KR101284171B1 - 양성자를 이용한 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법 - Google Patents

양성자를 이용한 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법 Download PDF

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Abstract

양성자를 이용한 치료 장치가 제공된다. 이 치료 장치는 환자의 종양 부위에 양성자를 투사하기 위한 양성자 발생부 및 환자를 둘러싸는 자기장을 형성하기 위한 자석을 포함한다. 양성자는 종양 부위의 원자와의 충돌 및 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동을 하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 양성자는 환자의 종양 부위에 집중되어, 종양 부위 내의 종양 세포의 성장을 저해하거나 또는 종양 세포를 괴사시킬 수 있다.
양성자, 종양, 암, 치료, 로렌츠

Description

양성자를 이용한 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법{Treatment Apparatus Using Proton and Method of Treating Using the Same}
본 발명은 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 양성자를 이용한 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법에 관한 것이다.
복잡해진 사회를 살아가는 현대인들은 많은 스트레스(stress)와 불규칙한 식사 등으로 건강을 유지하기 힘들어졌다. 특히, 이런 현대인들은 악성종양(malignant) 즉, 암(cancer 또는 tumor)에 의한 사망원인 확률이 가장 높다. 사회적으로 암의 발병률 또한 증가하는 추세에 있으며, 국가적인 대책이 시급히 요구되고 있다. 이에 따라, 암 등에 대한 치료 방법도 주요한 관심의 대상이 되고 있다.
효과적인 암의 치료는 악성종양의 조기 발견 후에 가장 용이하게 이루어진다. 암을 치료하는데 이용되는 화학요법 이외의 대부분의 기술은 뇌, 유방, 난소, 대장 등의 장기 내의 명확한 종양 부위에 대해 실시된다.
비정상 세포의 덩어리가 뭉쳐져서 충분한 크기가 되면, 목표물을 인식하는 것 및 국부에 집중하는 것이 쉬워진다. 이에 따라, 종양 덩어리가 외과 수술에 의 해 제거되거나, 또는 가열, 냉각, 방사선 조사 또는 화학요법으로 파괴될 수 있게 된다. 그러나 통상적으로 암은 원래의 발생 부위에서 비정상 세포의 확산에 의해 인접하는 장기로 전이되어 확산한다. 이에 따라, 종양 덩어리에 대해 효율적으로, 그리고 선택적으로 치료할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종양 부위에 대해 향상된 치료 효과를 갖는 양성자를 이용한 치료 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 종양 부위에 대해 향상된 치료 효과를 갖는 양성자를 이용한 치료 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 양성자를 이용한 치료 장치를 제공한다. 이 치료 장치는 환자의 종양 부위에 양성자를 투사하기 위한 양성자 발생부 및 환자를 둘러싸는 자기장을 형성하기 위한 자석을 포함할 수 있다. 양성자는 종양 부위의 원자와의 충돌 및 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
양성자의 나선운동의 정지 지점은 종양 부위에 위치할 수 있다.
환자가 위치할 수 있는 중공의 내부를 갖고, 그리고 자석이 외부에 위치하는 보어 부재를 더 포함할 수 있다.
자석은 원형 자석 또는 원형으로 배치된 자석들을 포함할 수 있다.
양성자는 종양 부위의 종양 세포의 DNA 이중 나선 또는 대사 과정을 교란시 킬 수 있다.
양성자 발생부는 레이저 또는 가속기일 수 있다.
가속기는 싱크로트론 가속기 또는 사이클로트론 가속기일 수 있다.
양성자는 자기장에 수직 방향 또는 경사지게 입사될 수 있다.
상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 양성자를 이용한 치료 방법을 제공한다. 이 방법은 환자를 둘러싸는 자기장을 형성하는 단계 및 환자의 종양 부위에 양성자를 투사하는 단계를 포함할 수 있다. 양성자는 종양 부위의 원자와의 충돌 및 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
양성자의 나선운동은 종양 부위에 정지 지점을 가질 수 있다.
양성자는 종양 부위의 종양 세포의 DNA 이중 나선 또는 대사 과정을 교란시킬 수 있다.
양성자는 자기장에 수직 방향 또는 경사지게 입사될 수 있다.
