[논문 리뷰] Novel detector systems for the Positron Emission Tomography

P. Moskal, P. Salabura외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 22.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 유기闪烁체를 스트립 또는 플레이트 형태로 배열하여 감마선 상호작용 위치, 시간 도래(TOF), 상호작용 깊이(DOI)를 동시에 측정할 수 있는 새로운 양전자 분광 단층촬영(PET) 검출기 시스템을 제안한다. 빠른闪烁체와 붕괴 광자 간 시간 차이를 활용함으로써, 비용을 크게 증가시키지 않고도 이미지 품질과 스캐너 크기를 향상시키며, 입자물리학 검출 기법을 바탕으로 두 가지 특허 출원을 진행하였다.

ABSTRACT

In this contribution we describe a novel solution for the construction of Positron Emission Tomograph. We present the device allowing for determination of the impact position as well as time and deph of interaction of the annihilation gamma quanta. The device is comprised of scintillation chamber consisting of organic scintillators surrounding the body of the patient. We discuss two possible solutions: (i) the tomograph built out of scintillator strips, and (ii) the tomograph built out of the scintillator plates. The application of the fast scintillators will enable to take advantage of the difference between time of the registration of the annihilation quanta. The invented method will permit to use a thick layers of detector material with the possibility of measuring the depth of the gamma quantum interaction (DOI) and the determination of their time of flight (TOF), and will allow for increasing the size of the diagnostic chamber without a significant increase of costs. The method is a subject of two patent applications which are based on the techniques used in the particle physics experiments.

연구 동기 및 목표

• 공정한 비용으로 확장 가능한 PET 스캐너를 개발하여 공간 해상도와 시간 해상도를 향상시키는 것.
• 두꺼운 스크린티레이터 층을 사용하여 붕괴 광자의 깊이 상호작용(DOI) 측정을 정밀하게 수행하는 것.
• 빠른 스크린티레이터에서 유도된 시간 도래(TOF) 정보를 활용하여 이미지 재구성 정확도를 향상시키는 것.
• 기존 PET 영상 촬영 프로토콜과 호환되며 진단 침대 크기를 증대시킬 수 있는 검출기 시스템을 설계하는 것.

제안 방법

• 환자의 몸체를 둘러싸는 실린더 형태의 유기 스크린티레이터 스트립 또는 플레이트를 사용하여 붕괴 광자를 캡처한다.
• 빠른 스크린티레이터를 사용하여 감마 양자 도착 시간을 고정밀도로 측정함으로써 시간 도래(TOF) 검출을 가능하게 한다.
• 다양한 광검출기에서 신호 도착 시간의 차이를 이용하여 위치 및 상호작용 깊이(DOI)를 결정한다.
• 양성자 붕괴에서 발생하는 두 개의 511 keV 광자 간 시간 차이를 활용하여 이벤트의 국소화 정확도를 향상시킨다.
• 두꺼운 검출기 층을 지원함으로써, 시간 해상도를 저하시키지 않고도 DOI 측정이 가능하도록 한다.
• 고에너지 입자물리 실험에서 유래한 기법을 의료 영상에 적응시킨 방법이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두꺼운 유기 스크린티레이터 층을 사용함으로써 시간 해상도를 저하시키지 않고도 정확한 상호작용 깊이(DOI) 측정이 가능한가?
• RQ2 비용 효율적인 PET 검출기 구성에서 빠른 스크린티레이터로부터 시간 도래(TOF) 정보를 효과적으로 추출할 수 있는가?
• RQ3 고공간 해상도와 고시간 해상도를 유지하면서 PET 진단 침대 크기를 얼마나 크게 확장할 수 있는가?
• RQ4 DOI 및 TOF 측정의 조합이 PET 촬영의 이미지 품질 향상과 노이즈 감소에 기여하는가?
• RQ5 입자물리학 기반 검출 기법을 임상적 PET 영상 촬영에 어떻게 적응시켜 성능을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 검출기 시스템은 감마선 상호작용 위치, 시간 도래(TOF), 상호작용 깊이(DOI)를 동시에 측정할 수 있다.
• 빠른 스크린티레이터의 사용으로 TOF-PET 응용에 필수적인 정밀한 시간 해상도를 확보할 수 있다.
• 두꺼운 스크린티레이터 층을 지원함으로써 DOI 측정이 가능해지고 감지 효율이 향상된다.
• 비용 증가 없이도 더 큰 진단 침대를 구현할 수 있어 환자 편안함과 촬영 커버리지가 향상된다.
• 이 방법은 두 가지 특허 출원으로 보호되어 있어 신규성과 산업적 구현 가능성의 잠재력을 보여준다.
• 입자물리 실험에서 검증된 기법을 기반으로 하여 신뢰성과 확장성이 높다는 점이 확인된다.