[논문]최대우도함수를 이용한 양전자방출단층촬영기기의 검출기 모듈의 디지털 위치 획득 방법

이승재; 백철하

doi:10.7742/jksr.2021.15.1.1

초록
AI-Helper

양전자방출단층촬영기기에서 영상을 획득하기 위해서는 동시 측정된 검출기 모듈의 섬광 픽셀의 위치 좌표를 서로 연결하는 과정이 필요하다. 이를 위해서 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 사용하는 검출기 모듈에서는 평면 영상을 획득하여 각 섬광 픽셀의 영역을 나누어 감마선과 상호작용한 섬광 픽셀의 위치를 획득해야 한다. 또는 사용하는 섬광 픽셀의 수와 광센서의 수를 동일하게 구성할 경우는 섬광 픽셀 위치에 대한 위치 좌표를 직접 디지털 신호 좌표로 획득할 수 있다. 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 사용하는 방법은 평면 영상 획득과 영역을 나누는 과정이 필요하며, 디지털 신호 좌표를 직접 획득하는 방법은 다수의 광센서와 신호처리 시스템이 필요하다. 이는 신호처리 과정이 복잡해지며, 비용이 상승하는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 사용하여 평면 영상 및 영역의 분리과정을 수행하지 않고 디지털 신호 좌표를 획득하는 방법을 개발하였다. 최대우도함수를 사용하여 각 섬광 픽셀에서 획득한 신호를 통해 작성된 순람표를 통해 감마선과 상호작용한 섬광 픽셀의 위치 좌표값을 디지털 신호로 획득하는 방법이다. DETECT2000을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 제시한 방법에 대해 검증을 실시하였다. 그 결과 모든 섬광 픽셀에서 정확한 디지털 신호 좌표를 획득할 수 있었으며, 이를 기존 시스템에 적용할 경우 신호처리 과정의 단순화로 보다 빠른 영상획득이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to acquire an image in a positron emission tomography, it is necessary to draw the position coordinates of the scintillation pixels of the detector module measured at the same time. To this end, in a detector module using a plurality of scintillation pixels and a small number of photosensor...

In order to acquire an image in a positron emission tomography, it is necessary to draw the position coordinates of the scintillation pixels of the detector module measured at the same time. To this end, in a detector module using a plurality of scintillation pixels and a small number of photosensors, it is necessary to obtain a flood image and divide a region of each scintillation pixel to obtain a position of a scintillation pixel interacting with a gamma ray. Alternatively, when the number of scintillation pixels and the number of photosensors to be used are the same, the position coordinates for the position of the scintillation pixels can be directly acquired as digital signal coordinates. A method of using a plurality of scintillation pixels and a small number of photosensors requires a process of obtaining digital signal coordinates requires a plurality of photosensors and a signal processing system. This complicates the signal processing process and raises the cost. To solve this problem, in this study, we developed a method of obtaining digital signal coordinates without performing the process of separating the planar image and region using a plurality of flash pixels and a small number of optical sensors. This is a method of obtaining the position coordinate values of the flash pixels interacting with the gamma ray as a digital signal through a look-up table created through the signals acquired from each flash pixel using the maximum likelihood function. Simulation was performed using DETECT2000, and verification was performed on the proposed method. As a result, accurate digital signal coordinates could be obtained from all the flash pixels, and if this is applied to the existing system, it is considered that faster image acquisition is possible by simplifying the signal processing process.

Keyword

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Schematic of PET detector module for generation LUT.
그림 Fig. 2. The process of obtaining a signal by giving a weight according to the distance of the SiPM pixel.
그림 Fig. 3. Image of obtaining signal coordinates of GAGG pixels using the maximum likelihood position estimation and LUT.
표 Table 1. LUT generated through DETECT2000 simulation
그림 Fig. 4. Flood image of each GAGG pixel using the conventional anger equation.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 최대우도함수와 LUT를 사용한 PET 검출기의 위치 신호 획득과 관련된 방법을 개발하였다. 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 이용하여 앵거 계산식을 통한 영상 획득 방법과 섬광 픽셀과 광센서가 서로 1:1 매칭되어 섬광 픽셀의 디지털 신호 좌표를 직접 획득 가능한 방법의 장점을 조합한 방법이다.

