KR101486152B1 - 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터에 관한 것으로서, 다양한 공간의 형상을 연출하여 조사되는 양성자의 세기를 조절하는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서, 양측에 배치된 다수개의 마이크로 모터와 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 사이를 1대1로 탄성 릴에 의해 서로 연결하되, 상대적으로 먼 쪽의 마이크로 모터와 스프레드 패널을 같은 개수의 비율로 서로 연결하고, 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 전체를 이등분하여 반대편의 마이크로 모터에 의해 각각 양쪽으로 이동된 상태를 상기 마이크로 모터에 의해 탄성 릴을 감지 않은 스트레스 해제상태로 한 것이며, 양성자 치료를 위해 종래 수제작을 하던 감쇠체와 보상체의 제작방식을 콜리메이터를 통한 리버스 콜리메이션 방식으로 Bragg-peak에서 스프레드가 필요한 구간에 스프레드 패널을 집속시켜 감쇠 구간과 모양을 프로그램을 통해서 결정하고, 이를 종양의 치료에 적용시키도록 한 효과가 있다.

Description

유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터{Collimator for proton therapy of flowing pixel}

본 발명은 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터에 관한 것으로서, 상세히는 양성자 조사범위가 되는 메인 프레임의 개방된 중심부에 다수개의 스프레드 패널을 픽셀형태로 설치하고, 상기 메인 프레임의 양측에 상기 각 스프레드 패널과 서로 먼 쪽을 기준으로 1대1로 탄성 릴에 의해 연결된 다수개의 마이크로 모터를 설치하여, 제어부에 의한 각 마이크로 모터의 구동으로 탄성 릴을 통해 상기 각 스프레드 패널을 방사선 조사범위 안과 밖으로 선별적으로 이동시킴으로써, 치료해야 할 종양에만 정확하게 양성자가 조사될 수 있도록 한 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터에 관한 것이다.

X선이나 감마선과 같은 방사선 치료에 있어서는 방사선의 선량을 조정할 필요가 있어 콜리메이터(collimator)라고 하는 것을 사용한다. 이러한 콜리메이터의 대표적인 형태로 다엽 콜리메이터가 있는데 이러한 종래 다엽 콜리메이터는 여러 개의 ?(leaf)들이 각개로 움직여서 방사선의 선량이 전달되고자 하는 영역의 특수모양을 공간형태로 유지, 변형시키면서 시간적인 움직임으로 선량을 전달하는 구동방식을 사용하고 있다.

상기한 종래 다엽 콜리메이터는 현재 방사선 종양학과에서 거의 모든 방사선 치료기기에 필수적으로 부착되어 사용하고 있으나, 여러 개의 ?(leaf)들을 각각 별개로 직접 움직여 작동해야 한다는 불편함이 있다. 또한 상기 다엽 콜리메이터는 수입품으로 고가이고 자체제작이 어려우며, 방사선 치료기에 부착하여 사용할 때 여러 개의 ?(leaf)들이 순간순간 움직여 공간형태를 유지하고는 있으나 제자리에서만 상기 공간형태를 변경하여 유지할 뿐 그 위치를 변경하지는 못하고 있다.

따라서 순수 국내 기술로 제작이 가능하며 다엽 콜리메이터보다 훨씬 저렴한 가격으로 동급의 성능을 낼 수 있는 기기로써, 복잡한 선량 영역의 형성이나 짧은 혹은 불규칙적인 선량 세기 조절에 있어서 가격대비의 고성능을 낼 수 있는 기술의 국내도입이 시급한 실정에 있다.

더욱이 종래 다엽 콜리메이터에서 여러 개의 ?(leaf)에 의해 방사선 빔을 통과시킬 때 상기 빔은 멀어질수록 퍼지는 경향이 있기 때문에 퍼지는 각도 및 에너지의 특성을 고려하여야 하나, 상기 다엽 콜리메이터에는 이러한 점을 고려하지 않고 있어 정확한 방사선의 선량 및 세기의 전달에 다소 미흡한 점이 있다.

또한 양성자빔이나 탄소이온빔과 같은 입자방사선은 X선과는 달리 브래그 피크(Bragg peak)라는 특이한 선량전달의 특성이 있어서 방사선치료에 이용시 종양에 많은 양의 방사선을 전달함과 동시에 주변의 정상장기를 보호할 수 있는 이점이 있다. 즉 도 8에 도시한 바와 같이, 매질 내에서의 입자방사선의 선량전달의 특성을 보면 X선은 매질의 표면 근처에서 에너지 전달이 크게 일어나는 반면, 입자빔은 특정한 깊이에서만 높은 에너지 전달(브래그 피크)이 일어난다.

