KR20100070605A - 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기가 제안된다.
[화학식 1]
Bi4(Ge1-xSix)3O12
상기 화학식 1에서 0 < x < 1
본 발명에 따르면, 민감도는 저하되지 않으면서도 공간 분해능이 더 증가된 고에너지 방사선 검출기를 구현할 수 있다.
고에너지 방사선 검출기, 단결정, BGO, BGSO
Description
본 발명은 의료용 장비 등으로 널리 쓰이는 영상 기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵의학 영상 기기 중에서 양전자 방출 단층 촬영(Positron Emission Tomography, PET) 장치를 위한 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기에 관한 것이다.
PET는 X선 전산화 단층 촬영(Computerized Tomography, CT), 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(Single Photon Emission Computerized Tomography, SPECT)과 같이 방사선을 이용한 단층 촬영으로서, 통상적으로 연구 및 진단을 위하여 생체 내에 양전자를 방출하는 방사성 시료를 정맥 주사 또는 흡입에 의해 주입한 후 이를 검출함으로써 이물질의 체내 분포를 영상화하는 기술이다. 예를 들어, 일부 암세포는 다른 세포보다 포도당을 더 많이 축적한다는 사실에 기초하여 반감기가 약 110분인 방사성 동위원소 F18를 포도당에 결합한 FDG가 암세포의 추적에 이용되는 것과 같다. 이와 같이 PET는 인체의 물질 대사 연구, 암진단, 심장 및 신경 계통의 이상 등 여러 가지 질병의 진단 및 연구에 사용되고 있다.
양전자 방출 핵종은 주로 핵의 중성자 수가 다소 많은 불안정한 동위 원소로서, PET에 주로 이용되는 O15, N13, C11, F18 등과 같은 핵종들은 양전자를 방출함으로써 안정화된다. 인체 내에서 양전자 방출 핵종으로부터 방출된 양전자는 근처의 전자와 결합하는 과정을 거치며, 결합된 양전자 및 전자가 소멸(annihilation)하여 γ-선을 방출시킨다. 질량-에너지 등가 원리와 관계된 에너지 보존 법칙 및 운동량 보존 법칙에 따라서 정지 상태에 이른 양전자는 근처의 전자와 결합하여 서로 반대 방향으로 방출되는 511 keV 에너지를 가지는 소멸 γ-선으로 변환된다.
반대 방향으로 방출되는 한 쌍의 γ-선을 검출하여 이를 분석함으로써 γ-선의 발생 위치를 결정할 수 있으며, 결과적으로 γ-선의 발생 빈도, 즉 표지된 시료의 축적 농도를 공간 위치 좌표의 함수로서 구할 수 있고, 그 결과를 디스플레이 수단 등을 이용하여 나타내면 피검자 인체내의 방사성 핵종의 분포를 알 수 있다.
일반적으로 PET에 사용되는 고에너지 방사선 검출기에서는 감마선이 섬광 결정에 대해서 비스듬하게 입사되어 시차 오류(parallax error)가 발생하게 되고, 이로 인하여 해상도가 낮아지는 문제가 있다.
이 문제를 해결하기 위하여 섬광 결정 내의 반응 깊이(Depth of Interaction, DOI)를 측정하여 보정하는 방법이 많이 알려져 있으며, 그 중 가장 보편적으로 쓰이는 것으로는 발광 감쇠 시간이 다른 두 결정을 연속으로 접합하여 문제를 해결하는 방법과 오프-셋(off-set)을 주어 두 단결정을 접합함으로써 해상도와 민감도를 증가시키는 방법이 있다.
첫번째 방법의 경우, 두 단결정의 필요 조건으로서 두 단결정간의 형광 출력이 유사하고 발광 감쇠 시간의 차이가 커야 한다. 현재 상용화되어 있는 두 개의 단결정 조합으로써, LSO(Lu2SiO5)+YAP(YAlO3)와 LSO+GSO 조합이 가장 많이 알려져 있다. 그러나 원자재의 가격 및 단결정의 가격이 현격히 높고, 단결정 성장 온도도 약 1800 ℃ 이상으로 제조 단가도 높으며 특허와 같은 소유권 문제 때문에 전량 수입에 의존하고 있다. 뿐만 아니라, 기술적인 문제로 상기의 단결정 조합은 두 단결정 간의 형광 출력의 크기가 달라서 증폭율이 작은 검출기에서는 두 스펙트럼을 구분하기가 힘들고, 발광 감쇠 시간이 비슷하여 분해 해석이 힘든 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 핵의학 영상 기기 중에서 PET 장치를 위한 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기를 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 섬광 결정셀이 제공된다.
