반응 깊이 측정을 통한 수술용 베타 영상/감마 프로브 가능성 연구 = A feasibility study of intraoperative beta imaging/gamma probe using depth of interaction measurement

국문 초록 (Abstract)

목적 : PET또는 PET/CT는 이미 국내에 270여대 이상이 보급되어 있다. 따라서PET에 주로 사용되는 18F으로부터 발생되는 양전자나 γ-선을 측정하여 수술 중에 사용한다면, 핵의학과 종양학 분야의 발전은 물론 국민 건강에 큰 기여를 할 수 있다. 이 양전자 방출 단층 촬영 장치(Positron emission tomography, PET)에서 사용되는 방사성 의약 품(18F, 68Ga 등)으로부터 방출되는 양전자와 소멸 방사선을 수술 중에 검출하여, 흑색종과 같은 표재성 종양은 물론 유방암 전이에서 가장 중요한 감시 림프절(Sentinel lymph node)전이 등을 수술을 통해 제거 할 때 사용 할 수 있으며, 양전자를 통한 위치 정보를 함께 제공함으로 써 수술 전문의가 종양을 효과적으로 제거할 수 있는 β, γ-프로브를 연구하고자 한다.
재료 및 방법 : β, γ-프로브의 전면부의 플라스틱 섬광결정에서는 양전자를 검출하고, 후면부의 섬광 결정에서는 소멸 γ-선을 검출하기 위한 프로브를 연구하였다. 특히 감도를 높게 하여 수술 전문의의 방사선 피폭을 최소화하는 것을 목적으로 하였으며 전면부의 플라스틱 섬광결정 에서는 입사한 양전자의 위치를 측정하여 위치 정보를 제공 받으면서 수술을 할 수 있도록 신호처리장치를 구성하는 것이 목적이다. 이에 필요한 반응 깊이(Depth of interaction, DOI) 정보를 획득하는데 필수적인 반사체를 제작 하였다. 반사체는 컴퓨터 전산 모사를 통해 형태와 크기를 최적화 하고 실제 제작하여 플라스틱 섬광 결정에 부착한 후 최적의 형태와 크기를 실험하였다. 또한 소멸 γ-선을 검출하였는데 소멸 γ-선은 후면부에 위치한 Ce:GAGG를 사용하여 검출하였다. 연구 목표를 달성하기 위하여 컴퓨터 전산 모사 결과의 실험적 검증을 시행하였다. 먼저 반사체와 각 섬광결정의 최적화를 컴퓨터를 이용한 전산 모사를 통해 계산 하고 이에 따라 섬광 결정 및 반사체를 주문 및 제작 하였다. 또한 Solid works 2013을 이용하여 제작된 검출기의 차광 틀을 도면으로 제작, 을지 대학교 RIC 센터에 의뢰하여 3D 프린터로 제작 하였다. 준비된 모든 재료를 서울대학교병원 핵의학과에서 의뢰, 제공 받은 인쇄회로기판에 조립하고 VME(DAQ 장비)와 연결하여 전산 모사 결과를 실험 검증 하였다. 이때 얻어진 결과는 Matlab 2012a를 이용하여 β, γ-선을 측정하고 위치 및 반응 깊이 비를 계산 하였다.
결과 및 결론 : 반사체의 형태와 구멍의 형태를 전산 모사 하여 얻어진 결과를 토대로 실제 제작하여 실험 검증하였다. 전반적으로 섬광 결정의 디지털 실리콘 광증배관(Silicon photo muliplier, SiPM)에 근접한 부분 을 반사되는 면으로 광자의 이동을 막고 디지털 실리콘 광증배관에 먼 부분의 반사되는 면 적을 줄인 형태의 반사체의 반응 깊이 분해능이 뛰어 났으며, 더불어 위치 정보도 균등하게 분포되었다. 실험 검증한 형태 중 사각형 구멍을 크기 별로 낸 반사체의 반응 깊이 분해능이 4.39 ㎜ 로써 위치 정보가 다소 중앙에 분포되는 경향을 보이지만 이 두 가지 요소를 가장 적정하게 만족시킴으로써 수술 중 프로브 개발에 가장 적합하다고 판단 된다. 또한 반사체를 이용한 섬광 검출기는 선원으로부터의 거리가 멀어 질수록 계수율이 선형적으로 비례하였다. 실험을 통해 R2가 0.98로써 신뢰할 수 있음을 증명하였다. 또한 폴리 염화 비닐 (Polyvinyl chloride, PVC)을 통한 두께 증가 실험에서도 두께에 따른 계수율의 변화를 함수로 나타내었고 R2 0.991, 0.989로써 신뢰할 수 있었다. 햄 두께에 따른 계수율 변화도 R2 0.98로 신뢰도 있는 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 실험을 통해 사각형 구멍의 반사체를 이용한 섬광 검출기는 차후 연구 개발에 유용한 형태임을 증명하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose : Positron emission tomography (PET) has been used as a useful molecular imaging modality for localizing tumor and more than 150 number of clinical PET are currently used in Korea because of its quantitative and sensitive imaging characteristics. Also the radiopharmaceutical agents for PET, such as 18F-FDG, 68Ga are used not only for whole body PET imaging but also intraoperative radionuclides guided surgery. The development of the intraoperative beta-gamma probe which images the radionuclide distribution by detecting gamma ray or beta particle will contribute to the public health care in terms of cancer treatment. The proposed beta-gamma probe will be able to provide a new vision to surgeon by revealing the unveiled residual tumor in sentinel lymph node, which is crucial to prevent the metastasis of breast cancer. The aim of this thesis is to study the feasibility of intraoperative beta camera using depth of interaction measurement which can provide tumor localization information so the surgeon could be able to eliminate residual tumors effectively.
Materials and methods : The proposed beta-gamma probe consists of plastic scintillation array and GAGG scintillation crystal. The plastic scintillation array positioned front layer of the probe images the distribution of positron emitted from the superficial region of the tumor while the GAGG scintillation crystal part positioned the rear of the probe detects gamma ray emitted from the deep region of the tumor. The scintillation lights were converted into electrical signal using silicon photomultipler (SiPM) attached with scintillation crystals. For an accurate localization of positron emitter’s distribution, depth of interaction (DOI) resolution of the plastic scintillation array was optimized with various size and design of reflector which was inserted in between plastic scintillators. The experiments and simulation studies were conducted to investigate the optimized scintillator dimension and reflector shape. To ensure a good optical coupling between scintillation crystals and SiPM photo-sensor, custom made case was used which was manufactured by 3D printer technology supported by RIC center in eulji university. The position encoding circuit and signal processing board for positron and gamma ray signals were developed. The probe signals were processed with nuclear instrumentation measurement (NIM) device and digitized by versa module eurocard (VME). To assess the DOI resolution of the plastic scintillator and maximum depth to detect positron, copper collimator and tissue equivalent phantom was used. The acquired data were analyzed with MATLAB software to evaluate the DOI resolution of the plastic scintillator and probe sensitivity about beta and gamma ray.
Results and conclusions : The beta-gamma probe was developed and its performance was evaluated. The DOI resolution of beta ray detected by plastic scintillator was improved as the size of the reflector hole arrays were gradated along the DOI direction. The average DOI resolution of the plastic scintillator array was 4.39 mm and the maximum detectable depth for positron was less than 3 mm. In conclusion, the gradation hole in the reflector between plastic scintillator could improve the DOI resolution and the feasibility of intraoperative beta-gamma probe employing DOI method was investigated.

