KOSEN 한인과학기술자네트워크

본 연구실은 위의 3대 핵심기술을 바탕으로 현재 5개의 주요 연구 (1) 고성능/다목적 컴프턴 영상장치 개발, (2) 인체 내 양성자 빔 비정 측정장치 개발, (3) 감마선전자꼭지점영상법(GEVI) 개발, (4) PET 기반 선량분포 영상장치 개발, (5) 차세대 인체전산모델 개발을 수행 중에 있다.

1) 고성능/다목적 컴프턴 카메라 개발

컴프턴 카메라는 ‘전기적 집속(electronic collimation)’이라는 혁신적인 위치인식 메커니즘을 이용하여 감마선 또는 엑스선이 발생하는 3차원적 위치, 분포를 찾아내는 최첨단 미래형 영상장치이다. 기계적 집속기를 사용하지 않기 때문에 원리적으로는 기존의 SPECT나 PET에 비하여 수 십 내지 수 백배 정도의 영상감도(imaging sensitivity)를 보유하지만, 이를 구현해 내는 핵심기술의 개발이 아직 확립되어 있지 못하며, 영상해상도 또한 5 mm 수준이 되어야만 차세대 생체영상장치로서의 활용이 가시화 될 것이다.

본 연구팀에서는 몬테칼로 전산모사 기법을 통한 영상장치 최적화 설계 기술, 동시계수 기반 계측 시스템 구성 기술 등을 바탕으로, 다음과 같은 두 종류의 시스템을 제작 완료하였으며 이를 통해 실제 방사선원의 영상을 획득하는 실험을 수행하였다. (2009.4-2011.3 원자력연구기반확충사업, 2010.7-2013.6 방사선기술개발사업)
 

고해상도 목적의 이중 산란형 컴프턴 카메라

민감도 및 고해상도의 두 가지 모드로 이용 가능한 고성능 듀얼모드 컴프턴 카메라

최근 국토보안 및 방사능 사고 모니터링을 위한 광대역 고민감도 핵물질 탐지에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구팀에서는 기존 컴프턴 카메라 개발 연구를 통해 획득한 기술을 바탕으로 영상감도를 극대화할 수 있는 섬광체 기반의 대형 컴프턴 카메라를 개발하는 연구를 진행 중이다. (2012.3-2015.2, 원자력기술개발사업)

2) 인체 내 양성자 빔 비정 측정 기술 개발

양성자 치료의 효과를 극대화 하기 위해서는 양성자의 비정을 정확하게 확인해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 즉발감마선 측정을 통한 양성자 빔 비정 측정장치를 개발한다.
 

몬테칼로 전산모사 기술을 통한 측정장치 설계 및 성능평가

CsI(Tl) 섬광체 및 광 센서 기반 고 에너지 감마선 검출기 개발

다채널 신호 처리 장치 설계 및 개발

양성자 빔은 기존의 광자 빔이나 전자 빔과 비교할 때 주변 정상 조직에는 상대적으로 적은 선량을 주고 종양 부위에 높은 선량을 집중적으로 투여할 수 있다는 장점이 있어 최근 방사선 치료 분야에서 크게 각광을 받고 있다. 이러한 양성자 빔을 이용하는 치료에 있어서 인체 내 양성자 빔의 비정을 정확하게 결정하는 것은 치료 효과뿐만 아니라 환자의 안전을 위해서도 매우 중요하다. 이러한 양성자 빔의 비정을 측정하기 위해 현재는 PET 스캐너를 이용하여 환자의 체내에 존재하는 양전자 방출 동위원소의 분포를 측정하는 방법이 사용되고 있으나, 양성자 빔의 비정과 양전자 방출 동위원소의 분포간에 큰 차이가 존재하기 때문에 이를 이용하여 양성자 빔의 비정을 정확하게 측정하는 것은 본질적으로 불가능하다. 또한, PET 스캐너를 이용해야 하기 때문에 치료 중에 양성자 빔의 비정을 실시간으로 측정하는 것이 불가능하다는 단점도 있다. 본 연구에서는 양성자 빔과 매질간의 반응으로부터 발생하는 즉발 감마선(Prompt Gammas)의 분포를 측정함으로써 인체 내 양성자 빔의 비정을 실시간으로 정확하게 측정하는 새로운 기술을 개발한다. (2008.6-2010.3 양성자기반공학기술개발사업단 과제, 2010.4-2012.04 대형연구시설 공동이용 활성화 과제, 2010.7-2012.6 방사선기술개발사업 위탁과제)

3) 감마전자꼭지점 영상법(GEVI) 개발

본 연구실에서는 새로운 감마선 영상기법인 감마전자꼭지점영상법(gamma electron vertex imaging, GEVI)를 처음 제안하였으며, 이를 이용하여 고 에너지 감마선을 측정하기 위한 감마선 영상 장치를 개발한다.
 

