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논문 양성자빔선량분포검증을위한감마꼭지점영상장치의양면실리콘스트립검출기신호처리모듈개발 이한림 *, 박종훈 *, 김재현 *, 정원균, 김찬형 * * 한양대학교원자력공학과, 한국원자력의학원중입자임상연구부 2014 년 3 월 12 일접수 / 2014 년 4 월 22 일 1 차수정 / 2014 년 6 월 2 일 2 차수정 / 2014 년 6 월 4 일채택 최근, 인체내양성자빔의선량분포를검증하기위해새로운개념의영상기법인감마꼭지점영상 (gamma vertex imaging, GVI) 이제안되었다. GVI 는양성자빔과매질과의핵반응으로인해발생하는즉발감마선의발생위치를결정하기위해입사한감마선을전자변환기에서전자로변환한후전자의궤적을추적하는방법을사용한다. GVI 영상장치는감마선을전자로변환하기위한전자변환기, 전자궤적을추적하기위한 2 대의양면실리콘스트립검출기 (double-sided silicon strip detector, DSSD) 와전자의에너지결정을위한섬광체흡수부검출기로이루어진다. 본연구에서는 GVI 영상장치를구성하는 DSSD 전용의신호처리장치를구성하는핵심장치인전하민감형전치증폭기 (charge sensitive preamplifier, CSP) 모듈과성형증폭기모듈을개발하였으며, 상용제품과성능을비교해보았다. 감마선원의에너지스펙트럼측정결과, 자체제작 CSP 모듈이상용제품보다에너지분해능이약간낮은것을확인하였으며, 성형증폭기의경우거의동일한성능을보여주는것을확인할수있었다. 개발된신호처리장치의노이즈의크기를나타내는 V rms 값은 6.48 kev 으로평가되었으며, 이는 145 μm 의 DSSD 에전달되는전자의에너지 (> ~51 kev) 를고려할때본장치를이용하여전자의궤적을충분히정확하게결정할수있음을확인할수있음을보여준다. 중심어 : 양성자치료, 선량검증, 즉발감마선, 감마꼭지점영상, 양면실리콘스트립검출기, 신호처리장치 1. 서론 1) 방사선치료에있어원하는치료부위에계획된선량을정밀하게전달하면서, 치료부위주변의정상조직에전달되는불필요한선량을최소화하는것이매우중요하다 [1]. 이러한임상적요구를달성하기위해빔의비정의끝에서대부분의선량을전달하는양성자빔을이용한방사선치료가제안되었으며 [1,2], 그효용성을인정받아전세계적으로양성자치료를받은환자의수와운영및건설을계획중인양성자치료센터의수가급격하게증가하고있는추세이다 [3]. 하지만인체내양성자빔의선량분포는치료계획에서의선량계산의불확실성, 환자의신체변화, 장기의움직임등에영향을받기때문에양성자빔의선량분포의장점이치료에효과적으로활용되지못하고있으며, 치료시추가적인선량마진을적용하고있다 [4-6]. 양성자치료시불필요한선량마진을최소화하면서양성자선량분포의장점을활용한정밀한치료를수행하기위해치료중환자내양성자빔의선량분포를확인하는기술의필요성이대두하고있다 [6]. 양성자빔은주변매질에에너지를전달하고인체내에서완전히흡수되 교신저자 : 김찬형, chkim@hanyang.ac.kr 서울시성동구왕십리로 222 한양대학교원자력공학과 기때문에양성자빔의분포를직접측정하는방법은실제임상에적용되기에많은제약이있다 [5,6]. 이에양성자빔과인체내매질과의핵반응으로발생하는 2 차입자인즉발감마선의분포를환자외부에서측정하여양성자빔의선량분포를검증하는방법이제안되었다 [7]. 고에너지의즉발감마선분포를측정하기위해배열형집속장치기반의검출장치 [8,9], 슬릿형집속장치에기반의검출장치 [10,11], 컴프턴카메라 [12,13] 등다양한측정장치가제안되었지만, 아직임상에적용되지못하고원리검증단계에머무르고있다. 최근, 즉발감마선 2 차원분포를효과적으로측정하기위해새로운영상기법인감마꼭지점영상 (gamma vertex imaging, GVI) 이제안되었으며, 몬테칼로전산모사를바탕으로치료용양성자빔에대한적용가능성을확인하였다 [14]. GVI 영상장치는입사한즉발감마선을전자변환기를통해컴프턴전자로변환한후변환된전자의궤적을추적하여발생한즉발감마선의위치를결정한다. 이를위해 GVI 영상장치는입사한감마선을전자로변환하는베릴륨전자변환기, 전자궤적을결정하기위한두대의양면실리콘스트립검출기 (double-sided silicon strip detector, DSSD) 와전자의에너지를결정하기위한섬광체흡수부검출기로구성된다. 본연구에서는 GVI 영상장치를구성하는 DSSD 전용의신호처리장 http://dx.doi.org/10.14407/jrp.2014.39.2.081 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014 81

