초록 ▼

- 연구개발의 목적 및 필요성
● 방사선 동위원소를 표지한 방사선 의약품을 주사나 흡입으로 체내에 주입한 후 일정 장기나 조직에 분포한 방사선 동위원소의 시간적, 공간적 체내분포를 체외에서 측정하여 영상화하는 핵의학진단장치은 그 특성이 비파괴적이고 비침습적이어서 유방암 및 심장질환 등 의료진단에 광범위하게 사용되어 온 기술집약적, 고부가가치형 장비이며 선진국에서는 오래 전부터 그 성능향상과 제작비용을 낮추기 위해서 집중적으로 연구개발해 오고 있다.
● 핵의학영상장치의 핵심부품인 방사선검출기에 관한 국내기술 및 경험은 매우

- 연구개발의 목적 및 필요성
● 방사선 동위원소를 표지한 방사선 의약품을 주사나 흡입으로 체내에 주입한 후 일정 장기나 조직에 분포한 방사선 동위원소의 시간적, 공간적 체내분포를 체외에서 측정하여 영상화하는 핵의학진단장치은 그 특성이 비파괴적이고 비침습적이어서 유방암 및 심장질환 등 의료진단에 광범위하게 사용되어 온 기술집약적, 고부가가치형 장비이며 선진국에서는 오래 전부터 그 성능향상과 제작비용을 낮추기 위해서 집중적으로 연구개발해 오고 있다.
● 핵의학영상장치의 핵심부품인 방사선검출기에 관한 국내기술 및 경험은 매우 미흡할 뿐만 아니라 그 가공기술은 특히 취약한 실정이다. 현재까지 국내에서 방사선검출기로서 기체전리현상을 이용한 다중선 비례계수기나 반도체의 광전도 현상을 이용한 비정형 실리콘 pixel array 등에 관한 연구가 진행되고 있으나 아직까지 기능면에서 그리고 가격면에서 성공적으로 개발되지 못하고 있는 실정이다.
● 최근에 유럽과 미국을 중심으로 연구개발 중인 전자증폭기는 구조가 매우 간단하여 국내 제작이 용이하고, 제작 공정이 기존의 PCB(printed circuit board)기법을 사용하기 때문에 제작단가는 다른 형태의 방사선검출기에 비하여 무시할 수 있는 수준이다.
● 이러한 특징을 지닌 전자증폭기를 이용하여 핵의학영상장치를 개발한다면 아직까지 고가인 핵의학영상장치의 대중화는 물론, 세계시장에서의 선점을 위한 기반을 다질 수 있을 것으로 사료된다.
● 전자증폭기는 기존의 기체검출기의 표류공간에 위치하여 표류전기장을 매우 짧은 거리에 걸쳐 전자사태가 가능한 세기 이상으로 압축함으로써 신호증폭률을 향상시키는 개념적으로 간단한 기구이다. 이 기구는 양면이 금속(구리)으로 얇게 코팅된 수십 μm 두께의 절연성 foil에 화학적 에칭이나 고출력 레이저빔 천공방법을 이용하여 직경 100 μm 이하의 미소 홀들을 100-200μm 간격으로 균일하게 뚫어 놓은 구조로 되어 있다. 본 연구에서는 다양한 실험조건에서 전자증폭기의 동작특성을 조사하였으며 또한 전자증폭기의 섬광특성을 이용하여 표준 CCD 카메라와 결합하여 영상을 획득함으로써 핵의학 영상장치의 방사선 센서로서의 가능성을 제시하였다.
- 연구개발의 내용
● 전장계산 시뮬레이션 프로그램 개발
● 전자증폭기의 동작특성 분석
● 전자증폭기의 설계 및 제작
● 전자증폭기의 성능실험을 위한 setup
● 전자증폭기의 성능실험
● 영상데이터 획득 시스템 구성
● 엑스선영상획득 및 화질평가
- 연구개발 방법 및 결과
● 동작특성 분석 및 제작 : 상업용 전장 S/W인 MAXWELL과 $C^{+ +}$프로그래밍 언어 및 MathCAD을 이용하여 전장가시화 코드를 작성하였으며 이를 이용하여 전자증폭기의 동작특성(인가전압, 홀의 기하학적 구조, 표류 및 수집전극의 전위차에 따른 전기장 분포 및 검출효율 등)을 분석하고 이를 기반으로 전자증폭기를 설계 및 제작하였다:
-마이크로 홀 간격 : 100 μm
-마이크로 홀 직경 : 60 μm
-절연체(kapton) 두께 : 50 μm
-금속(구리) 전극두께 : 1 μm
●성능실험 수행 : 실제 전자증폭기의 성능을 실험하기 위해서 테스트 챔버, 가스조절 라인, 엑스선 발생장치 및 신호처리 모듈을 설치하였으며 다양한 실험조건에서 그 동작특성을 측정하였다. 일차 전자 한 개당 전자사태에 의해 증폭되어 최종적으로 수집전극에 도달하는 전자수로 정의되는 유효기체이득은 인가전압을 증가하거나 또는 다수의 전자증폭기를 적층하여 사용함으로써 효율적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
●영상시스템 구성 및 영상획득실험 수행 : 전자증폭기의 섬광특성을 이용하여 전자증폭기의 입사창을 통과한 방사선의 위치를 검출하고 그 강도에 따른 방사선영상을 획득하기 위한 영상 획득 시스템을 구성하였다. 가시 및 적외선 영역의 광을 효율적으로 검출하기 위한 수광장치로 고분해능의 KAF 1400 CCD가 내장된 MegaPlus 1.4i 카메라를 사용하였다. 사용된 표준 CCD 카메라의 스펙트럼 응답이 400~800 ㎚에서 고감도 특성을 나타내기 때문에 전자증폭기 홀에서 방출되는 가시광 및 적외선광의 검출에 효과적임을 알 수 있다. 표준 CCD 카메라에 기록된 디지탈 방사선 영상정보는 PIXCI 이미지보드를 통해 PC로 입력되었으며 이미지 분석 소프트웨어인 XCAPTM(EPIX Inc.)을 사용하여 구현된 방사선영상의 특성을 조사하였다. 제작된 전자증폭기의 영상특성을 조사하기 위해서 테스터 챔버의 입사창에 Π-형상의 플라스틱 피사체를 두고 방사선을 조사하여 표준 CCD 카메라로 방사선 영상을 획득함으로써 피사체영상의 위치에 따른 명확한 대조도를 얻었다.
- 향후 연구 : 보다 선명한 X-선 영상을 획득하기 위해서는 전자증폭기의 섬광특성을 이용하는 대신에 전자사태에서 증폭된 전자를 직접 검출하여 영상처리하는 고속 다채널 readout회로 설계와 획득 데이터 2차원 addressing 기술을 개발할 필요가 있다.

