의료 영상연구를 위한 몬테칼로 모사코드 : GATE

백철하 한국자기학회 2016 한국자기학회 학술연구발표회 논문개요집 Vol.2016 No.05

Diagnostic X-ray Spectra Detection by Monte Carlo Simulation

백철하,이승재,김대홍,Baek, Cheol-Ha,Lee, Seung-Jae,Kim, Daehong The Korean Society of Radiology 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.3

대부분의 진단용 방사선 장치는 엑스선을 사용하며, 엑스선은 다양한 에너지를 갖는 스펙트럼을 갖는다. 진단 영상에서 엑스선의 정량적 및 정성적 분석은 선량을 줄이면서 영상 화질을 유지하는데 필수적이다. 본 연구의 목적은 진단 영상에 사용되는 엑스선 스펙트럼을 몬테칼로 시뮬레이션으로 측정하는 것이다. 다양한 엑스선 에너지 스펙트럼이 몬테칼로 시뮬레이션으로 측정되었다. 이 스펙트럼들은 다항식을 보간 한 양극 텅스텐 모델에 의해 계산된 결과와 비교하였다. 엑스선 관전압은 50, 60, 80, 100, 110 kV 였다. 검출기로는 카드뮴 텔루라이드와 비정질 셀레늄 물질을 사용하였다. 엑스선 에너지 스펙트럼의 시뮬레이션 결과는 참조 결과와 일치하였고, NRMSD 값은 최소 1.1%에서 최대 5.7%를 보였다. 시뮬레이션 결과에 의하면 진단 영상을 획득할 때 적절한 관전압의 선택을 가능하게 할 것이다. 또한, 영상 획득 전 환자에 전달되는 선량을 예측하는데 기여할 것이다. Most diagnostic devices in the medical field use X-ray sources, which emit energy spectra. In radiological diagnosis, the quantitative and qualitative analyses of X-rays are essential for maintaining the image quality and minimizing the radiation dose to patients. This work aims to obtain the X-ray energy spectra used in diagnostic imaging by Monte Carlo simulation. Various X-ray spectra are simulated using a Monte Carlo simulation tool. These spectra are then compared to the reference data obtained with a tungsten anode spectral model using the interpolating polynomial (TASMIP) code. The X-ray tube voltages used are 50, 60, 80, 100, and 110 kV, respectively. CdTe and a-Se detector are used as the detectors for obtaining the X-ray spectra. Simulation results demonstrate that the various X-ray spectra are well matched with the reference data. Based on the simulation results, an appropriate X-ray spectrum, in accordance with the tube voltage, can be selected when generating an image for diagnostic imaging. The dose to be delivered to the patient can be predicted prior to examination in the diagnostic field.

진단 의료영상 분야에서의 핵의학 영상

백철하 대한전자공학회 2017 전자공학회지 Vol.44 No.3

다중에너지 영상 획득을 위한 Depth-Encoding 고분해능 단일광자단층촬영 검출기 개발: 몬테칼로 시뮬레이션 연구

백철하,황지연,이승재,정용현,Beak, Cheol-Ha,Hwang, Ji-Yeon,Lee, Seung-Jae,Chung, Yong-Hyun 한국의학물리학회 2010 의학물리 Vol.21 No.1

