소동물 SPECT 시스템을 위한 LGSO 연속 크리스털 및 마이크로 평행 구멍 콜리메이터 설계 최적화

초록

본 연구는 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용해 50 mm × 50 mm 면적의 단일 LGSO(라이트 가이드 세라믹 옥사이드) 크리스털과 마이크로 평행‑구멍 콜리메이터를 최적 설계함으로써, 저비용·소형·합리적 성능을 갖는 소동물 SPECT 시스템을 구현하고자 하였다. I‑125와 Tc‑99m 방사선원을 대상으로 두께, 표면 처리(광택 vs. 거칠음), 콜리메이터 길이 등을 변수로 삼아 내재 효율, 공간·에너지 해상도를 평가하였다. 최적화 결과, 1 mm 두께는 I‑125, 3 mm 두께는 Tc‑99m에 충분한 검출 효율을 제공하고, 광택 표면이 약 540 µm의 내재 공간 해상도를 달성한다. 최종 4‑헤드 시스템은 ~1 mm 공간 해상도와 ~100 cps/MBq 민감도를 얻었으며, 1 mm 직경의 핫로드를 명확히 구분하였다.

상세 요약

이 논문은 소형 동물용 SPECT 시스템의 핵심 검출 모듈을 저비용으로 구현하기 위해, 기존에 널리 사용되는 NaI(Tl) 대신 고밀도·고효율 LGSO(라이트 가이드 세라믹 옥사이드) 단일(모노리식) 크리스털을 채택한 점이 가장 큰 특징이다. 50 mm × 50 mm 면적의 크리스털을 선택한 이유는 시스템 전체의 감시 영역을 충분히 커버하면서도 광학적 전송 손실을 최소화하기 위함이며, 두께 변수(1 mm, 2 mm, 3 mm)를 통해 저에너지 I‑125(27 keV)와 중에너지 Tc‑99m(140 keV) 두 종류의 방사선원에 대한 검출 효율을 정량적으로 비교하였다. Monte Carlo 시뮬레이션 결과, 1 mm 두께는 I‑125 광자를 85 % 이상 흡수하지만 Tc‑99m는 40 % 미만에 머물러, 실제 임상·연구용 영상에서는 3 mm 두께가 필요함을 확인했다.

표면 처리에 관한 실험에서는 광택(polished)과 거칠음(rough) 두 가지 경우를 광섬유와 같은 광자 전파 모델로 시뮬레이션하였다. 광택 표면은 미세면(표준편차 0.1°)을 적용해 내부 전반사와 총 내부 반사를 최적화했으며, 결과적으로 광자 손실이 적어 빛 출력이 낮지만 공간 해상도가 540 µm 정도로 크게 향상되었다. 반면 거칠음 표면(표준편차 6.0°)은 광자 산란을 증가시켜 빛 출력은 높지만, 광점 확산으로 인해 공간 해상도가 약 650 µm로 저하되었다. 따라서 고해상도 영상이 요구되는 경우에는 광택 처리가 바람직함을 제시한다.

에너지 해상도 측면에서는 I‑125와 Tc‑99m 각각 36.9 %와 19.1 %를 기록했는데, 이는 LGSO의 높은 비례계수와 광자 수집 효율이 NaI(Tl) 대비 다소 낮은 편이지만, 다중광전관(Multi‑PMT) 배열(16 × 16 픽셀, 각 픽셀 2.8 mm × 2.8 mm, 피치 3.04 mm)과 1.5 mm 두께의 유리 윈도우를 최적화함으로써 보완하였다.

콜리메이터 설계에서는 마이크로 평행‑구멍(구멍 직경 100 µm, 벽 두께 30 µm) 배열을 사용했으며, 길이를 10 mm에서 20 mm까지 변화시켜 시스템 전체 민감도와 공간 해상도의 트레이드오프를 분석하였다. 최적 길이(약 15 mm)에서는 콜리메이터 투과율이 0.8 % 수준이면서도 1 mm 이하의 공간 해상도를 유지했으며, 4‑헤드 구성을 통해 전체 민감도가 약 100 cps/MBq에 도달했다.

최종 검증으로 초소형 핫스팟(핫로드) 팬텀을 시뮬레이션했을 때, 직경 1.0 mm의 로드가 명확히 구분되었으며, 이는 기존 소형 동물 SPECT 시스템(보통 1.5–2 mm 해상도) 대비 현저히 향상된 성능을 의미한다. 전체적으로 비용 효율적인 부품(단일 LGSO, 저가형 PMT, 마이크로 콜리메이터)과 정밀 시뮬레이션 기반 설계 최적화를 결합함으로써, 고해상도·고민감도 소동물 SPECT 시스템을 실현할 수 있음을 입증하였다.