제안 방법

작성한 LUT를 사용하여 섬광 픽셀 임의의 지점에서 발생된 빛의 신호를 바탕으로 섬광 픽셀의 위치를 측정하기 위해 GAGG 픽셀 내에서 0.2 mm 간격으로 감마선 반응을 발생시켰다. 하나의 GAGG 에서 22,500번의 감마선 반응을 일으켜 최대우도함수와 LUT를 사용하여 GAGG 픽셀의 위치를 디지털 신호로 측정하였다.
2 mm 간격으로 감마선 반응을 발생시켰다. 하나의 GAGG 에서 22,500번의 감마선 반응을 일으켜 최대우도함수와 LUT를 사용하여 GAGG 픽셀의 위치를 디지털 신호로 측정하였다. 최대우도함수를 사용한 위치 추적은 Eq.
DETECT2000 시뮬레이션을 통해 획득한 LUT를 사용하여 최대우도함수를 통해 섬광 픽셀의 위치를 결정하였다. 임의의 지점에서 발생된 감마선 반응에 해당하는 각 SiPM 픽셀의 16채널의 신호는 4채널의 신호로 가공되었고, 이를 최대우도함수를 통해 LUT와 비교하여 최적의 섬광 픽셀의 위치 값을 도출하였다.
DETECT2000 시뮬레이션을 통해 획득한 LUT를 사용하여 최대우도함수를 통해 섬광 픽셀의 위치를 결정하였다. 임의의 지점에서 발생된 감마선 반응에 해당하는 각 SiPM 픽셀의 16채널의 신호는 4채널의 신호로 가공되었고, 이를 최대우도함수를 통해 LUT와 비교하여 최적의 섬광 픽셀의 위치 값을 도출하였다. Table 1에 시뮬레이션을 통해 작성된 LUT를 나타내었다.
다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 이용하여 앵거 계산식을 통한 영상 획득 방법과 섬광 픽셀과 광센서가 서로 1:1 매칭되어 섬광 픽셀의 디지털 신호 좌표를 직접 획득 가능한 방법의 장점을 조합한 방법이다. 즉, 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 사용하지만 섬광 픽셀의 디지털 신호 좌표를 획득 가능하도록 검출기를 설계하였다. 이러한 검출기를 구현하기 위해 각 섬광 픽셀에서의 신호에 대한 LUT를 생성하였고, 최대우도함수를 통해 임의의 섬광 픽셀 지점에서 발생한 감마선 반응의 위치를 도출하였다.
즉, 다수의 섬광 픽셀과 소수의 광센서를 사용하지만 섬광 픽셀의 디지털 신호 좌표를 획득 가능하도록 검출기를 설계하였다. 이러한 검출기를 구현하기 위해 각 섬광 픽셀에서의 신호에 대한 LUT를 생성하였고, 최대우도함수를 통해 임의의 섬광 픽셀 지점에서 발생한 감마선 반응의 위치를 도출하였다. 도출된 결과는 각 섬광 픽셀의 위치 좌표로 획득하므로 디지털 좌표 값으로 직접 획득이 가능하였다.
도출된 결과는 각 섬광 픽셀의 위치 좌표로 획득하므로 디지털 좌표 값으로 직접 획득이 가능하였다. 각 섬광 픽셀에서 모든 방향으로 0.2 mm 간격으로 감마선 반응을 일으켜 신호를 획득하였고, 이에 대한 섬광 픽셀 좌표를 디지털 신호로 획득하였다. 섬광 픽셀마다 총 22,500번의 감마선 반응을 일으켰으며, 디지털 신호 획득 결과 모두 정확하게 섬광 픽셀의 위치를 도출하였다.

