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학위논문 상세정보

고해상도, 고민감도의 분자영상을 위해 와블 샘플링하는 전신-뇌 가변 PET의 하드웨어 개발 : Hardware Development of the Brain-to-Body Convertible PET with Wobble Sampling for High Resolution and High Sensitivity Molecular Imaging 원문보기

  • 저자

    권대혁

  • 학위수여기관

    가천대학교 대학원

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    의과학

  • 지도교수

    조장희

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    135 p.

  • 키워드

    Positron emission tomography (PET) convertible PET high-sensitivity wobble sampling high-resolution continuous wobbling;

  • 언어

    eng

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13537389&outLink=K  

  • 초록

    양전자 방출 단층촬영기 (PET)은 생체 조직 내 물질대사에 따른 분자의 기능과 그 양상에 대한 정보를 제공하는 의료영상기술이다. PET 연구의 주된 목표는 PET 영상장치로 촬영대상의 상세하고 고품질의 영상을 얻는 것이다. PET 시스템의 성능을 평가하는 몇 가지 요소들 중, 공간 해상도와 민감도는 영상의 질에 매우 중요하다. 이 두 요소들을 동시에 향상시키기 위해 뇌에서 전신까지 동시에 촬영할 수 있는 변환 가능한 시스템 직경을 갖고 와블 샘플링하는 PET이 개발되었다. 4.3 × 3.85 × 20 mm3 의 크기를 갖고 8 × 8 배열의 크리스탈로 구성된 검출기는 4 × 4 배열의 실리콘 광증배소자와 일대일로 각각 결합되어있다. 검출기 소재는 LYSO이다. 기하학적 민감도를 증가시키기 위해 상용 PET에서는 고정되어 있는 시스템 직경이 검출기 헤드와 결합되어 있는 10개의 서보 모터를 사용하여 변경된다. 417mm의 검출기 고리 직경을 갖는 뇌촬영 모드는 서보 모터들이 10개의 검출기 헤드만으로 하나의 검출기-고리를 이루는 거리만큼을 지름 방향으로 움직일 때 만들어진다. 855mm의 검출기 고리 직경을 갖는 전신촬영 모드는 모터들이 추가적인 10개의 고정된 검출기 헤드들과 함께 하나의 검출기-고리가 형성되는 위치로 다시 되돌아갔을 때 완성된다. 와블링은 데이터의 획득이 전체 검출기 고리가 어떤 작은 원형 궤도 안에서 움직이는 동안 그 원형 궤도 둘레의 불연속적인 몇 개의 위치에서 이루어지는 샘플링 기법이다. 이 기법은 4개의 서보 모터들의 선형 운동의 조합을 이용하는 스테이지 기술에 의해 구현되었다. 이러한 불연속적인 와블링에 더해, 연속 와블링을 위한 하드웨어 시스템이 개발되었다. 그 중 와블위치 기록시스템은 영상 재구성에 사용되는 와블 위치데이터를 데이터 획득 시간동안 연속적으로 수집한다. 뿐만 아니라 이 연구에서는 연속 와블링을 위해 데이터 획득의 효율을 향상시키는 FPGA의 설계기반을 마련하였다. 영상장치의 원형이 2014년 가천대학교, 뇌과학연구소에 설치되었고 방사성 소스와 다양한 팬텀들을 이용하여 공간 해상도와 민감도, 시스템 정밀도와 안정성에 대해 평가되었다. 특히 와블 샘플링의 효과를 알아보기 위해 고해상도 연구용 단층촬영기 (HRRT)에 의해 얻어진 영상들과 비교되었다. 그리고 연속 와블링의 효과를 예상해보기 위해 다양한 와블위치의 개수를 갖는 각 와블궤적에서 얻어진 실제 데이터로부터 재구성된 영상들이 서로 비교되었고, 모의실험도 두 가지의 PET 모델에서 각각 실행되었다. 더불어 개발된 와블위치 기록시스템과 FPGA 알고리즘의 성능도 검사되었다. 기하학적 민감도에 비례하는 입체각에 대한 수치적 모의실험을 통해 뇌촬영 모드의 입체각이 전신촬영 모드에 비해 약 2배정도 크다는 것을 알 수 있었다. 그리고 공간 해상도에 대한 분석에서 두께 10mm의 원통형 아크릴 구조물에 2mm 직경을 갖고, 구멍과 구멍 사이의 거리가 각각 2mm, 1.5mm, 1mm로 일정하게 떨어져 뚫린 여러 구멍을 갖는 팬텀의 PET영상에서는 와블링 PET으로 얻었을 경우 매우 잘 구별되지만 HRRT로 얻은 영상은 팬텀 내 구멍들이 구별되지 않거나 구별되더라도 영상이 좋지 않았다. 한편 1.5mm 직경을 갖고, 구멍과 구멍 사이의 거리가 각각 1.5mm인 다른 팬텀을 와블 위치의 수를 증가시키며 촬영했을 때, 그 피검체들이 재구성된 영상에서 분명하게 구별되기 위해서는 적어도 16개의 와블위치를 갖는 와블링 궤적을 통해 얻어져야 했다. 이것은 연속 와블링의 효과를 알아보기 위한 모의실험을 통해 알 수 있었는데 피사체를 재구성하는데 필요한 최소의 샘플링 조건을 만족하는 반응선(LOR)의 수가 와블위치의 수가 증가할수록 점점 증가했기 때문이었다. 이번 연구는 와블 샘플링하는 뇌-전신 가변 PET이 피사체의 크기에 따라 기하학적 민감도를 증가시킬 뿐만 아니라 검출기 고유의 해상도(intrinsic resolution)에 이르는 매우 높은 공간 해상도를 구현할 수 있음을 보여주었다. 그리고 연속 와블링의 가능성을 몇몇 모의실험과 구현된 하드웨어 시스템을 통해 볼 수 있었다. 하지만 연속 와블링을 완전히 구현하기 위해 이를 위한 영상 재구성 방법과 데이터 획득의 효율을 높이기 위한 FPGA 알고리즘에 대한 후속 연구가 더 필요하다.


