KR102380926B1 - 실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 개시의 일 측면에 따른 실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치는 상기 실리콘 광증배기의 캐소드와 애노드 사이에 결합된 차동 증폭기, 상기 차동 증폭기의 출력단에 결합된 전압 증폭기 및 상기 실리콘 광증배기의 애노드 단자에 결합된 연산 증폭기를 포함한다.
본 발명에서 제시한 신호처리회로는 차동 증폭기를 사용하기 때문에, 공통 위상의 노이즈를 제거하여 일반회로와 비교하여 저 잡음, 빠른 상승 시간을 가진 신호를 왜곡 없이 출력할 수 있다. 또한, 고주파대역 특성을 가지므로, 시간 분해능을 향상시킨다. 또한 이를 통해, LOR(line of response)에서 방사선 이벤트 발생 지점에 대한 예측 범위를 제한함으로써 신호대 잡음비를 향상시키고 영상의 이미지 품질을 향상시킬 수 있다. 추가적으로 에너지와 타이밍 정보를 따로 나누어 출력하여 서로 간의 간섭과 왜곡을 최소화하였고 결과적으로 개선된 시간 분해능과 에너지 분해능을 확인할 수 있다.

Description

실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치{SIGNAL PROCESSING DEVICE FOR PROCESSING SIGNALS FROM SILICON OPTICAL MULTIPLIERS}

본 발명은 양전자방출단층촬영(Positron Emission Tomography, PET) 등에서 실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치에 관한 것이다.

최근 들어 널리 활용되고 있는, 여러 종류의 방사선 의료 영상 기기의 경우 방사선을 검출하여 광신호로 변환하고, 변환된 광신호를 이용하여 대상체에 대한 영상신호를 획득한다. 양전자방출단층촬영은 방사성동위원소에서 양전자가 방출직후에 전자와 결합하여 쌍소멸할 때 180도 반대방향으로 방출하는 두 개의 감마선을 원형으로 배열되어 있는 검출기로 검출하는 방식을 이용한다. 이 때 180도 방향으로 배치되어있는 두 개의 검출기가 검출한 감마선의 시간 차이를 시간분해능이라고 하며, 우수한 시간분해능을 측정할 수 있게 될 경우 TOF(Time of Flight) 기술을 적용할 수 있게 된다. TOF 기술은 쌍소멸 반응 발생 지점(방사선 이벤트 발생지점)을 추정할 수 있어 신호대잡음비를 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

빠르고 우수한 시간분해능을 얻어 TOF 기술을 적용하기 위해서는 빠르고 정확한 검출기를 사용해야 하며, 이때 검출기의 신호 잡음을 최소화하고 검출 신호의 손실이나 왜곡을 최소화하여 출력해야 한다. 즉, 빠른 상승시간을 가지는 무기섬광체와 고속의 응답 및 신호 출력 속도를 가지는 실리콘 광증배기로 구성된 양전자 단층촬영기의 검출기에서 시간분해능을 향상시키기 위해서는 검출기에서 발생하는 신호를 저잡음 형태로 손실이나 왜곡 없이 출력할 수 있는 신호 처리회로가 필요하다. 하지만 일반적인 고속증폭기로 구성되어 있는 신호처리회로는 높은 잡음레벨, 느린 슬루율, 낮은 주파수 대역 특성으로 인한 빠른 신호 손실 및 왜곡 등의 단점을 가지고 있다. 이러한 일반적인 신호처리회로(Conventional readout board)를 이용할 경우 검출기의 빠른 상승신호를 검출해 내지 못하고 결과적으로 양전자 단층 촬영기의 시간분해능이 저하되는 문제가 발생한다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근에 개발된 발룬 트랜스포머(balun transformer)와 전력 증폭기를 이용한 신호처리회로는 빠른 신호출력과 넓은 주파수 대역을 포함하여 개선된 시간분해능 결과를 보여주지만, 인덕터로 이루어져 있어 추가적인 차폐 없이 이용할 경우 주변에서 발생하는 주파수나 외부 잡음으로부터 취약하다는 단점을 가지고 있다.

미국 등록 특허 제9513386 호 (발명의 명칭: A neural network-based corrector for photon counting detectors)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 광증배기에 차동모드 방식과 고주파 특성을 이용한 신호처리회로를 제공하여, 출력 신호의 상승시간을 짧게 할 수 있도록 개선하는 것을 기술적 과제로 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 일 측면에 따른 실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치는 상기 실리콘 광증배기의 캐소드와 애노드 사이에 결합된 차동 증폭기, 상기 차동 증폭기의 출력단에 결합된 전압 증폭기 및 상기 실리콘 광증배기의 애노드 단자에 결합된 연산 증폭기를 포함한다.