[화학식 1]
Bi4(Ge1-xSix)3O12
상기 화학식 1에서 0 < x < 1이며, 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것이 더욱 바람직하다.
상기 화학식 1로 표현되는 화합물에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 첨가될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 각각 각기둥 구조를 갖는 복수의 섬광 결정셀을 포함하며, 상기 복수의 섬광 결정셀은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 결정층 상기 화학식 1로 표현되는 섬광 결정셀 및 다른 성질을 갖는 섬광 결정셀을 포함하는 제2 결정층을 포함하며, 각 측면이 인접한 다른 섬광 결정셀의 측면에 접하도록 동일한 평면 상에 밀집되어 배열되는 신틸레이터가 제공된다.
[화학식 1]
Bi4(Ge1-xSix)3O12
상기 화학식 1에서 0 < x < 1이며, 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것이 더욱 바람직하다.
상기 화학식 1로 표현되는 화합물에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 첨가될 수 있다.
상기 복수의 섬광 결정셀의 배열은 순차적으로 적층된 적어도 2개의 결정층을 갖는 복층으로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 섬광 결정셀은 각 결정층 내에서는 동일한 결정으로 형성되며, 인접한 다른 결정층의 섬광 결정셀과는 다른 종류의 결정으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 각각 각기둥 구조를 갖는 복수의 섬광 결정셀을 포함하며, 상기 복수의 섬광 결정셀은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 결정층 상기 화학식 1로 표현되는 섬광 결정셀 및 다른 성질을 갖는 섬광 결정셀을 포함하는 제2 결정층을 포함하며, 각 측면이 인접한 다른 섬광 결정셀의 측면에 접하도록 동일한 평면 상에 밀집되어 배열되는 신틸레이터; 및 상기 신틸레이터에 연결되어 상기 섬광 결정셀로부터 발생된 섬광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전 변환부를 포함하는 고에너지 방사선 검출기가 제공된다.
[화학식 1]
Bi4(Ge1-xSix)3O12
상기 화학식 1에서 0 < x < 1이며, 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것이 더욱 바람직하다.
상기 화학식 1로 표현되는 화합물에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 첨가될 수 있다.
상기 광전 변환부는 광전자 증배관을 포함할 수 있다.
상기 복수의 섬광 결정셀의 배열은 순차적으로 적층된 적어도 2개의 결정층을 갖는 복층으로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 섬광 결정셀은 각 결정층 내에서는 동일한 결정으로 형성되며, 인접한 다른 결정층의 섬광 결정셀과는 다른 종류의 결정으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 민감도는 저하되지 않으면서도 공간 분해능이 더 증가된 고에너지 방사선 검출기를 구현할 수 있다.
또한, 기존에 사용되는 단결정보다 원자재와 제조 단가가 낮추면서도 민감도가 전혀 저하되지 않고, 공간 분해능은 오히려 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있을 수 있음이 고려되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 개략적인 형태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기(100)는 신틸레이터(120) 및 광전 변환부(110)를 포함하여 구성된다.
신틸레이터(120)는 각각 사각 기둥 형태의 복수의 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)을 포함하는데, 복수의 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 섬광 결정셀(121a)을 포함하는 제1 결정층(121) 및 상기 화학식 1로 표현되는 제1 섬광 결정셀(121a)과 다른 성질을 갖는 제2 섬광 결정셀(122a)을 포함하는 제2 결정층(122)를 포함하며, 각 측면이 인접한 다른 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)의 측면에 접하도록 동일한 평면 상에 밀집되어 배열된다.
[화학식 1]
Bi4(Ge1-xSix)3O12
여기서, 상기 화학식 1의 x의 범위는 0 < x < 1 이고, 바람직하게는 0.001 ≤ x ≤ 0.01 이다.
그리고, 상기 화학식 1로 표현되는 화합물에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 첨가될 수 있다.
광전 변환부(110)는 신틸레이터(120)에 연결되어 상기 섬광 결정셀로부터 발생된 섬광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 역할을 하는데, 광전 변환부(110)로 광전자 증배관을 사용할 수 있다.
