극성 기반 멀티플렉싱 양전자방출단층촬영(PET) 검출기 개발 = Development of a Polarity-Based Multiplexing Detector for Positron Emission Tomography (PET)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Positron Emission Tomography (PET) is a nuclear medicine imaging equipment that enables noninvasive visualization of metabolic and molecular processes in vivo, and has become increasingly important for the early diagnosis of neurological diseases. A PET detector is composed of a scintillation crystal coupled to a photosensor, and Geiger-mode avalanche photodiode (GAPD) cells are widely employed due to their high gain, compactness, scalability, and compatibility with magnetic resonance (MR) environments. Depending on the application, PET systems range from organ-dedicated scanners incorporating several thousand GAPD cells to total-body scanners comprising tens of thousands of GAPD cells.
When these GAPD cells are individually read out which generally provides the best detector performance, the number of required data acquisition (DAQ) channels increases drastically, resulting in high system complexity and increased data processing cost. Therefore, multiplexing that reduces the number of the readout channels techniques are essential in PET systems. However, sharing signal paths among multiple GAPD cells inevitably introduces performance degradation. Thus, achieving a high multiplexing ratio while minimizing performance degradation is a key challenge in multiplexed PET detector design.
Among various approaches, the resistive charge division (RCD) network is commonly adopted due to its simplicity, low cost, and its ability to provide an N:4 multiplexing ratio. Nevertheless, in multi-channel PET detectors, the combination of GAPD cell capacitance and the large total resistance of the RCD network leads to long RC time constants, causing pulse pile-up and distorted energy and timing performance. A conventional approach to mitigate this problem is to add additional RCD networks to reduce the resistance connected each GAPD cell. However, this solution increases the number of readout channels.
The objective of this study is to address the inherent trade-off between performance degradation and the increase in readout channels by developing and evaluating a polarity-based multiplexing circuit for multi-channel PET detectors. The proposed method is compared with two conventional configurations: a 32:8 RCD network constructed from two 16:4 RCD networks and a 32:4 RCD network. The timing resolution of the proposed detector was also measured.
A 32-channel PET detector was constructed by arranging two 16-channel detector modules in a linear configuration. Each 16-channel detector comprised a 4 × 4 GAPD cell array (ARRAYJ-30035, SensL, Cork, Ireland) with an active area of 3.07 × 3.07 mm², optically coupled one-to-one to a 4 × 4 array of Lutetium yttrium oxyorthosilicate (LYSO) crystals (3.21 × 3.21 × 20 mm³, EPIC, Shanghai, China) using optical grease (BC-630, Saint-Gobain, Hiram, USA).
In the proposed polarity-based multiplexing scheme, the 4-corner outputs from one 16-channel module are processed by two-stage inverting amplifiers to generate four positive-polarity signals, while the corresponding outputs of the other module are processed by two-stage of inverting and non-inverting amplifiers to generate four negative-polarity signals. These eight signals are then combined using four summing amplifiers, achieving 2:1 multiplexing ratio, and subsequently acquired by the DAQ system.
To evaluate the performance of each multiplexing method, the energy resolution, flood histogram quality, distance-to-width ratio (DWR), and peak-to-valley ratio (PVR) were measured. The experimental results show that all LYSO crystals were clearly distinguished in the flood histograms for all three multiplexing configurations. The energy resolution and the DWR/PVR values in the row and column directions were as follows: for the polarity-based multiplexing, 13.3%, 14.6/37.8 (row direction), and 16.0/30.9 (column direction); for the 32:8 RCD network, 13.5%, 14.8/41.6 (row direction), and 16.8/33.1 (column direction); and for the 32:4 RCD network, 14.2%, 13.8/29.9 (row direction), and 10.6/29.0 (column direction). The single timing resolution (STR) of the polarity-based multiplexing detector was measured to be 1.61 ns FWHM.