본 연구에서는 I-125 (35 keV) 와 Tc-99m (140 keV)에 대해 고해상도를 지닌 SPECT 영상을 동일한 검출기로 획득하는 방법을 제시하였고, 이를 몬테칼로 시뮬레이션 코드인 DETECT2000과 GATE를 이용하여 검증하였다. 제안된 검출기는 두께 3.0 mm의 CsI (Tl) 블록형 섬광체와 하마마츠사의 H8500C PSPMT로 이루어져 있다. 35 keV 감마선을 방출하는 I-125 핵종을 영상화할 때는 두꺼운 섬광체를 사용 할 경우, 일반적인 앵거방법으로는 빛 퍼짐이 많아지기 때문에 내인성 공간분해능이 저하되지만, 최대우도 함수와 색인테이블을 사용하여 감마선 반응 위치를 추적하면 내인성 공간분해능을 향상시킬 수 있다. DETECT2000 시뮬레이션 결과 1.0 mm 이내의 내인성 공간분해능을 획득하였다. 140 keV를 방출하는 Tc-99m를 영상화할 경우에는 I-125 전용인 1.0 mm 두께의 섬광체를 사용하였을 경우보다 3.0 mm 두께의 섬광체를 사용하였을 때 2.3배 이상 향상된 민감도를 보였다. 본 연구에서 제안한 검출기의 장점은 저에너지의 I-125 선원에 대해 상대적으로 두꺼운 섬광체를 사용하더라도 최대우도함수를 사용하기 때문에 분해능의 감소가 없다는 점과 Tc-99m 선원에 대해 민감도의 저하가 적다는 점이다. 본 연구에서 제안한 검출기를 사용하면 고에너지와 저에너지를 가진 핵종을 모두 영상화할 수 있다. The aim of this work was to establish the methodology for event positioning by measuring depth of interaction (DOI) information and to evaluate the system sensitivity and spatial resolution of the new detector for I-125 and Tc-99m imaging. For this purpose, a Monte Carlo simulation tool, DETECT2000 and GATE were used to model the energy deposition and light distribution in the detector and to validate this approach. Our proposed detector module consists of a monolithic CsI(Tl) crystal with dimensions of $50.0{\times}50.0{\times}3.0\;mm^3$. The results of simulation demonstrated that the resolution is less than 1.5 mm for both I-125 and Tc-99m. The main advantage of the proposed detector module is that by using 3 mm thick CsI(Tl) with maximum-likelihood position-estimation (MLPE) method, high resolution I-125 imaging and high sensitivity Tc-99m imaging are possible. In this paper, we proved that our new detector to be a reliable design as a detector for a multi-energy SPECT.

갑상선 영상 획득을 위한 부호화 구경 감마카메라: 몬테칼로 시뮬레이션 연구

백철하,이승재,정용현,Beak, Cheol-Ha,Lee, Seung-Jae,Chung, Yong-Hyun 한국의학물리학회 2008 의학물리 Vol.19 No.4

부호화 구경 카메라는 바늘구멍 카메라의 고분해능 특성을 유지하면서 신호대잡음비를 향상시키기 위해 개발되었다. 이 연구의 목적은 몬테칼로 모사방법을 이용하여 부호화 구경 카메라의 최적화 및 성능 분석을 통해 갑상선 영상의 가능성을 평가하는 것이다. GATE 코드를 이용하여 부호화 구경의 두께에 따른 부호화 구경 카메라의 Tc-99 m 선원에 대한 공간분해능, 신호대잡음비, 균일도를 평가하였다. 그리고 부호화 구경 카메라와 바늘구멍 카메라의 영상 획득 성능을 비교하였다. 연구 결과 부호화 구경 마스크 두께에 따른 분해능 차이는 거의 없었으나, 신호대잡음비는 구경 두께가 두꺼워질수록 향상되어 최고값을 보인 뒤 다시 감소하는 추세를 보였다. 이는 두께에 따른 마스크의 투과율과 관계가 있었다. 균일도는 구경 두께가 두꺼워질수록 성능이 향상하였다. 부호화 구경 카메라의 공간분해능은 바늘구멍 카메라와 거의 비슷하였으나, 신호대잡음비는 약 30배 정도 향상되는 것을 확인하였고, 이는 부호화 구경 카메라로 고분해능, 고 신호대잡음비의 갑상선 영상 획득이 가능함을 보여준다. A coded aperture camera has been developed to improve the signal-to-noise ratio (SNR) while keeping the spatial resolution of a pinhole gamma camera. The purpose of this study was to optimize a coded aperture camera and to evaluate its possibility for thyroid imaging by Monte Carlo simulation. A clinical gamma camera, a pinhole collimator with 1.0 mm hole diameter, and a $79{\times}79$ modified uniformly redundant array (MURA) mask were designed using GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). The penetration ratio, spatial resolution, integral uniformity and signal-to-noise ratio (SNR) were simulated and evaluated as a function of the mask thickness. The spatial resolution of the coded aperture camera was consistent with the various mask thickness, SNR showed a maximum value at 1.2 mm mask thickness and integral uniformity was improved by increasing mask thickness. Compare to the pinhole gamma camera, the coded aperture camera showed improved SNR by a factor of 30 while keeping almost the same spatial resolution. In this simulation study, the results indicated that high spatial resolution and ultra-high SNR of the thyroid imaging are feasible using a coded aperture camera.

