KR101643749B1 - 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 - Google Patents

산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 Download PDF

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Abstract

산란 모드(scattering mode)로 방출되는 치료용 양성자 선의 브래그 피크(Bragg Peak), SOBP(Spread Out Bragg Peak) 및 대칭성(symmetry) 등과 같이 양성자 선량 분포를 정확하고 효율적으로 검출할 수 있는 배치 구조의 광섬유를 갖는 센서를 포함하는 양성자 선 검출 장치가 개시된다. 상기 양성자 선 검출 장치는, 산란 모드 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선을 검출하는 양성자 선 검출 장치에 있어서, 기준 광섬유 및 상기 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 검출 광섬유를 포함하는 복수의 검출모듈을 갖는 센서를 포함하며, 상기 복수의 검출모듈은 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 사선 배치된다.

Description

산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치{APPARATUS OF DETECTING PROTON BEAM WHICH IS RELEASED AS SCATTERING MODE}
본 발명은 치료용 양성자 선을 검출하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산란 모드(scattering mode)로 방출되는 치료용 양성자 선의 브래그 피크(Bragg Peak), SOBP(Spread Out Bragg Peak) 및 대칭성(symmetry) 등과 같이 양성자 선량 분포를 정확하고 효율적으로 검출할 수 있는 배치 구조의 광섬유를 갖는 센서를 포함하는 양성자 선 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 양성자를 이용한 방사선 치료를 위해 사이클로트론 또는 싱크로트론과 같은 가속기에서 발생되는 양성자 선을 환자에게 전달하는 다양한 조사 방법이 이용되고 있다. 현재 양성자 치료기관에서 가장 많이 도입되어 사용되고 있는 일반적 양성자 선(beam) 전달 방법은 일정 물질의 타겟에 양성자를 부딪쳐 산란시킴으로써 대면적의 치료 조사면을 생성하는 산란 모드(scattering mode)이다.
한편, 치료용 양성자 선원의 선속이 환자에 입사하면 흡수선량은 깊이에 따라 변한다. 이 변화는 선속의 에너지와 깊이, 조사면, 선원으로부터의 거리 등 많은 조건들에 좌우되므로 환자의 선량계산은 심부 선량 분포에 영향을 미치는 변수들을 고려하여야 한다. 선량계산 방법의 기초단계는 선속의 중심축을 따라 심부 선량 분포를 설정하는 것이다. 이러한 기본적인 선량분포 자료들은 보통 근육 및 다른 연조직의 방사선흡수와 산란성질이 아주 유사한 물팬텀(Phantom)에서 작은 이온함 검출기를 사용하여 측정된다. 그러나 방사선 검출기를 물속에 넣는 것이 언제나 가능한 것은 아니므로 물에 대한 대체용으로 고체 건조 팬텀도 개발되어 있는데, PMMA(Lucite, Plexiglass)와 폴리스티렌이 선량측정 팬텀으로 가장 많이 이용된다. 물팬텀의 경우에는 모터를 이용해 팬텀 내에서 이온함 검출기를 좌우상하로 움직이면서 각 위치에서의 선량정보를 얻고, 고체팬텀의 경우에는 측정지점을 한 지점으로 고정하고 팬텀의 두께를 바꾸면서 측정을 하게되어, 측정시간과 효율이 많이 떨어지는 단점이 있다.
이온함 검출기를 이용한 방식 이외에 광섬유를 이용하여 선량을 측정하는 방식이 있다. 광섬유를 이용하여 치료용 양성자 선의 선량 측정하는 기법이 선행기술문헌인 공개특허공보 제10-2012-0085499호에 알려져 있다. 이 선행기술문헌에 개시된 양성자 선의 선량 측정 기법은 물 팬텀 내에 상호 길이가 다른 광 섬유를 이용하여 양성자 선의 선량 분포를 측정하는 기술이다. 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선을 검출하는데 상기 선행기술문헌에 개시된 기술을 적용하기 위해서는 산란 모드로 방출되는 양성자 선이 통과하는 거리 및 위치별 선량을 검출하기 위해 물 팬텀의 위치를 이동시켜야 한다. 따라서, 상기 선행기술문헌에 개시된 기술은 물 팬텀의 위치를 이동시켜야 하므로 측정시간이 길게 소요되며 정확한 위치를 파악하는데 어려움이 있어 측정 효율이 크게 떨어지는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2012-0085499호
이에, 본 발명은 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 선량 분포를 정밀하게 검출하여 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
산란 모드 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선을 검출하는 양성자 선 검출 장치에 있어서,
기준 광섬유 및 상기 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 검출 광섬유를 포함하는 복수의 검출모듈을 갖는 센서를 포함하며,
상기 복수의 검출모듈은 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 사선 배치되는 것을 특징으로 하는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 센서는, 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 배치된 사전 설정된 개수의 상기 검출모듈을 각각 포함하는 복수의 사선 배치 구조를 가지며, 상기 사선 배치 구조는 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 반복 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 센서에 포함된 상기 기준 광섬유 및 상기 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 검출모듈 별로 상기 검출 광섬유와 상기 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