복수의 섬광 결정셀(121a, 122a)은 광전 변환부(110) 위의 평면에 순차적으로 적층되어, 제1 결정층(121) 및 제2 결정층(122)로 이루어진 2개의 제1 및 제2 결정층(121a, 122a)을 형성한다. 복수의 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)은 각 제1 결정층(121) 및 제2 결정층(122) 내에서는 동일한 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)로 이루어지며, 인접한 다른 결정층의 제1 및 제2 섬광 결정셀(121a, 122a)과는 다른 종류의 결정으로 형성된다. 본 발명의 제1 실시예에서, 제1 결정층(121)을 이루는 제1 섬광 결정셀(121a)은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하며, 제2 결정층(122)을 이루는 제2 섬광 결정셀(122a)은 제1 결정층(121)을 이루는 제1 섬광 결정셀(121a)과 성질이 다른 화합물로 BGO(Bismuth germanate oxide)를 포함하고 있으나, 제2 결정층(122)을 이루는 화합물은 이에 한정되지 않고 제1 결정층(121)을 이루는 화합물과 다른 성질을 가지는 물질을 사용할 수 있다.
BSO(Bismuth silicon oxide) 단결정은 결정 구조가 BGO와 같으나 발광 감쇠 시간이 1/3인 100 ns 이다. 본 발명의 실시예에서는 BGO를 모체로 Si을 미량 치환함으로써, 형광출력은 저하되지 않고 발광 감쇠 시간의 차이가 큰 2개의 단결정을 적층해 신틸레이터(120)를 구성함으로써, 종래에 사용되어지고 있는 LSO나 LuAP 단결정보다 원자재와 제조 단가가 낮추면서도 민감도가 전혀 저하되지 않고, 공간 분해능은 오히려 향상시킬 수 있는 고에너지 방사선 검출기(100)를 구현할 수 있다.
도 4를 예로 살펴보면, 순수한 BGO 단결정의 발감 감쇠 시간은 300 ns 이나 Si 가 0.2 % 치환된 BGSO(Bismuth germanate silicon oxide)의 발광 감쇠 시간은 230 ns 으로 현격히 감소하는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 종단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기(200)는 제1 실시예의 고에너지 방사선 검출기(100)와 광전 변환부(110) 위의 평면에 적층된 결정층의 수에서 차이점이 있다. 제1 실시예의 고에너지 방사선 검출기(100)에서는 광전 변환부(110) 위의 평면에 2개 층의 제1 및 제2 섬광 결정층(121a, 122a)을 형성한데 비하여, 제2 실시예에서는 3개 층의 제1, 제2 및 제3 결정층(131a, 132a, 133a)을 형성한다. 이와 같이, 제2 실시예에는 적층되는 결정층의 수를 증가시킴으로써 민감도는 저하되지 않으면서도 공간 분해능이 더 증가된 고에너지 방사선 검출기(200)를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 종단면도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기(300)는 제2 실시예의 고에너지 방사선 검출기(200)와 광전 변환부(110) 위의 평면에 적층된 결정층의 수에서 차이점이 있다. 제2 실시예의 고에너지 방사선 검출기(200)에서는 광전 변환부(110) 위의 평면에 3개 층의 제1, 제2 및 제3 결정층(131a, 132a, 133a)을 형성한데 비하여, 제3 실시예에서는 4개 층의 제1, 제2, 제3 및 제4 결정층(141a, 142a, 143a, 144a)을 형성한다. 이와 같이, 제3 실시예에는 적층되는 결정층의 수를 증가시킴으로써 민감도는 전혀 저하되지 않으면서도 공간 분해능이 더욱 증가된 고에너지 방사선 검출기(300)를 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화학식 1로 표현되는 화합물의 발광 감쇠 시간과 순수한 BGO 단결정의 발광 감쇠 시간을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5의 그래프에서 가로축은 시간(단위, ns)이며, 세로축은 형광 출력(a.u.)을 나타낸다. 순수한 BGO 단결정의 발감 감쇠 시간은 300 ns 이나 Si 원소가 0.2 % 치환된 BGSO의 발광 감쇠 시간은 230 ns 으로 현격히 감소하였다. 또한, BGO와 BGSO의 결정 구조가 거의 동일하여, 순수한 BGO 단결정에 비하여 BGSO의 형광 출력은 저하되지 않는 결과를 보여, 민감도는 전혀 저하되지 않으면서도 공간 분해능이 더욱 증가된 본 발명의 고에너지 방사선 검출기(200, 300, 400)를 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 따라 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 따라 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 개략적인 형태를 나타내는 사시도이며,
도 2는 도 1의 종단면도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 종단면도이며,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고에너지 방사선 검출기의 종단면도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화합물의 발광 감쇠 시간과 순수한 BGO 단결정의 발광 감쇠 시간을 비교하여 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100, 200, 300, 400...고에너지 방사선 검출기
110...광전 변환부
120, 130, 140...신틸레이터
121, 131, 141...제1 결정층
121a, 131a, 141a...제1 섬광 결정셀
122a, 132a, 142a...제2 섬광 결정셀
Claims (14)
- 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 섬광 결정셀.[화학식 1]Bi4(Ge1-xSix)3O12상기 화학식 1에서 0 < x < 1
- 제1항에 있어서,상기 화학식 1에서 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것을 특징으로 하는 섬광 결정셀.
