm$ along the plastic scintillator was obtained by using the 3M enhanced specular reflector (ESR) with rectangular holes between the plastic scintillators, which showed the feasibility of a 2-D image pixel size of $2.9{\times}4.4mm^2$ (X-direction ${\times}$ Y-direction).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 하나의 SiPM으로 β, γ-선의 동시 계측이 가능하면서 β-선 방출체의 분포를 영상화할 수 있는 프로브의 가능성을 연구함으로써 수술 중에 잔존 종양을 더욱 정확하게 제거할 수 있는 길을 제공하는 것이다.

제안 방법

방사성의약품 ¹⁸F-FDG의 양전자와 511 keV의 소멸감마선을 동시에 검출할 수 있는 프로브를 개발하였다. 플라스틱 섬광체 간의 접합면에 구멍의 크기가 점점 커지는 반사체를 넣었을 때 반응 깊이 4.
베타 영상/감마 프로브는 플라스틱 섬광체를 이용하여 양전자를 검출하고 GAGG섬광결정을 이용하여 511 keV의 감마선을 검출하도록 제작하였다. 특히 플라스틱 섬광체 배열 간에 구멍이 뚫린 반사체를 이용하여 반응깊이에 따른 빛 퍼짐을 달리함으로써 플라스틱 섬광체의 길이 방향으로의 반응 깊이를 측정할 수 있도록 하였다.
그러나 그림 2(b)처럼 플라스틱 섬광체 간 3개의 접합면에 사각형 구멍이 뚫린 3M 반사체를 놓게 되면 섬광 빛의 분포가 X-축 방향으로 퍼져서 SiPM의 채널 A1뿐만 아니라 B1, C1, D1에도 신호가 발생하므로 빛의 퍼짐 정도를 이용해서 Y-축 방향으로도 어디서 양전자가 반응했는지를 알 수 있다[12]. 본 논문에서는 플라스틱 섬광체의 Y-축 방향 분해능, 즉 반응깊이 분해능을 향상시키기 위해 다양한 반사체 디자인을 이용해서 실험을 진행했다.
프로브로 검출 가능한 조직의 깊이를 평가하기 위해 점선원의 1 MBq ¹⁸F앞에 조직등가물질인 폴리 염화 비닐(Polyvinyl chloride: PVC)를 두께 0.5 mm 간격으로 0 mm에 서 5 mm까지 증가시켜가면서 ¹⁸F의 양전자와 소멸감마선의 계수율을 측정하였다.

대상 데이터

실리콘 광증배관(SiPM)은 일본 Hamamatsu사의 S11828- 3344M모델을 사용하였다. SiPM은 4 × 4 배열로 총 16채널을 가지고 각 채널은 3.

데이터처리

실험을 통해 얻어진 양전자와 감마선 데이터는 플라스틱 섬광체 내에서의 양전자 반응위치정보를 계산하기 위해 매트랩(R2012a, Mathworks, USA)을 이용하여 분석하였다. 몬테카를로 시뮬레이션(GATEv6.2)을 이용하여 SiPM의 잡음이 없는 조건에서의 DOI분해능을 파악하였다.
시뮬레이션의 출력파일로 나온 ASCII데이터는 자체 작성한 매트랩(Matlab2012a, MathWorks, USA) 코드를 이용하여 분석하였고 X-위치와 Y-위치를 식 (1)와 식 (2)를 이용하여 얻어냈다. 이상적인 조건에서 X-축 분해능과 Y-축 분해능을 시뮬레이션하기 위해 SiPM 채널 간의 광학 간섭 (optical cross-talk) 및 후광효과(after pulse)등은 시뮬레이션에서 고려되지 않았다.
실험을 통해 얻어진 양전자와 감마선 데이터는 플라스틱 섬광체 내에서의 양전자 반응위치정보를 계산하기 위해 매트랩(R2012a, Mathworks, USA)을 이용하여 분석하였다. 몬테카를로 시뮬레이션(GATEv6.

성능/효과

본 연구에서는 SiPM의 항복전압(breakdown voltage)보다 1.5 V 높은 전압에서 감마선에 대한 에너지분해능이 가장 좋게 나왔다. 따라서 본 연구의 모든 실험에서는 1.

