[논문]광센서 크기에 따른 섬광 픽셀 배열의 최대화 연구

이승재

doi:10.7742/jksr.2022.16.2.157

광센서 크기에 따른 섬광 픽셀 배열의 최대화 연구
A Study on the Maximization of Scintillation Pixel Array According to the Size of the Photosensor 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.16 no.2, 2022년, pp.157 - 162

이승재 (동서대학교 방사선학과)

초록
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전임상용 양전자방출단층촬영기기는 인체에 비해 매우 작은 소동물을 대상으로 촬영이 이루어지므로, 우수한 공간분해능을 지닌 검출기가 필요하다. 이를 위해 작은 섬광 픽셀을 사용한 검출기를 사용하여 시스템을 구성하였다. 현재 개발되어 사용되는 광센서의 크기는 한정되어 있으므로, 이에 맞는 최소한의 섬광 픽셀과 최대의 배열로 구성할 경우 우수한 공간분해능을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 광센서의 크기를 고정하고, 이에 맞는 다양한 섬광 픽셀의 배열을 구성하여 평면 영상에서 겹침이 발생하지 않고, 모든 섬광 픽셀들이 구분이 되는 최대의 섬광 픽셀 배열을 찾고자 한다. 이를 위해 섬광체와 광센서로 이루어진 검출기 모듈의 시뮬레이션이 가능한 DETECT2000을 사용하였다. 3 mm × 3 mm 픽셀이 4 × 4 배열로 이루어진 광센서를 사용하였으며, 섬광 픽셀 배열은 8 × 8에서부터 13 × 13까지 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 광센서 픽셀에서 획득된 데이터를 통해 평면 영상을 구성하였으며, 평면 영상과 프로파일을 통해 영상의 겹침이 발생하지 않는 최대의 섬광 픽셀 배열을 찾았다. 그 결과 평면 영상에서 서로 겹침이 발생하지 않고 모든 섬광 픽셀들이 영상화되는 섬광 픽셀 배열의 크기는 11 × 11이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since preclinical positron emission tomography imaging is performed on small animals that are very small compared to the human body, a detector with excellent spatial resolution is required. For this purpose, a system was constructed using a detector using small scintillation pixels. Since the size of the currently developed and used photosensors is limited, excellent spatial resolution can be obtained when the minimum scintillation pixel and maximum array are used. In this study, the size of the photosensor is fixed and various scintillation pixel arrays are configured to match the size of the scintillation pixels, so that no overlap occurs in the flood image and the maximum scintillation pixel array in which all scintillation pixels are distinguished. For this purpose, DETECT2000, which can simulate a detector module composed of a scintillator and an photosensor, was used. A photosensor consisting of a 4 × 4 array of 3 mm × 3 mm pixels was used, and the scintillation pixel array was configured from 8 × 8 to 13 × 13, and simulations were performed. A flood image was constructed using the data obtained from the photosensor pixel, and the maximum scintillation pixel array that does not overlap the image was found through the flood image and the profile. As a result, the size of the scintillation pixel array in which all scintillation pixels are imaged without overlapping each other in the flood image was 11 × 11.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams of an 8 × 8 scintillation pixel array and a 4 × 4 array of SiPM photosensors designed for DETECT2000 simulation.
표 Table 1. The array of scintillation pixel and the size for the DETECT2000 simulation
그림 Fig. 2. A flood image according to each scintillation pixel array. (a) to (f) show flood images in an 8 × 8 to 13 × 13 array.
그림 Fig. 3. Profile of the flood image of each scintillation pixel array.
그림 Fig. 4. Distribution diagram of the incident light from the first and second scintillation pixels to the photosensor in an 11 × 11 scintillation pixel array.
표 Table 2. The spacing between the first and second peaks of the profiles and the average spatial resolution of each scintillation pixel in a flood image of each scintillation pixel array

AI 본문요약
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제안 방법

섬광 픽셀은 광센서와 맞닿은 부분을 제외하고 모두 98%의 반사율을 갖는 난반사체를 사용하여, 감마선과 상호작용하여 발생된 빛이 최대한 광센서에서 수집되도록 설계하였다. 각 섬광 픽셀 배열의 평면 영상을 획득하기 위해 DETECT2000 시뮬레이션 툴로 검출기 모듈을 설계하였으며, 모든 섬광 픽셀의 중심에서 1, 000번의 감마선 이벤트를 발생 시켜 생성된 빛을 광센서를 통해 획득하였다. 수집된 빛 신호를 통해 평면 영상으로 재구성하여 각 섬광 픽셀 배열에 대한 영상 분석을 수행하였다.
설계한 광센서의 전체 크기는 일정하므로, 섬광 픽셀의 크기를 줄여 여러 배열로 구성하였고, 높이는 모두 10 mm로 설계하였다. 섬광 픽셀 사이의 간격은 반사체 두께를 고려하여 모든 배열에서 동일하게 0.
설계한 광센서의 전체 크기는 일정하므로, 섬광 픽셀의 크기를 줄여 여러 배열로 구성하였고, 높이는 모두 10 mm로 설계하였다. 섬광 픽셀 사이의 간격은 반사체 두께를 고려하여 모든 배열에서 동일하게 0.1 mm로 설계하였다.
섬광 픽셀은 광센서와 맞닿은 부분을 제외하고 모두 98%의 반사율을 갖는 난반사체를 사용하여, 감마선과 상호작용하여 발생된 빛이 최대한 광센서에서 수집되도록 설계하였다. 각 섬광 픽셀 배열의 평면 영상을 획득하기 위해 DETECT2000 시뮬레이션 툴로 검출기 모듈을 설계하였으며, 모든 섬광 픽셀의 중심에서 1, 000번의 감마선 이벤트를 발생 시켜 생성된 빛을 광센서를 통해 획득하였다.
각 섬광 픽셀 배열의 평면 영상을 획득하기 위해 DETECT2000 시뮬레이션 툴로 검출기 모듈을 설계하였으며, 모든 섬광 픽셀의 중심에서 1, 000번의 감마선 이벤트를 발생 시켜 생성된 빛을 광센서를 통해 획득하였다. 수집된 빛 신호를 통해 평면 영상으로 재구성하여 각 섬광 픽셀 배열에 대한 영상 분석을 수행하였다.
일정한 크기의 광센서를 사용하고, 섬광 픽셀 배열의 크기가 달라질 경우, 전체 섬광 픽셀들의 영상이 분리되는 최대의 섬광 픽셀 배열을 찾는 연구를 수행하였다. 이를 위해 섬광체와 광센서 등의 시뮬레이션이 가능한 DETECT2000을 사용하여 각 섬광 픽셀 모듈을 구성하고 빛을 발생시켜 평면 영상을 획득하였다. 획득된 평면 영상을 분석한 결과 12 × 12 배열에서부터 가장자리 섬광 픽셀에서 서로 겹침이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
일정한 크기의 광센서를 사용하고, 섬광 픽셀 배열의 크기가 달라질 경우, 전체 섬광 픽셀들의 영상이 분리되는 최대의 섬광 픽셀 배열을 찾는 연구를 수행하였다. 이를 위해 섬광체와 광센서 등의 시뮬레이션이 가능한 DETECT2000을 사용하여 각 섬광 픽셀 모듈을 구성하고 빛을 발생시켜 평면 영상을 획득하였다.

