초록 ▼

1. PMT를 기반 PEM 시작품 개발, 개선 및 성능 평가
• 위치민감형 다중양극 PMT의 PMT의 이득 불균일 보정 기법, 쌍극 멀티플렉서 기법을 적용한 종축시야 10 cm 급 PEM 시작품 개발
• 대용량의 데이터를 고속으로 처리하여 전송하는 고속 데이터 획득 시스템 개발
• 유방 모델 팬텀, Derenzo 팬텀 등 다양한 팬텀들에 대한 영상 평가
2. 반도체 기반 PEM 시작품 개발, 개선 및 성능평가
• SiPM에 온도에 따른 이득 변화를 실시간으로 보정하는 기술 등을 적용한 최대 민감도 3.4%

1. PMT를 기반 PEM 시작품 개발, 개선 및 성능 평가
• 위치민감형 다중양극 PMT의 PMT의 이득 불균일 보정 기법, 쌍극 멀티플렉서 기법을 적용한 종축시야 10 cm 급 PEM 시작품 개발
• 대용량의 데이터를 고속으로 처리하여 전송하는 고속 데이터 획득 시스템 개발
• 유방 모델 팬텀, Derenzo 팬텀 등 다양한 팬텀들에 대한 영상 평가
2. 반도체 기반 PEM 시작품 개발, 개선 및 성능평가
• SiPM에 온도에 따른 이득 변화를 실시간으로 보정하는 기술 등을 적용한 최대 민감도 3.4%, 공간분해능 1 mm 이하의 성능의 PEM 시작품 개발
• 3-T 및 9.4-T MRI와 결합하여 성공적인 PET/MR 동시영상 획득
3. 유방전용 PET을 위한 고속 영상재구성 기법 개발
• OS-SPS, BSREM, TV를 이용하여 PET 시스템의 사공간으로 인한 데이터 손실이 재구성 영상에 미치는 영향 보정 기법 개발
• DDM, SFM을 이용한 반복적 영상 재구성 성능 향상 기법
• 3차원 영상 재구성을 위한 데이터 압축 방법
4. 유방전용 PET용 DOI 검출기법을 개발
• 새로운 DOI 측정법을 검증을 위한 검출기를 제작하고 실험을 통하여 DOI 위치 정보 측정(4 mm DOI 분해능)
• ML estimation을 이용하여 DOI 검출 기능 향상

Abstract ▼

Ⅳ. Project results
1. PMT based PET detector and core technologies
To reduce the large number of signal line from position sensitive multi-anode PMT, position encoding circuits based on charge-division principle and high speed amplifier were developed. This position encoding circuits reduced t

Ⅳ. Project results
1. PMT based PET detector and core technologies
To reduce the large number of signal line from position sensitive multi-anode PMT, position encoding circuits based on charge-division principle and high speed amplifier were developed. This position encoding circuits reduced the 64 anode signals of H8500 to only 4 position signals. Moreover, gain compensation circuit was developed to compensate the gain variation between anodes of multi-anode PMT. Based on these techniques, the block detector which consists of LGSO crystals (1.5 × 1.5 × 7 mm³) and H8500 multi-anode PMT were developed.
2. SiPM based PET detector and core technologies
Silicon photomultiplier (SiPM) has a suitable photosensor for high resolution PET detector due to magnetic-field insensitivity, fast time response, and compact size.
However, SiPM has bias voltage and temperature dependancy on gain and dark current.
To overcome these drawbacks of SiPM, accurate breakdown voltage measurement techniques by measuring bias current and temperature-dependant realtime bias voltage calibration techniques are needed. We developed block detectors consisting of lutetium based scintillation crystal and multi-channel SiPM. Several physical performances such as energy resolution, intrinsic spatial resolution, and MR compatibility were evaluated.
Double layer DOI measurement techniques in these SiPM PET detectors were also evaluated.
3. DOI detector for breast imaging
PET detectors with depth-of-interaction (DOI) encoding capability allow both high spatial resolution and high sensitivity, so DOI technique is necessary for the PEM development. To obtain DOI information from a mono-layer array of scintillation crystals using a single-ended readout, we developed a method based on light spreading within a crystal array and performed Monte Carlo simulations for principle verification and optimization. Based on Monte Carlo simulations, we developed DOI detector with the triangularly shaped teeth reflector design. The measured DOI resolution was 4 mm.