두 종류의 섬광체를 사용한 반응 깊이 측정 검출기 개발

백철하,이승재 한국물리학회 2020 새물리 Vol.70 No.10

We have developed a detector that uses two types of scintillators and s photo sensor to measure the depth of interaction. A different type of scintillator was used for each layer, and light generated by interacting with the scintillator was collected using a photo sensor. The energy spectrum of the designed detector was obtained using a DETECT2000 simulation, and the performance of the designed detector was verified through preliminary experiments. As a scintillator, a lutetium oxyorthosilicate (LSO) or a gadolinium Aluminium gallium garnet (GAGG) scintillator was used, and a silicon photomultiplier (SiPM) was used as the photo sensor. In the simulation, the scintillator array was composed of two layers, and a light yield corresponding to gamma ray interactions was generated in each scintillator pixel to obtain a signal to measure the energy spectrum. In the preliminary experiment, the energy spectrum was measured using a single-pixel scintillator, and the result was the photoelectric peak of the GAGG scintillator in the high-energy channel and that of the LSO scintillator in the low-energy channel as in the simulation. Because different photoelectric peaks are formed in the energy spectrum, the positions where the gamma rays and the scintillator interact can be measured, thereby improving the spatial resolution through measurement of the interaction depth. 두 종류의 섬광체와 광센서를 사용하여 반응 깊이를 측정하는 검출기를 개발하였다. 각 층별 서로다른 종류의 섬광체를 사용하였으며, 섬광체와 상호작용하여 발생된 빛은 광센서를 통해서 획득하였다. DETECT2000 시뮬레이션을 통해 설계한 검출기의 에너지 스펙트럼을 획득하였으며, 기초 실험을 통해 설계한 검출기의 성능을 검증하였다. 섬광체는 Lutetium Oxyorthosilicate (LSO)와 Gadolinium Aluminium Gallium Garnet (GAGG) 섬광체를 사용하였으며, 광센서는 실리콘광전증배관 (Silicon photomultiplier; SiPM)을 사용하였다. 시뮬레이션에서 두 층으로 섬광체 배열을 구성하였으며, 각 섬광체픽셀에서 감마선 상호작용에 해당하는 빛을 발생시켜 신호를 획득하여 에너지 스펙트럼을 측정하였다. 기초 실험에서는 한 픽셀의 섬광체를 사용하여 에너지 스펙트럼을 측정하였으며, 결과는 시뮬레이션과동일하게 높은 채널에서 GAGG 섬광체의 광전피크가, 낮은 채널에서 LSO 섬광체의 광전피크가 형성되었다. 에너지 스펙트럼 상에서 서로 다른 광전피크가 형성되므로 이를 구분하여 측정함으로써 감마선과섬광체가 상호작용한 위치를 측정할 수 있으므로 반응 깊이 측정을 통해 공간분해능의 향상을 이룰 수 있다.

소동물 전용 양전자방출단층시스템의 섬광체 배열에 따른 특성 평가

백철하(Cheol-Ha Baek) 한국콘텐츠학회 2015 한국콘텐츠학회논문지 Vol.15 No.4

본 연구의 목적은 몬테칼로 모사방법을 이용하여 소동물 전용 양전자방출단층촬영 시스템의 모듈 내 섬광체 배열 수에 따른 특성평가를 하는 것이다. 이 연구에서 제안한 소 동물 전용 양전자방출단층촬영 시스템은 모듈 내 섬광체 수를 1 ∼ 8개로 구성하였으며, 섬광체 크기는 2.0 × 2.0 × 10.0 ㎣ 크기의 LSO 섬광결정을 사용하였고 스캐너의 직경은 100 mm로 설계하였다. 몬테칼로 시뮬레이션 방법중에 하나인 GATE 코드를 이용하여 선원은 511 keV 점선원을 이용하였으며 동시계수 측정된 좌표값을 이용하여 민감도 및 사이노그램을 획득하였다. 모듈 내 섬광체 수가 적을수록 모듈 별 틈새가 줄어들어 민감도가 향상되는 결과를 보였으며, 사이노그램 결과에서도 불완전한 데이터(missing data)가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 이 연구 결과는 모듈 안 섬광체 수가 적을수록 민감도 향상 및 불완전한 데이터 획득이 줄어드는 것을 증명함으로써, 소동물 전용 양전자방출단층촬영 시스템의 성능 개선을 위한 새로운 접근법을 제시한다. The aim of this study is to perform simulations to design the detector module with crystal array by Monte Carlo simulation. For this purpose, a small animal PET scanner, employing module with 1∼8 crystal array discrimination scheme, was designed. The proposed scanner has an inner diameter of 100 mm with detector modules in crystal array. Each module is composed of a 5.0 mm LSO crystal with a 2.0 × 2.0 ㎟ sensitive area with a pitch 2.1 mm and 10.0 mm thickness. The LSO crystals are attached to the SiPM which has a dimension of 2.0 × 2.0 ㎟. The detector module with crystal array of the designed PET detector was simulated using the Monte Carlo code GATE(Geant4 Application for Tomographic Emission). The detector is enough compensation for the loss of data in sinogram due to gaps between modules. The results showed that the high sensitivity and effectively reduced the problem about the missing data were greatly improved by using the detector module with 1 crystal array.