산란 모드 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선을 검출하는 양성자 선 검출 장치에 있어서,
기준 광섬유 및 상기 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 검출 광섬유를 포함하는 복수의 검출모듈을 갖는 센서를 포함하며,
상기 복수의 검출모듈은 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향에서 동일 깊이 방향으로 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 검출모듈 각각은 상기 기준 광섬유 및 상기 기준 광섬유를 사이에 두고 그 양측에 배치되며 상기 기준 광섬유 보다 긴 길이를 갖는 두 개의 상기 검출 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 센서에 포함된 상기 기준 광섬유 및 상기 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 검출모듈 별로 상기 검출 광섬유와 상기 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
산란 모드 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선을 검출하는 양성자 선 검출 장치에 있어서,
제1 기준 광섬유 및 상기 제1 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 제1 검출 광섬유를 포함하는 복수의 제1 검출모듈을 가지며, 상기 복수의 제1 검출모듈은 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 사선 배치된 제1 센서; 및
제2 기준 광섬유 및 상기 제2 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 제2 검출 광섬유를 포함하는 복수의 제2 검출모듈을 가지며, 상기 복수의 제2 검출모듈은 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향에서 동일 깊이 방향으로 나란하게 배치된 제2 센서
를 포함하는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 센서는, 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 배치된 사전 설정된 개수의 상기 제1 검출모듈을 각각 포함하는 복수의 사선 배치 구조를 가지며, 상기 사선 배치 구조는 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향으로 반복 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 제2 검출모듈 각각은 상기 제2 기준 광섬유 및 상기 제2 기준 광섬유를 사이에 두고 그 양측에 배치되며 상기 제2 기준 광섬유 보다 긴 길이를 갖는 두 개의 상기 제2 검출 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 센서에 포함된 상기 제1 기준 광섬유 및 상기 제2 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하는 제1 광검출부; 상기 제2 센서에 포함된 상기 제2 기준 광섬유 및 상기 제2 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하는 제2 광검출부; 및 상기 제1 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 제1 검출모듈 별로 상기 제1 검출 광섬유와 상기 제2 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하고, 상기 제2 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 제2 검출모듈 별로 상기 제2 검출 광섬유와 상기 제2 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 양성자 선을 검출할 수 있는 광섬유를 산란 모드로 검출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향으로 다수 배치함으로써 물 팬텀을 이동시키거나 센서의 위치를 변동하지 않고서도 깊이 방향의 양성자 선량 정보(브래그 피크 또는 SOBP)를 신속하고 효율적으로 검출할 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 하나의 검출모듈을 구성하는 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 광섬유를 적용하여 양성자 선 검출의 공간분해능을 향상시킬 수 있고, 검출모듈을 깊이방향으로 사선 배치함으로써 광섬유 사이의 간섭 등을 배제하여 더욱 검출 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 양성자 선을 검출할 수 있는 광섬유를 산란 모드로 검출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향에서 동일 깊이에 다수 배치함으로써 물 팬텀을 이동시키거나 센서의 위치를 변동하지 않고서도 동일 깊이에서의 양성자 선량 정보(대칭성)를 신속하고 효율적으로 검출할 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 두 개의 광섬유와 그 보다 짧은 길이를 갖는 하나의 광섬유를 두 광섬유 사이에 배치한 세 개의 광섬유를 포함하는 검출모듈을 구성하고 짧은 길이를 갖는 하나의 광섬유를 기준으로 두 광섬유에서 그 길이 차에 해당하는 빛을 검출하게 하여 하나의 검출모듈로 두 채널의 검출값을 생성하게 함으로써 광섬유 개수를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 센서를 더욱 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 센서를 더욱 상세하게 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 산란 모드로 치료용 양성자 선을 방출하는 양성자 선원으로부터 거리, 즉 양성자 선의 깊이에 따른 양성자 선량을 검출하기 위한 센서구조를 갖는 실시형태이다. 