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[국내논문] 배열형 실리콘광증배소자를 이용한 포톤 카운팅 검출기 설계를 위한 몬테칼로 시뮬레이션 연구
Monte-carlo Simulation for X-ray Photon Counting using MPPC Arrays 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.12 no.7, 2018년, pp.929 - 934  

이승재 (동서대학교 방사선학과) ,  백철하 (강원대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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영상의 질 향상과 물질 분석 등을 위해 엑스선을 카운팅하여 검출하기 위한 연구가 활발하다. 본 연구에서는 MPPC 어레이를 사용하여 엑스선 포톤 카운팅을 위한 검출기를 설계하였고, 시뮬레이션을 통해 검출기 특성을 평가하였다. GATE를 사용하여 엑스선과 섬광체와 반응한 위치 정보를 획득하였고, 이 정보를 DETECT2000의 빛 발생 위치로 사용하였다. 0.5 mm와 1 mm 두께의 GAGG 섬광체를 사용하였으며, $4{\times}4$ 어레이의 MPPC를 통해 발생된 빛을 획득하였다. 각 채널별로 획득한 빛의 신호를 통해 영상을 재구성하여 설계한 검출기의 분해능을 확인하였다. 0.5 mm와 1 mm 두께의 GAGG 섬광체에서 모두 2 lp/mm 이상의 영상을 획득하였다. 본 검출기를 엑스선 시스템에 사용할 경우 포톤 카운팅이 가능한 저비용의 시스템을 구축할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Studies for counting and detecting X-rays for the improvement of image quality and material analysis are active. In this work, the detector for X-ray photon counting was designed using Multi-pixel photon counter (MPPC) array and the detector characteristics were evaluated through simulation. Geant4 ...

주제어

#포톤 카운팅   #몬테 칼로 시뮬레이션  

표/그림 (5)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 발생한 빛의 수는 Eq. (1)과 같이 엑스선의 에너지에 따른 GAGG의 빛 발생 수와 MPPC의 광 검출 효율로 계산하였다.
  • 2 mm × 2 mm 크기의 센서를 사용하고, Anger 계산 방식을 적용하여 2 lp/mm 이상의 공간 분해능을 달성하였다.
  • DETECT2000 시뮬레이션을 통해 각 센서에서 수집된 빛의 수를 사용하여 Anger 계산을 통해 슬릿 팬텀을 영상화하였다. Fig.
  • 선형 스캔 방식을 통한 영상 획득은 많은 시간이 소요되며, Si-PM 센서의 크기로 인한 분해능의 한계가 존재한다.[8] 이에 본 연구에서는 고에너지 엑스선을 검출할 수 있으며, 다채널의 Si-PM을 사용한 고분해능의 광자계수형 방식의 검출기를 설계하고, Geant4 기반의 몬테칼로 시뮬레이션 툴인 Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE)와[9] 섬광체 내의 빛의 이동을 모사하는 DETECT2000을[10] 이용하여 특성을 평가하였다.
  • 굴절률을 1.9로 설정하여 GAGG 섬광체를 모사하였으며, 크기는 2.0 mm × 2.0 mm의 두께 0.5 mm, 1 mm로 설정하였다.
  • 다채널의 MPPC를 사용하여 포톤 카운팅이 가능한 검출기를 설계하였고, 특성을 평가하였다. 2 mm × 2 mm 크기의 센서를 사용하고, Anger 계산 방식을 적용하여 2 lp/mm 이상의 공간 분해능을 달성하였다.
  • 엑스선이 섬광체와 반응하여 발생한 빛의 이동을 모사하기 위해 DETECT2000 시뮬레이션을 하였다. 센서의 크기 및 섬광체와 센서들이 맞닿아 있는 위치에 따라 영상이 달라질 수 있으므로, 정확한 시뮬레이션을 위해 GATE 시뮬레이션을 통해 획득한 엑스선과 섬광체와의 상호작용 위치를 DETECT2000 시뮬레이션의 빛 발생 위치로 사용하였다. 굴절률을 1.
  • 5 mm, 1 mm로 설정하였다. 엑스선이 입사하는 면과 옆면은 난반사체를 적용하였고, 센서와 맞닿는 면은 매끈한 면으로 설정하여 빛이 센서로 이동하여 측정되도록 설정하였다. 센서는 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) arrays인 Hamamatsu사의 S13361-2050 series를 모사하였다.

