총괄

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 제3세부

   제3세부과제 : 고감도 감마선 핵영상

연구목표

연구내용

연구목표

  본 세부과제에서는 투과성이 우수한 감마선을 이용, in vivo에서 생체분자의 거동을 영상화하고, 이를 통해 생체분자들의 거동과 기능을 직접적으로   조사할 것이다. 이를 위해 감마선궤적 추적기술에 기반한 신개념 고감도 감마선 핵영상 기술을 개발할 것인데 이는 분자생물학적으로나 의학적으로   가치가 매우 높은 것이다. 본 목표의 성공적 달성을 위해 1단계에서는 고감도 감마선 핵영상기술의 개발을 위한 기반연구로서 고감도 위치민감형 감   마선계측기법 및 3차원 감마선궤적 추적기술 연구와 고해상도 영상획득에 필요한 핵심요소파악 연구를 진행할 계획이며, 2단계에서는 전 단계의 기반   연구에서 파악된 핵심요소들에 대한 최고수준의 기술을 구현하는 원천기술 개발연구가 진행될 계획이다. 3단계에서는 고감도 감마선 핵영상 시스템   을 완성하고 이를 이용한 분자생물학 및 의학적 응용연구를 수행할 계획이다.

  연구내용

  [1단계: 고감도 감마선 핵영상 기반연구]

  ● 고감도,고해상도 위치민감형 감마선분광기법 연구

   전기적 집속에 기반한 감마선 핵영상 기술은 영상특성이 감마선계측정보(반응에너지, 반응위치)의 정확성에 의존하므로 분자수준의 핵영상의 구현    을 위해서는 감마선계측정보의 정확성을 극대화해야한다. 현재 감마선계측 기술의 수준은 반응위치오차의 경우, 전극크기에 의존하여 1 mm정도가    가장 완성도 수준이며, 반응에너지오차의 경우는 반도체 검출기의 특성에 의존하여 0.3% (High-purity germanium)가 최고수준이다. 그러나 다채널    시스템의 경우 에너지 분해능은 각 전극의 초단신호처리회로의 간섭 등으로 인해 0.5% 정도를 나타낸다. 현재의 감마선 계측성능에 의해 얻어지는    영상 해상도의 한계는 5 mm정도이다. 이를 극복하기 위해 반응위치 및 반응에너지 오차를 최소화하는 연구를 수행할 계획이다. 본 연구에서 시도하    는 방법은 디지털 신호계측과 반응위치에 따른 신호파형변화에 기반을 둔 디지털 신호파형분석기술이다. 검출기 전극 신호를 직접 고해상도 Flash    ADC를 이용, 초단신호처리회로 없이 데이터로 저장하기 때문에 신호처리회로간의 간섭에서 벗어날 수 있다. 신호파형의 분석은 신경회로망기법    (Artificial Neural Networks)과 기대치 최대화기법(Expectation Maximization)기법 등을 이용하므로 신호에 침범한 white noise의 영향을 피할 수    있다. 본 연구에서 달성하고자 하는 반응에너지 및 반응위치 오차는 각각 0.2%미만, 0.5 mm 수준으로서, 목표 달성시 1 mm수준의 영상해상도를 얻    을 것으로 예상한다.

  ● 감마선궤적 추적기술 연구

   감마선 핵영상의 감도는 기본적으로 산란부 검출소자의 컴프턴 산란확률과 흡수부 검출소자에서의 완전 광전흡수 반응확률에 의존하기 때문에 단일    컴프턴 산란후 광전흡수반응으로 흡수된 이벤트만이 유효한 영상이벤트로 활용되게 된다. 그러나 실제로는 산란부와 흡수부에서의 다중산란 후 흡수    되는 이벤트와 다중산란 후 검출기로부터 이탈하는 이벤트가 존재하며 감마선 에너지가 높아질수록 이벤트 수는 급격히 증가하게 된다. 이러한 이벤    트를 모두 유효한 영상이벤트 활용할 수 있다면 현재 10-4 ~ 10-5 정도인 감마선 핵영상기술의 영상감도는 10-3 정도로 10~100배가량 향상시킬 수    있을 것으로 본다. 이를 위해 본 연구진은 파형분석기술과 컴프턴산란 kinematics를 이용, 산란시퀀스의 결정을 통해 감마선궤적을 추적하는 감마선    산란궤적 추적알고리즘을 연구할 계획이다.

  ● 고감도,고효율의 혼성 모드 신호처리 연구

   감마선 핵영상의 감도향상을 위해서는 검출소자에서 발생한 전하 형태의 신호를 검출 시스템 내부 잡음을 150 eV 이하로 최소화하고 전치 증폭기의    출력 신호를 비선형성 0.1 % 이하로 달성해야 한다. 전치 증폭기는 1000 eV 이하의 신호를 증폭하기 위해 적분기 구조를 갖는데 이 때 신호의 손실을    줄이기 위하여 10-6 초 수준의 RC Time Constant가 요구되며 집적회로에서 구현하기 위해 일반적으로 전류 거울을 이용해 저항 값이 실제보다 큰    값으로 동작하는 원리를 이용한다. 하지만 내부 발생 잡음을 150 eV 이하로 줄이기 위하여 10-9~10-6 암페어의 급의 매우 낮은 전류 바이어스를 사    용할 경우 전류 거울의 출력 저항성분이 입력 신호의 크기에 따라 변하여 전치증폭기의 비선형성이 크게 증가한다. 전류 거울의 출력 저항성분은 출    력을 담당하는 트랜지스터의 gm (Trans-conductance)에 의존하므로 gm에 대한 영향을 억제 시켜야한다. gm을 일정하게 유지할 수 있는 Constant    gm Method의 적용하여 잡음을 억제하면서 선형적 특성을 유지할 수 있는 전치 증폭기를 연구할 것이다. 기존의 다채널 핵영상 구성 시스템은 탑재    된 A/D 변환기의 수를 줄이기 위하여 1개의 A/D 변환기를 다수의 채널이 공유하는 방식을 채용하였다. 하지만 이 방식은 다수의 채널 중 하나의 채    널에서만 신호가 발생하여도 모든 채널을 읽어내 출력 데이터가 채널 수 만큼 배가 된다는 단점이 있다. 이러한 단점은 DAQ (Data Aquisition    System)에 부담을 크게 주고 불필요한 데이터로 인하여 Image Reconstruction에 걸리는 시간을 크게 증가시키는 결과를 낳는다. 따라서 각 채널과    A/D 변환기 사이에서 채널 별 신호를 Trigger하여 디지털 코드로 변환 후 유효 데이터가 존재하는 채널만을 선별할 수 있는 SCC (Smart Coincident    Circuit)를 연구할 계획이다.