In addition, we applied ML estimation method to improve the DOI resolution and the results were promising.
4. Development of Data Acquisition System
Since the primary objective of this research is to develop PEM system, the development of digital data acquisition system which can readout and process the signals from each detector blocks is essential. Therefore we have developed the data acquisition system with high throughput data processing capability using FPGA. The acquired data was sent to the computer with TCP/IP or UDP/IP protocol over Ethernet and the data transfer speed and efficiency were improved with continuous studies. The data processing bandwidth was maximized with pipe-lined data processing structure of
data acquisition system and it was possible to acquire coincident events with internal time coincidence detector. The mono-polar and bipolar multiplexing methods were developed for efficient extension of the PEM system and verified its functionality by applying to the actual PEM system.
5. Accelerated reconstruction methods for the Breast PET
In this research, we developed the system matrix models, which are needed to run the statistical iterative reconstruction methods. We combined the ray-tracing method (RTM) and pixel-driven method (PDM) for the projection and backprojection respectively. Additionally, we adopted the latest system matrix modeling methods, distance-driven method (DDM) and separable footprint method (SFM), to get improved quality of the reconstructed image.
With these accurate system matrix models, we developed the relaxed ordered-subset separable paraboloidal surrogates (rOS-SPS) method to solve the maximum a posteriori (MAP) problem. The rOS-SPS showed faster convergence speed than ordinary methods. Also, we realized the following three methods to reduce artifacts of projection gap, and the non-uniformity was reduced to below 10%.
(1) Gap correction with re-projection method
(2) Gap correction by using MAP algorithm
(3) Gap correction by using total variation (TV) method
Furthermore, we applied the axial compression methods to the 3-dimension reconstruction algorithm to reduce the amount of projection data and calculations.
6. PMT based prototype scanner and performance evaluation
The prototype PEM system with 5cm axial field-of-view was developed using the 8 LGSO-H8500 PET detectors. Adding 8 more PET detectors by appying the bipolar multiplexing technique, the axial field-of-view of the system was increased to 10 cm.
Then, we developed the final system using a total of 20 PET detectors to increase the ring diameter. To evaluate the performance of the system, breast-modeled phantom, cold insert phantom, and Derenzo phantom were scanned.
7. SiPM based prototype scanner and performance evaluation