    Positron Emission Tomography (PET) is a medical imaging technique to provide functional and molecular modalities according to metabolism in living organisms. A major goal of the PET studies is to obtain an excellent quality and detailed image of an object by the PET scanner. Among several factors to evaluate the performance of PET system, the spatial resolution and sensitivity are very important to image quality. To improve simultaneously these factors, the brain-to-body convertible PET with wobble sampling was developed. The detector blocks consist of 8 × 8 single crystals with dimensions of 4.3 × 3.85 × 20 mm3 and are arranged in a 1:1 coupling design with 4 × 4 array silicon photomultiplier (SiPM). The detector material is the scintillator cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate (LYSO). To increase the geometric sensitivity, the system diameter which has been fixed in the commercial PET is altered using ten servomotors combined with detector head. The brain mode with the detector ring diameter of 417mm is completed when the servomotors move in the radial direction as much as the distance that forms a detector-ring by only ten detector heads. The body mode with the detector ring diameter of 855mm is completed when the motors back to the position that a detector-ring is formed together with an additional ten fixed detector heads. The wobbling is the sampling technique that the data acquisition is performed at a number of discrete points around the wobble circle while the entire detector ring moves in a small circular path. This technique was implemented by the stage technology using the combination of the linear motion of four servomotors. In addition to the discrete wobbling, the hardware system for the continuous wobbling was developed. The wobble position log system can collect the wobble position data used to image reconstruction for acquisition time continuously. Furthermore, the design foundation of the field programmable gate array (FPGA) to improve the efficiency of data acquisition (DAQ) for continuous wobbling was built up in this study. A prototype of the scanner was installed at the Neuroscience Research Institute (NRI), Gachon University in 2014 and was evaluated with respect to system accuracy, stability, sensitivity, and spatial resolution using radioactivity sources and various phantoms. Especially, phantom studies were compared with images obtained by the high resolution research tomogragh (HRRT) in order to investigate the effect of wobble sampling. To estimate the effect of continuous wobbling, the reconstructed images of the real data obtained with various wobble points were compared and the simulations were also performed in two PET models. Finally, the wobble position log system and FPGA algorithm were implemented and tested. The numerical simulation for the solid angle covering the field-of-view (FOV) which is proportional to geometric sensitivity showed the one for brain mode is about two times in comparison with body mode. In the analysis of the spatial resolution, the phantoms with rod diameters of 2mm and hole-to-hole spacing of 2mm, 1.5mm, and 1mm were hardly distinguishable in the images obtained with wobbling PET, while the HRRT showed poor images compared to wobbling PET although the detector size of the HRRT is smaller than the one. The phantom with rod diameter of 1.5mm and hole-to-hole spacing of 1.5mm begun to distinguish clearly in the reconstructed images when the number of wobble point reached to 16. The simulations which were performed to investigate the effect of continuous wobbling showed that the number of line-of-response (LOR) satisfying sampling requirement is increased gradually according to increase of wobble point. This study demonstrates that the Brain-to-Body convertible PET with wobble sampling can definitively increase geometric sensitivity according to object size and visualize ultra-high spatial resolution reaching up to intrinsic resolution. Furthermore, the potential of continuous wobbling was showed through several results from simulations and implemented hardware system. Further studies on the image reconstruction and the FPGA algorithm for DAQ efficiency are required to realize a complete system for continuous wobbling.


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