KAIST

- PET-MR 검출기 용 반도체형 실리콘 광증배관 국산화개발 성공 -
- 2년 이내에 순수 국내기술로 상용화 가능 -
- 전량수입에 의존하던 방사선 검출기의 국산화도 가능 -

우리 학교 원자력 및 양자공학과 조규성 교수 연구팀과 나노종합팹센터(소장 이귀로) 설우석 박사 연구팀이 공동으로 의료영상기기 중 하나인 PET-MR의  핵심소자인 ‘실리콘 광증배관(SiPM)’을 개발하는 데 성공했다.

실리콘 광증배관은 의료영상기기의 방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭하는 부품이다. 현재 국내에서 시판되는 PET-MR 가격이 약 50억원인데 이 부품은 전체 가격의 10% 이상을 차지할 정도로 매우 고가다.

실리콘 광증배관의 필요성이 최근 들어 크게 대두되고 있지만, 개발이 어려워 전 세계에서 독일, 일본, 미국 등 선진국들만 이 기술을 보유하고 있다. 앞으로 조 교수 연구팀이 개발한 기술이 상용화되면 국내시장 규모가 2010년 3000억원에 달했으나 국산 부품이 전무했던 PET 분야에서 커다란 경제적 파급효과를 낼 것으로 예상된다.

PET-MR은 인체조직의 해부학적 영상과 물질대사의 분석이 가능한 자기공명영상기기(MRI, Magnetic Resonance Imaging)와 인체의 세포활동과 대사상태를 분자 수준까지 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET, Positron Emission Tomography)의 장점이 결합된 최첨단 의료영상기기다.

이처럼 PET와 MRI의 장점만 갖춘 꿈의 의료영상기기인 PET-MR의 상용화를 위해 실리콘 광증배관 개발이 필수적이다.

진공관식 광증배관을 이용하는 기존의 PET는 MR장비의 강한 자기장으로 인해 심각한 영상 왜곡이 발생하기 때문이다.

연구팀은 조도가 낮은 PET 감마선 섬광신호를 측정하는 실리콘 광증배관의 구조를 최적화하고 반응속도를 높여 에너지와 시간분해능을 동시에 향상시켰다. 또 소자 내부증폭을 통해 저조도의 광량을 100만배 증폭 시킬 수 있어 단일광자까지 측정 가능하도록 만들었다.

이와 함께 제작 공정을 단순화해 진공관식 광증배관 대비 1/10 수준의 가격경쟁력을 갖췄으며, 크기는 1/1000 수준으로 소형화를 실현했다.

조 교수 연구팀이 개발한 실리콘 광증배관은 올해 동물실험을 거쳐 앞으로 2년 이내에 우선적으로 뇌전용 PET-MR에 적용해 상용화할 계획이다.

조규성 교수는 “실리콘 광증배관의 국산화를 통해 PET와 같은 의료영상기기는 물론 후쿠시마 원전사고 이후 세계적인 수요가 급증하고 있지만 우리나라로서는 전량 수입에 의존하는 방사선 검출기의 국산화도 가능하게 됐다”며 “원전수출의 급물살에 이어 국내 방사선기기 기술의 해외시장 진출도 머지않았다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 지식경제부가 지원하는 산업 원천기술개발사업의 일환으로 지난 4년간 수행됐다.

<용어설명>
 ● 실리콘 광증배관(SiPM)
- Silicon Photo Multiplier의 약자로 소자의 내부증폭을 이용하는 광다이오드의 한 종류다. 일반적인 광다이오드는 흡수한 광신호를 외부 증폭회로를 통해 증폭시키게 되는데 이때 외부 잡음도 함께 증폭되는 문제가 있다. 실리콘 광증배관은 소자의 내부에서 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어 단일 광자까지 측정가능 한 소자이다.

 ● 진공관식 광증배관(PMT)
- 광전효과를 이용하여 빛을 증폭시키는 소자이다. 입사된 광자를 전자로 변환시킨 뒤 전기장하에서 가속하여 증폭시키는 과정을 반복한다. 증폭률이 100만배에 가깝고 그 성능을 인정받아 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 광소자이다. 하지만 자기장 하에서 전자의 움직임이 영향을 받아 PET-MR에 사용할 수 없다.

 ● 양전자방출단층촬영기기(PET)
- 환자에 양전자를 방출하는 동위원소를 주입한 뒤 특정부위에서 양전자가 방출되면 180° 방향으로 전자의 소멸에 의한 소멸방사선이 발생된다. 이때 환자를 둘러싼 링형태의 검출기에서 두 개의 소멸방사선을 동시에 계측하여 위치를 추정하게 된다. 암은 형성 초기에 다량의 포도당을 이용하여 에너지를 사용하므로 동위원소 표지가된 포도당을 주입하여 암의 조기 진단이 가능하다. 또한 CT나 MRI와 달리 신진대사 및 분자의 거동을 볼 수 있어 분자영상기기라고도 불린다.

 ● 감마선 - 방사선의 일종으로 에너지가 높아 투과율이 가장 높다. PET에서
사용되는 동위원소에서는 전자의 소멸에 의해 511keV의 감마선 쌍이 180도
방향으로 방출된다.