The prototype PET insert consisting of 12 SiPM PET detectors was developed and the MR compatibility of the system was evaluated. The PET/MR images of phantoms and animals were successfully acquired using this PET insert. The next version of PET insert was developed in order to enable simultaneous PET/MR imaging using breast dedicated RF coil or some other RF coils. By using compact electronics, it was possible to make the inner diameter and outer diameter of the system to 60 mm and 99 mm, respectively. For the new system, the maximum sensitivity measured with 250-750 keV energy window was 3.4% and the intrinsic spatial resolution was 1.07mm. The results of simultaneous PET/MR imaging were promising.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 보고서 요약서 ... 2
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 14
• 목차 ... 19
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 24
• 1. 연구 개발의 목표 및 내용 ... 24
• 가. 연구개발의 최종 목표 및 내용 ... 24
• 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 24
• 다. 연구 성과 계획 ... 26
• 2. 연구개발의 필요성 ... 27
• 가. 연구의 필요성 ... 27
• 나. 경제 산업적 중요성 ... 32
• 다. 사회 문화적 중요성 ... 34
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 35
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 36
• 1. 유방전용 PMT PET 설계 ... 36
• 가. 시뮬레이션을 통한 PMT PET 성능 예측 ... 36
• 나. 섬광결정 크기 및 PMT 비교 ... 36
• (1) 다중양극 광전자증배관 (H8500 , H9500) ... 36
• (2) 시뮬레이션의 검출기 모델링 ... 37
• (3) 측정 실험 방법 ... 38
• (4) 시뮬레이션과 측정실험 결과 비교 ... 38
• (5) H8500과 H9500 광전자증배관 비교 ... 40
• 2. PMT 기반 PEM 요소 기술 및 검출 블록 개발 ... 42
• 가. 위치민감형 다중양극 광전자증배관의 이득 불균일 보정법 및 보정회로개발 ... 42
• (1) 디자인 및 시뮬레이션 결과 ... 42
• (2) H8500에 적용한 실험 결과 ... 44
• 나. 위치결정 회로 및 증폭회로 ... 45
• 3. 반도체 기반 PEM 요소기술 및 검출기 개발 ... 46
• 가. 반도체 소자 선정 ... 46
• 나. SiPM의 항복전압(breakdown voltage) 측정 기술 개발 ... 47
• 다. 온도 종속 SiPM 바이어스 전압 보정 기술 개발 ... 48
• 라. MRI의 RF pulse filtering을 위한 필터 회로 개발 ... 50
• 마. MRI 호환용 반도체 PEM 검출기 개발 ... 52
• (1) 블록 검출기 개발 ... 52
• (2) 블록 검출기 성능 평가 ... 53
• (3) 블록 검출기 차폐체 개발 및 MRI에서의 성능 변화 ... 55
• (4) 2층 상호 작용 깊이 측정 기술 적용 ... 57
• 4. 유방전용 PET용 DOI 검출 블럭 개발 ... 59
• 가. 섬광의 2차원적 확산을 이용한 DOI 측정 ... 60
• 나. 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 ... 61
• (1) 검출기 디자인 ... 61
• (2) 원리 검증 및 DOI 측정 방법 개발 ... 61
• (3) 섬광결정체 크기에 따른 DOI 분해능 ... 65
• (4) 섬광결정체 위치 추정 방법 ... 66
• 다. 새로운 DOI 측정방법의 실험적 검증 ... 67
• (1) 섬광결정 배열 제작 ... 68
• (2) 실험방법 및 분석방법 ... 68
• (3) 실험결과 ... 70
• 라. 신호 축약을 위한 아날로그 회로 개발 ... 72
• (1) 섬광확산 분산값 측정 기능을 구비한 1차원 전하분배 회로 ... 73
• (2) 섬광확산 분산값 측정 기능을 구비한 2차원 전하분배 회로 ... 74
• 마. DOI 측정 성능 개선 ... 78
• (1) DOI에 따른 에너지와 시간특성의 균일성 개선 ... 78
• (2) 다중양극 PMT의 이득 불균일 보정을 통한 성능 균일성 개선 ... 83
• (가) Simulation을 통한 이득 불균일에 의한 성능 예측 ... 83
• (나) 이득 분균일 보정 방법 적용 ... 83
• (3) 개선된 상호작용깊이 측정 결과 ... 86
• (4) DOI 검출기의 반사체 구조 최적화 ... 87
• (5) DOI 정보 도출 기술 최적화 ... 92
• (가) 상호작용깊이 측정 검출기의 확률적 모델링 ... 93
• (나) 상호작용깊이 측정 검출기의 DOI 정보 도출 ... 94