그리고 입자방사선 치료에서는 일반적으로 이중산란과 빔의 침투깊이 변조(range modulation) 방식을 통해 입자빔을 공간적으로 변조시켜서 환자를 치료한다. 이때 종양의 형태는 환자마다 다르기 때문에 입자방사선 치료에서는 방사선량을 표적에만 국한하여 전달하기 위하여, 입자방사선의 침투깊이 분포를 조절하는 보상체를 사용한다. 보상체의 두께가 얇은 위치를 통과하는 입자방사선은 인체 내 깊은 곳까지 침투하고, 두꺼운 곳을 통과할 때는 인체 내 침투 깊이가 얕아져서 방사선량 분포가 종양의 깊이 방향 형태와 일치하게 된다. 즉 도 9에 도시한 바와 같이, 보상체의 작용으로 상기 보상체의 두께가 얇은 위치에서는 입자빔의 인체 내 침투깊이가 깊어지고, 상기 보상체의 두께가 두꺼운 곳에서는 침투깊이가 얕아져서 방사선량의 깊이 방향 분포를 조절하게 된다.

상기 보상체에 있어 종래의 보상체는 PMMA(Polymethly Methacrylate) 등과 같은 고형의 고분자재료나 왁스 등과 같은 연질의 소재를 밀링머신을 이용해 환자의 치료부위에 맞게 가공하고 치료에 사용한다. 그러나 이러한 보상체는 환자맞춤형이기 때문에 환자마다 개별 제작되고, 치료 후에는 타 환자에게 재사용될 수 없을 뿐 아니라 동일 환자에서도 치료에 사용하는 빔 방향이 늘어나면 같은 개수의 보상체를 제작하여야 한다. 이로 인해 지속적으로 높은 재료비의 지출이 발생하고, 보상체 제작에 소요되는 시간도 상당히 길어서 한꺼번에 많은 환자를 치료하거나 응급환자를 신속히 치료하는데 문제점이 있다. 또한, 2개 이상의 빔을 사용하는 경우에는 인적 오류에 의해 보상체가 서로 뒤바뀌어 치료가 이루어질 위험성도 안고 있다.

이와 같이 양성자 치료는 고에너지의 양성자를 생산하여 사용해야 하므로 별도의 생산 시설이 갖추어져 있지 않은 병원에서는 사용이 불가하다. 설상 양성자 치료가 가능하다 하더라도 치료 계획을 통하여 종양조직에 필요한 선량 분포를 구성하기 위해서는 그에 맞는 보상체와 종양조직에 최적화 된 감쇠 물질을 제작해야 하는데 이는 보통 빠르게는 하루, 지연이 될 경우 3일 정도의 제작기간을 들인 후 치료가 이루어지는 형태이다. 지연의 문제는 보통의 노력으로 해결 될 수 있는 부분이지만 문제는 환자마다 종양조직에 알맞은 감쇠물질을 모두 제작해야 한다는 불편함이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1232117호

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 개방된 중심부가 양성자 조사범위가 되는 메인 프레임, 상기 메인 프레임의 중간에 배치된 픽셀형태의 다수개의 스프레드 패널, 상기 메인 프레임의 양측에 배치되어 상기 다수개의 각 스프레드 패널과 서로 먼 쪽을 기준으로 탄성 릴에 의해 1대1로 연결된 다수개의 마이크로 모터 및 제어부로 구성되어, 상기 제어부에 의한 마이크로 모터의 구동으로 탄성 릴을 통해 각 스프레드 패널을 선별적으로 이동시켜 종양을 치료하기 위해 조사되는 양성자의 세기를 조절할 수 있도록 한 조사영역을 구성하도록 한 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터를 제공함에 있다.

여기서 양측의 다수개의 마이크로 모터는 중간의 스프레드 패널을 이등분하여 서로 먼 쪽의 스프레드 패널과 연결하되, 탄성 릴로 마이크로 모터와 연결되고 이등분된 중간의 스프레드 패널 전체가 양측의 상기 마이크로 모터 쪽으로 각각 완전히 이동된 상태를 마이크로 모터가 탄성 릴을 감고 있지 않은 스트레스 해제상태로 한다.

