Conventional vacuum based photomultipliers (PMTs) have been most widely used as positron emission tomography (PET) detectors since the 1950s. Due to their high gain, fast response, high stability and low noise, the capability of PET systems have been extended. However, their high magnetic field sensitivity was a major constraint in building magnetic resonance (MR) compatible PET systems. In recent years, various solid state photo-sensors have been developed to overcome the weakness of traditional PMTs. Silicon photomultipliers (SiPMs) are one of the most promising candidates for PET-MR applications having a high multiplication gain, a good time resolution, a low operation voltage, a compactness and a low cost as well as having the insensitivity to magnetic fields compared to that of PMTs.
However, the limited dynamic range and low photon detection efficiency (PDE) are major drawbacks in SiPMs. Moreover, there is a trade-off relation between these two factors. To get a high dynamic range, a high micro cell density is needed but increasing the density of micro cells reduces a fill factor and thus lowering the PDE. In contrast, SiPMs with a low density of micro cells will experience saturation of an output signal and this will increase a non-linearity. Therefore, the optimum size of micro cells was evaluated using the photon number resolution (PNR) model. In this model, main parameters of a SiPM like the PDE, non-linear characteristic, dark count rate (DCR), after pulse and crosstalk are included. By applying the size effect to the PNR model, the energy resolution as a function of the size of micro cells was evaluated. Finally, the size of micro cells was set to optimize for PET applications.
The proto-type SiPMs for a PET-MR system were designed and fabricated at National NanoFab Center (NNFC). Our targeted system is a brain PET detector that could be inserted into a bore of a whole-body magnetic resonance imaging (MRI). The brain PET detector has a 60 mm axial and 360 mm radial field of view (FOV) which implies that it requires thousands of SiPMs. In this work, more than 9,000 SiPMs were fabricated, tested and packaged. The SiPM having a size of 3 × 3 $mm^2$ was processed with n+/p wells on a p-type epitaxial wafer. I-V characteristics of all samples were measured by an auto probe card on the wafer level and it showed a good yield and high uniformity. After that, the sensors were packaged into 4×4 arrays. Finally, about 4608 SiPMs were selected to build the brain PET ring detector.
The insertable PET-MRI system was developed using the proto-type SiPMs. The energy resolution of 16 % at a 511 keV gamma ray, the coincidence time resolution of 3.5 ns, the spatial resolution of 3 mm at the center of the FOV and sensitivity of 1.2 % were acquired. The operating of the PET with a MRI also shows a good compatibility. Eventually, not only a phantom image but also a human brain image was acquired using the PET-MRI system.
진공관 기반의 광증배관은 1950년대부터 양전자방출단층촬영장치 (positron emission tomography, PET)의 검출기로 가장 활발히 사용되어왔다. 특히 높은 증폭률, 안정성, 낮은 잡음의 강점을 가지고 PET의 활용성을 높여 왔다. 하지만 광증배관의 높은 자기장 민감도는 자기공명영상 (magnetic resonance imaging, MRI) 융합된 PET 응용에 한계를 가진다. 최근에는 이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 실리콘 기반의 광 검출 센서(silicon photonmultiplier, SiPM)가 개발되었다. SiPM은 자기장 민감도가 낮을 뿐 아니라 높은 증폭률, 빠른 시간분해능, 낮은 동작전압, 작은 부피 그리고 낮은 제작 비용의 강점을 가지고 있어 PET-MRI 응용을 위한 가장 유력한 후보 중 하나이다.
하지만 SiPM은 제한된 다이나믹 레인지와 낮은 광 검출 효율(photon detection efficiency, PDE)의 단점을 가진다. 게다가 이 두 가지 단점은 서로 trade off 관계를 가진다. 높은 다이나믹 레인지를 가지기 위해서는 높은 micro cell 밀도가 필요하다. 하지만 이는 fill factor의 감소를 가져와 PDE를 저하시킨다. 반면 낮은 micro cell 밀도의 SiPM은 출력 신호가 포화되어 비선형성을 초래하게 된다. 그러므로 이를 해결하기 위해 photon number resolution (PNR) 모델을 사용하여 최적 크기의 micro cell이 계산하였다. 이 모델은 SiPM의 주요 성능변수인 PDE, 비선형성, dark count rate, after pulse, crosstalk이 포함되어 있다. 크기 효과를 PNR 모델에 적용하여 micro cell의 크기에 따른 에너지 분해능을 획득할 수 있었다. 결과적으로 PET 을 위한 최적의 micro cell크기가 결정되었다.
PET-MRI를 위한 SiPM 시제품이 설계되었고, 나노종합기술원(National NanoFab Center, NNFC)의 공정을 적용하여 개발되었다. 연구에서 목표로 하는 시스템은 전신용 MRI 내에 삽입 가능한 뇌 전용 PET 이다. 뇌 전용 PET는 60mm의 축시야와 360mm의 횡시야를 가진다. 이는 수 천 개의 센서를 요하는 구조이므로 본 연구에서는 약 9000개 이상의 SiPM을 공정하고, 테스트하고 패키지 하였다. SiPM의 크기는 of 3 × 3 $mm^2$ 로 p-type epitaxial wafer상에서 n+/p well구조를 가진다. 센서 공정 후 자동화된 측정 장비를 이용해 wafer상 모든 샘플의 I-V특성을 측정하였고, 측정결과 높은 수율과 uniformity를 확보하였다. 이후 각 센서들은 4 × 4 배열로 패키지 되었고, 최종적으로 뇌전용 PET 개발을 위한4608개의 SiPM이 선정되었다.
개발된 SiPM 시제품을 이용하여 MRI 내에 삽입 가능한 뇌전용 PET 을 개발할 수 있었다. PET 시스템은 16%의 에너지 분해능과 3.5ns의 시간분해능, 3mm의 공간분해능, 1.2의 민감도를 가진다. 또한 자기장 호환성 테스트에서는 MRI와 PET 모두 성능 저하가 목격되지 않았다. 최종적으로는 제작된 PET-MRI시스템을 이용하여 phantom 영상뿐 아니라 인체 뇌 영상도 획득할 수 있었다. 이를 통해 PET-MRI검출기로써의 SiPM의 가능성을 확인할 수 있었다.