치를구성하기위해핵심장치인전하민감형전치증폭기 (charge sensitive preamplifier, CSP) 모듈과성형증폭기모듈을개발하였다. 본연구에서개발된 CSP 모듈은 DSSD 의스트립에서발생하는전하신호를전압신호로바꿔주는역할을하며, 성형증폭기모듈은변환된전압신호를증폭하면서가우시안형태로신호를성형하는역할을한다. 개발된모듈형의신호처리장치의성능을평가하기위해에너지분해능평가및노이즈분석을수행하였으며상용제품과성능을비교해보았다. 2. 재료및방법 Fig. 1. Double-sided silicon strip detector (DSSD) for the Comptonrecoiled electron tracking. 양성자빔의핵반응으로인해발생한즉발감마선의분포를정확하게결정하기위해서는전자변환기에서변환된전자의궤적을정확하게측정하는것이필요하다. 이 Fig. 2. Schematic diagram (a) and board layout (b) of the charge sensitive preamplifier (CSP) module. 82 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014

Fig. 3. Schematic diagram (a) and board layout (b) of the shaping amplifier module. The module was integrated with two different kind of shaping amplifiers with 100 ns and 250 ns shaping time. 를위해원리검증용 GVI 영상장치에서는 2 대의 DSSD 를사용할예정이다. DSSD(W1 type, Micron Semiconductor Limited, UK) 의면적은 5 5 cm 2 이며방사선과반응한 2 차원적위치 (x, y) 를결정하기위해각면에총 16 개의스트립이 3.125 mm 간격으로배열되어있다 ( 그림 1). 따라서하나의 DSSD 에서의반응위치를결정하기위해서는양면을구성하는총 32 개의스트립에서발생하는아날로그신호를처리해야하며, 두대의 DSSD 를위해총 64 채널의신호처리장치를구성해야한다. 이를위해본연구에서는 DSSD 전용의다채널신호처리장치를구성하기위한모듈형의 CSP 와성형증폭기를개발하였다. 개발된모듈형의신호처리장치는하나의스트립에서발생하는신호를처리하며, 하나의 DSSD 에서발 생하는신호를처리하기위해총 32 개의 CSP 모듈과성형증폭기모듈이사용될것이다. 먼저저잡음의 DSSD 의신호처리장치를구성하는핵심부품인 CSP 모듈을개발하였다. 방사선이 DSSD 와반응을하면각면을구성하는 16 개의스트립중하나의스트립에서전하신호가발생하는데 CSP 모듈은이전하신호를전압신호로바꿔주는역할을수행한다. 본연구에서는 Thomas S.L. et al. 의논문 [15] 을참조하여 DSSD 용 CSP 모듈을설계하였다. 그림 2.(a) 는 Multisim National Instruments, TX) 프로그램을사용하여설계한 CSP 의모습을보여준다. CSP 의감쇠시간상수는 48 μs 22 Mohm 피드백저항, 2.2 pf 피드백축전용량, Thomas S.L. et al. 의논문 [15] 참조 ) 이며, 향후개발될 32 채널 DSSD 용 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014 83

Fig. 4. The LabVIEW-based program for the V rms analysis of the developed signal processing system and DSSD. Fig. 5. The developed CSP module. 신호처리보드에본모듈을적용하기위해 CSP 의신호를추가로증폭하는 2 단연산증폭기를모듈에포함하여설계하였다. 또한, CSP 의 DC offset 이뒤에연결된연산증폭기에서증폭이되는것을방지하기위해연산증폭기앞에 CR 필터를적용하였다. 그림 2.(b) 는설계를바탕으로 Ultiboard National Instruments, TX) 프로그램을이용하여디자인한기판의레이아웃을보여준다. 