다른 목적은 탄성 릴에 의해 연결된 스프레드 패널과 마이크로 모터가 설치된 메인 프레임을 여러 개 적층하여 다층의 콜리메이터로 구성하되, 이러한 다층의 콜리메이터는 방사선의 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터로도 사용할 수 있도록 한 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터는, 다양한 공간의 형상을 연출하여 조사되는 양성자의 세기를 조절하는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서, 양측에 배치된 다수개의 마이크로 모터와 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 사이를 1대1로 각각의 탄성 릴에 의해 서로 연결하되, 마이크로 모터와 스프레드 사이의 거리를 기준으로 상대적으로 먼 쪽의 마이크로 모터와 스프레드 패널을 같은 개수의 비율로 각각의 탄성 릴에 의해 서로 연결하고, 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 전체를 이등분하여 반대편의 마이크로 모터에 의해 각각 양쪽으로 이동된 상태를 상기 마이크로 모터에 의해 탄성 릴을 감지 않은 스트레스 해제상태로 한 것을 특징으로 하고 있다.

또 개방된 중간 부분이 양성자 조사범위가 되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 양측에 연결된 연결 프레임을 더 포함하여, 양측의 상기 연결프레임에 연결된 지지체에 의해 지지되어 설치된 다수개의 마이크로 모터와, 상하좌우로 다수개를 연결하여 상기 메인 프레임의 후면 중간에 배치한 픽셀형태의 스프레드 패널을 탄성 릴과 서로 1대 1로 연결하여 복수개의 스프레드 패널이 상하좌우로 평면을 이루고, 다수개의 상기 스프레드 패널을 선별적으로 이동시키기 위해 상기 탄성 릴을 감았다 풀도록 각 마이크로 모터의 구동을 제어부로 제어하는 것이 바람직하다.

또 상기 지지체는 연결프레임의 상부 및 하부 사이에서 간격을 두고 좌우로 나란히 다수개로 연결되고, 상기 마이크로 모터는 다수개의 각 지지체에 걸쳐 상하로 다수개 설치되며, 상기 각 탄성 릴은 나란히 배치된 한쪽의 다수개의 마이크로 모터와 다른 쪽의 스프레드 패널 또는 나란히 배치된 다른 쪽의 다수개의 마이크로 모터와 한쪽의 스프레드 패널 사이를 연결할 때, 거리상으로 가까운 쪽의 상기 각 마이크로 모터의 모터 축과 각 스프레드 패널 사이를 1대 1로 연결하는 것이 바람직하다.

또 상기 메인 프레임 양측의 마이크로 모터와 스프레드 패널 사이의 각 연결 프레임에 탄성 릴의 장력을 위해 설치하여 상기 탄성 릴이 걸쳐 지나가도록 한 릴 가이드를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 각 마이크로 모터와 탄성 릴에 의해 이동하는 다수개의 상기 각 스프레드 패널은 메인 프레임의 양성자 조사범위가 되는 개방된 중간 부위 밖까지 이동하도록 하며, 상기 탄성 릴은 방사선의 반응에 영향을 받지 않는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또 상기 제어부는 프로그램으로 구성된 논리회로와 구동회로를 구비하고, 각 스프레드 패널의 이동을 위한 마이크로 모터는 상기 논리회로와 직접적으로 연결된 구동회로로부터 신호를 받아 구동하도록 하며, 상기 마이크로 모터는 양단에 모터 축을 구비하여 상기 스프레드 패널과 상기 각 모터 축과 스프레드 패널 사이를 2개의 탄성 릴로 연결하며, 상기 각 모터 축의 바깥 둘레면은 톱니형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

또 상기 탄성 릴에 의해 연결된 마이크로 모터와 스프레드 패널이 설치된 상기 메인 프레임을 여러 개 적층하여 다층의 콜리메이터로 설치하며, 상기 다층의 콜리메이터는 다양한 공간의 형상을 연출하여 방사선을 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터에 의하면, 양성자 치료를 위해 종래 수제작을 하던 감쇠체와 보상체의 제작방식을 콜리메이터를 통한 리버스 콜리메이션 방식으로 Bragg-peak에서 스프레드가 필요한 구간에 스프레드 패널을 집속시켜 감쇠 구간과 모양을 프로그램을 통해서 결정하고, 이를 종양의 치료에 적용시키도록 한 효과가 있다.

이러한 효과에 의해 본 발명은 기존의 방법에 비하여 크게 다음과 같은 또 다른 3가지의 효과가 있다.