성능/효과

11 × 11 배열까지는 두 번째 섬광 픽셀에서 발생된 빛이 접하는 광센서 픽셀 이외에 인접하는 광센서 픽셀로도 입사하여 두 섬광 픽셀 영상의 구분이 가능하였으나, 더 큰 섬광 픽셀 배열에서는 주로 하나의 광센서 픽셀로만 입사하여 영상의 겹침이 발생하였다
이렇게 섬광 픽셀이 작아질 경우, Fig. 4를 보면 가장자리에 위치한 섬광 픽셀과 그 옆의 섬광 픽셀에서 발생된 빛은 주로 접하는 광센서 픽셀로만 입사하게 되며, 이는 영상의 구분을 어렵게 한다. 11 × 11 배열까지는 두 번째 섬광 픽셀에서 발생된 빛이 접하는 광센서 픽셀 이외에 인접하는 광센서 픽셀로도 입사하여 두 섬광 픽셀 영상의 구분이 가능하였으나, 더 큰 섬광 픽셀 배열에서는 주로 하나의 광센서 픽셀로만 입사하여 영상의 겹침이 발생하였다.
(a)에서부터 (f)까지 각 8 × 8 배열부터 13 × 13 배열의 순서로 나타냈으며, 왼쪽은 각 배열별 섬광 픽셀이 광센서에 위치된 모습을 나타내고, 오른쪽은 이에 대한 각 평면 영상을 나타낸다. 배열의 크기가 커질수록 하나의 SiPM 픽셀과 연결된 섬광 픽셀의 수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 평면 영상에서 11 × 11 배열까지는 모든 섬광 픽셀들이 서로 완벽히 구분되어 영상으로 나타났으나, 12 × 12 배열부터는 가장자리의 섬광 픽셀에서 서로 잘 구분되지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 연구를 통해 3 mm × 3 mm의 광센서 픽셀을 사용한 광센서에서는 1.05 mm의 섬광 픽셀을 1.15 mm 간격으로 배열할 경우, 영상화할 수 있는 최대의 배열이 되는 것을 확인할 수 있었다.
섬광 픽셀 배열의 크기가 커질수록 섬광 픽셀의 크기는 작아진다. 이는 광센서와 접하는 섬광 픽셀의 면적이 작아지는 것을 의미하며, 섬광 픽셀에서발생된 빛이 광센서로 입사하는 영역이 작아지는 것을 의미한다.
이는 11 × 11 배열로 구성할 경우 서로 겹침이 발생하지 않는 평면 영상을 획득하는 최대의 배열이 되는 것을 의미한다
이는 11 × 11 배열로 구성할 경우 서로 겹침이 발생하지 않는 평면 영상을 획득하는 최대의 배열이 되는 것을 의미한다. 이때 첫 번째 피크와 두 번째 피크 간의 간격은 4.63 픽셀이며, 평균 십치폭은 2.28 픽셀이므로, 피크간의 간격이 십치폭의 두 배 이상이므로 완벽히 분리된 영상을 획득할 수 있다. 본 연구를 통해 3 mm × 3 mm의 광센서 픽셀을 사용한 광센서에서는 1.
배열이 커질수록 외곽 두 지점의 피크 간격은 작아지나 십치폭의 간격은 모두 비슷한 값을 보이므로, 12 × 12 배열에서부터 겹침이 나타난 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 섬광 픽셀 영상과 두 번째 섬광 픽셀 영상의 피크와 피크 간격은 3.61 픽셀이나, 십 치 폭의 값은 2.28 픽셀로 피크 간격에 비해 십치폭의 값이 크므로 서로 겹침이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
획득된 평면 영상을 분석한 결과 12 × 12 배열에서부터 가장자리 섬광 픽셀에서 서로 겹침이 발생한 것을 확인할 수 있었다

참고문헌 (13)

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https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s14160_s14161_series_kapd1064e.pdf

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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