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A Pulse Restoration Circuit Minimizing Performance Degradation of PET Detector Caused by Using Long Cable

  • 김규범 (전자공학과 정보 및 시스템 전공)

초록/요약

생명 과학과 유전공학의 과학 기술 발전으로 인해 인간의 평균수명이 획기적으로 늘어났다. 그로 인해 각종 질병을 정복하기 위해 생물현상 규명 및 신약개발을 위한 전임상 및 임상실험이 활발이 진행되고 있으며 융합영상기기에 대한 관심이 높이지고 있다. 특히 자기공명영상촬영기 (MRI)와 양전자방출단층영상촬영기 (PET)을 융합함으로써 높은 고해상도 해부학적 MR 영상과 고민감도 기능적 PET 영상을 동시 획득하는 PET-MRI 융합영상기기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에 우리 연구실에서는 PET-MRI 융합영상기기를 개발함에 있어, 광센서 전하신호를 긴 케이블을 이용하여 전송하는 방식을 검증하였다. 하지만 이 방법은 케이블 길이가 길어질수록 출력 신호의 왜곡이 발생하고 그로 인해 PET 검출기의 성능이 감소하는 문제점이 발생하였다. 본 연구에서는 PET 검출기에서 검출된 아날로그 신호를 원거리로 전송하기 위해 긴 케이블을 사용하여 전송할 때 케이블 길이에 따라 아날로그 출력 신호 왜곡 현상과 성능 저하를 최소화 할 수 있는 신호보정회로 (pulse restoration circuit) 를 설계 및 개발하고 검증하는 것이다. PET 검출기는 4x4 배열형 LYSO (Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, Sinocera, China) 섬광체와 GAPD (Geiger-mode Avalanche Photodiode, Sensl, Ireland) 센서를 결합하였고 PET 전자장비까지 PET 검출기 신호를 전송하기 위해 FFC (Flexible Flat Cable, New grand TECH, China)을 사용하여 구성하였다. 신호보정회로는 피크전압, 상승시간, 하강시간을 복원하는 부분을 저역통과필터와 고역통과필터를 이용하여 구성하였다. 케이블 길이에 따른 PET 검출기 신호 왜곡 현상과 왜곡 현상을 보정하는 실험을 하기 위해 FFC 케이블은 0 m 부터 21 m 까지 3 m 간격으로 케이블 길이를 달리하여 피크전압, 상승시간, 하강시간을 10GS/s을 가진 오실로스코프 (Wave runner, LeCroy, US)를 사용하여 평가하고 포토피크 위치 변동, 에너지분해능, 시간분해능은 100MS/s의 다채널ADC (VHS-ADC Virtex-4 boards, Lyrtech, Canada) 를 사용하여 획득하여 성능을 평가하였다. 케이블 길이에 따라 신호 왜곡 현상이 피크 전압은 169 mV에서 100 mV로 감소 하였으며, 상승시간과 하강시간은 각각 37 ns에서 53 ns, 230 ns에서 410 ns로 증가하였다. 에너지분해능 (16%) 저하는 보이지 않았으며, photopeak 위치는 430 ch 에서 330 ch로 감소하였고 시간분해능은 1.4 ns 에서 2.5 ns 로 증가하였다. 신호보정회로를 적용하여 케이블 길이에 따른 출력 신호의 왜곡현상을 출력 신호 왜곡 현상을 개선하였으며, 성능 저하 현상을 보상하였다. 본 연구에서 제안한 방법은 케이블을 사용하여 아날로그 신호를 원거리로 전송할 때 생기는 신호 왜곡 현상을 최소화 할 수 있으며 성능 저하를 보상할 수 있어 PET 뿐만 아니라 차세대 의료영상기기시스템 개발에 유용하게 활용될 것이며 특히, PET-MRI 융합형 시스템 개발에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

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초록/요약

We have reported the feasibility of photosensor charge signal transmission to preamplifier using long cable for development of hybrid PET-MRI. However, pulse distortions degrading the performance of PET detector might occur in this approach. The goal of this study was to develop a pulse restoration circuit (PRC) compensating the performance degradations caused by using the long cable from GAPD to PET electronics. The effect of the cable length on the PET detector performance was examined using different lengths of flexible flat cable (FFC) ranging from 0 to 21 m. Rise time, fall time and amplitude of the GAPD output were measured as a function of the cable length. Photopeak position, energy resolution and time resolution were also measured using a 100 MS/s data acquisition unit. The PRC based on the filtering and shaping networks was consisted of amplitude, rise time-fall time restoration parts. The amplitude restoration part was designed using op-amp and resistors and the rise time-fall time restoration parts were designed using RC shaping filter. There were changes in the PET detector performance as a function of the FFC lengths ranging from 0 to 21m. The amplitude and the photopeak position decreased from 169 mV to 100 mV and from 430 ch to 330 ch, respectively. The rise time-fall time and the time resolution increased from 37 ns to 53 ns - from 230 ns to 410 ns and from 1.4 ns to 2.5 ns, respectively. No considerable changes were observed in the energy resolution of 16%. These performance changes were improved by employing the PRC. The measured pulse shapes passing through the long cable and PRC, were identical to the GAPD output with the cable length of 0 m, and the photopeak position was restored. The time resolution was also improved from 2.5 ns to 1.7 ns. This study demonstrated that the PRC could improve the performance degradations caused by using long cable. Further study will be performed to improve the PRC performance and to examine the MR compatibility.

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