첫째 종래 양성자 치료에 사용되는 감쇠체와 보상체는 수제작에 드는 비용을 부담해야 하고 이에 따른 시간 지연이 있으며 인력이 투입되어야 하는 것에 비해, 본 발명의 콜리메이터는 전자화되고 자동화되어 작동하기 때문에, 종래 감쇠체와 보상체의 수제작에 드는 비용과 시간 지연 및 인력의 투입으로 인한 낭비를 막아 줄 수 있다는 효과가 있다.

둘째 환자의 움직임이나 종양 모양의 급격한 변형 및 중간 치료 계획의 오류로 인한 수정이 필요할 시, 본 발명의 콜리메이터를 구성하는 제어부에 구비된 프로그램에 따라 실시간으로 치료 계획에 맞게 스프레드 패널에 의해 조사영역을 바꾸어줄 수 있는 강력한 호환성을 갖추고 있는 효과가 있다.

셋째 기존에 쓰이는 보상체와 감쇠체에 맞게 설계된 하드웨어에 비하여 본 발명의 콜리메이터는 간단하고 효율적인 기기적 설계를 할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도
도 2는 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도
도 3a는 스프레드 패널의 일부를 양쪽으로 이동시켜 중심의 일부에 양성자 치료를 위한 조사영역을 구성한 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도
도 3b는 스프레드 패널의 일부를 양쪽으로 이동시켜 중심의 일부에 양성자 치료를 위한 조사영역을 구성한 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도
도 4a는 중심의 일부를 제외한 스프레드 패널을 이동시켜 방사선의 투과를 위한 조사영역을 구성하는 일반적인 콜리메이션 방식을 보여주는 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도
도 4b는 중심의 일부를 제외한 스프레드 패널을 이동시켜 방사선의 투과를 위한 조사영역을 구성하는 일반적인 콜리메이션 방식을 보여주는 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터를 다층으로 구성한 다층의 콜리메이터의 전면 사시도 및 후면 사시도
도 6은 상기 5의 다층의 콜리메이터의 작동을 보여주는 전면 및 후면 사시도
도 7a 및 도 7b는 겹쳐진 부분들의 각 층의 콜리메이터의 동작을 보여주는 전면 사시도 및 후면 사시도
도 8은 매질 내에서의 양성자의 선량전달의 특성을 보여주는 그래프
도 9는 보상체의 두께에 따라 양성자의 인체 내 침투깊이가 달라짐을 보여주는 비교도

이하, 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터는 메인 프레임(1), 연결 프레임(2a)(2b), 지지체(3), 마이크로 모터(4), 스프레드 패널(5), 탄성 릴(6) 및 제어부를 기본 구성으로 하고 있다.

상기 메인 프레임(1)은 중간이 개방된 사각의 틀로 구성되어 개방된 중간 부분이 양성자가 조사되는 조사범위가 되며, 기본적으로 개방된 중간 부분에 픽셀형태의 상기 스프레드 패널(5)이 배치된다.

상기 연결 프레임(2a)(2b)은 메인 프레임(1) 양측의 아래 위에서 각각 긴 판 형상으로 연결되어 설치되며, 상기 마이크로 모터(4)를 설치하기 위한 지지체(3)를 고정하게 된다.

상기 지지체(3)는 각 연결 프레임(2a)(2b) 사이에 걸쳐 여러 개를 나란히 설치하게 되며, 각 지지체(3)별로 상하로 나란히 설치되는 다수개의 마이크로 모터(4)를 서로 연결하여 고정하는 역할을 하게 된다.

상기 각 마이크로 모터(4)는 상단 및 하단의 중심부에 모터축(4a)이 각각 연결되어 지지체(3)와 연결되며, 상기 각 지지체(3)별로 상하로 연결되는 동일개수의 마이크로 모터(4)를 설치하게 된다.

상기 스프레드 패널(5)은 다수개의 패널을 상하좌우로 연결하여 픽셀형태로 메인 프레임(1)의 후면 중간 부분에 배치한 것이며, 여러 개의 스프레드 패널(5)이 모여 하나의 큰 스프레드 범위를 형성하고 있다.

