핸드헬드 SiPM 기반 포지션 센시티브 감마 카메라의 임상 적용을 위한 성능 평가

초록

POSiCS 카메라는 350 g 무게의 무선 손목형 감마 카메라로, 99mTc와 177Lu 방사성 표지자를 이용한 라디오 가이드 수술에 최적화되어 있다. 고감도(LEHS)와 고해상도(LEHR) 두 가지 교체식 콜리메이터를 통해 각각 1.9 mm·±0.1 mm와 1.4 mm·±0.1 mm의 외부 공간 해상도를 달성했으며, 2 cm 거리에서 481 cps/MBq와 134 cps/MBq의 감도를 보였다. 에너지 분해능은 140 keV에서 약 20 %이며, 고해상도 콜리메이터는 텅스텐 양이 많아 산란 비율이 다소 증가한다. 실험 결과는 임상 현장에 적용 가능한 밀리미터 수준의 해상도와 충분한 감도를 확인한다.

상세 분석

POSiCS 카메라는 기존의 라디오 가이드 수술용 탐침이 갖는 방향성·정밀도 한계를 극복하기 위해 2차원 이미지를 실시간으로 제공하도록 설계되었다. 핵심 부품은 30 × 30 mm² 크기의 얇은 LYSO:Ce 스캐인트레이터와 3 × 3 배열의 라인리 그레이디드 SiPM(LG‑SiPM)이다. LYSO는 40 ns의 빠른 붕괴 시간과 높은 광출력(≥ 32 000 ph/MeV)을 제공해 140.5 keV(99mTc) 광자를 효율적으로 탐지한다. 또한 176Lu의 자연 방사성으로 인한 배경(≈ 420 cps)은 에너지 윈도우와 보정으로 충분히 억제된다.

LG‑SiPM은 각 마이크로셀을 저항 네트워크에 연결해 전하 분포를 직접 코그(중심점) 계산에 활용한다. 8개의 채널(4 x + 4 y)만으로 2차원 위치를 복원하므로 회로가 간소화되고 무선 전송이 가능하다. 실험에서는 전하 적분 임계값을 설정해 이벤트당 (x, y, E, T)를 전송하고, 후처리 단계에서 픽셀 매핑, 에너지 보정, 균일성 보정을 거쳐 실시간 영상(≈ 1 s 지연)으로 출력한다.

두 종류의 콜리메이터는 각각 저에너지 고감도(LEHS)와 저에너지 고해상도(LEHR) 설계이다. GA‑TE 시뮬레이션을 통해 텅스텐 septa의 두께와 구멍 직경을 최적화했으며, 측면 방사선 차폐를 위해 외부 실드 벽을 추가했다. 결과적으로 LEHS 모드에서는 2 cm 거리에서 481 cps/MBq, LEHR 모드에서는 134 cps/MBq의 감도를 기록했으며, 이는 기존 소형 감마 카메라 대비 2~3배 향상된 수치다.

공간 해상도는 직접 접촉 시 1.9 mm(LEHS)와 1.4 mm(LEHR) FWHM을 보였으며, 이는 픽셀 크기(≈ 1 mm)와 SiPM의 내재 정밀도(수백 µm) 덕분이다. 에너지 분해능은 140 keV에서 약 20 %로, 텅스텐 두께가 큰 LEHR 콜리메이터에서 산란 비율이 증가해 약간 낮아졌다. 177Lu(208 keV, 208 keV, 307 keV 등) 테스트에서는 다중 에너지에 대한 보정이 가능함을 확인했으며, 고에너지 광자에 대한 감도 감소는 예상 범위 내였다.

한계점으로는 콜리메이터의 측면 누설(leakage)이 완전히 제거되지 않아 주변 조직에서 발생한 산란 광자가 일부 이미지에 포함될 가능성이 있다. 또한, LYSO의 내재 방사성으로 인한 배경이 저활동 환자에서 신호 대 잡음비(SNR)를 저하시킬 수 있다. 향후 개선 방향은 콜리메이터 septa 재료 최적화, 배경 보정을 위한 실시간 스펙트럼 분석, 그리고 AI 기반 이미지 복원 알고리즘 도입이다.

전반적으로 POSiCS는 무게 350 g, 무선 전송, 실시간 영상 제공이라는 인체공학적 장점을 유지하면서, 1 mm 수준의 해상도와 500 cps/MBq 이상의 감도를 달성해 라디오 가이드 수술, 특히 SLNB와 ROLL 절차에 실질적인 임상 가치를 제공한다.