전술한 본원의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명에서 제시한 신호처리회로는 일반회로와 비교하여 차동 증폭기를 사용하여 저 잡음신호를 출력하여 신호에 대한 잡음비의 성능을 향상시킨다. 또한, 고주파대역 특성을 가지므로, 빠른 상승 시간을 가진 신호의 왜곡을 최소화하여 출력할 수 있으므로 결과적으로 시간 분해능을 향상시킨다. 이를 통해, 방사선 이벤트 발생 지점에 대한 예측 범위를 제한함으로써 영상이미지의 SNR과 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 PET 장치에서의 영상을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 PET 장치에서의 영상을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

PET는 체내의 방사성의약품으로부터 양전자가 주변의 전자와 결합하여 쌍소멸 반응(annihilation)을 함으로써 180 °의 각도로 한쌍의 511 keV의 감마선을 방출한다. 이때, PET는 방출된 511keV의 감마선을 동시계수 검출 방법을 이용하여, 생체내의 방사성의약품 분포를 단층영상으로 만들어 낸다.

섬광결정은 광센서의 전면에 결합하여 감마선을 빛으로 변환하는 역할을 하며, 이때, PET 검출기는 섬광결정과 광센서로 이루어진다. 다음으로, 광센서는 PMT, SiPM등을 사용하며 섬광결정 픽셀과 일대일로 대응되어 결합되고, 섬광결정에서 방출되는 빛을 전기신호로 변환, 증폭하는 역할을 한다. 검출기에서 전기적 신호로 변환된 감마선 신호는 멀티플렉싱, 증폭 등의 신호처리를 거친 후 DAQ(Data acquisition)에서 ADC를 통해 에너지 정보를 획득한다. 이후, 비교기를 통과한 아날로그 신호는 TDC(Time to digital converter)의 트리거 신호로 동작하여 TDC를 통해 감마선 검출 시간을 측정하여 컴퓨터에 저장하게 되고, 이를 기반으로 단층 영상을 생성한다.

PET에서는 쌍소멸 이벤트 발생후 동시계수 이벤트를 최대한 정확히 검출 해내기위해, 에너지와 시간 정보를 사용한다. 이때, 시간 정보가 더 빠르게 측정될 경우 TOF 기술을 적용할 수 있게 된다. TOF(Time of Flight) 기술은 기존 PET보다 영상의 질을 향상시켜주고 촬영시간을 줄여 주는 장점을 가진 것으로 알려져 있다.

한 쌍의 검출기에서 감마선이 검출된 시간을 각각 t1, t2라 하고 빛의 속도를 c라고 했을 때, 다음 수식(1)을 이용하여 방사선의 쌍소멸 반응이 발생한 위치 Δx를 추정할 수 있다.

(Δx : 중점으로부터의 이벤트 반응 위치, c : 빛의 속도, t1, t2 : 검출기 도착 시간)

이때, 정확한 이벤트 반응 위치를 특정하기 위해서는 Δt를 정확하게 산출하는 것이 중요하고, 이를 측정하기 위해서는 검출기가 검출하는 신호의 타이밍 정보의 정확도가 중요하다.

즉, 신호간의 시간 분해능이 향상되어야 하는데, 이를 위해서는 출력신호의 노이즈가 없거나 그 노이즈 레벨이 낮아야 하고, 빠르게 출력이 가능 해야 하고, 빠른 상승 시간을 가진 신호로 출력해야 하며, 출력되는 신호들에 대해 왜곡을 줄이고 카운트 손실을 줄여야한다.

본 발명에서는 이러한 목적을 달성하기 위해 새로운 구조의 신호 처리 회로를 제공하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 신호 처리 장치(10)는 실리콘 광증배기(100), 실리콘 광증배기(100)의 캐소드와 애노드 사이에 결합된 차동 증폭기(120), 차동 증폭기(120)의 출력단에 결합된 하나 이상의 전압 증폭기(130, 140), 실리콘 광증배기(100)의 애노드 단자에 결합된 연산 증폭기(150)를 포함한다. 또한, 실리콘 광증배기(100)의 캐소드와 차동 증폭기(120)의 일측 단자 사이에 결합된 제 1 커패시터(110), 실리콘 광증배기(100)의 애노드와 차동 증폭기(120)의 타측 단자 사이에 결합된 제 2 커패시터(112), 실리콘 광증배기(100)의 애노드와 연산 증폭기(150) 사이에 결합된 제 3 커패시터(114)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전압 증폭기(130, 140)와 연산 증폭기(150)의 출력단에 접속된 커패시터(116, 118)를 더 포함할 수 있다. 또한, 직사각형으로 표시된 소자는 저항 소자를 나타내는 것으로, 각각의 값은 응용 회로에 따라 사용자가 적절히 설계할 수 있다.

차동 증폭기(120)는 실리콘 광증배기(100)의 캐소드와 애노드 사이에 결합되어, 서로 반대되는 극성을 가진 두 신호를 합함으로써, 캐소드에서 출력되는 신호와 애노드에서 출력되는 신호에서 같은 위상에 존재하는 공통적인 잡음을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 고주파대역의 특성을 이용하여 빠른 상승시간을 가진 신호를 왜곡이나 손실을 줄여 시간 분해능을 개선시킬 수 있고, 피드백 전압증폭기를 이용하여 추가적인 차폐를 사용하지 않아도 외부의 잡음의 영향을 최소화할 수 있다.

차동 증폭기(120)에서 출력된 신호는 전압 증폭기(130, 140)에 의해 증폭되어 충분한 진폭을 가진 신호로서 출력된다.