후속연구

β-선이나 전자를 검출하는 프로브는 표재성 병소에는 적합하나 투과력이 약해 1~2 mm 깊이에 있는 병소를 놓칠 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안된 β-선, 소멸감마선 동시 검출 방법을 이용하면 수술 중 표재성 종양과 심부종양의 검출 및 제거에 도움을 줄 수 있을 것이다.
감마선 검출 측면에서 봤을 때 현재의 프로브의 측면 쪽에는 배경감마선을 막아주는 텅스텐 조준기가 존재하지 않는다. 따라서 추후 연구에서는 실제 임상환경에 최적화된 측면 차폐용 텅스텐 조준기를 사용할 예정이다. 또한 플라스틱 섬광체에 들어오는 배경 감마선의 양을 시뮬레이션하고 이를 제거해주는 알고리즘을 개발할 예정이다.
이를 위해서는 실제 실험에 쓰이는 반사체의 디자인과 조립을 더욱 세밀하게 하고 또한 SiPM간의 빛 간섭 정도를 측정하여 이를 후처리 과정에서 제거해주는 과정들이 필요할 것이다. 또한 실리콘 광증배관(SiPM)의 경우 신호의 크기가 외부 온도에 매우 민감하기 때문에 추후 연구에서는 외부 온도에 따른 SiPM의 인가전압 보상 회로를 추가하여야 할 것이다.
따라서 추후 연구에서는 실제 임상환경에 최적화된 측면 차폐용 텅스텐 조준기를 사용할 예정이다. 또한 플라스틱 섬광체에 들어오는 배경 감마선의 양을 시뮬레이션하고 이를 제거해주는 알고리즘을 개발할 예정이다.
6 mm를 얻어서 양전자의 2차원 영상화의 가능성을 보였다. 추후 연구에서는 임상에 적용할 수 있는 디자인으로 최적화하여 실험을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양전자방출단층촬영장치의 장점은?	양전자방출단층촬영장치(Positron emission tomography, PET)는 높은 민감도와 정량적 영상이 가능하다는 장점을 바탕으로 암의 영상화 및 진단에 있어서 널리 사용되어 왔다. 특히 18F-FDG와 68Ga과 같은 방사성의약품은 PET을 이용한 전신 영상뿐만 아니라 수술 중에 종양이 제거된 영역에 감마선 혹은 양전자 프로브를 접근시켜 검출함으로써 잔존 암의 발견 및 절제에 많은 도움을 주고 있다[1].
	기존의 511 keV 감마선 검출 프로브의 단점은?	한편 유방암 수술에 있어서도 감시 림프절의 전이를 확인하는 경우 중요한 역할을 하고 있다[2-4]. 기존의 511 keV 감마선 검출 프로브의 경우 배경사건을 제거하기 위해 조준기를 사용하기 때문에 검출 감도가 떨어진다는 단점이 있다. 양전자 검출 프로브의 경우는 양전자를 검출하기 때문에 감도와 종양 대 배경 비(Tumor-to-background ratio : TBR)가 높지만 18F에서 방출되는 양전자의 비정이 짧기 때문에 체표 면으로부터 1~2 mm 이상 깊이에 위치해 있는 경우에는 검출이 불가능하다는 단점이 있다[5-9].
	기존에 연구된 베타영상/감마프로브는 어떠한 단점이 있는가?	기존에 연구된 베타영상/감마프로브의 경우 베타선 검출을 위해 145 μm 두께의CsI(Tl) 섬광체와 광섬유 및 CCD를 사용하고 감마선 검출을 위해서는 10 mm 두께의 CsI(Tl) 섬광체를 PIN photodiode에 결합해서 사용했었다[10]. 이 경우에는 베타선을 검출하기 위해선 CCD를 추가로 사용한다는 단점이 있다.

참고문헌 (13)

Vermeeren L, Valdes Olmos RA, Klop WM, Balm AJ, van den Brekel MW. A portable gamma-camera for intraoperative detection of sentinel nodes in the head and neck region. J Nucl Med. vol. 51, no. 5, pp. 700-703, 2010.

상세보기
Krag DN, Weaver DL, Alex JC, Fairbank JT. Surgical resection and radiolocalization of the sentinel lymph node in breast cancer using a gamma probe. Surg Oncol. vol. 2, no. 6, pp. 335-339; discussion 340, 1999.
Woo HD, Han SW, Son DM, Kim SY, Lim CW, et al. Endoscopic Sentinel Lymph Node Biopsy in Breast Cancer Surgery: Feasibility and Accuracy of the Combined Radioisotope and Blue Dye. Journal of Breast Cancer. vol. 13, no. 1, pp. 59, 2010.

상세보기
Armando E. Giuliano MD, Daniel M. Kirgan, M.D., J. Michael Guenther, M.D.,, and Donald L. Morton MD. Lymphatic Mapping and Sentinel Lymphadenectomy for Breast Cancer. Annals of Surgery. vol. 220. no. 3, pp. 391-401, 2010.
Raylman RR. Performance of a dual, solid-state intraoperative probe system with 18F, 99mTc, and (111) In. J Nucl Med. vol. 42, no. 2, pp. 352-360, 2001.

상세보기
Piert M BM, Meisetschlager G, Stein H J, Ziegler S, Nahrig J, Picchio M, Buck A, Siewert JR, Schwaiger M. Positron detection for the intraoperative localisation of cancer deposits. Eur J Nucl Med Mol Imaging. vol. 34, no. 10, pp. 1534-1544, 2007.

상세보기
Yamamoto S, Matsumoto K, Sakamoto S, Tarutani K, Minato K, et al. An intra-operative positron probe with background rejection capability for FDG-guided surgery. Ann Nucl Med. vol. 19, no. 1, pp. 23-28, 2005.

상세보기
Daghighian F, Mazziotta JC, Hoffman EJ, Shenderov P, Eshaghian B, et al. Intraoperative beta probe: a device for detecting tissue labeled with positron or electron emitting isotopes during surgery. Med Phys. vol. 21, no. 1, pp. 153-157, 1994.

상세보기
Heller S, Zanzonico P. Nuclear probes and intraoperative gamma cameras. Semin Nucl Med. vol. 41, no. 3, pp. 166-181, 2011.
S. V. Tipnis. Feasibility of a Beta-Gamma Digital Imaging Probe for Radioguided Surgery. IEEE Trans. Nuc. Sci. vol. 51, no. 1, pp. 110-116, 2004.

상세보기
Knoll GF. Radiation detection and measurement John Wiley & Sons, 2010.
Ito M, Lee MS, Lee JS. Continuous depth of interaction measurement in a single-layer pixelated crystal array using a single-ended readout. Phys Med Biol. vol. 58, no. 5, pp. 1269-1282, 2013.

상세보기
Agostinelli S, Allison J, Amako Ke, Apostolakis J, Araujo H, et al. GEANT4-a simulation toolkit. Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. vol. 506, no. 3, pp. 250-303, 2003.

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