- 제1항에 있어서,상기 화학식 1로 표현되는 화합물에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 섬광 결정셀.
- 각각 각기둥 구조를 갖는 복수의 섬광 결정셀을 포함하며, 상기 복수의 섬광 결정셀은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 결정층 상기 화학식 1로 표현되는 섬광 결정셀 및 다른 성질을 갖는 섬광 결정셀을 포함하는 제2 결정층을 포함하며, 각 측면이 인접한 다른 섬광 결정셀의 측면에 접하도록 동일한 평면 상에 밀집되어 배열되는 신틸레이터.[화학식 1]Bi4(Ge1-xSix)3O12상기 화학식 1에서 0 < x < 1
- 제4항에 있어서,상기 화학식 1에서 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
- 제4항에 있어서,상기 화학식 1에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 치환되는 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
- 제4항에 있어서,상기 복수의 섬광 결정셀의 배열은 순차적으로 적층된 적어도 2개의 결정층을 갖는 복층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
- 제7항에 있어서,상기 복수의 섬광 결정셀은 각 결정층 내에서는 동일한 결정으로 형성되며, 인접한 다른 결정층의 섬광 결정셀과는 다른 종류의 결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
- 각각 각기둥 구조를 갖는 복수의 섬광 결정셀을 포함하며, 상기 복수의 섬광 결정셀은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 결정층 상기 화학식 1로 표현되는 섬광 결정셀 및 다른 성질을 갖는 섬광 결정셀을 포함하는 제2 결정층을 포함하며, 각 측면이 인접한 다른 섬광 결정셀의 측면에 접하도록 동일한 평면 상에 밀집되어 배열되는 신틸레이터; 및상기 신틸레이터에 연결되어 상기 섬광 결정셀로부터 발생된 섬광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전 변환부를 포함하는 고에너지 방사선 검출기.[화학식 1]Bi4(Ge1-xSix)3O12상기 화학식 1에서 0 < x < 1
- 제9항에 있어서,상기 화학식 1에서 0.001 ≤ x ≤ 0.01인 것을 특징으로 하는 고에너지 방사선 검출기.
- 제9항에 있어서,상기 화학식 1에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Y으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 5 mol % 미만으로 치환되는 것을 특징으로 하는 고에너지 방사선 검출기.
- 제9항에 있어서,상기 광전 변환부는 광전자 증배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 방사선 검출기.
- 제9항에 있어서,상기 복수의 섬광 결정셀의 배열은 순차적으로 적층된 적어도 2개의 결정층을 갖는 복층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고에너지 방사선 검출기.
- 제13항에 있어서,상기 복수의 섬광 결정셀은 각 결정층 내에서는 동일한 결정으로 형성되며, 인접한 다른 결정층의 섬광 결정셀과는 다른 종류의 결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고에너지 방사선 검출기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080129227A KR20100070605A (ko) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080129227A KR20100070605A (ko) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100070605A true KR20100070605A (ko) | 2010-06-28 |
Family
ID=42368327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080129227A KR20100070605A (ko) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | 섬광 결정셀, 이를 포함하는 신틸레이터 및 이를 이용한 고에너지 방사선 검출기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100070605A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018138126A (ja) * | 2017-02-24 | 2018-09-06 | キヤノンメディカルシステムズ株式会社 | Ｘ線コンピュータ断層撮影装置およびｘ線検出器 |
| CN113699582A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-26 | 上海应用技术大学 | 一种掺铥bgso人眼安全激光晶体及其制备方法 |
-
2008
- 2008-12-18 KR KR1020080129227A patent/KR20100070605A/ko not_active Application Discontinuation
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