 ● 에너지 분해능 - 방사선 측정기에서 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수
있는 능력. 에너지 분해능이 높아야 잡음 및 외부 방사선으로부터 표적물질이
구분 가능하다.

 ● 시간 분해능 - 방사선 측정기에서 측정된 서로 다른 신호의 반응 시간을 구별 할 수 있는 능력. 시간 분해능이 높아야 180도 방출된 소멸방사선의 동시계수가 가능하다.

<보충자료>
▣ 의료영상기기의 특징 및 현황(2011년 6월 기준)
1) CT
- 원리 : 빛 에너지인 X선을 360도 각도에서 촬영해 재구성한다. 2차, 3차원 영상촬영이 가능하다
- 특징 : 조직의 밀도차이를 구별한다. 움직이는 장기(심장, 폐, 내장) 촬영에 적합하다. MRI보다 저렴하며 조영제를 쓰기도 한다.
국내보유 : 1743대, 대당가격 : 15억원

2) PET
- 원리 : 방사성 약을 인체에 주사하면 포도당 등과 결합해 양전자가 나온다. 이때 나오는 감마선 신호를 영상화 한다.
- 특징 : 인체 조직의 기능과 대사 상태를 영상화한다. 한 번 만에 전신을 찍는다. 문제 위치를 정확히 드러내지 않아 최근 CT와 융합해서 많이 사용한다.
국내보유 : 155대, 대당가격 : 20억원

3) MRI
- 원리 : 체내 물 성분의 하나인 수소 원자핵에 자기장을 걸고 핵 진동을 일으켜 신호를 분석한다.
- 특징 : 수분이 많은 근육, 인대, 물렁뼈, 디스크, 혈관, 지방, 뇌를 CT보다 정확히 보여준다. 방사선을 쓰지 않는다.
국내보유 : 985대, 대당가격 : 20억원

▣ PET-MR의 임상적 유용성
PET-MR은 PET(양전자단층촬영장치)와 MRI(자기공명영상장치)의 장점만을 합친 퓨전(융합)영상기기이다.
–PET는 뇌세포의 유전자 및 분자과학적인 변화를 알 수 있지만, 공간해상도가 떨어진다는 단점이 있다.
–반대로 MR은 수백 mm 정도로 해상도가 높으나 유전자 및 분자과학적인 변화를 볼 수 없다.
•PET-MR은
–두 영상기기의 단점을 해결해, 뇌 세포의 기능 및 분자과학적인 변화를 3차원 고정밀 영상으로 얻을 수 있다.
–6겹으로 이루어진 뇌의 피질을 층마다 분리해 정밀하게 볼 수 있으며(해부학적 고해상도 영상), 뇌의 미세혈관도 분자수준에서 관찰(생리학적 고민감도 영상)이 가능하다.
–MRI영상과 PET 영상을 동시에 얻음으로써 같은 위치에 있는 조직의 생화학적 변화를 동시에 관찰하여 진단의 민감도(sensitivity, TP)와 특이도(specificity, TN)를 향상시킬 수 있다.
–저해상도 PET 영상이 호흡이나 심장박동과 같이 인체의 motion artifact에 의해 저해되는 것을 gated MR 영상을 이용하여 보정할 수 있다.

▣ 시장규모
-2010년 미국의 PET 및 PET-CT 시장은 약 5.2조원으로 5년 평균 16.7%성장률을 기록하고 있다. 한국의 PET시장은 2010년 까지 150대에 이르는 PET기기 도입으로 3400억에 이르는 시장을 형성하고 있다. 또한 고령화 사회로 진입함에 따라 암, 치매에 대비한 PET-CT 혹은 PET-MR 융합기기의 수요가 증가하여 더 큰 규모의 시장형성이 예상된다.

▣ SiPM개발의의
Siemens사는 실리콘 Avalanche photodiode (APD)를 이용하여 직접 융합하는 방식의 PET-MR을 2010년 후반부에 출시한 바 있다. 하지만 실리콘 APD는 진공관식 증배관에 비해 자기장에 강하지만 증폭도가 낮고 이득이 불안정한 것이 단점이다. 실리콘 광증배관은 5~6년전 아일랜드의 SensL사가 최초로 상용화한 광센서로서 실리콘 APD와 진공관식 광증배관의 장점만을 취할 수 있기 때문에 낮은 조도의 광신호를 크게 증폭시킬 수 있는 데 심지어는 단일 광자까지 측정 가능하다. 또한 기존 진공관식 광증배관에 비해 소형이고 양산성이 좋아 경제성이 높은 새로운 광 소자로써 각광을 받아 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다.

<그림설명>

그림1. 반도체형 광증배관과 섬광체 단결정이 결합된 PET 검출기 개념도  

그림2. 연구팀이 개발한 PET-MR용 반도체형 광증배관 사진

그림3. 마이크로 셀 어레이로 구성된 실리콘 광증배소자

그림4. 단일 광증배소자 (우상) 및 4x4 어레이구조의 16채널 광증배소자(우하)

그림5. 격자형 섬광결정과 어레이형 실리콘 광증배소자 및 신호처리회로가 결합된 PET 검출기 모듈