KR101532835B1

KR101532835B1 - 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터

Info

Publication number: KR101532835B1
Application number: KR1020130082999A
Authority: KR
Inventors: 윤도군; 정주영; 서태석
Original assignee: 가톨릭대학교 산학협력단
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-06-30
Also published as: KR20150008706A

Abstract

본 발명은 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터에 관한 것으로서, 다양한 공간의 형상을 연출하여 방사선을 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서, 일측에 힌지축이 연결된 다수개의 판 상의 픽셀이 사방으로 설치된 픽셀층을본체 프레임 내에서 서로 간격을 두고 다층으로 형성하되, 상기 다수개의 각 픽셀은 힌지축을 회전시키는 구동부에 의해 선택적으로 회전하여 개폐되고, 상기 각 픽셀층은 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 면적이 넓어져 상기 본체 프레임이 사다리꼴 기둥의 형상으로 된 것이며, 다층의 픽셀층의 픽셀의 선택적인 개방을 통해 다단계로 거치는 방사선 감약을 통하여 선량을 전달하는 시스템이기 때문에, 방사선 세기 변조나 타겟 추적(target tracking)에 있어서 종래 치료용 콜리메이터보다 빠른 세기 변조와 추적 응답성을 구할 수 있는 효과가 있다.

Description

방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터{Collimator for radiation therapy of multilayered pixel limitation}

본 발명은 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터에 관한 것으로서, 상세히는 방사선 감쇠판으로 작용하는 다수개의 픽셀로 된 픽셀층을 다층으로 구성하여 사다리꼴 형상으로 구성하되, 방사선이 투과하도록 개방되는 픽셀을 통해 방사되는 방사선 빔의 퍼지는 각도를 고려하여 상기 각 픽셀층 넓이와 사이의 거리 및 픽셀의 넓이 등을 상층에서 하층으로 갈수록 점점 차이를 두도록 한 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 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 립(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.

한국 공개특허공보 제10-2008-0071724호

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 방사선 빔의 퍼지는 각도 및 에너지의 특성을 고려하여 방사선 감쇠판으로 작용하는 다수개의 픽셀로 된 픽셀층을 다층으로 구성하여 사다리꼴 형상으로 구성하되, 상기 픽셀층 넓이와 사이의 거리 및 각 픽셀층의 픽셀의 넓이 등을 상층의 픽셀층에서부터 하층의 픽셀층으로 갈수록 점점 더 크게 하거나 넓게 구성한 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터를 제공함에 있다.

다른 목적은 상기 각 픽셀층의 픽셀의 일측을 힌지축으로 연결하여, 상기 힌지축을 중심으로 각 픽셀이 구동부에 의해 선택적으로 회전하여 개폐하도록 한 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터는, 다양한 공간의 형상을 연출하여 방사선을 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서, 일측에 힌지축이 연결된 다수개의 판 상의 픽셀이 사방으로 설치된 픽셀층을본체 프레임 내에서 서로 간격을 두고 다층으로 형성하되, 상기 다수개의 각 픽셀은 힌지축을 회전시키는 구동부에 의해 선택적으로 회전하여 개폐되고, 상기 각 픽셀층은 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 면적이 넓어져 상기 본체 프레임이 사다리꼴 기둥의 형상으로 된 것을 특징으로 하고 있다.

또 다층의 상기 각 픽셀층 사이의 간격은 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 거리가 멀어지도록 하고, 다층의 상기 각 픽셀층에 설치된 각 픽셀의 넓이는 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 더 넓어지도록 하는 것이 바람직하다.

또 다층의 상기 각 픽셀층에 설치된 각 픽셀은 아래쪽으로 개방되며, 최상층의 픽셀층에 설치된 각 픽셀의 90도의 개방각도를 기준으로 최하층으로 갈수록 각 픽셀층에 설치된 픽셀의 개방각도는 이전 픽셀의 개방각도 이상으로 개방하는 것이 바람직하다.

또 상기 구동부는 공기압펌프와 이 공기압 펌프를 통해 공기압을 분사하는 공기노즐로 이루어져, 상기 공기노즐을 통해 다수개의 각 픽셀을 향해 공기압을 분사하여 개방하거나, 또는 다수개의 각 픽셀에 연결된 힌지축과 연결된 서보모터와, 이 서보모터를 작동을 제어하는 제어부로 구성하는 것이 바람직하다.