개발된 CSP 모듈의성능을평가하기위해 145 um 두께의 DSSD 와감마선원을이용하여에너지스펙트럼을측정하는실험을수행하였다. 이때 CSP 모듈에서발생한신호를성형하기위해상용제품인 CR-200 shaping time: 250 ns, Cremat, Inc., MA) 을사용하였다. 사용한감마선원은 241 Am(59.5 kev), 133 Ba(31, 80 kev), 57 Co(122 kev) 이었으며, 검출기로부터 1.5 cm 떨어진곳에있는감마선원을 30 분동안측정하였다. 또한제작한 CSP 의성능을비교하기위해동일한실험조건에서자체제작한 CSP 모듈만상용제품 (CR-110, Cremat, Inc., MA) 으로교체하여에너지스펙트럼을측정하였다 ( 본결과는그림 6 참조 ). 다음으로 CSP 모듈에서전압신호로변환된신호를증폭하고가우시안형태로의파형을성형하기위해성형증폭기모듈을개발하였다. 성형증폭기모듈의앞단에커패시터와저항으로이루어진미분기를적용하여 CSP 에서발생한전압신호의감쇠시간을줄여주었으며, 외부에 위치한가변저항을통해 Pole/Zero correction 을수행하여성형증폭기의출력신호의 undershoot 를최소화할수있게하였다. 가우시안형태로신호성형을위해연산증폭기를이용하여 Sallen-key 2 차저역통과필터 2 개로구성된 active filter 를적용하였다. 본연구에서는 100 ns 와 250 ns 의성형시간을가지는두종류의성형증폭기를 Multisim 프로그램을이용하여설계하였다 ( 그림 3.(a)). 본성형시간은노이즈를고려하여결정된값은아니며, 향후적용될신호획득채널저감을위한멀티플렉싱 (multiplexing) 시스템과연동이될때멀티플렉싱시스템에의한불감시간을줄이기위해결정한값이다. 100 ns 의성형증폭기는멀티플렉싱시스템의동작을위한 trigger 로사용되며, 250 ns 의성형증폭기는반응이일어난스트립의방사선에너지정보를얻는데사용된다. 또한 Ultiboard 프로그램을이용하여두종류의성형증폭기로구성된성형증폭기모듈의레이아웃을설계하였다 ( 그림 3.(b)). 본연구에서개발한성형증폭기모듈의성능을확인하기위해펄스발생기 (419, ORTEC, TX) 의전압신호를입력하였을때성형증폭기에서발생하는신호의파형을확인하였다. 또한, NaI(Tl) 섬광체검출기 (905-4, ORTEC, TX) 와 PMT base 276, ORTEC, TX) 로이루어진검출시스템과개발된성형증폭기모듈을사용하여감마선원의에너지스펙트럼을측정하는실험을수행 84 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014

Fig. 6. Measured energy spectra using the developed CSP module (a) and CR-110 (b). The energy resolutions were estimated for 31, 81, 60, 122 kev peak. 하였다. 에너지스펙트럼측정에사용된선원은 137 Cs(662 kev) 이며, 선원과검출기간의거리는 15 cm, 측정시간은 10 분이었다. 또한동일한실험조건에서개발된성형증폭기모듈만상용성형증폭기 (CR-200) 로변경하여에너지스펙트럼을측정하였으며, 이를바탕으로제작한성형증폭기모듈의성능을평가하였다 ( 본결과는그림 9 참조 ). 마지막으로본연구에서개발한 CSP 와성형증폭기모듈이 GVI 영상장치에적용될수있는지를평가하였다. 전자의궤적추적시검출기에의한궤적의변화를최소화하기위해서는얇은두께의 DSSD 를사용하는것이유리하지만 DSSD 의두께가얇아지면전자가검출기에전달하는에너지가낮아지게된다. 만약, DSSD 와신호처리장치의노이즈가커서신호대잡음비 (signal to noise ratio) 가나쁘다면얇은 DSSD 를이용하여전자의궤적을 추적하는것이불가능해질수있다. 따라서본연구에서는 DSSD 와신호처리장치의노이즈강도를나타내는 V rms 를평가하고이를바탕으로본연구에서개발한신호처리장치를 GVI 영상장치에적용할수있는지를평가하였다. 먼저, V rms 를평가하기위해 LabVIEW National Instruments, TX) 기반의측정프로그램을개발하였으며 ( 그림 4), 이를이용하여감마선원없이 DSSD (capacitance= 977 pf) 가연결된상태에서신호처리장치에서발생하는전압신호의제곱평균제곱근 (root mean square, RMS) 를계산하여 V rms 를결정하였다. 검출기신호의 RMS 값을계산하기위해 LabVIEW 프로그램의내장함수인 DC-RMS 평균값연산함수를사용하였으며, P-side 의 10 번째스트립에서발생하는신호에대해 1 분간 V rms 의분포를측정하여피크높이가최대가되는지점을측정장치의 V rms 로결정하였다. 측정한 V rms 를 ENC JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014 85