상기 탄성 릴(6)은 수평선상에 배치되는 다수개의 마이크 모터(4) 양단의 모터축(4a)과 다수개의 스프레드 패널(5) 측면의 아래 위 사이를 2개의 탄성 릴에 의해 1대1로 연결한 것이며, 메인 프레임(1)의 한쪽, 즉 왼쪽에 있는 마이크로 모터(4)는 상기 메인 프레임(1)의 다른 쪽, 즉 오른쪽에 있는 스프레드 패널(5)과 같은 개수의 비율로 연결하고, 메인 프레임(2)의 다른 쪽, 즉 오른쪽에 있는 마이크로 모터(4)는 상기 메인 프레임(1)의 한쪽, 즉 왼쪽에 있는 스프레드 패널(5)과 같은 개수의 비율로 연결한다. 여기서 2개의 탄성 릴(6)을 스프레드 패널(5)에 연결할 때에는 상기 스프레드 패널(5)의 측면 아래 위에서 상기 2개의 탄성 릴(6)이 관통하면서 연결되거나, 상기 스프레드 패널(5) 후면의 아래 위에 상기 2개의 탄성 릴(6)을 부착하여 연결하게 된다. 또한 탄성 릴(6)의 한쪽 끝이 한쪽의 마이크로 모터(4)의 모터 축(4a)에 연결되면, 상기 탄성 릴(6)의 다른 쪽 끝은 도시하지 않았지만 다른 쪽의 마이크로 모터(4)의 모터 축(4a)과 간격을 두고 나란히 배치된 고정축에 고정을 하게 된다.

예컨대 도 1 및 도 2에서와 같이 메인 프레임(1)의 왼쪽의 4개의 마이크로 모터(4)는 메인 프레임(1)의 오른쪽의 4개의 스프레드 패널(5)과 각각 연결하되 서로 가까운 쪽을 기준으로 서로 연결하고, 메인 프레임(1)의 오른쪽의 4개의 마이크로 모터(4)는 메인 프레임(1)의 왼쪽의 4개의 스프레드 패널(5)과 각각 연결하되 서로 가까운 쪽을 기준으로 서로 연결한다.

이때 마이크로 모터(4) 양단의 모터축(4a)에 감겨있는 탄성 릴(6)의 감김 및 풀림 작동이 원활하게 이루어지도록 상기 모터축(4a)의 바깥둘레면은 톱니형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 별도로 도시하지 않았지만 프로그램으로 구성된 논리회로와 구동회로를 구비한 개인용 컴퓨터(PC)와 같은 것이며, 상기 논리회로와 직접적으로 연결된 구동신호를 각 마이크로 모터(4)에 전달하여 탄성 릴(6)을 통해 각 스프레드 패널(5)을 이동시키도록 상기 각 마이크로 모터(4)를 구동시킨다.

한편 상기 각 마이크로 모터(4)와 스프레드 패널(5) 사이를 연결한 각 탄성 릴(6)의 장력을 유지하기 위해 메인 프레임(1) 양측에 설치된 연결 프레임(2) 사이에 상기 마이크로 모터(4)와 약간의 간격을 두고 릴 가이드(7)를 설치하여, 상기 릴 가이드(7)를 걸쳐서 각 탄성 릴(6)이 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

다음은 상기한 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 사용상태를 양사선 조사영역을 구성하기 위한 스프레드 패널의 이동과 함께 설명하도록 한다.

도 3a는 스프레드 패널의 일부를 양쪽으로 이동시켜 중심의 일부에 양성자 치료를 위한 조사영역을 구성한 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도이고, 도 3b는 스프레드 패널의 일부를 양쪽으로 이동시켜 중심의 일부에 양성자 치료를 위한 조사영역을 구성한 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도를 도시한 것이다.

본 발명의 양성자 치료용 콜리메이터는 스프레드 패널(5)을 제어부의 제어에 따른 마이크로 모터(4)의 구동에 의해 탄성 릴(6)을 선별적으로 감았다 풀었다 하여 해당 스프레드 패널(5)을 이동시킴으로써 양성자의 조사영역을 구성하게 된다.

즉 도 3a에 도시한 바와 같이, 메인 프레임(1)의 양쪽으로 스프레드 패널(5a)이 모두 완전히 이동한 상태의 스트레스 해제상태가 되도록 탄성 릴(6)을 완전히 풀어놓은 상태에서, 중간의 몇 개의 스프레드 패널(5)과 탄성 릴(6)로 연결된 마이크로 모터(4)만 구동하여 상기 탄성 릴(6)을 차별적으로 감아 먼 쪽의 스프레드 패널(5a)을 메인 프레임(1)의 중심부로 당기게 되면, 상기 메인 프레임(1)의 중심부에 일부 몇 개의 상기 스프레드 패널(5)이 배치되고 나머지 부분은 스프레드 패널이 배치되지 않는 비어있는 공간이 된다.

