${\text{BaF}}_2$는 서로 다른 감쇠 시간을 갖는 두 가지 성분으로 구성된 섬광(신틸레이션) 광을 방출한다. 여기에는 빠르게 감쇠하는 빠른 성분과 오랜 감쇠 시간을 갖는 느린 성분이 포함된다. 빠른 성분은 우수한 타이밍 성능을 제공하지만, 그 기여는 흔히 지배적인 느린 성분에 의해 가려진다. 본 연구는 ${\text{BaF}}_2$ 기반 PET 검출기의 CTR을 개선하기 위해 빠른 성분 판별(fast-component discrimination) 방법을 제안한다. 검출기는 심부자외선(deepultraviolet) 광에 민감한 SiPM에 결합된 ${\text{BaF}}_2$로 구성되었다. 기준 검출기는 SiPM에 결합된 LYSO를 사용하였다. 검출기 신호는 에너지와 타이밍 정보를 추출하기 위해 두 개의 분기(branch)로 분할하고, 고주파 RF 회로를 사용하여 증폭 및 shaping하였으며, 오실로스코프로 디지타이즈하였다. 빠른 섬광 성분의 기여를 조사하기 위해 ${\text{BaF}}_2$ 검출기를 두 가지 반사기 구성(PTFE 시트 및 테플론 테이프)에서 시험하였다. 두 경우 모두 진폭-slew rate 분포를 측정하였고, 펄스 진폭과 slew rate에 기반하여 신호를 선택하되 511 keV 포토피크(photopeak) 내의 사건만 고려하였다. PTFE로 감싼 BaF2 검출기의 경우 CTR은 168 ps로 측정되었다. 분석을 511 keV 포토피크 내 사건으로 제한하면 CTR이 150 ps로 향상되었다. 또한 slew rate 임계값을 400, 500, 및 $600\mathrm{V}/\mu \mathrm{s}$로 추가 적용하면 각각 135, 118, 102 ps의 CTR을 얻었다. 테플론으로 감싼 검출기의 경우 CTR은 106 ps였으며, 사건을 511 keV 포토피크로 제한하면 99 ps로 향상되었다. 추가로 slew rate 임계값을 600, 700, 및 $800\mathrm{V}/\mu \mathrm{s}$로 적용했을 때 CTR은 각각 98, 96, 및 91 ps로 더 개선되었다. 이러한 결과는 빠른 성분이 지배적인 사건을 선택함으로써, 빠른 및 느린 감쇠 성분을 모두 보이는 섬광체(scintillators)에서 CTR을 향상시킬 수 있음을 보여준다. 진행 중인 연구로는 사건 판별 정확도를 추가로 향상시키기 위한 AI 기반 판별 기법의 적용이 포함되며, 20 및 $30\text{mm}{\text{BaF}}_2$에 대한 확장 평가도 수행하고 있다.

본 연구의 목적은 이중 단부 판독(dual-ended readout)을 갖는 시간비행 및 심도상호작용(time-of-flight and depth-of-interaction, TOF-DOI) PET 검출기에서 반사체(reflector), 표면 처리(surface treatment), 섬광결정(scintillation crystals)의 길이가 성능에 미치는 영향을 조사하고, 최적의 반사체 및 표면 처리를 규명하는 데 있다. 서로 다른 반사체 3종(ESR, BaSO4 및 Toray), 서로 다른 측면 표면 처리 3종(전면 연마(all-polished, AP), 전면 거칠게(all-roughened, AR), 부분 거칠게 처리(PR, 세 면은 연마하고 한 면만 거칠게)), 그리고 서로 다른 길이 2종(20 및 15 mm)을 적용한 다양한 종류의 결정 배열(crystal arrays)을 제작하였다. 최고 광 수집 효율(ligh collection efficiency)과 최상의 에너지 분해능(energy resolution)은 산란 반사체(diffuse reflector)를 사용한 결정(AP에는 BaSO4, AR에는 Toray)에서 달성되었다. 반면 최상의 동시성 시간분해능(coincidence timing resolution, CTR)은 사양 반사체(specular reflector)를 사용하는 AR 결정과 ESR에서 달성되었다. 최상의 DOI 분해능은 AR 결정과 BaSO4를 사용하였을 때 달성되었다. 또한 20 mm 길이 결정을 사용해 측정한 결과는 15 mm 길이 결정을 사용했을 때와 유사하였다. 따라서 AR 측면 표면 처리를 하고 ESR 반사체를 사용하는 결정을 적용한 이중 단부 판독 PET 검출기는 우수한 CTR과 충분한 DOI 분해능을 제공하므로, TOF-DOI PET을 위한 적절한 후보라고 결론지었다.