목차 (Table of Contents)

• 국문요지 = ⅰ
• 차례 = ⅳ
• 표 차례 = ⅸ
• 그림차례 = ⅹ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 배경 = 1
• 2. 연구의 목적 = 3
• 3. 이론적 배경 = 4
• 3.1 수술용 프로브의 개발 현황 = 4
• 3.2 이용되는 방사성 동위원소와 붕괴 특성 = 10
• 3.3 반응 깊이(Depth of interaction, DOI) 오차 = 11
• 3.4 섬광 결정의 종류와 특성 = 13
• 3.5 반사체의 특성 및 재질 = 14
• 3.6 디지털 실리콘 광증배관(Silicon photo-multiplier, SiPM) = 15
• Ⅱ. 재료 및 방법 = 18
• 1. 재료 선정 및 가공 = 18
• 1.1 전산 모사 = 18
• 1.2 섬광 결정의 선정과 가공 = 18
• 1.3 반사체의 제작 및 가공 = 19
• 1.4 디지털 실리콘 광증배관(Silicon photo-multiplier, SiPM) = 20
• 1.5 회로기판(Printed circuit board, PCB) 제작 = 21
• 1.6 차광 틀 제작 = 22
• 1.7 동판 차폐체 제작 = 24
• 1.8 디지털 변환기(Charge to digital convertor, QDC) 및 자료 분석 = 24
• 1.9 온도 보상 전압공급 장치 = 25
• 1.10 조립 = 27
• 2. 실험 방법 = 27
• 2.1 위치 정보 및 반응 깊이 평가 = 27
• 2.1.1 반사체와 반사체 구멍의 필요성 검증 = 27
• (1) 반사체 없이 β-선 검출 실험 = 27
• (2) 섬광 결정의 거친 표면 처리 후 β-선 검출 실험 = 28
• (3) 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 28
• (4) 일정한 구멍 크기 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 29
• 2.1.2 최적의 반사체 구멍 형태 및 크기에 대한 검증 = 29
• (1) 일정한 구멍 크기 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 29
• (2) 구멍 크기가 단계적으로 증가하는 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 30
• (3) 사각형 구멍을 낸 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 30
• 2.2 검출기의 감도 평가 = 31
• 2.2.1 거리에 따른 계수율 실험 = 31
• 2.2.2 폴리 염화 비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 두께 별 계수율 실험 = 31
• 2.2.3 햄(Ham) 두께 별 계수율 실험 = 32
• Ⅲ. 결과 = 33
• 1. 전산 모사 결과 = 33
• 2. 위치 정보 및 반응 깊이 평가 = 34
• 2.1 반사체와 반사체 구멍의 필요성 검증 = 34
• (1) 반사체 없이 β-선 검출 실험 결과 = 34
• (2) 섬광 결정의 거친 표면 처리 후 β-선 검출 실험 결과 = 36
• (3) 구멍을 내지 않은 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 38
• (4) 일정한 구멍 크기 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 결과 = 40
• 2.2 최적의 반사체 구멍 형태 및 크기에 대한 검증 결과 = 42
• (1) 일정한 구멍 크기 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 결과 = 42
• (2) 구멍 크기가 단계적으로 증가하는 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 결과 = 44
• (3) 사각형 구멍을 낸 반사체 부착 후 β-선 검출 실험 = 46
• 2.3 검출기의 감도 평가 = 49
• (1) 거리에 따른 계수율 실험 결과 = 49
• (2) 폴리 염화 비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 두께 별 계수율 실험 결과 = 50
• (3) 햄(Ham) 두께 별 β-선 계수율에 대한 실험 결과 = 51
• Ⅳ. 고찰 = 53
• Ⅴ. 결론 = 61
• 참고문헌 = 62
• Abstract = 67