몬테칼로 전산모사 기술을 통한 GEVI 기반 영상장치 설계 및 성능평가

저소음, 고민감도의 다채널 신호처리 회로 설계 및 개발

통계적 방법에 기반을 둔 영상재구성 알고리즘 개발

실시간 입자 빔 비정 측정을 위한 GEVI 기반 측정장치 개발 및 적용

입자(양성자, 탄소) 빔은 브래그 피크(Bragg peak)의 특징을 이용하여 환자 체내의 원하는 부위에만 선량을 집중적으로, 그리고 균일하게 전달할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 입자 빔의 선량 분포가 정밀하게 결정되지 못할 경우, 방사선에 민감한 조직이나 장기에 선량을 집중적으로 전달하여 심각한 부작용을 초래할 수 있다는 문제가 있다. 이에 체내 입자 빔의 선량분포를 정확하게 영상화할 수 있는 장치의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 입자 빔과 인체 매질의 핵반응으로부터 발생하는 즉발감마선을 전자로 변환한 후 전자의 궤적을 추적함으로써 입자 빔의 2차원적 선량분포를 영상화하는 신개념의 감마전자꼭지점영상(GEVI) 장치를 실증하고자 한다. GEVI는 구성 검출기 종류 및 기하학적 구조, 전자 변환기의 구조 및 물질, 측정 에너지 범위, 영상 재구성 기법 등에 따라 성능에 큰 차이가 있으므로, 몬테칼로 전산모사를 통한 최적화 설계가 선행되어야 하며 이를 기반으로 영상장치 제작 및 성능 검증 연구를 수행한다. (2012.04-2015.03 의료용중입자가속기개발사업)

4) PET 기반 선량분포 영상장치 개발

중이온 빔은 기존 의생명용으로 주로 이용되던 전자/광자빔과 달리 비정의 끝 근방의 비교적 좁은 부위에 대부분의 선량을 전달한다. 이러한 특징은 목표부위에 선량을 집중시킬 수 있어 의생명 관련 실험 및 종양 치료 등에 효과적으로 이용될 수 있다. 본 연구팀에서는 기초과학연구원에서 준공 예정인 중이온/동위원소 의생명 빔라인에 적용할 수 있도록, 빔 조사 시 혹은 조사 직후에 선량분포를 모니터링할 수 있는 PET 기반의 영상장치를 개발하고 있다. (2013.2-미정, 중이온가속기구축사업)
 

몬테칼로 전산모사 기술을 통한 선량분포 영상장치 설계

통계학적 알고리듬 기반의 고속 영상재구성 프로그램 개발

dSiPM 특성 평가

5) 차세대 인체 모델 개발

인체전산모델을 이용한 몬테칼로 전산모사 기법은 매우 정밀한 선량계산 방법으로써 방사선 방호 및 치료 분야에서 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 인체전산모델보다 한 차원 높은 차세대 인체전산모델을 개발한다.
 

자세변형이 가능한 폴리곤 면 기반 인체전산모델 개발

호흡운동을 모사할 수 있는 사면체 메시 기반 4D 환자전산모델 개발

최신 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어 기술 기반의 초고속 몬테칼로 선량계산 시스템 구축

최근 의료영상 장비와 컴퓨터의 급속한 발전으로 의학 및 방사선 방호 분야에서 사용이 크게 증가하고 있는 복셀 모델(Voxel Model, Tomographic Model)은 기존의 수학적 모델에 비하여 인체를 사실적으로 매우 정밀하게 표현한다는 장점이 있다. 하지만, 기존 복셀 모델 제작에 주로 사용되는 CT나 MR 영상의 경우는 주변 조직과 성분이나 밀도가 같거나 촬영 중 꾸준히 움직이는 장기들은 명확하게 보여주지 못하고, 결과적으로 제작되는 모델의 완성도가 떨어진다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결하기 위하여 사체(Cadaver)를 포매한 후 0.2 mm씩 간격으로 갈아내며 획득한 VKH 고해상도 컬러 연속절단면 해부영상을 이용하여, 장기변형과 자세변형이 모두 가능한 차세대 고정밀도 표준한국인 성인남녀 복셀 모델들을 개발하며, 또한 이를 이용하여 유효선량 환산계수 등 한국인 고유의 방사선 방호량을 평가하며, 의학적으로는 4차원 몬테칼로 전산모사 기술을 개발할 예정이다. (2007.3-2012.2, 과학기술부 원자력기술개발사업 위탁과제, 2012.9-2017.8, 일반연구자지원사업)

저희 연구실의 구성원들은 스스로가 일류가 되겠다는 마음을 항상 가지고 위에서 언급한 다양한 연구를 주체적이고, 능동적으로 수행하고 있으며 교수님께서도 항상 학생들의 연구에 관심을 가지고 조언을 아끼지 않으시며 연구를 수행함에 있어 부족함이 없도록 지원을 아끼지 않으십니다. 저희 연구실은 현재에 안주하지 않기 위해서 정기적으로 국내/외 학회 참석을 권장하고 있으며, 연구실 내에서 외국인 학생 또한 연구에 참여함으로써 국제화 시대에 발을 맞추고 있습니다. 이와 같은 연구 관련 활동들과 더불어 연구실 구성원들의 화합을 위해 다양한 연구 외적인 활동을 권장하고 있습니다. 실제로 정기적인 워크숍을 통해 연구실 재학생들끼리는 물론 졸업생과도 끊임없이 교류하고 있으며, 특히 매년 송년회 때는 재학생, 졸업생 모두가 스키장에 가서 스키와 다양한 활동을 통해 끈끈한 유대감을 형성하고 있습니다. 이와 더불어 평상시에는 취미활동으로 탁구를 권장하여 매주 연구실 구성원들끼리 탁구를 치고, 정기적으로 탁구대회를 개최하여 서로의 탁구 실력을 견주고 있습니다. 이러한 노력들을 바탕으로 10년이 넘는 기간 동안 연구실 구성원들 간의 끈끈한 유대감을 통해 저희 연구실은 다양하고 우수한 성과를 내왔으며, 최고가 되겠다는 일념 하에 앞으로도 더욱 좋은 성과를 낼 수 있도록 노력할 것입니다.