디지털 방사선영상 시스템에서 산란선이 영상 품질에 미치는 영향

백철하(CheolHa Baek) 대한방사선과학회 2017 방사선기술과학 Vol.40 No.1

Scattered radiation is inherent phenomenon of x-ray, which occurs to the subject (or patient). Therefore it cannot be avoidable but also interacts as serious noise factor because the only meaningful information on x-ray radiography is primary x-ray photons. The purpose of this study was to quantify scattered radiation for various shooting parameters and to verify the effect of anti-scatter grid. We employed beam stopper method to characterize scatter to primary ratio. To evaluate effect on the projection images calculated contrast to noise ratio of given shooting parameters. From the experiments, we identified the scattered radiation increases in thicker patient and smaller air gap. Moreover, scattered radiation degraded contrast to noise ratio of the projection images. We find out that the anti-scatter grid rejected scattered radiation effectively, however there were not fewer than 100% of scatter to primary ratio in some shooting parameters. The results demonstrate that the scattered radiation was serious problem of medical x-ray system, we confirmed that t he s cattered r adiation was not c onsiderable factor o f dig ital r adiography. 디지털 방사선영상 시스템에서 산란선은 피검사체와 엑스선의 반응에 의해 발생하는 근원적인 현상이다. 방사선 투사영상은 일차선에 의해 형성되는 감쇠정보를 영상화 하므로 산란선은 투사영상에서 노이즈로써 작용한다. 본 연구에서는 다양한 검사조건에서 발생하는 산란선을 빔 저지체(beam stopper)를 이용하여 정량화하고 동시에 반 산란 격자의 효과를 확인하였다. 또한 산란선이 영상의 품질에 미치는 영향을 확인하기 위해 산란선에 의해 저 하되는 대조도 대 잡음비를 측정하였다. 본 연구를 통해 산란선은 피검사체의 두께 및 공기층(air gap)에 지배적인 경향을 가짐을 확인하였다. 또한 산란선은 영상의 대조도를 현격히 저하시킴을 정량적으로 측정하였다. 산란선을 저감하기 위해 격자를 장착함으로써 상당량의 산란선을 저감할 수 있었으나 여전히 두꺼운 피검사체에 대해 많은 양의 산란선이 남아 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 산란선을 정량화 하는 방법론을 제시하였으며, 향후 시스템의 최적화에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

GATE 시뮬레이션 프로그램을 이용한 I-131의 영상 특성의 타당성에 관한 연구

백철하(Cheol-Ha Baek),김대호(Dae Ho Kim),이용구(Yong-Gu Lee),이영진(Youngjin Lee) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.5