또 상기 각 픽셀층에서 다수개의 픽셀이 개방되는 경우, 콜리메이터 자체를 수직축 방향으로 회전시켜 힌지축에 의해 발생된 방사선 음영이 있던 자리에 방사선의 선량이 투과되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터에 의하면, 다층의 픽셀층의 픽셀의 선택적인 개방을 통해 다단계로 거치는 방사선 감약을 통하여 선량을 전달하는 시스템이기 때문에, 방사선 세기 변조나 타겟 추적(target tracking)에 있어서 종래 치료용 콜리메이터보다 빠른 세기 변조와 추적 응답성을 구할 수 있는 효과가 있다.

또 본 발명에 따른 콜리메이터는 몬테 카를로(Monte Carlo) 전산모사에 기반한 독특한 설계법을 통하여, 다층의 픽셀층 사이의 거리 및 각 픽셀층의 픽셀의 넓이 등을 차별화한 구성에 의해 더욱 정확한 픽셀제한 방사선 집속을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 종단면도
도 3은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 개방한 상태에서의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 하나씩 개방한 상태에서의 종단면도
도 5는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 다수 개씩 개방한 상태에서의 사시도
도 6은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 개방한 상태에서 실제 방사선이 투과되는 모습을 보여주는 사시도

이하, 본 발명에 따른 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 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.

본 발명에서는 픽셀제한에 의한 방사선 집속의 방법으로 방사선 치료를 위한 방사선의 변조와 제한을 효과적으로 이루어내고자 하는 시스템에 필요한 독특한 설계 요소를 추가하여, 기존의 방사선 치료 집속을 위한 콜리메이터보다 효율적인 방사선 집속을 이루어내는 콜리메이터를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명에서 추가되는 픽셀제한 콜리메이터의 픽셀 개방에 따른 크기와 길이는 방사선 빔의 궤적과 정확히 일치시켜야 하는데, 이를 위하여 몬테 카를로 기법(Monte Carlo method)을 적용한 전산모사 툴을 이용하여 구조적 설계기반을 마련하였고, 물질에 따른 방사선 감약 데이터 역시 몬테 카를로 기법(Monte Carlo method)을 적용한 전산모사 툴로부터 얻은 방사선과 물질반응에 따른 데이터베이스를 적용하여 본 발명의 픽셀제한 콜리메이터에 적용하였다.

도 1은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 종단면도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터는 본체 프레임(1), 다층의 픽셀층(2a 내지 2e), 픽셀(31 내지 35) 및 도시하지 않았지만 구동부를 기본 구성으로 하고 있다.

상기 본체 프레임(1)은 상부보다 하부의 면적이 넓은 사다리꼴 기둥 형상으로 구성되며, 내부에는 상단의 최상층에서부터 층층이 상기 픽셀층(2a 내지 2e)이 위치하게 되는 바둑판과 같은 다층 프레임(1a)이 각각 간격을 두고 설치된다.

상기 픽셀층(2a 내지 2e)은 다수개의 픽셀(31 내지 35)로 구성되는 상단의 최상층의 픽셀층(2a)에서부터 하단의 최하층으로 갈수록 간격을 두고 차례로 각각 배치되는 중간층의 픽셀층(2b)(2c)(2d)들과 최하층의 픽셀층(2e)으로 구성되며, 이러한 픽셀층(2a 내지 2e)은 상기한 바와 같이 본체 프레임(1)의 다층 프레임(1a)에 각각 픽셀(31 내지 35)에 의해 구성되는 부분이다.

여기서 상기 최상층의 픽셀층(2a)에서부터 최하층의 픽셀층(2e)으로 갈수록 사다리꼴 형상이기 때문에 각 픽셀층(2a 내지 2e)의 넓이가 넓어지도록 구성하고, 각 픽셀층(2a 내지 2e) 사이의 간격, 즉 사이의 거리가 점점 더 멀어지도록 구성되며, 이러한 넓이와 간격의 차이는 도 1 및 2를 통해서 잘 확인할 수 있다.

