초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 sub-ns 단위의 TOF 정보를 검출하기 위한 고성능 검출기 연구 및 검출기 블록 개발을 진행하였다. Geant4/GATE를 이용해 PMT와 SiPM 기반 검출기의 시뮬레이션을 진행하였고, PSpice 프로그램을 이용해 판별기의 종류에 따른 시간분해능의 변화를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과를 기반으로 실제 SiPM과 PMT를 이용하여 sub-ns급 검출기 개발을 진행하였다. SiPM과 High QE PMT가 이루는 쌍에 대해 LYSO 섬광결정을 결합하고 일정비판별기와 준위

III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 sub-ns 단위의 TOF 정보를 검출하기 위한 고성능 검출기 연구 및 검출기 블록 개발을 진행하였다. Geant4/GATE를 이용해 PMT와 SiPM 기반 검출기의 시뮬레이션을 진행하였고, PSpice 프로그램을 이용해 판별기의 종류에 따른 시간분해능의 변화를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과를 기반으로 실제 SiPM과 PMT를 이용하여 sub-ns급 검출기 개발을 진행하였다. SiPM과 High QE PMT가 이루는 쌍에 대해 LYSO 섬광결정을 결합하고 일정비판별기와 준위 판별기를 각각 사용한 것에 대한 sub-ns급의 동시계수 시간분 해능을 측정하여 최적화된 경우를 찾아내었다. 추가로 SiPM을 섬광결정 한 단, 혹은 양단에 설치하여 시간분해능과 반응깊이 분해능을 측정하였다. 이 과정에서 섬광결정의 표면 처리 및 반사체 종류에 따른 영향까지 실험을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 또한 SiPM 이외의 고속 PMT와 멀티채널 PMT를 이용하여 검출기 성능 확인과 블록 검출기 개발을 진행하였다. PMT 기반 검출기의 에너지 분해능 및 시간 분해능 성능을 개선하기 위하여 시간분해능 측정 기술을 확립하고, light guide의 두께 변화, 전단부 회로 개발 등을 통해 최적화를 하였다. 이러한 블록 검출기에 대한 연구와 병행하여 정밀 시간 측정에 필요한 아날로그 및 디지털 시간 계측 시스템 개발도 진행하였다. 능동 일정비판별기 설계 및 FPGA기반 시간 차이 판별기를 직접 설계하고, 상용 소자들과의 성능 비교 결과 우수한 결과를 얻었다. 추가적으로 TOF 정보를 포함하는 대용량 정보의 원활한 처리 및 전달을 위한 고속신호처리 회로 설계 및 개발과 함께 성능 평가도 진행하였다. 시스템에서 얻는 TOF 정보가 포함된 데이터를 이용하여 영상 재구성하기 위하여 시간차이 정보를 반영할 수 있는 시스템함수를 설계하였고, 이를 3차원 list-mode 데이터 기반 ML-EM 알고리즘 개발로 확장하였다. 개발된 영상 재구성 알고리즘에 대해 난수 발생기를 이용한 list-mode 데이터를 통하여 검증하였다. 최종적으로 앞서 언급한 검출기와 시간 계측 시스템, 고속 전자처리 회로및 데이터 전송 시스템을 모두 종합하여 블록링 시스템을 구축하고 영상 재구성을 진행하였다.

Abstract ▼

III. Contents and scope of the project
In this study, our group have developed high quality block detector in order to measure sub-ns TOF information. We did the simulation study for simulatingn performance of PMT and SiPM based detector by using Geant4/GATE, and also did simulation study to obse