빠른 상승 시간 섬광체와 빠른 단일광자 시간 분해능 실리콘 광증배기(SiPM)를 갖는 비행시간(Time-of-flight, TOF) PET 검출기가 공존시간분해능(CRT, coincidence timing resolution)을 100 ps 미만으로 향상시키기 위해 개발되었다. CRT는 읽기 회로에서의 최적 대역폭과 최소화된 전자 잡음으로 추가로 향상될 수 있으며, 이는 TOF-PET 검출기에서 생성되는 빠른 신호의 왜곡을 줄이는 데 도움이 된다. 본 연구의 목적은 TOF-PET 검출기를 사용하여 생성된 빠른 신호에서의 왜곡을 최소화하고, 검출기 및 프런트엔드 읽기 회로에서 발생하는 전자 잡음의 영향을 억제하는 초고주파 및 완전 차동(UF-FD, ultra-high frequency and fully-differential) 읽기 회로를 개발하는 것이었다. 제안된 UF-FD 읽기 회로는 두 개의 차동 증폭기(시간)와 전류 피드백 연산 증폭기(에너지)로 구성된다. 초고주파 차동(7 GHz) 증폭기는 완전 차동 모드에서 공통 접지 잡음을 감소시키고 빠른 신호의 왜곡을 최소화할 수 있다. UF-FD 읽기 회로의 성능을 평가하기 위해 CTR과 에너지 분해능을 측정하였다. 이러한 결과는 고주파 및 단일 종단(readout) 회로에서 얻은 결과와 비교하였다. 실험 결과, 본 연구에서 제안한 UF-FD 읽기 회로는 TOF-PET 검출기의 최대로 달성 가능한 CRT를 실질적으로 향상시킬 수 있음을 시사하였다.

${\text{BaF}}_2$는 서로 다른 감쇠 시간을 갖는 두 가지 성분으로 구성된 섬광(신틸레이션) 광을 방출한다. 여기에는 빠르게 감쇠하는 빠른 성분과 오랜 감쇠 시간을 갖는 느린 성분이 포함된다. 빠른 성분은 우수한 타이밍 성능을 제공하지만, 그 기여는 흔히 지배적인 느린 성분에 의해 가려진다. 본 연구는 ${\text{BaF}}_2$ 기반 PET 검출기의 CTR을 개선하기 위해 빠른 성분 판별(fast-component discrimination) 방법을 제안한다. 검출기는 심부자외선(deepultraviolet) 광에 민감한 SiPM에 결합된 ${\text{BaF}}_2$로 구성되었다. 기준 검출기는 SiPM에 결합된 LYSO를 사용하였다. 검출기 신호는 에너지와 타이밍 정보를 추출하기 위해 두 개의 분기(branch)로 분할하고, 고주파 RF 회로를 사용하여 증폭 및 shaping하였으며, 오실로스코프로 디지타이즈하였다. 빠른 섬광 성분의 기여를 조사하기 위해 ${\text{BaF}}_2$ 검출기를 두 가지 반사기 구성(PTFE 시트 및 테플론 테이프)에서 시험하였다. 두 경우 모두 진폭-slew rate 분포를 측정하였고, 펄스 진폭과 slew rate에 기반하여 신호를 선택하되 511 keV 포토피크(photopeak) 내의 사건만 고려하였다. PTFE로 감싼 BaF2 검출기의 경우 CTR은 168 ps로 측정되었다. 분석을 511 keV 포토피크 내 사건으로 제한하면 CTR이 150 ps로 향상되었다. 또한 slew rate 임계값을 400, 500, 및 $600\mathrm{V}/\mu \mathrm{s}$로 추가 적용하면 각각 135, 118, 102 ps의 CTR을 얻었다. 테플론으로 감싼 검출기의 경우 CTR은 106 ps였으며, 사건을 511 keV 포토피크로 제한하면 99 ps로 향상되었다. 추가로 slew rate 임계값을 600, 700, 및 $800\mathrm{V}/\mu \mathrm{s}$로 적용했을 때 CTR은 각각 98, 96, 및 91 ps로 더 개선되었다. 이러한 결과는 빠른 성분이 지배적인 사건을 선택함으로써, 빠른 및 느린 감쇠 성분을 모두 보이는 섬광체(scintillators)에서 CTR을 향상시킬 수 있음을 보여준다. 진행 중인 연구로는 사건 판별 정확도를 추가로 향상시키기 위한 AI 기반 판별 기법의 적용이 포함되며, 20 및 $30\text{mm}{\text{BaF}}_2$에 대한 확장 평가도 수행하고 있다.