상기 픽셀(31 내지 35)은 각 픽셀층(2a 내지 2e)이 위치하는 부분에서 본체 프레임(1)의 바둑판과 같은 다층 프레임(1a)에 각각 전후좌우 사방으로 연결하여 설치한 것이고, 각 픽셀(31 내지 35)은 일측에 행거(hanger)와 같은 힌지축(4)이 연결되며, 상기 구동부에 의해 힌지축(4)을 축으로 하여 아래 방향으로 회전하면서 개폐된다.

여기서 상기 각 픽셀층(2a 내지 2e)에 설치되는 각 픽셀(31 내지 35)은 최상층 픽셀(31)에서부터 최하층의 픽셀(35)로 갈수록 각 픽셀(31 내지 35)은 점점 더 넓이가 넓어지도록 구성되고, 구동부에 의해 아래 방향으로 개방되는 각도도 또한 서로 다른데, 이에 대해서는 상기 구동부와 함께 이어서 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 개방한 상태에서의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 하나씩 개방한 상태에서의 종단면도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 최상층의 픽셀층(2a)에서 최하층의 픽셀층(2e)으로 갈수록 각 픽셀층(2a 내지 2e)의 중심부에서 서로 대응되는 위치의 각 픽셀(31 내지 35)이 아래 방향으로 수직에 가깝게 개방되어 있으며, 이러한 개방은 구동부에 의해 이루어지게 된다.

상기 구동부는 강력한 공기압 펌프와 공기노즐로 구성되며, 본 발명의 콜리메이터 상부에서 개방하고자 하는 선택적인 위치의 최상층의 픽셀(31)을 향해 상기 공기압 펌프로부터 강하게 공급받은 공기압을 공기노즐로 분사하면, 상기 최상층의 픽셀(31)부터 최하층의 픽셀(35)까지 차례로 개방된다. 이렇게 각 픽셀(31 내지 35)이 차례로 개방되면 다층 구조가 열리면서 방사선의 통과 루트를 열어준다.

이때 힌지축(4)에 의해 아래 방향으로 개폐되는 각 픽셀(31 내지 35)의 개방각도가 최상층의 픽셀(31)은 수직의 90도로 되고 그 아래의 픽셀(32 내지 35)들 중에서 개방각도가 90도 이하로 되는 경우, 아래의 상기 픽셀(32 내지 35)의 간섭에 의한 방사선 음영으로 인해서 방사선량의 오차가 생길 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해소하기 위해 최상층의 픽셀(31)이 아래 방향으로 수직의 90도로 개방되면, 다음의 중간층의 픽셀층(2b)의 픽셀(32)은 90도보다 약간 더 개방되도록 함과 동시에, 계속해서 다음의 중간층의 픽셀층(2c)(2d)의 픽셀(33)(34) 및 최하층의 픽셀층(2e)의 픽셀(35)로 갈수록 차례로 개방각도가 약간 더 커지도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대 최상층의 픽셀(31)이 90도의 개방각도로 개방되면 중간층의 픽셀(32)(33)(34)은 각각 91도와 92도 및 93도의 개방각도로 개방되고, 최하층의 픽셀(35)은 94도의 개방각도로 개방됨으로써, 방사선 음영으로 인한 선량 오차를 줄이도록 하며, 이러한 개방각도의 형태는 도 4를 통해서 잘 확인할 수 있다.

상기 개방각도의 차이는 각 픽셀(31 내지 35)에 연결된 힌지축(4)에 의해 이루어지는데, 상기 힌지축(4)을 축으로 하여 각 픽셀(31 내지 35)이 회전할 때 힌지축(4)에 의해 회전각도를 제한함으로써 조금씩 회전각도의 차이를 두어 그에 따라 상기 각 픽셀(31 내지 35)의 개방각도에 차이를 둔다.

이와 같이 각 픽셀층(2a 내지 2e) 사이의 거리와 상기 각 픽셀층(2a 내지 2e)에 배치되는 각 픽셀(31 내지 35)의 넓이 및 상기 각 픽셀(31 내지 35)의 개방각도에 차이를 둠으로써, 퍼지는 경향이 있는 방사선 빔의 각도가 고려되어 개방된 각 픽셀(31 내지 34)을 통해 최적의 방사선 세기와 선량으로 방사선이 투과되는 것이다.