종양 부위에 나노 입자를 흡착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 종양 부위의 원자와 충돌된 양성자가 자기장에 의한 로렌츠의 힘을 받음으로써, 양성자가 종양 부위 내에서 나선운동을 할 수 있다. 이에 따라, 종양 부위의 종양 세포의 성장을 저해하거나, 또는 종양 세포를 괴사시키는 효과가 향상된 양성자를 이용한 치료 장치가 제공될 수 있다. 또한, 종양 부위가 양성자와 충돌 확률을 높일 수 있는 나노 입자 를 포함함으로써, 종양 부위를 보다 효과적으로 치료할 수 있는 양성자를 이용한 치료 방법이 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 구성 요소들 의 크기 및/또는 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 구성 요소들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 구성 요소들의 모양은 장치의 구성 요소의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
먼저, 본 발명에 적용되는 로렌츠의 힘(Lorenz force)에 대해 알아보기로 한다.
로렌츠의 힘은 물리학에서 전하를 띤 입자가 전자기장 안에서 받는 힘을 뜻한다. 전하를 띤 입자는 전기장 안에서는 전기장에 의한 힘을 받고, 그리고 자기장 안에서 입자의 움직임에 의해 자기장에 의한 힘을 받는다. 로렌츠의 힘에 대한 방정식은 이 둘을 합친 것이다.
Figure 112009078625371-pat00001
Figure 112009078625371-pat00002
: 로렌츠의 힘
Figure 112009078625371-pat00003
: 전기장
Figure 112009078625371-pat00004
: 자기장
Figure 112009078625371-pat00005
: 입자의 전하량
Figure 112009078625371-pat00006
: 입자의 속력
수학식 1을 참조하면, 양전하를 띤 입자는 전기장 안에서 가속되며, 자기장으 통과할 때에는 외적(outer product) 때문에, 오른손 법칙에 따라 원을 그리며 등속적으로 움직이게 된다. 헨드릭 안툰 로렌츠(Hendrik Antoon Lorentz)가 이 식을 유도하여 로렌츠의 힘이라 부른다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도이다.
도 1을 참조하면, 양성자를 이용한 치료 장치는 양성자 발생부(100) 및 자석(210)을 포함한다.
양성자 발생부(100)는 환자(300)의 종양 부위(도 2 내지 도 4의 305 참조)에 양성자(110)을 투사하기 위한 것일 수 있다. 양성자 발생부(100)는 고출력 레이저 또는 양성자 가속기일 수 있다. 양성자 가속기는 싱크로트론(synchrotron) 가속기 또는 사이클로트론(cyclotron) 가속기일 수 있다. 이에 따라, 양성자(110)는 고에너지 양성자일 수 있다.
자석(210)은 환자(300)를 둘러싸는 자기장을 형성하기 위한 것일 수 있다. 자석(210)은 원형 자석 또는 원형으로 배치된 자석들을 포함할 수 있다. 자석(210) 은 전자석을 포함할 수도 있다.
양성자를 이용한 치료 장치는 환자(300)가 위치할 수 있는 중공의 내부를 갖고, 그리고 자석(210)이 외부에 위치하는 보어 부재(bore member, 200)를 더 포함할 수 있다. 보어 부재(200)의 내부는 진공 상태일 수 있다.
양성자(110)는 환자(300)의 종양 부위를 진단하는데 사용되는 장비인 자기공명영상 촬영장치(Magnetic Resonance Imaging : MRI), 컴퓨터 단층촬영장치(computer tomography : CT), 양전자 방출 단층촬영장치(Positron Emission Tomography : PET), 초음파(ultrasonics wave) 기기 등과 같은 영상진단기기로부터 얻어진 종양 부위의 위치에 설정되어 투사될 수 있다.
양성자를 이용한 치료 장치의 치료 원리는 보어 부재(200)의 내부에 환자(300)가 들어오면, 자석(210)에 의해 형성된 자기장이 환자(300)를 둘러싸고, 양성자 발생부(100)로부터 발생된 양성자(110)가 자석(210)의 외부에서 환자(300)의 체내를 향하여 투사되고, 환자(300)의 체내로 투사된 양성자(110)는 환자(300)의 체내에 있는 종양 부위의 원자(310)와 충돌하고, 충돌로 인해 에너지의 일부를 잃은 양성자(110)는 자석(210)에 의해 형성된 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동(110b)하게 되고, 나선운동(110b)을 하는 양성자(110)는 종양 부위의 종양 세포들을 교란시키고, 그리고 종양 부위의 종양 세포들을 교란시키며 에너지를 점차적으로 잃게 되는 양성자(110)는 에너지를 완전히 잃게 되어 최종적으로 정지 지점(양성자의 속도가 0이 되는 지점, 110c)에 도달하는 것일 수 있다.