본 연구의 목적은 이중 단부 판독(dual-ended readout)을 갖는 시간비행 및 심도상호작용(time-of-flight and depth-of-interaction, TOF-DOI) PET 검출기에서 반사체(reflector), 표면 처리(surface treatment), 섬광결정(scintillation crystals)의 길이가 성능에 미치는 영향을 조사하고, 최적의 반사체 및 표면 처리를 규명하는 데 있다. 서로 다른 반사체 3종(ESR, BaSO4 및 Toray), 서로 다른 측면 표면 처리 3종(전면 연마(all-polished, AP), 전면 거칠게(all-roughened, AR), 부분 거칠게 처리(PR, 세 면은 연마하고 한 면만 거칠게)), 그리고 서로 다른 길이 2종(20 및 15 mm)을 적용한 다양한 종류의 결정 배열(crystal arrays)을 제작하였다. 최고 광 수집 효율(ligh collection efficiency)과 최상의 에너지 분해능(energy resolution)은 산란 반사체(diffuse reflector)를 사용한 결정(AP에는 BaSO4, AR에는 Toray)에서 달성되었다. 반면 최상의 동시성 시간분해능(coincidence timing resolution, CTR)은 사양 반사체(specular reflector)를 사용하는 AR 결정과 ESR에서 달성되었다. 최상의 DOI 분해능은 AR 결정과 BaSO4를 사용하였을 때 달성되었다. 또한 20 mm 길이 결정을 사용해 측정한 결과는 15 mm 길이 결정을 사용했을 때와 유사하였다. 따라서 AR 측면 표면 처리를 하고 ESR 반사체를 사용하는 결정을 적용한 이중 단부 판독 PET 검출기는 우수한 CTR과 충분한 DOI 분해능을 제공하므로, TOF-DOI PET을 위한 적절한 후보라고 결론지었다.

빠른 상승 시간 섬광체와 빠른 단일광자 시간 분해능 실리콘 광증배기(SiPM)를 갖는 비행시간(Time-of-flight, TOF) PET 검출기가 공존시간분해능(CRT, coincidence timing resolution)을 100 ps 미만으로 향상시키기 위해 개발되었다. CRT는 읽기 회로에서의 최적 대역폭과 최소화된 전자 잡음으로 추가로 향상될 수 있으며, 이는 TOF-PET 검출기에서 생성되는 빠른 신호의 왜곡을 줄이는 데 도움이 된다. 본 연구의 목적은 TOF-PET 검출기를 사용하여 생성된 빠른 신호에서의 왜곡을 최소화하고, 검출기 및 프런트엔드 읽기 회로에서 발생하는 전자 잡음의 영향을 억제하는 초고주파 및 완전 차동(UF-FD, ultra-high frequency and fully-differential) 읽기 회로를 개발하는 것이었다. 제안된 UF-FD 읽기 회로는 두 개의 차동 증폭기(시간)와 전류 피드백 연산 증폭기(에너지)로 구성된다. 초고주파 차동(7 GHz) 증폭기는 완전 차동 모드에서 공통 접지 잡음을 감소시키고 빠른 신호의 왜곡을 최소화할 수 있다. UF-FD 읽기 회로의 성능을 평가하기 위해 CTR과 에너지 분해능을 측정하였다. 이러한 결과는 고주파 및 단일 종단(readout) 회로에서 얻은 결과와 비교하였다. 실험 결과, 본 연구에서 제안한 UF-FD 읽기 회로는 TOF-PET 검출기의 최대로 달성 가능한 CRT를 실질적으로 향상시킬 수 있음을 시사하였다.