이때, 차동 증폭기(120)를 통해 전압 증폭기(130, 140)에서 출력되는 신호는 실리콘 광증배기(120)에서 검출된 신호의 타이밍을 판단하는데 활용되고, 연산 증폭기(150)에서 출력되는 신호는 실리콘 광증배기(120)에서 검출된 신호의 에너지를 판단하는데 활용된다.

PET 에서는 에너지와 타이밍 정보를 하나의 출력신호에서 획득하지 않고, 따로 나누어 획득하고 각각 다르게 활용된다. 에너지 정보는 특정 에너지 값(예를 들면 PET 감마선 에너지(keV)에서는 511 keV값을 이용한다)을 만족하는 에너지 대역에 대해 에너지 윈도우를 걸어 주기 위함이다. 따라서 에너지 신호는 실리콘 광증배기로부터 나오는 신호를 최대한 변형 없이 전체 신호를 있는 그대로 출력해야 한다. 이와 달리, 타이밍 정보는 에너지 윈도우를 설정해주었을 때 해당 에너지 값에서 출력되는 신호를 이용하여 시간 차이를 최소화하고 정확하게 측정해야 하기 때문에 최대한 빠른 상승 시간과 짧은 하강시간의 신호로 출력해야 한다. 따라서, 에너지 정보와 타이밍 정보는 이용하는 목적이 다르고 그에 따라 출력하는 신호의 모습도 달라진다. 그렇기 때문에 시간 분해능만 좋아야 하는 것이 아닌 에너지 분해능 또한 우수해야 정확한 에너지 윈도우를 걸어 줄 수 있고 그에 따라 쌍소멸 이벤트 발생후 동시계수 이벤트를 최대한 정확하게 검출해 낼 수 있게 된다.

제 1 커패시터(110) 및 제 2 커패시터(112)는 그 값이 커질수록 고주파 성분의 신호를 잘 통과시키는 역할을 수행한다. 이에 따라, 빠른 상승 시간을 가진 신호를 손실없이 차동 증폭기(120)로 전달해 줄 수 있다. 또한, 커패시터(110, 112)는 실리콘 광증배기(100)로부터 출력되는 과전압(high voltage)을 차단하여, 차동 증폭기(120)와 전압증폭기(130, 140)를 과전압으로부터 보호한다. 또한, 제 3 커패시터(114)는 실리콘 광증배기(100)로부터 출력되는 과전압을 차단하여, 연산 증폭기(150)를 과전압으로부터 보호한다. 또한, 커패시터(116, 118)는 그 값의 조절에 따라 신호의 진폭과 하강 시간을 조절할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 차동 증폭기(120)를 이용하므로, 종래 기술 대비하여, 저 잡음이면서 빠른 상승 시간을 갖는 신호를 출력할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 신호 처리 장치에서 획득한 에너지 스펙트럼 카운트와 에너지 분해능을 분석한 결과를 비교한 것으로, 본 발명의 경우 보다 정확한 에너지 분해능을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도5는 실리콘 광증배기에 인가되는 전압의 변화에 따른 시간 분해능 결과를 도시한 것으로, 본 발명이 전체적으로 더 정확한 시간 분해능을 가진 것임을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 실리콘 광증배기에 대한 최적 인가 전압 선정 후 문턱 전압(Leading edge threshold) 값의 변화에 따른 시간 분해능 결과를 도시한 것으로, 본 발명이 전체적으로 더 정확한 시간 분해능을 가진 것임을 확인할 수 있다. 그리고 종래의 일반적인 회로와 비교하여 문턱 전압(Leading edge threshold) 값의 변화에도 균일한 시간 분해능 결과를 보여준다.

본 발명의 신호 처리 장치를 통해 출력된 신호를 이용하여 영상 재구성을 수행하는 과정은 종래 기술과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 신호 처리 장치
100: 실리콘 광증배기
120: 차동 증폭기
130, 140: 전압 증폭기
150: 연산 증폭기

Claims (5)

1. 실리콘 광증배기의 신호를 처리하는 신호 처리 장치에 있어서,
   상기 실리콘 광증배기의 캐소드와 애노드 사이에 결합된 차동 증폭기,
   상기 차동 증폭기의 출력단에 결합된 전압 증폭기 및
   상기 실리콘 광증배기의 애노드 단자에 결합된 연산 증폭기를 포함하는, 신호 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐소드와 상기 차동 증폭기의 일측 단자 사이에 결합된 제 1 커패시터, 상기 애노드와 상기 차동 증폭기의 타측 단자 사이에 결합된 제 2 커패시터 및 상기 애노드와 상기 연산 증폭기 사이에 결합된 제 3 커패시터를 더 포함하는, 신호 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 차동 증폭기에서 출력된 신호의 타이밍 정보는 감마선이 발생하는 쌍소멸 반응 발생 위치를 검출하는데 사용되는 것인, 신호 처리 장치.
4. 제 1 항의 신호 처리 장치를 포함하는 방사선 검출기.
5. 제 1 항의 신호 처리 장치를 포함하는 방사선 영상 생성 장치.

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