상기 각 픽셀(31 내지 35)을 개방하는 구동부는 공기압 펌프와 공기노즐 외에도 서보모터 등으로 구성할 수도 있는데, 각 픽셀(31 내지 35)의 일측에 연결된 힌지축(4)에 도시하지 않았지만 서보모터의 모터 축을 연결하고 상기 서보모터의 작동은 별도의 제어부에 의해 제어함으로써 원하는 부분의 각 픽셀(31 내지 35)을 선택적으로 개방각도의 제어와 함께 개방하도록 할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 다수 개씩 개방한 상태에서의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터의 각 픽셀층의 픽셀을 개방한 상태에서 실제 방사선이 투과되는 모습을 보여주는 사시도를 도시한 것이다.

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 좀 더 넓은 면적으로 방사선 투과영역을 개방하고자 하는 경우, 각 픽셀층(2a 내지 2e)에서 중심부의 픽셀(31 내지 35)과 함께 인접하는 다수개의 픽셀을 방사선 빔(b)의 각도에 맞게 개방한다. 이때 반드시 인접하는 픽셀만 개방하는 것은 아니고 방사선 선량이 투과해야 할 위치에 따라 서로 다른 위치에서 각각 다수개의 픽셀이 개방할 수도 있다.

상기 각 픽셀층(2a 내지 2e)의 다수개의 픽셀을 구동부에 의해 개방하는 방법은 상기한 바와 같다. 다만, 각 픽셀층(2a 내지 2e)에서 다수개의 픽셀이 개방되는 관계로 인해 상기 픽셀과 연결된 힌지축(4)이 방사선 투과 영역에 위치하여 방사선 음영이 생길 수 있다. 따라서 각 픽셀층(2a 내지 2e)에서 다수개의 픽셀을 개방하는 경우 콜리메이터인 본체 프레임(1) 자체를 수직축 방향으로 회전시켜 힌지축(4)에 의해 생긴 방사선 음영이 있던 자리에도 방사선 선량이 투과되도록 하는 것이 바람직하다.

다층으로 위치되는 상기 각 픽셀층(2a 내지 2e)은 도면에서 5층으로 구성하였지만 필요에 따라 6층 이상의 더 많은 픽셀층으로 구성할 수 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 : 본체 프레임 1a : 다층 프레임
2a,2b,2c,2d,2e : 픽셀층 31,32,33,34,35 : 픽셀
4 : 힌지축 b : 방사선 빔

Claims

다양한 공간의 형상을 연출하여 방사선을 투과시키는 조사영역을 구성하는 콜리메이터에 있어서,
일측에 힌지축이 연결된 다수개의 판 상의 픽셀이 사방으로 설치된 픽셀층을본체 프레임 내에서 서로 간격을 두고 다층으로 형성하되,
상기 다수개의 각 픽셀은 힌지축을 회전시키는 구동부에 의해 선택적으로 회전하여 개폐되고, 상기 각 픽셀층은 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 면적이 넓어져 상기 본체 프레임이 사다리꼴 기둥의 형상으로 되고,
다층의 상기 각 픽셀층에 설치된 각 픽셀은 아래쪽으로 개방되며, 최상층의 픽셀층에 설치된 각 픽셀의 90도의 개방각도를 기준으로 최하층으로 갈수록 각 픽셀층에 설치된 픽셀의 개방각도는 이전 픽셀의 개방각도 이상으로 개방하는 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.
제1항에 있어서,
다층의 상기 각 픽셀층 사이의 간격은 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 거리가 멀어지는 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.
제1항에 있어서,
다층의 상기 각 픽셀층에 설치된 각 픽셀의 넓이는 최상층에서 최하층으로 갈수록 점점 더 넓어지는 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동부는 공기압펌프와 이 공기압 펌프를 통해 공기압을 분사하는 공기노즐로 이루어져, 상기 공기노즐을 통해 다수개의 각 픽셀을 향해 공기압을 분사하여 개방하도록 한 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동부는 다수개의 각 픽셀에 연결된 힌지축과 연결된 서보모터와, 이 서보모터를 작동을 제어하는 제어부인 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 픽셀층에서 다수개의 픽셀이 개방되는 경우, 콜리메이터 자체를 수직축 방향으로 회전시켜 힌지축에 의해 발생된 방사선 음영이 있던 자리에 방사선의 선량이 투과되도록 한 것을 특징으로 하는 방사선 치료효과의 극대화를 위한 다층형 픽셀제한 방사선 치료용 콜리메이터.