PET 영상의 신호대잡음비를 향상시키기 위해, PET 계측 분야의 연구그룹들은 시간비행(time-of-flight, TOF) 기술을 연구하고 있다. 섬광(scintillation) 광의 전달 및 수집은 픽셀화된 결정 배열(pixelated crystal array)에 기반한 PET 검출기의 우연일치 시간분해능(coincedence resolving time, CRT)을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 외부 반사체(external reflectors) 및 CRT에 대한 표면 처리(surface treatment)와 같은 서로 다른 광학 반사 구성에 따라 4개의 결정 배열을 설계하였고, 광 출력(light output), 에너지 분해능(energy resolution), CRT를 비교하였다. 본 연구에서 제안된 설계는 3 × 3 × 15 mm3 크기의 픽셀로 구성된 8 × 8 LYSO 결정 배열(8 × 8 LYSO crystal array)로 구성되었다. 입사 면은 거칠게 처리하였고, 나머지 5개 표면은 연마 처리하였다. 모든 결정 픽셀의 4개 측면은 ESR-film으로 감쌌으며, 입사 표면은 Teflon-tape로 덮었다. 이러한 설계는 210 ps의 우수한 타이밍 분해능을 제공하였고, 연마 처리와 ESR-film을 사용한 기존 방법에 비해 CRT를 16% 향상시켰다. 본 연구는 픽셀화된 섬광 결정 기반 뇌 TOF PET 검출기의 광 출력과 CRT를 향상시키는 방법을 제시하였다. 제안된 구성은 높은 비용 효율성과 함께 빠른 타이밍 성능을 요구하는 TOF 뇌 PET을 위한 매력적인 검출기 설계가 될 수 있다.

시간 임계값 초과(time-over-threshold, TOT) 방법은 기존의 아날로그-디지털 변환기 접근법에 비해 전력 효율, 단순성 및 비용 측면에서 장점을 제공하지만, 비선형 응답으로 인해 에너지 분해능과 위치 결정 정확도가 저하되며, 특히 고도로 픽셀화된 섬광체에서는 그 영향이 두드러진다. 본 연구의 목적은 TOT의 비선형성으로 인해 발생하는 검출기 플러드(flood) 영상 품질의 저하를 극복하고자, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array, FPGA)에 구현된 다층 퍼셉트론(multilayer perceptron, MLP) 네트워크를 활용하는 것이었다.

이전 연구에서 최초의 프로토타입 뇌 PET은 1.7 mm 픽셀화 섬광체 결정, 멀티플렉싱 회로, 그리고 ASIC 기반 판독 회로를 사용하여 개발되었다. 이 시스템은 멀티플렉싱 회로로 인해 낮은 시스템 복잡도와 비용을 바탕으로 높은 공간 분해능을 보였으나, 짧은 축 방향 길이로 인해 감도가 낮았으며, 최적화되지 않은 ASIC 파라미터와 SiPM 오버전트(voltage) 설정으로 인한 에너지 및 타이밍 분해능이 저조하였다. 본 연구는 축 방향 길이를 연장하고 ASIC 파라미터와 SiPM 오버전트 설정을 최적화함으로써 PET 성능을 향상시키고자 하였다.

본 연구의 목적은 딥 뉴럴 네트워크(DNN)를 사용하여 PET 검출기의 동시도 타이밍 분해능(CTR)을 향상시키고, 여러 선원 위치에 대해 데이터 획득 시간을 줄이기 위해 훈련 데이터를 합성하는 것의 타당성을 조사하는 데 있다.