본 연구의 목적은 GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) Simulation을 사용하여 치료용 방사성동위원소인 I-131의 감마카메라/SPECT 영상을 획득하여, 실제 기기의 실험결과와 그 특성을 비교 및 분석 하여 GATE simulation의 정확성을 획득하는 것이다. 더 나아가 GATE simulation을 이용한 치료용 방사성동위원소를 위한 감마카메라/SPECT 영상 정량화 기반기술 연구가 가능함을 입증하고자 한다. 본 연구에서 Simulation상에서 구성한 SPECT System은 Stream-R Forte version 1.2 (Philips Medical System, Best and Heerlen, Netherlands)의 설계변수를 참고로 하였다. 감마카메라/SPECT 시스템에서의 I-131 영상특성을 이해하기 위하여 실제 Forte 시스템을 이용하여 산란물질을 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때 에너지 스펙트럼 및 선 선원에 대한 선 응답함수 (Line Spread Function, LSF)와 반치폭 (Full Width at Half Maximum, FWHM)을 측정하였다. 또한 실제 실험과의 비교를 위하여 GATE simulation에서 구성한 시스템에서도 동일한 실험 조건 및 변수에 대하여 에너지 스펙트럼 및 선 선원에 대한 LSF 및 FWHM을 측정하였다. 그 결과 산란물질을 사용하지 않았을 때의 에너지 스펙트럼의 경우 실제 실험과 Simulation 모두 364 keV의 위치에서 에너지 피크를 나타내어 동일한 경향의 결과를 보였다. FWHM은 실제 실험과 Simulation 모두에서 선원과 검출기간의 거리가 증가함에 따라 그 크기가 증가하는 경향을 보였으며 오차율은 3.8%로 나타났다. 산란물질을 사용하였을 때의 에너지 스펙트럼 역시 실제 실험과 Simulation 경우 모두에서 비슷한 경향을 나타내었다. 결론적으로, GATE simulation은 치료용 방사성 동위원소에 대해서도 실제 기기의 특성 및 방사성 동위원소의 특징을 모두 반영하고 있으며 이를 이용하여 감마카메라/SPECT에서의 치료용 방사성 동위원소의 정량화에 대한 다양한 연구가 가능 할 것이라고 사료된다. The purpose of this study was to validate for GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) simulation by comparing the results of GATE simulation and experiment in real SPECT system. Futhermore, we want to prove that it is possible that the quantitative research of gamma camera/SPECT imaging for therapeutic radio isotope by using GATE simulation. In this study, the SPECT system on simulation referred to the parameters of Stream-R Forte version 1.2 (Philips Medical System, Best and Heerlen, Netherlands). To understand the I-131 image of gamma camera/SPECT system, we acquired the energy spectrum and measured the full width at half maximum (FWHM) which comes from line spread function (LSF) with and without scatter material in real SPECT system. And to compare with experiment, we also measured the FWHM and acquired the energy spectrum without scatter material in GATE simulation. As a result, without scatter material, the energy peak was almost same location, which are located nearby 364 keV, and other spectrum factors are same tendency in both cases. The FWHM was increased by increasing the distance of source to detector, and the error rate was approximately 3.8%. When we used the line source with scatter material, energy spectrum also indicated similar tendency in both cases. As you confirmed earlier, GATE simulation included real instrument and radioisotope characters for therapeutic radioisotope. Therefore this result that it was possible that various quantitative study for therapeutic radioisotope imaging in gamma camera/SPECT using GATE simulation.

소동물 영상화 및 환경 방사선 검출을 위한 감마카메라 개발

백철하(Cheol-Ha Baek) 한국콘텐츠학회 2014 한국콘텐츠학회논문지 Vol.14 No.2

이 연구의 목적은 감마선 검출 시스템을 개발하여 평행구멍형 조준기와 바늘구멍 조준기를 이용하여, 각각 소동물용 감마영상 획득과 환경 방사선 검출 영상을 획득하는 것이다. 본 연구에서는 크기가 50 × 50 mm 이며, 6 mm 두께의 CsI(Tl) 섬광체와 50 × 50 mm 크기의 Hamamatsu H8500C 위치민감형 광전 자증배관, 저항분배회로, 전치증폭기, 성형증폭기, NIM 모듈 및 아날로그 디지털 변환기로 구성된 감마카메라를 개발하였다. 또한. 바늘구멍 감마카메라와 전하결합소자 카메라를 결합하여 환경모니터링에 적용할 수 있는 장비를 개발하였다. 본 연구 결과는 평행 구멍형 조준기와 바늘구멍 조준기를 이용한 감마카메라를 각각 소동물용 감마영상 획득과 환경방사선 측정에 적용 할 수 있음을 보여주었다. 이 시스템은 소 동물 전용 감마카메라와 환경방사선 측정 시스템으로 활용 될 수 있을 것이다. The aim of this work was to develop the gamma camera system for small animal gamma imaging and environmental radiation monitoring imaging using a parallel hole collimator and pinhole collimator. The small gamma camera system consists of a CsI(Tl) scintillation crystal with 6 mm in thickness and 50 × 50 mm in area coupled with a Hamamatsu H8500C PSPMT, are resistive charge divider, pre-amplifiers, charge amplifiers, nuclear instrument modules (NIMs), an analog to digital converter and a computer for control and display. We have developed a radiation monitoring system composed of a combined pinhole gamma camera and a charge-coupled devices (CCD) camera. The results demonstrated that the parallel hole collimator and pinhole collimator gamma camera designed in this study could be utilized to perform small animal imaging and environmental radiation monitoring system. Consequently in this paper, we proved that our gamma detector system is reliable for a gamma camera which can be used as small animal imaging and environmental radiation monitoring system.