즉, 양성자(110)가 종양 부위의 원자(310)와의 충돌 및 자석(210)에 의해 형성된 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동(110b)하면서 종양 부위의 종양 세포들을 교란시킴으로써, 종양 세포들의 성장을 저해하거나, 또는 종양 세포들을 괴사시키는 것일 수 있다. 양성자(110)가 종양 부위의 종양 세포들을 교란시키는 것은 종양 세포의 DNA 이중 나선을 교란하거나, 또는 종양 세포의 핵 내의 대사 과정을 교란하는 것일 수 있다.
이러한 양성자(110)의 나선운동(110b)은 종양 부위의 종양 세포들을 교란시킬 확률을 높일 수 있다. 또한, 양성자(110)의 나선운동(110b)의 정지 지점(110c)은 종양 부위에 위치할 수 있다. 이에 따라, 양성자를 이용한 치료 장치의 치료 효과가 향상될 수 있다.
이와는 달리, 환자(300)의 체내로 투사된 양성자(110)가 환자(300)의 체내에 있는 종양 부위의 원자(310)와 충돌하지 않을 경우, 에너지를 전혀 잃지 않은 양성자(110)는 자석(210)에 의해 형성된 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 점선 부분과 같이 단순한 등속 원운동(110a)을 하게 된다.
종래의 양성자를 이용한 치료 장치는 환자를 자기장 내에 위치시키지 않으면서 종양 부위로 양성자를 투사시킨다. 이러한 자기장이 없는 공간에서 양성자가 종양 부위의 원자와 충돌하는 경우, 양성자는 불특정 방향으로 튕겨나가거나, 또는 정지하게 된다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치는 환자를 자기장 내에 위치시킴으로써, 종양 부위의 원자와의 충돌로 초기 투사 에너지의 일부를 잃은 양성자가 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동을 하게 되어, 종래에 비해 종양 부위의 종양 세포들을 교란시킬 확률이 더 높을 수 있다.
즉, 자기장이 없는 공간에서 양성자가 종양 부위의 종양 세포들을 교란시키는 역할 정도에 비해, 자기장에 둘러싸인 공간에서 나선운동을 하는 양성자는 종양 부위의 종양 세포들을 교란시키는 역할 정도가 매우 클 수 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치에서 양성자의 운동 형태들을 설명하기 위한 개략적인 개념도들이다.
도 2를 참조하면, 양성자 발생부(100)로부터 발생된 양성자(110)가 진공 상태인 보어 부재(200)의 내부로 투사되어 종양 부위(305)와 충돌하지 않을 경우, 양성자(110)는 초기 투사 에너지를 잃지 않게 된다. 이러한 초기 투사 에너지를 잃지 않은 양성자(110)는 자석(210)에 의해 형성된 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 점선 부분과 같이 종양 부위(305)의 주위를 등속적으로 단순히 원운동(110a)하게 된다.
로렌츠의 힘은 수학식 1과 같이 주어지기 때문에, 자기장에 수직 방향으로 입사하는 양성자(110)는 자기장 내에서 초기 투사 속도를 유지하면서 보어 부재(202) 내에서 원운동(110a)을 계속하게 된다.
도 3을 참조하면, 양성자 발생부(100)로부터 발생된 양성자(110)가 진공 상태인 보어 부재(200)의 내부로 투사되어 종양 부위(305)의 원자(도 1의 310 참조)와 충돌할 경우, 양성자(110)는 종양 부위(305)의 원자와의 충돌로 인해 초기 투사 에너지의 일부를 잃게 된다. 이러한 초기 투사 에너지의 일부를 잃은 양성자(110)는 자석(210)에 의해 형성된 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동(110b)하게 된다. 이러한 나선운동(110b)을 하는 양성자(110)는 종양 부위(305)의 종양 세 포들을 계속적으로 교란시키면서 에너지를 점차적으로 잃게 된다. 이러한 점차적으로 에너지를 잃게 되는 양성자(110)는 최종적으로 종양 부위(305) 내의 정지 지점(도 1의 110c 참조)에 도달하게 된다.
도 3은 양성자(110)가 자기장에 대해 수직 방향으로 입사하는 경우에 대한 것을 도시하고 있다. 도시되지 않았지만, 양성자(110)가 자기장에 대해 경사진 방향으로 입사되는 경우에는, 양성자(110)가 종양 부위(305)의 원자와의 충돌 후, 나선운동(110b)을 하는 동시에, 자기장의 축 방향으로도 운동을 할 수 있다. 이러한 나선운동(110b) 및 자기장의 축 방향 운동을 하면서 종양 부위(305)의 종양 세포들을 계속적으로 교란시키는 양성자(110)는 점차적으로 에너지를 잃게 되어 특정 지점에서 정지하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치에서 치료 효과를 향상시키기 위한 방법을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 4를 참조하면, 양성자를 이용한 치료 장치로 치료 받고자 하는 종양 부위(305)에는 나노 입자들(310n)이 흡착(labeling)될 수 있다. 나노 입자(310n)는 양성자(110)와 종양 부위(305) 사이의 충돌 확률을 높이기 위한 것일 수 있다.