이렇게 중심부에 일부 몇 개의 상기 스프레드 패널(5)이 배치되면, 메인 프레임(1)의 양성자 조사범위에서 스프레드 패널(5)이 배치된 부분을 통과하는 양성자의 세기는 줄어들고, 그 외 스프레드 패널이 없는 비어있는 부분을 통과하는 양성자의 세기는 강해져, 양성자 치료를 위한 리버스 콜리메이션 방식을 구성하게 된다.

양성자 치료를 완료한 후에 마이크로 모터(4)의 구동을 멈추면 감겨있던 탄성 릴(6)이 자동으로 풀어져, 메인 프레임(1)의 중심부로 이동하였던 스프레드 패널(5)은 상기 메인 프레임(1)의 양측으로 이동하여 빠져있게 되는 상기한 마이크로 모터(4)의 스트레스 해제상태가 된다.

도 4a는 중심의 일부를 제외한 스프레드 패널을 이동시켜 방사선의 투과를 위한 조사영역을 구성하는 일반적인 콜리메이션 방식을 보여주는 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 전면 사시도이고, 도 4b는 중심의 일부를 제외한 스프레드 패널을 이동시켜 방사선의 투과를 위한 조사영역을 구성하는 일반적인 콜리메이션 방식을 보여주는 본 발명의 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터의 후면 사시도이다.

본 발명의 양성자 치료용 콜리메이터는 스프레드 패널(5)을 제어부의 제어에 따른 마이크로 모터(4)의 구동에 의해 탄성 릴(6)을 선별적으로 감았다 풀었다 하여 해당 스프레드 패널(5)을 이동시킴으로써 방사선의 조사영역을 구성하게 된다.

즉 도 4a에 도시한 바와 같이, 메인 프레임(1)의 중간으로 스프레드 패널(5)이 모두 완전 이동하여 모아놓은 상태의 스트레스 상태가 되도록 마이크로 모터(4)의 구동에 의해 탄성 릴(6)을 완전히 감아놓은 상태에서, 양쪽의 몇 개의 스프레드 패널(5a)과 탄성 릴(6)로 연결된 마이크로 모터(4)만 약간 구동하거나 완전히 구동하지 않는 스트레스 해제상태로 하면서 상기 탄성 릴(6)을 풀어 먼 쪽의 스프레드 패널(5)을 메인 프레임(1)의 양측으로 이동시키면, 상기 메인 프레임(1)의 중심부에는 일부 몇 개의 스프레드 패널이 배치되지 않는 비어있는 공간을 형성하게 된다.

이렇게 중심의 일부에 몇 개의 상기 스프레드 패널이 배치되지 않는 비어있는 공간이 형성되면, 메인 프레임(1)의 방사선 조사범위 내에서 스프레드 패널이 배치되지 않은 비어있는 부분을 통해 방사선 빔이 투과하여, 방사선 치료를 위한 리버스 콜리메이션 방식을 구성하게 된다.

이와 같이 본 발명의 양성자 치료용 콜리메이터는 기본적으로 암 환자 치료를 위한 양성자 치료장치에 설치되어 치료하고자 하는 종양에만 정확하게 조사될 수 있도록 만들었으며, 양성자와 잘 반응하지 않는 탄성 릴(6)을 이용하여 메인 프레임(1)의 양성자선 조사범위 밖에 구비된 마이크로 모터(4)의 힘을 받아 양성자의 Bragg-peak 곡선의 형태를 바꿔줄 수 있는 픽셀 형식의 스프레드 패널(5)을 이동시키는 것이 기본 원리이다. 이는 하나가 아닌 여러 개의 스프레드 패널(5)을 동시다발적으로 이동시켜 치료하고자 하는 종양조직에 대하여 알맞은 모양으로 스프레드의 최종적인 형태가 구성된다.

물론 방사선 치료를 위한 방사선 치료장치에도 본 발명의 콜리메이터를 설치하여 사용할 수 있고, 이에 대한 설명은 상기한 바와 같다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터를 다층으로 구성한 다층의 콜리메이터의 전면 사시도 및 후면 사시도이다.

