PET-MR 융합영상기기를 위한 실리콘 광증배센서 설계최적화 연구

Abstract

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.