(equivalent noise charge) 로변환하기위해감마선원을이용한에너지교정을수행하였다. 먼저, DSSD와본연구에서제작한 CSP 모듈및성형증폭기모듈을이용하여 241 Am(59.5 kev), 133 Ba(31, 80 kev), 57 Co(122 kev) 의에너지스펙트럼을측정하여감마선피크의위치 ( 전압 ) 를확인하였다. 이렇게확인된 5개의감마선피크위치와이에해당하는감마선에너지를이용하여선형회기분석을통해에너지교정함수를구하였으며, 이를이용하여전압단위의 V rms 값을에너지단위의 V rms 로변환하였다. 또한실리콘의이온화에너지 (3.62 ev/ion pair) 및전자의전하량을고려하여 ENC 값을계산하였다. 이노이즈값을전자변환기에서변환된전자가 DSSD에전달할것으로예상하는에너지와비교하여 GVI 영상장치의적용가능성을평가하였다. 여측정한감마선원의에너지스펙트럼결과이다. 비교를위해동일한측정조건에서 CSP 모듈만상용제품 (CR-110) 으로교체하여에너지스펙트럼을측정하였으며, 측정된감마선피크의에너지분해능을평가하였다. 각감마선피크에대해개발된 CSP 모듈을이용하여획득한감마선피크의에너지분해능은 25.8%(60 kev), 3. 결과및논의 그림 5 는본연구에서설계한회로도및디자인한기판레이아웃을바탕으로개발한모듈형의 CSP 모습을보여준다. CSP 앞면은스트립의전하신호를전압신호로바꿔주기위한부분이며, 뒷면은변환된전압신호를증폭시켜주기위한부분이다. 그림 6 은개발된 CSP 모듈을이용하 Fig. 7. The developed shaping amplifier module with 100 ns and 250 ns shaping time. Fig. 8. The output waveforms of the shaping amplifier module with 100 ns (a) and 250 ns (a) shaping time. Fig. 9. The measured energy spectra using the developed shaping amplifier module (a) and the CR-200 (b). The shaping time of each amplifier was 250 ns. 86 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014

24.4%(31 kev), 15.3%(80 kev), 11.6%(122 kev) 이었으며, CR-110 의경우 22.4%(60 kev), 22.5%(31 kev), 13.2%(80 kev), 9.5%(122 kev) 으로본연구에서개발한 CSP 모듈의에너지분해능이약간낮은것을확인하였다. 본연구에서개발한 CSP 모듈을다채널신호처리시스템구성에사용한다면장치의개발비용을감소시킬수있을것으로기대하며향후자체제작모듈기반의다채널신호처리시스템을이용한실험을결과를바탕으로 CSP 모듈의성능을개선할예정이다. 그림 7 은본연구에서개발한성형증폭기모듈의모습을보여준다. 하나의성형증폭기모듈은 100 ns ( 좌 ) 와 250 ns ( 우 ) 의성형시간을가지는성형증폭기두개로구성되어있다. 그림 8 은개발된성형증폭기모듈에서발생하는 100 ns 및 250 ns 의성형시간을가지는신호파형의모습을보여준다. 본연구에서설계한대로가우시안형태의출력신호가발생하는것을확인할수있었다. 파형의 FWHM (full width at half maximum) 을상용제품과비교해보면, 상용제품인 CR-200 의경우 FWHM 이 240 ns, 590 ns 이었으며, 자체개발한성형증폭기모듈의경우 212 ns, 612 ns 로상용제품과거의동일한것을확인하였다. 그림 9 는 PMT 기반의섬광체검출기를이용하여자체제작성형증폭기모듈 (a) 및상용제품 (b) 을이용하여획득한감마선원의에너지스펙트럼의결과를보여준다. 