As an effective imaging probe in the area of animal models of human disease, gene expression and therapy, and drug discovery and development, small animal PET imaging is being used increasingly. An ideal small animal PET should have a high sensitivity and uniform resolution across the field of view to achieve high image quality. Dual-layer scintillators, so called phoswich detectors, for small animal PET have been developed to measure the depth of interaction and to improve resolution performances. The aim of this study was to optimize the length, order and adhesion condition of the dual layer phoswich detector to achieve high image quality and a high count rate of small PET.
The sensitivity and resolution of a small PET scanner was estimated by Monte Carlo simulation. The proposed scanner is based on dual layer phoswich detector modules arranged in a ring of 10 cm diameter. Each module is composed of 8 x 8 arrays of phoswich detectors consisting of LSO and LuYAP with a 2 mm x 2 mm sensitive area coupled to a 64-channel PMT. The length of the front layer of phoswich detector was varied from 0 to 10 mm at 1 mm intervals, and the total length (LSO + LuYAP) was fixed at 20 mm. The order of the crystal layers of phoswich detector was also changed. Radial resolutions were kept below 3.4 mm and 3.7 mm over 8 cm FOV, and sensitivities were 7.4% and 8.0% for LSO 5 mm-LuYAP 15 mm, and LuYAP 6 mm-LSO 14 mm phoswich detectors, respectively. Whereas, high and uniform resolutions were achieved by using LSO as a front layer scintillator, higher sensitivities were obtained by changing the crystal order.
Simple analytic forms to calculate the optimal length of the phoswich detector were derived by analyzing the most obliquely incident event. For various combinations of front and back layer materials of the phoswich detector, lengths of front layers, which can minimize the effect of depth of interaction on the broadening of the spatial resolution, were estimated and were validated by Monte Carlo simulation.
Since the light outputs of LSO and LuYAP are different, the energy window for photopeak events cannot be applied to LSO/LuYAP phoswich detector appropriately. LSO/LuYAP photopeaks need to be superposed to effectively discriminate scattered events. Inserted materials between LSO and LuYAP crystals with various ratios of coverage and surface conditions were investigated by simulation. Based on the simulation results, single pixel phoswich detectors with and without the inserted material were implemented and the energy spectrum of Na-22 was acquired. The layer of interaction was identified by pulse shape discrimination algorithm. Experimental results agreed well with the simulation results. By covering 75% of the contact surface of crystals using white Teflon, the LuYAP photopeak position increased by 25% and the ratio of LSO/LuYAP photopeak adjusted from 2.7 to 1.0.
In this study, the effects of a dual layer phoswich detector as a function of crystal order and length on depth of interaction capability were characterized and the optimal crystal order and lengths for a 10 cm diameter small animal PET were derived with a view toward achieving high sensitivity and high and uniform radial resolution. It was also demonstrated that scattered events can be more accurately discriminated by superposing photopeaks and the superposition of photopeaks can be achieved by a simple approach, covering the contact surface of phoswich crystals by white Teflon.
소형 동물모델은 생명과학의 발달과 더불어 여러 분야에서 폭 넓게 이용되고 있어 국내에서는 연간 약 400만 마리의 실험동물을 주요대학, 생명과학, 제약회사 등의 연구소에서 사용하고 있는 것으로 추정되며, 세계적으로는 연간 약 5억 마리의 실험동물이 사용되고 있다. 현재 사용하는 대부분의 동물 조직이나 분자 분석기술은 동물을 희생시켜야 하기 때문에 필요 동물의 숫자가 많고 외부 영향을 받지 않은 시스템을 측정하는데 많은 어려움이 있다. 또한, 한 동물에서 시간의 경과에 따른 생물적 변화 과정을 측정하기는 불가능하다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 비침습적이고 반복적으로 체내의 세포나 분자 수준까지 측정 가능한 고민감도, 고해상력을 가진 소형 실험동물용 영상기기와 영상획득 기술사용이 증가하고 있다.
양전자방출단층촬영장치(Positron Emission Tomography; PET)는 양전자방출 방사성동위원소에서 양전자방출 후 소멸반응(annihilation process)에 의해 180도 방향으로 방출된 0.511 MeV에너지를 갖는 두 개의 감마선을 검출하여 영상을 구성하는 장치이며, 현재, 소동물 전용 PET의 상업화 및 새로운 PET 시스템 개발을 위한 연구가 세계적으로 여러 연구진에 의해 지속적으로 수행되고 있고, 점차 그 수가 증가하고 있는 추세이다.
고분해능, 고민감도의 PET 영상을 얻기 위하여 얇고 긴 섬광결정을 이용하거나 검출기 간의 거리를 줄이는 방법이 사용되는데, 이는 스캐너 시야 외곽에 위치한 감마선이 검출기면에 비스듬히 입사하여 섬광결정을 투과하는 비율을 높이게 하므로, 외곽 시야의 공간분해능을 저하시키는 역할을 하게 된다. 이를 개선하기 위하여 감마선이 검출기와 반응한 깊이를 측정하는 방법이 개발되었고, 현재 두 층의 섬광결정을 이용한 반응깊이 측정 검출기에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 소동물 전용 고분해능, 고민감도의 PET 시스템을 개발하기 위해서는 두층 섬광결정의 두께와 종류, 배열 순서 및 접합 방법에 대한 최적화 연구가 필요하다.
본 연구에서는 10 cm의 지름을 갖는 소동물 전용 원형 PET을 설계하고, 몬테카를로 모사방법을 이용하여 반응깊이 측정용 두층 검출기의 섬광결정 두께 및 배열 순서 최적화 연구를 수행하였다. 이를 통하여, 섬광결정의 종류와 두께, 배열 순서에 따른 두층 검출기의 PET영상 공간분해능과 민감도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 복잡하고 수행시간이 많이 걸리는 컴퓨터 모사방법의 단점을 개선하기 위하여, 두층 검출기의 섬광결정 두께를 최적화 할 수 있는 수식을 유도하고, 이를 컴퓨터 모사방법의 결과와 비교, 분석하였다.
최적화 설계된 LSO 5 mm : LuYAP 15 mm의 두층 검출기를 실제 영상획득에 응용하였을 경우, 각 섬광결정의 섬광발생율의 차이로 인해 발생되는 영상의 질과 참계수율의 저하를 개선하기 위하여 두층 검출기의 접합 방법을 최적화하였다. 몬테카를로 모사방법을 이용하여, 두층 사이의 반사체 삽입물의 삽입비율을 최적화하고, 실험을 통하여 검증하였다. 두층 검출기 접합면의 75%를 반사체 처리함으로써 두 섬광결정에서 발생한 섬광발생율의 차이를 보정할 수 있었다.
따라서 본 연구는 반응깊이 측정용 두층 검출기를 기초로 한 소동물 영상용 PET 장치 설계 시, 섬광결정의 종류와 두께 및 성능을 최적화하는 방법뿐만 아니라 영상의 변화정도를 예측할 수 있는 중요한 자료 및 방법을 제공하는데 그 의의가 있다고 하겠다.