도시된 것과 같이, 종양 부위(305)로 투사되는 양성자들(110)은 종양 부위(305)에 흡착된 나노 입자들(310n)과 충돌하여 각각의 나선운동(110b)을 하면서 종양 부위(305)의 종양 세포들을 교란시킬 수 있다. 이에 따라, 각각의 나선운동(110b)을 하는 양성자들(110)에 의해 종양 부위(305)의 종양 세포들의 성장이 저해되거나, 또는 종양 세포들이 괴사할 확률이 높아질 수 있다.
이에 더하여, 종양 부위(305)에 흡착된 나노 입자(305)는 양성자(110)가 정상 세포와 종양 세포에 충돌하는 각각의 확률에 대해 차이를 부여할 수 있다. 이에 따라, 보다 집중적으로 종양 부위(305)의 종양 세포들의 성장을 저해하거나, 또는 종양 세포들을 괴사시킬 수 있는 방법이 구현될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치는 종양 부위의 원자와 충돌된 양성자가 자기장에 의한 로렌츠의 힘을 받게하여 양성자가 종양 부위 내에서 나선운동을 하게 함으로써, 양성자가 종양 부위의 종양 세포들을 교란시킬 확률을 높일 수 있다. 이에 따라, 종양 부위의 종양 세포의 성장을 저해하거나, 또는 종양 세포를 괴사시키는 효과가 향상된 양성자를 이용한 치료 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 방법은 종양 부위가 나노 입자를 포함함으로써, 양성자와 종양 부위 사이의 충돌 확률을 높일 수 있다. 이에 따라, 종양 부위를 보다 효과적으로 치료할 수 있는 양성자를 이용한 치료 방법이 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 2 및 3은 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치에서 양성자의 운동 형태들을 설명하기 위한 개략적인 개념도들;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양성자를 이용한 치료 장치에서 치료 효과를 향상시키기 위한 방법을 설명하기 위한 개략적인 개념도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 양성자 발생부 110 : 양성자
110a : 원운동 110b : 나선운동
110c : 정지 지점 200 : 보어 부재
210 : 자석 300 : 환자
305 : 종양 부위 310 : 원자
310n : 나노 입자

Claims (13)

  1. 환자의 종양 부위에 양성자를 투사하기 위한 양성자 발생부; 및
    상기 환자를 둘러싸는 자기장을 형성하기 위한 자석을 포함하되,
    상기 양성자는 상기 종양 부위의 원자와의 충돌 및 상기 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 나선운동을 하는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양성자의 상기 나선운동의 정지 지점은 상기 종양 부위에 위치하는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 환자가 위치할 수 있는 중공의 내부를 갖고, 그리고 상기 자석이 외부에 위치하는 보어 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자석은 원형 자석 또는 원형으로 배치된 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양성자는 상기 종양 부위의 종양 세포의 DNA 이중 나선 또는 대사 과정을 교란시키는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 양성자 발생부는 레이저 또는 가속기인 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가속기는 싱크로트론 가속기 또는 사이클로트론 가속기인 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 양성자는 상기 자기장에 수직 방향 또는 경사지게 입사되는 것을 특징으로 하는 양성자를 이용한 치료 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
KR1020090127223A 2009-12-18 2009-12-18 양성자를 이용한 치료 장치 및 이를 이용한 치료 방법 KR101284171B1 (ko)

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