III. Contents and scope of the project
In this study, our group have developed high quality block detector in order to measure sub-ns TOF information. We did the simulation study for simulatingn performance of PMT and SiPM based detector by using Geant4/GATE, and also did simulation study to observe the change in time resolution with different discriminator types by using PSpice program. Based on the simulation study, we proceeded on development of sub-ns detector using PMT and SiPM. For detector block, we coupled LYSO scintillation crystal with SiPM and High QE PMT. We searched for the optimized condition which has the best sub-ns coincidence time resolution by using LED and CFD module. Moreover, we placed SiPM sensors at single-end or double-end of scintillation crystal in order to measure depth-of-interaction resolution. Additionally, we have changed crystal surface condition and types of reflector to check their
influences on the detector performance. We also tried to use fast PMT and multi-channel PMT to verify detector performance. In purpose of improving energy and time resolution of PMT-based detector, we optimized conditions by establishing time resolution measurement technique, changing light guide thickness, and developing front-end electronics. We also developed analog and digital time detection system utilized for fine time measurement. Active CFD and FPGA-based time difference discriminator that we designed showed great results compared to commercially used devices. Furthermore, due to bulky data of TOF information we proceeded on development and evaluation of fast signal processing unit. For image reconstruction by using data enclosing TOF information, we designed system function which employs time difference information. Based on the previous system function, we extended it to 3-D list-mode data based ML-EM algorithm. Evaluation of our developed algorithm was held by using random number generated list-mode data. Finally, our developed detector module, time detection system, fast electronics for signal processing, and data acquisition and transfer system are emerged into one-block ring PET system.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 보고서 요약서 ... 2
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• 목차 ... 15
• CONTENTS ... 17
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 1. 연구개발의 목표 및 내용 ... 19
• 가. 최종목표 ... 19
• 나. 연구개발의 성격 ... 19
• 다. 연차별 연구개발의 목표 및 내용 ... 19
• 라. 연구 성과 계획 ... 20
• 2. 연구개발의 필요성 ... 21
• 가. 연구개발대상 기술의 경제적․산업적 중요성 및 연구개발의 필요성 ... 21
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 1. 국내 수준 ... 29
• 2. 국내외 연구 현황 ... 29
• 가. 특허 동향 분석 ... 29
• 나. 주요 핵심 특허 권리 분석 ... 30
• 다. 국내 타 연구기관의 관련 연구 실적 ... 30
• 라. 당해 연구기관의 직접 관련 연구 실적 ... 31
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 35
• 1. 시뮬레이션을 통한 SiPM 기반의 PET 검출기 설계 및 TOF 검출기 특성연구 ... 35
• 가. SiPM PET 모듈 시뮬레이션 ... 35
• 나. SiPM 불감시간 시뮬레이션 ... 38
• 다. SiPM 전기적 모형과 회로 시뮬레이션 ... 38
• 라. CFD와 LED 방법을 이용한 시간분해능 시뮬레이션 ... 39
• 2. TOF 검출기용 고속 전자회로 기술 개발 ... 46
• 가. 저잡음 고속 전치증폭회로 설계 ... 46
• 나. 고속 신호처리 회로 설계 ... 48
• 다. 한 쌍 TOF 측정용 검출기 모듈 및 신호처리회로 제작 ... 51
• 라. TOF 검출기용 동시계수회로 설계 및 개발 ... 52
• 마. 고속 전치증폭기와 ADC를 확장 설계를 통한 다채널 TOF 검출기용 고속 전자회로 제작 및 성능평가 ... 57
• 3. SiPM 기반 sub-ns급 TOF 검출기 개발 ... 65
• 가. High QE PMT와 SiPM 동시계수 시간분해능 측정: CFD ... 65
• 나. SiPM과 SiPM 동시계수 시간분해능 측정: CFD ... 68
• 다. High QE PMT와 SiPM 동시계수 시간분해능 측정: LED ... 71
• 라. DOI 정보를 이용한 시간분해능 향상 기술 개발 ... 74
• 4. PMT 기반 sub-ns급 TOF 검출기 개발 ... 95
• 가. 고속 PMT에 대한 시간분해능 측정기술 확립 (CFD와 LED 비교) ... 97
• 나. TOF 검출기를 위한 최적화된 섬광결정 ... 99
• 다. 고속 PMT의 특성 조사 ... 101
• 라. 고속 PMT 기반 PET 검출기 블록의 특성 조사 ... 105
• 마. 멀티채널 PMT의 특성 조사 ... 109
• 바. High QE 멀티채널 PMT 기반 PET 검출기 블록의 특성 조사 ... 113
• 사. TOF 블록 검출기 성능 비교 ... 121
• 5. 정밀 시간 측정을 위한 아날로그/디지털 시간 계측 시스템 개발 ... 121
• 가. 정밀 시간 측정을 위한 아날로그 시간 계측 시스템 개발 ... 122
• 나. 정밀 시간 측정을 위한 디지털 시간 계측 시스템 개발 ... 126
• 6. 다중 채널 데이터 처리 및 전송 시스템 개발 ... 139
• 가. FPGA를 이용한 데이터처리 ... 139
• 나. 확장 가능한 모듈형태 디자인 ... 141
• 다. Digital 신호 전송 기법 ... 142
• 라. 다중 채널 고속 데이터 처리 확장 및 전송 시스템 개발 ... 145
• 7. TOF PET 재구성을 위한 시스템함수 구현연구 ... 147
• 가. 난수 발생기를 이용한 List-mode 이벤트 발생기 개발 ... 147
• 나. 난수 발생기를 이용한 리스트모드 이벤트 발생기에 대한 최적화 연구 ... 149
• 다. TOF 리스트모드 데이터의 재구성 알고리즘을 위한 시스템 모델링 기법 개발 ... 151
• 라. TOF 리스트모드 이벤트 발생기와 개발된 시스템 모델링 기법을 적용한 역투사 연산 ... 153
• 마. TOF-PET 데이터의 재구성을 위한 ML-EM 알고리즘 개발 ... 155
• 8. PMT 기반 TOF 검출기를 이용한 PET 블록링 시스템 구축 ... 156
• 가. 시뮬레이션을 통한 TOF PET 블록링 시스템 연구 ... 156
• 나. TOF PET 블록링 시스템 시작품 제작 ... 158
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 162
• 1. 연구개발목표의 달성도 ... 162
• 2. 평가 착안점 ... 163
• 3. 관련분야의 기여도 ... 166
• 가. 연구논문 발표 ... 166
• 나. 특허 출원․등록실적 ... 175
• 제5장 연구개발결과의 활용 계획 ... 177
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 177
• 1. 일본 방사선총합연구소와 학술교류 ... 177
• 2. 서울대학교-일본 방사선총합연구소 워크샵 개최 ... 178
• 3. Philips Digital Photon Counting (PDPC) 방문 ... 179
• 제7장 참고문헌 ... 179