대상 데이터

2와 같이 X축 및 Y축에 대한 각 SiPM 픽셀별 가중치를 주어 4채널의 신호로 감소시켰다. 각 SiPM 픽셀의 행과 열로 X1, X2, X3, X4 및 Y1, Y2, Y3, Y4로 신호를 합산한 후 SiPM의 거리에 따른 가중치를 주어 Eq 1.과 같이 X+, X-, Y+, Y-의 신호를 획득하였다.
현재 사용되고 있는 PET 검출기는 다수의 섬광 픽셀과 4개의 광전증배관을 조합한 검출기를 사용한다. 각 섬광 픽셀에서 감마선과 상호작용하여 발생된 빛은 4개의 광전증배관에서 나뉘어 획득되며, 획득된 신호의 비율을 토대로 앵거 계산식을 통해 평면 영상을 획득한다. 획득한 평면 영상에서 각 섬광 픽셀의 영역을 분리하여 각 섬광 픽셀에 검출된 감마선을 분리하고 이를 통해 PET 영상을 구성한다.

데이터처리

16개의 SiPM의 신호를 4개의 신호로 감소시켜 획득한 결과를 사용하여 각 방향의 신호의 비율로 계산하였다. 즉, 각 4개의 신호의 비율은 다음과 같이 나타내었다.
1,000번의 감마선 반응을 시뮬레이션하였으므로, 위의 신호의 비율은 1,000번이 계산되었으며, 이에 대한 평균값과 표준편차를 구하여 섬광 픽셀의 LUT로 작성하였으며, 이러한 과정을 16개의 모든 섬광 픽셀에서 수행하여 전체적인 LUT를 작성하였다.

성능/효과

이러한 과정을 시뮬레이션을 통해 생성한 LUT를 사용하면 섬광 픽셀의 위치 좌표 획득을 평면 영상을 구현하고, 이를 영역 분리를 하는 과정을 생략하고 바로 디지털 신호 좌표로 획득 가능하게 된다. 기존 최대우도함수와 LUT를 사용한 연구에서는 실험에 적용하기 위해서는 실험적으로 LUT 를 작성해야 적용이 가능하였으나, 본 연구 방법으로는 시뮬레이션으로 생성한 LUT를 실험에 바로 사용 가능하다는 장점이 있다. 이는 LUT를 각 광센서에서 획득한 신호를 사용하여 생성하는 것이 아닌 신호의 비율로 LUT를 작성하는 방법을 사용하였기 때문이다.
이러한 검출기를 구현하기 위해 각 섬광 픽셀에서의 신호에 대한 LUT를 생성하였고, 최대우도함수를 통해 임의의 섬광 픽셀 지점에서 발생한 감마선 반응의 위치를 도출하였다. 도출된 결과는 각 섬광 픽셀의 위치 좌표로 획득하므로 디지털 좌표 값으로 직접 획득이 가능하였다. 각 섬광 픽셀에서 모든 방향으로 0.
2 mm 간격으로 감마선 반응을 일으켜 신호를 획득하였고, 이에 대한 섬광 픽셀 좌표를 디지털 신호로 획득하였다. 섬광 픽셀마다 총 22,500번의 감마선 반응을 일으켰으며, 디지털 신호 획득 결과 모두 정확하게 섬광 픽셀의 위치를 도출하였다. 본 검출기를 PET 시스템에 적용할 경우 앵거 계산식을 사용하여 평면 영상을 획득 후각 섬광 픽셀의 위치 좌표를 획득하는 시스템에 비해 신호처리 과정을 간소화할 수 있으며, 섬광 픽셀과 광센서의 사용을 1:1로 매칭시켜 신호를 획득하는 시스템에 비해서는 비용의 절감과 신호처리 회로의 간소화를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.
섬광 픽셀마다 총 22,500번의 감마선 반응을 일으켰으며, 디지털 신호 획득 결과 모두 정확하게 섬광 픽셀의 위치를 도출하였다. 본 검출기를 PET 시스템에 적용할 경우 앵거 계산식을 사용하여 평면 영상을 획득 후각 섬광 픽셀의 위치 좌표를 획득하는 시스템에 비해 신호처리 과정을 간소화할 수 있으며, 섬광 픽셀과 광센서의 사용을 1:1로 매칭시켜 신호를 획득하는 시스템에 비해서는 비용의 절감과 신호처리 회로의 간소화를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

Bailey D. L., Townsend D. W., Valk P. E., Maisy M. N., Positron Emission Tomography: Basic Science, 1st Ed., Springer-Verlag London Ltd., London, pp. 41-62, 2005.
C. J. Thompson, A. L. Goertzen, J. D. Thiessen, D. Bishop, G. Stortz, P. Kozlowski, F. Retiere, X. Zhang, and V. Sossi, "Development of a PET scanner for simultaneously imaging small animals with MRI and PET," Sensors, Vol. 14, No. 8, pp. 14654-14671, 2014. http://dx.doi.org/10.3390/s140814654