도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터는 탄성 릴(6)로 연결된 마이크로 모터(4)와 스프레드 패널(5)이 설치된 메인 프레임(1)이 하나가 아니라, 여러 겹으로 적층하여 구성한 다층의 콜리메이터로 구성할 수도 있다. 상기 메인 프레임(1)을 여러 겹으로 적층하여 구성하면 스프레드 패널(5)의 이동에 의해 구성되는 양성자 조사영역의 구성을 입체적으로 형성할 수 있다는 장점이 있다. 각각의 메인 프레임(1)에서 스프레드 패널(5)의 이동은 상기한 바와 같이 상기 스프레드 패널(5)과 탄성 릴(6)로 연결된 마이크로 모터(4)의 구동에 의해 이루어진다.

도 6은 상기 5의 다층의 콜리메이터의 작동을 보여주는 전면 및 후면 사시도이고, 도 7a 및 도 7b는 겹쳐진 부분들의 각 층의 콜리메이터의 동작을 보여주는 전면 사시도 및 후면 사시도를 도시한 것이다.

도 6와 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같이, 실제적인 양성자 치료를 위해 가상적으로 치료계획을 적용하여 각 층의 스프레드 패널 중 일부의 스프레드 패널(5a)들은 메인 프레임(1)의 양측으로 이동시키고, 일부의 스프레드 패널(5)들은 메인 프레임(1)의 중심 부분에 배치해 놓고 있고 있다. 즉 상기 메인 프레임(1)의 중심 부분에 배치한 필요한 스프레드 패널(5)들을 제외한 나머지 스프레드 패널(5a)들은 양성자 조사범위 밖으로 이동하여 양성자 조사에 영향을 주지 않도록 한다.

이와 같이 다겹 구조이며 양성자선 조사 선상에 스프레드 패널이 많이 존재하게 되면, 그만큼 양성자의 Bragg-peak 스프레드 구간이 늘어나는 효과를 볼 수 있으며 이를 선량 분포 구성에 효과적으로 응용할 수 있다.

이러한 본 발명의 콜리메이터의 주요한 특징을 보면 다음과 같다.

1)탄성 릴과 연결되는 마이크로 모터의 구동과 이에 동력이 전달되어 움직이는 스프레드 패널이라는 점

2)탄성 릴에만 의존하여 체공 상태로 스프레드 패널이 직선상으로 움직이는 방식과 다수개의 스프레드 패널이 동시적으로 구동하는 점

3)양성자선 조사범위 밖에 있어야 할 스프레드 패널들에 대하여 스트레스 해제상태에서 움직임을 고정시켜 줄 수 있는 연결 프레임과 지지체의 구성이라는 점

이러한 특징이 있는 본 발명의 콜리메이터는 양성자의 Bragg-peak 조절방식은 직접적인 감쇠구조체 제작이 아닌 프로그램에 의한 콜리메이터의 동작으로 조절이 되는 방식이다. 흔히 양성자 치료에서는 방사선과 같은 광자선 치료에서처럼 다엽 콜리메이터와 같은 콜리메이션 방식이 아닌 보상체와 실질적인 감쇠체 제작으로 이루어지기 때문에, 이를 새로운 방식의 콜리메이터를 도입하여 이런 번거로운 수고를 덜고자 하는 취지에서 본 발명의 콜리메이터가 설계되었다.

본 발명의 콜리메이터의 작동방식은 상기한 바와 같이 마이크로 모터와 연결된 탄성 릴이 스프레드 패널을 잡아당기는 방식이 기본 운영 방식이며, 하나가 아닌 여러 개의 스프레드 패널이 동시에 움직여 Bragg-peak가 적용되어야 할 구간에 맞도록 모양을 프로그램으로 구성해 준다. 여기서 스프레드 패널이란 양성자를 부분적인 비율로 감쇠시켜 주는 물질로 Bragg-peak을 스프레드 시켜주는 실질적인 역할을 해주는 물질이다. 이것을 보통 양성자 치료에서는 환자에 맞게 제작하지만 본 발명의 콜리메이터에서는 이것을 여러 개의 픽셀로 스프레드 패널을 나누어 별도의 프로그램이 프로그래밍 된 제어부로 이것을 제어한 뒤 제작해야 할 모양에 맞게 움직이도록 명령을 내리는 시스템으로 운영하고 있다.