• 바. SiPM 소자를 이용한 DOI 검출기 개발 ... 96
• (1) 검출기 구조 디자인 ... 96
• (2) 반도체 검출소자용 연속 상호작용 깊이 측정 회로 개발 ... 97
• 5. 데이터 획득 시스템 설계 및 요소기술 개발 ... 98
• 가. 대용량 데이터 처리를 위한 multiplexing 기법 개발 ... 98
• (1) 수동형 및 능동형 단극 멀티플렉서 ... 99
• (2) 쌍극 멀티플렉서 (Bipolar multiplexor) 개발 ... 100
• (3) 확장 쌍극 멀티플렉서 (Extended Bipolar Multiplexor) 개발 ... 101
• (4) 쌍극 멀티플렉서 및 확장 쌍극 멀티플렉서를 이용한 종축 확장 실험 ... 102
• 나. FPGA 기반 데이터 획득 장치 ... 104
• (1) 신호차단 기능을 갖춘 FPGA 동시계수 회로 개발 ... 104
• (가) 동시 계수 검출 원리 ... 104
• (나) 사각파 발생기(pulse window) ... 105
• (다) 신호차단 기능을 포함한 전체 회로 구성 ... 105
• (2) 디지털 데이터 획득 장치 개발 ... 106
• (가) 디지털 데이터 획득 장치 개발 ... 106
• (나) 데이터 획득 장치 고속화 ... 109
• (다) 디지털 트리거 개발 ... 110
• (3) 데이터 획득 장치 성능 향상 및 채널 확장 ... 110
• (가) 40 채널 데이터 획득 장치 구성 ... 110
• (나) 데이터 획득 장치의 모듈화 ... 112
• (다) 데이터 획득 장치 고속화 ... 113
• 6. 유방전용 PET을 위한 고속 영상재구성 기법 개발 ... 115
• 가. 기댓값 최대화 재구성 알고리즘을 위한 상이한 투사기-역투사기 개발 ... 115
• 나. Relaxed OS-SPS 알고리즘을 이용한 고속화 연구 ... 120
• (1) 알고리즘 ... 121
• (2) 매개변수 영향 분석 ... 122
• 다. 블록 검출기 간 틈새 보정 방법에 관한 연구 ... 127
• (1) 재투사에 의한 틈새보정 연구 ... 127
• (2) OS-SPS, BSREM 이용한 틈새보정 연구 ... 129
• (3) aART-TV 이용 틈새보정 연구 ... 135
• (4) Total Variation (TV)을 이용한 틈새보정 연구 – 실제 데이터 재구성 ... 139
• (5) 다양한 틈새 보정 방법들에 대한 비교 연구 ... 143
• 라. PEM 전용 기댓값 최대화 (EM) 영상 재구성 알고리즘 개발 ... 149
• 마. 향상된 재구성 영상의 질을 얻기 위한 정밀화된 투사-역투사 기법의 개발 ... 152
• 마. 3차원 영상 재구성을 위한 종방향 압축 방법 적용 ... 156
• 7. PMT 기반 PEM 시스템 시작품 개발 및 성능평가 ... 159
• 가. 시작품 개발 및 평가 ... 159
• (1) 시작품 개발 ... 159
• (2) 성능 평가 ... 162
• 나. 종축 시야 확장 ... 163
• 다. 최종 단계 시스템 개발 ... 164
• (1) 시작품 개발 ... 164
• (2) 평면 영상 (Flood image) 평가 ... 166
• (3) 팬텀 영상 ... 167
• 8. 반도체 기반 PEM 시스템 시작품 개발 및 성능평가 ... 169
• 가. 시작품 개발 및 평가 ... 169
• (1) 반도체 기반 PEM 시작품의 MR 호환성 실험 ... 169
• (2) PET/MR 동시영상 획득 실험 ... 171
• 나. SiPM PET 소형화 연구 ... 172
• (1) 블록 검출기 소형화 ... 172
• (2) MRI 삽입형 PET 시스템 시작품 개발 ... 173
• (가) 바이어스 전압 컨트롤 보드 및 증폭기 보드 개발 ... 173
• (나) MRI 삽입형 PET 시작품 개발 ... 173
• (3) 성능 평가 ... 174
• (가) 물리적 성능 평가 ... 174
• (나) 팬텀 이미지 ... 176
• 9. 전임상적 성능 평가 ... 177
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 179
• 1. 연구개발목표의 달성도 ... 179
• 2. 평가 착안점 ... 180
• 3. 관련분야의 기여도 ... 181
• 가. 연구논문 발표 ... 181
• (1) 국내 전문 학술지 ... 181
• (2) 국외 전문 학술지 ... 181
• (3) 국제 학술회의 초청강연 ... 184
• (4) 국내 학회 발표 ... 185
• (5) 국외 학회 발표 ... 191
• 나. 특허 출원.등록실적 ... 196
• 다. 저서 ... 197
• 제5장 연구개발결과의 활용 계획 ... 198
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 199
• 1. 외국 유사 연구사례에 대한 조사 현황 ... 199
• 가. 외국의 유사 연구사례 ... 199
• 나. 조사한 연구개발사례에 대한 자체분석 및 평가 결과 ... 199
• 다. 기존 공정방법.기술에 대한 현황 조사.분석 ... 199
• (1) 기술적인 평가 : 적용의 난이성, 기술수준 등 ... 199
• (2) 경제적인 평가 : 제조원가, 투자규모 등 ... 199
• (3) 산업기술에 미치는 파급효과 분석 ... 200
• 2. Naviscan사의 PEM 스캐너에 대한 정보수집 ... 200
• 3. 일본 연구진의 PEM 및 PET/MRI 개발 시설 방문 ... 201
• 4. 유럽 PET 솔루션 업체 방문 ... 202
• 5. 일본 방사선총합연구소와 학술교류 ... 203
• 제7장 참고문헌 ... 204
• 끝페이지 ... 212