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Time-of-Flight (TOF) PET용 원격 데이터획득 구조 및 온도보상 방법

Remote data acquisition concept and temperature compensation method for Time-of-Flight (TOF) PET

  • 곽동진 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

방사선 주입량을 줄이고 높은 SNR의 영상을 얻을 수 있는 TOF-PET은 고성능의 시간분해능을 가진 검출기 설계가 요구된다. 특히 근래 TOF-PET 설계에 널리 사용되는 SiPM은 사용이 간편하고 높은 전압이득을 가지고 있는 장점이 있다. 하지만 SiPM은 온도가 증가하면 이득이 저하되는 특성이 있어 검출기 보드 구조적으로 발열이 적게 설계되어야 하고 온도의 영향을 보상해주어 시간분해능 저하를 최소화할 필요가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 고밀도의 5 m 동축 케이블을 사용하여 센서 부분과 DAQ 부분을 분리하여 공간의 협소함과 열영향을 극복한 원격 데이터획득 구조와 온도보상 방법을 개발하는 것이다. TOF-PET 검출기는 3 × 3 × 20 mm3 의 픽셀 크기를 갖는 8 × 8 배열형 LFS 섬광결정과 3.16 × 3.16 mm2 의 픽셀크기를 갖는 8 × 8 배열형 SiPM의 일대일 결합으로 구성된다. 검출된 감마선 신호는 1.5GHz의 대역폭을 갖는 전치증폭기와 비교기를 통과하고 에너지 신호, time pick-off 신호가 동축케이블을 통해 DAQ로 전송된다. 개발한 검출기의 플러드 히스토그램, 에너지분해능, 시간분해능을 측정하였고 이를 케이블을 사용하지 않은 검출기 보드와 비교 평가하였다. 온도보상기능은 20 ℃ 에서 40 ℃ 까지 5 ℃ 간격으로 검출기 성능을 측정하였고 이를 20 ℃의 값으로 보상할 수 있는 HV값을 저장하였다. 저장된 HV 값을 온도에 따른 2차 다항식 피팅을 통해 식을 도출하고 MCU를 이용하여 일정시간간격으로 자동으로 보상해 주었다. 한 쌍의 3 × 3 × 15 mm3 LYSO를 이용하여 보상 알고리즘 성능을 측정하고 평가하였다. 개발한 검출기는 에너지분해능 평균 13.2 ± 2.9%, 시간분해능 평균 495 ± 21 ps의 성능을 보여주었고 케이블을 사용하지 않은 검출기와의 에너지분해능 오차율은 2%, 시간분해능 오차율은 0.8% 였다. 온도보상기능은 온도에 따른 광전피크 저하를 20.7%, 시간분해능 저하를 13.7% 개선한 결과를 보여주었다. 추후 센서 16개로 검출기 보드를 확장하였을 때 전신 TOF-PET 시스템 개발에 유용할 것으로 예상된다.

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초록/요약

TOF-PET, which could reduce radiation dose and obtain high SNR images, requires the design of a detector with high performance of time resolution. Especially, SiPM is advantageous in that it is easy to use and has a high voltage gain, so it is widely used in TOF-PET design. However, since the SiPM gain is lowered when the temperature is increased by space limitation, it is necessary to design the detector board which has low heat generation and compensate the influence of the temperature to prevent time performance degradation. The purpose of this study is to develop a remote data acquisition concept that uses high-density 5 m coaxial cable to reduce the heat generation by separating the sensor part and DAQ part, and develop temperature compensation method improving the temperature stability. The TOF-PET detector consists of one-to-one coupling of an 8 × 8 array LFS scintillator which has 3 × 3 × 20 mm3 pixel size and an 8 × 8 array SiPM with 3.16 × 3.16 mm2 pixel size. The detected γ-ray signal passes through a preamplifier and a comparator with 1.5 GHz bandwidth, and four position signals and time pick-off signals are transmitted to the DAQ through a 5 m coaxial cable. Flood histogram, energy resolution and time resolution of the developed detector board were measured and compared with the detector board without using cable. For temperature compensation, the detector performance was measured at 5 ℃ intervals from 20 ℃ to 40 ℃, and the high voltage (HV) values which could restore photopeak value to that of 20 ℃ were saved. By using stored HV values, we derived second order polynomials which is a function of temperature and automatically compensated at regular time intervals through MCU. The developed detector board showed 13.2 ± 2.9% average energy resolution and 495 ± 21 ps average time resolution. When compared with the detector board without using cable, the error rate of energy resolution was 2% and the error rate of time resolution was 0.8%. The temperature compensation function of detector board showed 20.7% improvement of photopeak drift and 13.7% improvement of time resolution degradation depending on the temperature. It is expected to be useful for the development of a whole body TOF-PET system when the detector board is extended with 16 sensors.

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