상세보기
T. Niknejad, M. Pizzichemi, G. Stringhini, E. Auffray, R. Bugalho, J. C. D. Silva, A. D. Francesco, L. Ferramacho, P. Lecoq, C. Leong, M. Paganoni, M. Rolo, R. Silva, M. Siverira, S. Tavernier, J. Varela, C. Zorraquino, "Development of high-resolution detector module with depth of interaction identification for positron emission tomography," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 845, pp. 684-688, 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2016.04.080

상세보기
Z. Kuang, X. Wang, X. Fu, N. Ren, Q. Yang, B. Zhao, C. Zhang, S. Wu, Z. Sang, Z. Hu, J. Du, Do. Liang, X. Liu, H. Zheng, Y. Yang, "Dual-ended readout small animal PET detector by using 0.5 mm pixelated LYSO crystal arrays and SiPMS," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 914, pp. 1-8, 2018. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.011

상세보기
E. Lamprou, F. Sanchez, J. M. Benlloch, A. J. Gonzalez, "In-depth evaluation of TOF-PET detectors based on crystal arrays and the TOFPET2 ASIC," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 977, No. 11, pp. 1-8, 2020. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164295

상세보기
M. Pizzichemi, G. Stringhini, T. Niknejad, Z. Liu, P. Lecoq, S. Tavernier, J. Varela, M. Paganoni, and E. Auffray, "A new method for depth of interaction determination in PET detectors," Physics in Medicine and Biology, Vol. 61, No. 12, pp. 4679-4698, 2016. http://dx.doi.org/10.1088/0031-9155/61/12/4679

상세보기
L. Tong, Y. Fan, M. Dong, L. Zhao, Z. Li, Y. Li, T. Wang, Y. Yin, X. Chen, "Positron emission tomography detector performance with different crystal pitches," Radiation Detection Technology and Methods, Vol. 1, No. 2, pp. 1-7, 2017. http://dx.doi.org/10.1007/s41605-017-0026-y

상세보기
A. Vandenbroucke, A. M. K. Foudray, P. D. Olcott, and C. S. Levin, "Performance characterization of a new high resolution PET scintillation detector," Physics in Medicine and Biology, Vol. 55, No. 19, pp. 5895-5911, 2010. http://dx.doi.org/10.1088/0031-9155/55/19/018

상세보기
C. Casella, M. Heller, C. Joram, T. Schneider, "A high resolution TOF-PET concept with axial geometry and digital SiPM readout," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 736, pp. 161-168, 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2013.10.049

상세보기
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. https://doi.org/10.1117/12.474315
J. H. Park, S. J. Lee, "Monte Carlo Simulation-Based maximum-Likelihood Position Estimate Monolithic Scintillation Detectors," Journal of the Korean Physical Society, Vol. 74, No. 8, pp. 812-815, 2019. http://dx.doi.org/10.3938/jkps.74.812

상세보기
Y. H. Chung, S. J. Lee, C. H. Baek, Y. Choi, "New design of a quasi-monolithic detector module with DOI capability for small animal pet," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 593, No. 3, pp. 588-591, 2008. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2008.05.059

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 최대우도함수를 이용한 양전자방출단층촬영기기의 검출기 모듈의 디지털 위치 획득 방법
Digital Position Acquisition Method of PET Detector Module using Maximum Likelihood Position Estimation 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (5)

표/그림 (5)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 최대우도함수를 이용한 양전자방출단층촬영기기의 검출기 모듈의 디지털 위치 획득 방법 Digital Position Acquisition Method of PET Detector Module using Maximum Likelihood Position Estimation 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (5) 모든 표/그림 보기

표/그림 (5) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이승재 (11) 백철하 (8)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 최대우도함수를 이용한 양전자방출단층촬영기기의 검출기 모듈의 디지털 위치 획득 방법
Digital Position Acquisition Method of PET Detector Module using Maximum Likelihood Position Estimation 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (5)

표/그림 (5)

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문