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GAPD로 구성된 PET 용 하이브리드 회로 : Anger 위치 알고리즘과 위치판별회로

Hybrid Readout Circuit for PET Consisting of GAPD Arrays: Anger Positioning Algorithm and Position Decoder Circuit

  • 이상원 (Lee, Sangwon, 전자공학과 전자공학전공)

초록/요약

현대 PET (Positron emission tomography)의 신호처리 채널 수가 증가함에 따라 고성능 및 정확한 멀티플렉싱 회로의 중요성이 커지고 있다. 멀티플렉싱 방법 중 Anger 회로는 광범위하게 사용되어 왔으며 높은 공간분해능 영상을 얻을 수 있다. 하지만 입력 채널이 많아질수록 신호잡음이 증가하여 영상 유효시야 가장자리 부분에서 선형성이 떨어지는 단점이 있다. PDC (Position decoder circuit)는 검출기 블록의 많은 출력 중 반응이 일어난 하나의 채널의 아날로그 신호와 주소를 출력할 수 있는 구조로 높은 채널감소효율의 장점이 있다. 하지만 PDC는 섬광결정과 센서채널간의 1대1 결합을 해야 하므로 검출기 채널 크기 이하의 공간분해능을 얻을 수 없는 단점을 가지고 있다. 따라서 이 연구의 목적은 Anger와 PDC 기법을 결합하여 두 방법의 장점을 동시에 지니는 멀티플렉싱 회로를 개발하는 것이다. 하이브리드 회로(Hybrid readout circuit)는 PDC기법을 채용하여 배열형 GAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) 내의 인접한 4채널 합성신호를 이용하여 감마선 반응위치의 대략적인 위치 정보와 시간정보를 결정한다. 그리고 Anger 방식으로 4개의 아날로그 신호를 계산하여 세부위치정보와 에너지 정보를 계산한다. GAPD를 이용한 PET 검출기 모듈은 6 x 6 배열, 2 x 2 x 10 mm3 크기의 LYSO (Lutetium Yttrium Orthosilicate) 섬광결정을 4 x 4 배열, 3 x 3 mm2 크기의 GAPD에 결합하여 HRC의 성능평가를 위해 구성되었다. Time-to-digital converter(TDC) 와 Analog-to-digital converter(ADC)로 구성된 외부 데이터획득장치(Data acquisition module, DAQ)를 통해 데이터를 획득하였다. 동시계수 시간분해능은 한 쌍의 검출기 모듈을 이용하여 획득하였으며 2개의 모세관을 회전시켜서 단층영상을 획득하여 공간분해능을 측정하였다. 획득한 플러드 영상은 총 36개의 섬광결정을 모두 구분할 수 있었으며 511 keV에 대한 평균 에너지분해능과 시간분해능은 각각 15.4 %, 6.2 ns로 측정 되었다. 검출기 표면으로부터 수평한 방향으로 공간분해능은 2.4 mm로 측정되었다. 이 결과들은 하이브리드 회로가 검출기 픽셀 이하의 공간분해능을 가지는 PET 개발에 유용하게 사용 될 것으로 판단된다.

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초록/요약

High degree and accurate multiplexing circuit for positron emission tomography (PET) is getting more important because the required number of readout channels of modern PET increases. Among the various multiplexing methods, Anger circuit has been extensively used. This can achieve high spatial resolutions. However Anger circuit has several disadvantages, including increased noise due to an addition of a number of input channels and decreased positioning linearity at the edge of the field of view. A position decoder circuit (PDC) that was previously developed by our group, has a capacity to output the digital address and analog pulse of one interacted channel from numerous detector outputs. However, the PDC allows only 1-to-1 crystal-sensor coupling, which cannot obtain a high spatial resolution less than a detector pixel size. The purpose of this study was to develop a multiplexing circuit combining the Anger and the PDC while retaining the advantages of both methods. In this hybrid readout circuit (HRC) architecture, the PDC technique was applied to determine the coarse position and timing information using the sum signal of the adjacent four channels in a GAPD array. Then, the fine position and energy information were calculated using the selecting four analog pulses using the Anger logic. GAPD PET detector modules consisting of a 6 x 6 array of 2 x 2 x 10 mm3 LYSO coupled to a 4 x 4 array of 3 x 3 mm2 GAPD were constructed to evaluate the performance of the HRC developed in this study. The data was acquired using an external DAQ module with TDC and ADC. The flood histogram was obtained to evaluate the capability of discrimination of 36 crystal pixels using the hybrid algorithm and the energy resolutions of each crystal pixel were estimated. Coincidence timing resolution was measured using a pair of detector modules. The capillary tubes image was obtained with a pair of detector modules and rotating the imaging object. An acquired flood image showed that all 36 crystals could be resolved. The average energy and time resolution of 2 LYSO-GAPD block detectors at 511 keV were ~15.4% and 6.2 ns, respectively. The spatial resolution was 2.4 mm for image planes parallel to the detector faces. The results of this study indicate that the HRC would be useful for the development of PET having high spatial resolution less than the pixel size of photo sensor, such as GAPD array.

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