The proposed polarity-based multiplexing method achieves a 32:4 multiplexing ratio while maintaining an energy resolution of 13.3%, demonstrating performance comparable to that of the 32:8 RCD network in terms of DWR and PVR. The results demonstrate that the proposed polarity-based multiplexing method enables channel reduction without considerable performance degradation, making it a feasible option for scalable PET readout systems and related radiation detection applications.

국문 초록 (Abstract)

양전자방출단층촬영(Positron Emission Tomography; PET)은 생체 내 대사 과정과 분자 수준의 영상을 비침습적으로 획득할 수 있는 핵의학 영상 장비이다. 특히 뇌 신경 질환의 조기 진단에 유용한 의료기기로 주목받고 있다. PET 검출기는 섬광 결정과 광센서로 구성되어 있으며, 광센서는 높은 증폭률, 집적률, 확장성 그리고 MR-호환성으로 인하여 가이거-모드 아발란체 광다이오드(Geiger-mode avalanche photodiode; GAPD) 셀을 주로 사용하고 있다. PET은 목적에 따라 수천 개의 GAPD 셀로 구성된 Organ-dedicated PET부터 수만 개의 GAPD 셀로 구성된 Total-body PET 시스템까지 다양한 응용 범위를 가진다. 이러한 수천 ~ 수만 개의 GAPD 셀을 최상의 성능을 제공하는 것으로 알려진 개별 판독 방식(Individual readout)으로 처리 시 데이터 수집(Data Acquisition; DAQ) 시스템의 판독 채널 수(Readout channel)가 증가하여 시스템 복잡성 증가 및 데이터 처리 비용이 상승한다. 따라서, 데이터 획득 이전, 판독 채널 수를 효과적으로 감소시키는 멀티플렉싱은 PET 시스템에서 필수적이다. 하지만, 멀티플렉싱은 각각의 GAPD 셀의 신호들이 동일한 신호 전송라인을 공유함으로써 성능 저하가 필연적으로 발생한다. 따라서, 멀티플렉싱 연구에서는 최소한의 성능 저하와 멀티플렉싱 비율이 중요한 요소이다.
멀티플렉싱 기법 중 저항성 전하분배(Resistive Charge Division; RCD) 네트워크는 비용 효율적이며 구현이 간단하고, N:4 멀티플렉싱 비율을 제공하여 널리 활용된다. 그러나 RCD 네트워크를 사용하는 다채널 PET 검출기에서는 GAPD 셀의 커패시턴스와 RCD 네트워크의 많은 저항의 결합으로 긴 시상수를 형성하며 정확한 에너지 측정을 방해하는 펄스 중첩(Pulse pile-up) 현상과 시간 성능 저하를 발생시킨다. 종래의 성능 저하를 완화하는 방법은 다채널 GAPD 셀 배열에 추가적인 RCD 네트워크를 사용하여 GAPD 셀 신호와 결합하는 레지스턴스를 감소시켜 성능 저하를 완화하나, 이 경우 오히려 판독 채널 수가 증가하는 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 연구의 목적은 다채널 검출기를 RCD 네트워크로 멀티플렉싱 하는 경우 발생하는 성능과 판독 채널 수에 대한 상충 관계를 해결할 수 있는 극성 기반 멀티플렉싱을 제안하고 극성 기반 멀티플렉싱 PET 검출기를 개발하는 것이다. 체계적인 평가를 위해, 32채널 PET 검출기에 대한 극성 기반 멀티플렉싱, 16:4 RCD 네트워크 두 개로 구성된 32:8 RCD 네트워크 그리고 32:4 RCD 네트워크 방식을 비교평가 하였다. 또한, 극성 기반 멀티플렉싱 PET 검출기의 시간 분해능을 측정하였다.