100 ns 의성형시간을가지는성형증폭기의경우향후적용할멀티플렉싱시스템을작동하기위한 trigger 신호로만사용될것이기때문에 250 ns 의성형시간을가지는성형증폭기에대해서만에너지스펙트럼측정연구를수행하였다. 측정한에너지스펙트럼을바탕으로에너지분해능을확인해본결과, 662 kev 감마선피크에대해자체제작성형증폭기모듈의경우 7.1% 였으며, 상용제품인 CR-200 의경우 7.0% 이었다. 에너지분해능결과를살펴보면두성형증폭기간의성능에는큰차이가없는것을확인할수있었다. 다음으로 GVI 영상장치에본연구에서개발한신호처리장치를적용할수있는지를평가하기위해 V rms 를측정해보았다. 표 1 은본연구에서개발한 V rms 측정프로그램을이용하여측정한검출장치의 V rms 및이를바탕으로평가한 ENC 의결과를보여준다. 상용제품과자체제작신호처리장치의증폭도의차이로전압단위의 V rms 값은자체제작시스템이더높게나왔지만에너지교정함수를이용하여에너지단위로환산한결과를확인해보면, 개발한신호처리장치의 V rms 값은 6.48 kev 이었고, 상용제품 (CR-110, CR-200 조합 ) 의경우그값이 6.34 kev 이었다. 두장치의 V rms 를비교해보면노이즈에서는큰차이가없음을확인할수있었다. 개발한신호처리장치의적용가능성을평가하기위해유효이벤트 ( 즉, 두대의 DSSD 를통과하고흡수부에검출되는이벤트 ) 발생시하나의 DSSD 에전달하는전자의최소에너지를평가해보면, 145 um 의 DSSD 의경우전달되는에너지가대략 51 kev 이었다. 본연구에서개발한신호처리장치의 V rms 값이 6.48 kev 임을고려한다면, 본장치를이용하여 Table 1. The V rms and ENC(equivalent noise charge) Results of the CSP Module (a) and CR-110 (b) Based Signal Processing System. P-side (10th strip) V rms (V) V rms (kev) ENC (fc) CSP module 0.1248 6.48 0.29 CR-110 0.017 6.34 +0.28 전자의궤적을정확하게결정하는것이가능하다는것을확인할수있었다. 본연구에서개발한모듈의성능평가결과를살펴보면, 개발한모듈기반의신호처리시스템의노이즈는상용제품을이용하여구성한신호처리시스템의노이즈와거의차이가없었지만 CSP 모듈의성능만개별적으로측정한실험결과를살펴보면상용제품과의에너지분해능에서는다소떨어지는결과를보여주었다. 개별성능평가및전반적인노이즈평가를위해개발한신호처리모듈및상용제품을다양한조합으로연결해야할필요가있었기때문에각모듈을위한신호처리기판의차이가있었고이로인해두결과의차이가발생한것으로예상된다. 본연구에서는개발한모듈의사용하여전자의궤적을정확하게추적할수있음을확인하였으며향후, 실제로 GVI 영상장치를구성할 CSP 모듈및성형증폭기모듈기반의 32 채널신호처리시스템에대해서에너지분해능및노이즈평가를수행하는것이필요하다. 4. 결론 본연구에서는 GVI 영상획득을위해전자변환기에서변환된전자의궤적을추적하기위한 DSSD 전용의아날로그신호처리장치를개발하였다. 개발된신호처리장치와상용제품의성능을비교를통해 CSP 모듈의경우에너지분해능이약간낮은것을확인하였으며, 성형증폭기의경우거의동일한성능을보여주는것을확인하였다. 또한, 노이즈분석을통해본연구에서개발한신호처리장치를이용하여컴프턴전자의궤적을정확하게추적할수있음을확인하였다. 현재, DSSD 의한면에서발생하는 16 개의출력채널을전자가반응한스트립의정보와이때전달한에너지정보를가진 2 개의출력채널로줄이기위한멀티플렉싱시스템기반의신호획득시스템개발중이며, 다채널신호처리시스템에이를적용하여 DSSD 에서반응하는방사선의 2 차원분포를결정하는연구를수행할것이다. 감사의글이논문은정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된원자력연구사업임 (No. 2012- K001146, 2012M2A8A5026057, 2014M2B2A4030572). 참고문헌 1. Schardt D, Elsässer T, Schulz-Ertner D. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.2 JUNE 2014 87

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