대상 데이터

  • 섬광체와 광학적으로 연결된 센서의 위치 및 크기, 특성에 따라 영상이 달라진다. GATE와 DETECT 2000 시뮬레이션의 조합을 통해 실험과 일치하는 시뮬레이션을 실시하여 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 획득할 수 있었다.
  • 검출기는 9 mm × 9 mm의 크기를 갖고, 두께는 0.5 mm와 1 mm인 GAGG 섬광체로 구성하였다.
  • 5 mm로 구성하였다. 본 시스템의 분해능을 측정하기 위해 1 lp/mm ~ 4 lp/mm의 슬릿 팬텀을 사용하였다. 팬텀은 납 재질로 5개의 슬릿으로 설정하였으며 두께는 2 mm로 구성하였고 슬릿 이외에 투과되는 광자가 없도록 하였다.
  • 엑스선이 입사하는 면과 옆면은 난반사체를 적용하였고, 센서와 맞닿는 면은 매끈한 면으로 설정하여 빛이 센서로 이동하여 측정되도록 설정하였다. 센서는 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) arrays인 Hamamatsu사의 S13361-2050 series를 모사하였다.[12] 본 센서는 2 mm × 2 mm 크기의 MPPC가 4 × 4 배열로, 2.
  • 엑스선 에너지는 120 kVp 관전압의 평균 에너지에 해당하는 40 keV로 설정하였고, 선원의 크기는 0.5 mm로 구성하였다. 본 시스템의 분해능을 측정하기 위해 1 lp/mm ~ 4 lp/mm의 슬릿 팬텀을 사용하였다.
  • 본 시스템의 분해능을 측정하기 위해 1 lp/mm ~ 4 lp/mm의 슬릿 팬텀을 사용하였다. 팬텀은 납 재질로 5개의 슬릿으로 설정하였으며 두께는 2 mm로 구성하였고 슬릿 이외에 투과되는 광자가 없도록 하였다. Fig.

이론/모형

  • 영상은 일반적인 감마카메라의 영상 재구성에 사용되는 Eq. (2)의 Anger 방정식을 사용하여 재구성하였다.
  • GATE 시뮬레이션을 통해 엑스선과 섬광체가 반응한 위치 정보를 획득할 수 있었고, 이 정보를 활용하여 DETECT2000 시뮬레이션의 인풋으로 사용하였다. 섬광체와 광학적으로 연결된 센서의 위치 및 크기, 특성에 따라 영상이 달라진다.
  • 엑스선이 섬광체와 반응하여 발생한 빛의 이동을 모사하기 위해 DETECT2000 시뮬레이션을 하였다. 센서의 크기 및 섬광체와 센서들이 맞닿아 있는 위치에 따라 영상이 달라질 수 있으므로, 정확한 시뮬레이션을 위해 GATE 시뮬레이션을 통해 획득한 엑스선과 섬광체와의 상호작용 위치를 DETECT2000 시뮬레이션의 빛 발생 위치로 사용하였다.
  • 엑스선이 섬광체와 상호작용한 위치를 측정하기 위해 몬테칼로 시뮬레이션 툴인 GATE를 사용하여 모사하였다. 검출기는 9 mm × 9 mm의 크기를 갖고, 두께는 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광자계수형 방식의 특징은 무엇인가? 엑스선 검출 방식은 일정 시간 동안 검출기에 입사된 엑스선의 신호를 적분하여 영상화하는 방식이 주로 사용되고 있으며, 최근 영상의 화질 및 물성의 구분을 향상하기 위해 광자계수형 방식의 검출기가 연구 개발되고 있다. 광자계수형 방식은 신호 적분 방식에 비교해 넓은 동작 범위와 물질 분별 능력을 지니며, 에너지 가중치 부여에 따른 신호대잡음비를 향상할 수 있다. 최근 많은 연구그룹에서 광자계수형 방식으로 엑스선을 검출하기 위하여 Cadmium zinc telluride (CZT), Silicon photomultiplier (Si-PM) 등의 센서를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
반도체 검출기인 CZT와 Si-PM가 높은 에너지의 엑스선을 직접 검출하기 위해서 필요한 것은? 최근 많은 연구그룹에서 광자계수형 방식으로 엑스선을 검출하기 위하여 Cadmium zinc telluride (CZT), Silicon photomultiplier (Si-PM) 등의 센서를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다.[1-4] 반도체 검출기인 CZT와 Si-PM으로 엑스선을 직접 검출하기 위해서는 X선의 에너지가 높아짐에 따라 두꺼운 센서가 필요하다. 이런 고에너지 엑스선 검출을 위해 두꺼운 센서를 만들기 위한 기술력은 미흡하여 실제 제품으로 상용화하는데 어려움이 있다.
고에너지 엑스선 검출을 위한 기술력이 미흡하여 실제 제품으로 상용화하기 어려운 한계를 극복하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가? 이런 고에너지 엑스선 검출을 위해 두꺼운 센서를 만들기 위한 기술력은 미흡하여 실제 제품으로 상용화하는데 어려움이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 섬광체와 Si-PM을 사용한 광자계수형 방식의 검출기가 연구 및 개발되고 있다.[5-7] 이런 광자계수를 위한 검출기는 얇은 두께의 섬광체와 Si-PM 센서를 사용하여 구성되며, 선형 스캔 방식을 통해 영상을 재구성하게 된다.
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참고문헌 (12)