사용된 32채널 PET 검출기는 두 개의 16채널 PET 검출기를 일렬로 배치하여 구성하였다. 16채널의 PET 검출기는 3.07 × 3.07 mm2 활성 영역을 가지는 4 × 4 배열형 GAPD(ARRAYJ-30035, SensL, Cork, Ireland) 셀과 3.21 × 3.21 × 20 mm3 크기의 4 × 4 배열형 Lutetium yttrium oxyorthosilicate(LYSO) 섬광 결정(EPIC, Shanghai, China)을 광학용 그리스(BC-630, Saint-Gobain, Hiram, USA)로 일대일 결합하여 제작하였다.
극성 기반 멀티플렉싱 회로는 하나의 16채널 PET 검출기와 RCD 네트워크에서 생성된 4-코너 출력을 2단 반전 증폭을 통해 양극성 신호 4개를 생성하며, 다른 하나의 16채널 PET 검출기와 결합 된 RCD 네트워크의 4-코너 출력을 2단 반전-비반전 증폭을 통하여 음극성 신호 4개를 생성한다. 양극성 및 음극성 신호는 가산 증폭기 4개를 통해 2:1 비율로 멀티플렉싱되어 DAQ 시스템에서 수집 및 처리된다.
각 멀티플렉싱 방식은 32채널 PET 검출기에 대한 에너지 분해능, 플로드 히스토그램, 거리 대 폭 비율(Distance-to-width ratio; DWR), 피크 대 밸리 비율(Peak-to-valley ratio; PVR)로 측정되었다. 실험 결과, 세 가지 멀티플렉싱 방식에 대한 32채널 PET 검출기의 모든 LYSO 섬광 결정은 플로드 히스토그램에서 명확히 구분되었다. 에너지 분해능, 행과 열 방향에 대한 DWR/PVR은 각각 극성 기반 멀티플렉싱에서 13.3%, 14.6/37.8(행), 16.0/30.9(열)로 측정되었고 32:8 RCD 네트워크에서 13.5%, 14.8/41.6(행), 16.8/33.1(열) 그리고 32:4 RCD 네트워크에서 14.2%, 13.8/29.9(행), 10.6/29.0(열)으로 계산되었다.
또한, 극성 기반 멀티플렉싱 PET 검출기의 시간 분해능은 1.61 ns FWHM의 단일 시간 분해능(Single timing resolution; STR)으로 측정되었다.
극성 기반 멀티플렉싱 PET 검출기는 4개의 판독 채널만 요구하면서도 13.3%의 에너지 분해능을 나타내었다. 또한, 32:8 RCD 네트워크 방식의 DWR에 대하여 유사한 성능을 제공함을 입증하였으며 이러한 결과는 향후 다채널 PET 검출기의 채널 감소 회로 및 방사선 검출기 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 1) 양전자방출단층촬영 1
• 2) 가이거-모드 아발란체 광다이오드 2
• 3) 멀티플렉싱 5
• 가) 전하분배 멀티플렉싱 5
• (1) 저항성 전하분배 네트워크 5
• (2) 행-열 가산 회로 6
• (3) 대칭 전하분배 네트워크 6
• (4) 용량성 멀티플렉싱 6
• 나) 극성 기반 멀티플렉싱 11
• (1) 이중 극성 아날로그 신호 멀티플렉싱 11
• (2) 이중 극성 시리얼 라인 멀티플렉싱 11
• 다) 필드 프로그래머블 게이트 어레이 기반 멀티플렉싱 14
• (1) 승자 독점 회로 14
• (2) 다중 전압 임계값 디지타이저 14
• 라) 디지털 조절 기반 멀티플렉싱 17
• 나. 동기 19
• 다. 목적 21
• 2. 재료 및 방법 22
• 가. 극성 기반 멀티플렉싱 22
• 나. 32:8 RCD 네트워크 24
• 다. 32:4 RCD 네트워크 24
• 라. PET 검출기 구성 27
• 마. 실험 구성 및 데이터 획득 29
• 바. 데이터 분석 및 성능평가 32
• 3. 결과 35
• 가. 실험 결과 35
• 4. 고찰 42
• 5. 결론 45
• 참고문헌 46
• Abstract(영문초록) 50