Abstract ▼

- Objective and Necessity of the Study
● Nuclear medicine imaging system which measures the temporal and spatial distribution of a certain radioisotope distributed at an interesting organ of the human body by injection or inhalation of a radiopharmaceutical has a nondestructive and noninvasive ch

- Objective and Necessity of the Study
● Nuclear medicine imaging system which measures the temporal and spatial distribution of a certain radioisotope distributed at an interesting organ of the human body by injection or inhalation of a radiopharmaceutical has a nondestructive and noninvasive characteristic, and is a technique-intensive and high-value added device, which has widely used in the field of medical diagnostics of especially breast and heart diseases. So many efforts has been made by the advanced countries to improve its operating characteristics and to reduce its production cost.
● The technique and experience especially in the radiation detector in the country which is the core part of the nuclear medicine imaging is at a premature stage yet, and its fabrication technique is on a very low stage. So far domestic researches on the development of radiation detectors have been made with multiwire proportional counter of gas avalanche process and amorphous silicon pixel array of photo-conductivity, but not yet successfully developed from both cost and technical points of view.
● Electron multipliers, a new version of position-sensitive radiation detectors recently studied in Europe and the United States, have a simple geometric structure and thus are easy to be fabricated. Since their fabrication process uses the PCB(printed circuit board) technique, their production cost is much lower, compared with those of other types of radiation detectors. Thus, if we develop a commercial nuclear medicine imaging system based upon the low-cost electron multipliers early than abroad, it is easily possible to develop this item as an export-leading industry.
● The electron multiplier, placed in the drift volume of conventional gas detectors, is a conceptually simple device for producing a large gas gain by concentrating the drift electric field over a very short distance to the point that electron avalanching occurs, greatly increasing the number of drifting electrons. This device consists of a thin insulating foil of several tens of μm in thickness, covered on each side with a thin metal layer(Cu), with tiny holes, usually 100 μm or less in diameter, and with a spacing of 100-200 μm through the entire foil, perforated by using chemical etching or high-powered laser beam technique. In this study, we have investigated its operating properties with various experimental conditions, and demonstrated the possibility of using this device as a digital X-ray imaging sensor, by acquiring X-ray images based on the scintillation properties of the electron multiplier with a standard CCD camera.
- Contents of the Study
● Development of a simulation code calculating electric field
● Analysis of the operating characteristics of the electron multiplier
● Optimal design and fabrication of the electron multiplier
● Experimental setup for testing the electron multiplier
● Tests of electron multiplier properties
● Construction of an imaging acquisition system
● X-ray image acquisition and image quality evaluation
- Methods and Results of the Study
● Analysis of the electron multiplier and its fabrication : in order to study electrostatic characteristics of the electron multiplier we installed the MAXWELL code which is commercially available has been installed, and developed a program SHOWFIELD using the C++ programming language which draws electric field lines from the computed output of MAXWELL. We designed and fabricated electron multipliers based upon the simulation results :
- Micro hole pitch : 100 μm
- Micro hole diameter : 60 μm
- Insulator (kapton) thickness : 50 μm
- Metal (capper) electrode thickness : 1 μm
● Testing the Operating Characteristics : we installed a testing chamber, a gas-controlled line, an X-ray generator and signal process modules to test the operating characteristics of the electron multipliers fabricated with various operating conditions. The effective gas gain which is defined as the total electron number collected to the collection electrode per primary electron-ion pair produced by the incident radiation increased effectively with applied high voltages to the electron multiplier or with the number of electron multipliers used.
● Construction of an Imaging System and Image Acquisition : we developed an imaging system based upon the scintillation property of the electron multiplier using visible light optics and a standard CCD camera for the readout to acquire radiation images by measuring the incident position and intensity of the incident radiation. We used MegaPlus 1.4i camera of KAF 1400 CCD to detect effectively the visible and infrared lights generated from the electron multiplier. The digital image data acquired by the CCD camera were fed into a PC through the PIXCI image board, and processed by an image process S/W XCAPTM (EPIX Inc.) to evaluate the image quality. We acquired good X-ray images using an II-shaped plastic phantom which showed clear spatial contrast
● Future Study : in the future we need to develop fast multichannel readout circuit and two dimensional addressing technique for image process to improve the image quality further, instead of using the scintillation properties of the electron multiplier.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 목 차 ... 4
• 연구개발사업 최종보고서 요약문 ... 5
• Project Summery ... 7
• 총괄연구개발과제 연구결과 ... 9
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 9
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과 ... 10
• 3. 총괄연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 24
• 4. 총괄연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도 ... 25
• 5. 총괄연구개발과제의 활용계획 ... 27
• 6. 첨부서류 ... 28