  1. P. M. Shikhaliev, S. G. Fritz, J. W. Chapman, "Photon counting multienergy x-ray imaging: Effect of the characteristic x-rays on detector performance," Medical Physics, Vol. 36, No. 11, pp. 5107-5119, 2009. 

    상세보기 crossref

  2. H. Ding, M. J. Klopfer, J. L. Ducote, F. Masaki, S. Molloi, "Breast Tissue Characterization with Photon-counting Spectral CT Imaging: A Postmortem Breast Study," Radiology, Vol. 272, No. 3, pp. 731-738, 2014. 

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  3. O. Hagiwara, M. Watanabe, E. Sato, H. Matsukiyo, A. Osawa, T. Enomoto, J. Nagao, S. Sato, A. Ogawa, J. Onagawa, "Energy-discrimination X-ray computed tomography system utilizing a silicon-PIN detector and its application to 2.0-keV-width k-edge imaging," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A., Vol. 638, No. 1, pp. 156-170, 2011. 

  4. Y. Arakawa, E. Sato, H. Kogita, T. Hamaya, S. Nihei, W. Numahata, S. Kami, Y. Oda, O. Hagiwara, H. Matsukiyo, A. Osawa, T. Enomoto, M. Watanabe, S. Kusachi, S. Sato, A. Ogawa, "Investigation of X-ray photon-counting using ceramic-substrate silicon diode and its application to gadolinium imaging," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 53, No. 7, pp. 72201, 2014. 

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  5. E. A. Babichev, S. E. Baru, D. N. Grigoriev, V. P. Oleynikov, V. V. Porosev, G. A. Savinov, S. Callier, "SiPM based photon counting detector for scanning digital radiography," Journal of Instrumentation, Vol. 10, No. C03002, pp. 1-8, 2015. 

  6. M. Akiba, K. Inagaki, K. Tsujino, "Photon number resolving SiPM detector with 1 GHz count rate," Optics Express, Vol. 20, No. 3, pp. 2779-2788, 2012. 

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  7. Y. Oda, E. Sato, A. Abudurexiti, O. Hagiwara, A. Osawa, H. Matsukiyo, To. Enomoto, M, Watanabe, S. Kusachi, S. Sugimura, H. Endo, S. Sato, A. Ogawa, J. Onagawa, "Mcps-range photon counting X-ray computed tomography system utilizing an oscillating linear-YAP(Ce) photon detector," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A., Vol. 643, No. 1, pp. 69-74, 2011. 

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  8. H. Sabet, G. Prekas, M. Breen, H. B. Bhandari, P. Nickerson, G. Dergerian, F. Robertson, H. Kudrolli, S. Cool, V. V. Nagarkar, "High-Performance and Cost-Effective Detector Using Microcolumnar CsI:Tl and SiPM," IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 59, No. 5. pp. 1841-1849, 2012. 

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  9. S. Jan, D. Benoit, E. Becheva, T. Carlier, F. Cassol, P. Descourt, T. Frisson, L. Grevillot, L. Guigues, L. Maigne, C. Morel, Y. Perrot, N. Rehfeld, D. Sarrut, D. R. Schaart, S. Stute, U. Pietrzyk, D. Visvikis, N. Zahra, I. Buvat, "GATE V6: a major enhancement of the GATE simulation platform enabling modelling of CT and Radiotherapy," Physics in Medicine and Biology, Vol. 56, No. 4, pp. 881-901, 2011. 

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  10. F. Cayouette, D. Laurendeau, C. Moisan, "DETECT2000: an improved Monte-Carlo simulator for the computer aided design of photon sensing devices," Proceedings of SPIE, Quebec, Vol. 4833, pp. 69-76, 2003. 

  11. http://www.epic-crystal.com/shop_reviews/gaggce-scintillator 

  12. https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s13361-2050_series_kapd1053e.pdf 

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