또한 Bragg-peak을 스프레드 시킬 수 있는 물질로 스프레드 패널을 구성하고 스프레드 패널은 특정 모양 및 기본 직육면체의 기본 모양을 바탕으로 제작된다. 상기 스프레드 패널은 여러 개의 픽셀 형태로 배열되며 배열시 모든 픽셀의 스프레드 패널은 연결된 탄성 릴에 의하여 움직임을 통제받으며, 상기 탄성 릴은 방사선 조사 범위 밖에 있는 마이크로 모터의 의해 동작한다. 하나의 스프레드 패널은 직선적인 움직임만 가지며 직선의 양옆으로 움직임이 가능하고, 양성자 조사 범위 밖까지 충분히 빠져나올 수 있도록 되어 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 메인 프레임 2a,2b : 연결프레임
3 : 지지체 4 : 마이크로 모터
4a : 모터 축 5,5a : 스프레드 패널
6 : 탄성 릴 7 : 릴 가이드

Claims (10)

1. 다양한 공간의 형상을 연출하여 조사되는 양성자의 세기를 조절하는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서,
   양측에 배치된 다수개의 마이크로 모터와 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 사이를 1대1로 각각의 탄성 릴에 의해 서로 연결하되, 마이크로 모터와 스프레드 사이의 거리를 기준으로 상대적으로 먼 쪽의 마이크로 모터와 스프레드 패널을 같은 개수의 비율로 각각의 탄성 릴에 의해 서로 연결하고, 중간에 배치된 다수개의 스프레드 패널 전체를 이등분하여 반대편의 마이크로 모터에 의해 각각 양쪽으로 이동된 상태를 상기 마이크로 모터에 의해 탄성 릴을 감지 않은 스트레스 해제상태로 한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
2. 제1항에 있어서,
   개방된 중간 부분이 양성자 조사범위가 되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 양측에 연결된 연결 프레임을 더 포함하여,
   양측의 상기 연결프레임에 연결된 지지체에 의해 지지되어 설치된 다수개의 마이크로 모터와, 상하좌우로 다수개를 연결하여 상기 메인 프레임의 후면 중간에 배치한 픽셀형태의 스프레드 패널을 탄성 릴과 서로 1대 1로 연결하여 복수개의 스프레드 패널이 상하좌우로 평면을 이루고, 다수개의 상기 스프레드 패널을 선별적으로 이동시키기 위해 상기 탄성 릴을 감았다 풀도록 각 마이크로 모터의 구동을 제어부로 제어하는 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 지지체는 연결프레임의 상부 및 하부 사이에서 간격을 두고 좌우로 나란히 다수개로 연결되고, 상기 마이크로 모터는 다수개의 각 지지체에 걸쳐 상하로 다수개 설치되며, 상기 각 탄성 릴은 나란히 배치된 한쪽의 다수개의 마이크로 모터와 다른 쪽의 스프레드 패널 또는 나란히 배치된 다른 쪽의 다수개의 마이크로 모터와 한쪽의 스프레드 패널 사이를 연결할 때, 거리상으로 가까운 쪽의 상기 각 마이크로 모터의 모터 축과 각 스프레드 패널 사이를 1대 1로 연결한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 메인 프레임 양측의 마이크로 모터와 스프레드 패널 사이의 각 연결 프레임에 탄성 릴의 장력을 위해 설치하여 상기 탄성 릴이 걸쳐 지나가도록 한 릴 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 각 마이크로 모터와 탄성 릴에 의해 이동하는 다수개의 상기 각 스프레드 패널은 메인 프레임의 양성자 조사범위가 되는 개방된 중간 부위 밖까지 이동하도록 한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 탄성 릴은 방사선의 반응에 영향을 받지 않는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 프로그램으로 구성된 논리회로와 구동회로를 구비하고, 각 스프레드 패널의 이동을 위한 마이크로 모터는 상기 논리회로와 직접적으로 연결된 구동회로로부터 신호를 받아 구동하도록 한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 마이크로 모터는 양단에 모터 축을 구비하여 상기 스프레드 패널과 상기 각 모터 축과 스프레드 패널 사이를 2개의 탄성 릴로 연결하며, 상기 각 모터 축의 바깥 둘레면은 톱니형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 탄성 릴에 의해 연결된 마이크로 모터와 스프레드 패널이 설치된 상기 메인 프레임을 여러 개 적층하여 다층의 콜리메이터로 설치한 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 다층의 콜리메이터는 다양한 공간의 형상을 연출하여 방사선을 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터로 사용하는 것을 특징으로 하는 유동픽셀 양성자 치료용 콜리메이터.

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