이 실시형태에 의해 검출된 양성자 선량을 통해 양성자 선원의 깊이 방향의 분석 정보인 브래그 피크(Bragg Peak)와 SOBP(Spread Out Bragg Peak)를 연산해낼 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 광섬유를 포함하는 센서(11)와, 센서(11)에 포함된 광섬유에서 발생하는 광신호를 검출하기 위한 광신호 검출부(30)와, 광신호 검출부(30)에서 검출된 광신호에 대한 정보를 이용하여 양성자 선량을 연산하는 신호 처리부(40) 및 신호 처리부(40)에서 연산된 결과를 표시하기 위한 디스플레이부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 센서를 더욱 상세하게 도시한 도면이다. 특히, 도 2의 (a)는 정면도, (b)는 사시도이며, (c)는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 센서(11)는 물 팬텀(20) 내에 배치될 수 있으며 복수의 광섬유를 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 광섬유는 다음과 같은 구성을 갖는다. 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 광섬유(111a, 111b)가 하나의 양성자 선 검출을 위한 검출모듈(111)을 구성한다. 하나의 검출모듈(111)을 구성하는 두 개의 광섬유(111a, 111b)는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 동일 깊이로 배치된다. 하나의 광섬유(111a)는 기준 광섬유가 되고 다른 하나의 광섬유(111b)는 기준 광섬유(111a)보다 긴 길이를 갖는 검출 광섬유가 된다. 센서(11)는 복수의 검출모듈을 갖도록 구성되며, 복수의 검출모듈은 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향으로 사선 배치된다. 또한, 복수의 검출모듈을 포함하는 사선 배치 구조(A)는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향으로 반복 배치될 수 있다. 이러한 구조로 하나의 검출모듈은 해당 깊이의 양성자 선을 검출한 결과를 출력하는 하나의 채널을 구성할 수 있다.
광검출부(30)는 센서(11)의 광섬유(111a, 111b)에서 전달되는 광신호를 개별 광 신호별로 검출하고 검출된 결과를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 다채널 광 검출 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 광검출부(30)는 광증배관(Multi-Anode PhotoMultiplier Tube: MAPMT)이나 포토 다이오드 어레이(Photodiode Array)로 구현될 수 있다.
신호처리부(40)는 광검출부(30)에서 전달되는 광 검출 결과를 제공받아 이를 처리하여 양성자 선 위치 및 양성자 선량 분포에 대한 정보를 생성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 신호처리부(40)는 광검출부(30)에서 전달되는 광을 검출한 전기신호를 제공받아 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 이용하여 사전에 프로그램된 루틴에 따라 처리하여 원하는 정보(양성자 선 위치 및/또는 양성자 선량 분포)를 연산할 수 있다. 통상, 신호처리부(40)는 사용자에 의해 프로그램 가능한 데이터 수집(Data AcQuisition: DAQ)로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 신호처리부(40)는 기준 광섬유(111a) 및 검출 광섬유(111b)로 구성된 각 검출모듈(111)에서 검출된 광 신호의 크기를 산출하고, 검출 광섬유(111b)에서 기준 광섬유(111a)보다 긴 길이를 갖는 부분에 의한 광 신호의 크기를 해당 검출모듈의 검출값으로 결정할 수 있다.
디스플레이부(50)는 신호처리부(40)에서 연산된 정보를 제공받아 시각적으로 표시하기 위한 요소로서, 통상의 컴퓨터 시스템(데스크탑 PC, 노트북 PC 및 태블릿 PC 등)으로 구현될 수 있다. 디스플레이부(50)는 단순히 신호처리부(40)에서 제공하는 정보를 표시할 뿐만 아니라, 사용자가 신호처리부(40)에 대한 프로그램 및 데이터 요청, 가공, 수정 등에 대한 명령을 제공할 수 있는 인터페이스 장치가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 산란 모드로 치료용 양성자 선을 방출하는 양성자 선원으로부터 동일한 깊이의 위치에 따른 양성자 선량을 검출하기 위한 센서구조를 갖는 실시형태이다. 이 실시형태에 의해 검출된 양성자 선량을 통해 양성자 선원의 대칭성(symmetry)을 확인할 수 있는 검출값을 획득할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 광섬유를 포함하는 센서(12)와, 센서(12)에 포함된 광섬유에서 발생하는 광신호를 검출하기 위한 광신호 검출부(30)와, 광신호 검출부(30)에서 검출된 광신호에 대한 정보를 이용하여 양성자 선량을 연산하는 신호 처리부(40) 및 신호 처리부(40)에서 연산된 결과를 표시하기 위한 디스플레이부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 센서를 더욱 상세하게 도시한 도면이다. 특히, 도 4의 (a)는 사시도이며, (b)는 평면도이다.
도 4를 참조하면, 센서(12)는 센서(11)는 물 팬텀(20) 내에 배치될 수 있으며, 복수의 광섬유를 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 광섬유는 다음과 같은 구성을 갖는다. 서로 동일한 길이를 갖는 두 개의 광섬유(121b)와, 광섬유(121b)와 다른 길이를 갖는 하나의 광섬유(121a)가 하나의 양성자 선 검출을 위한 검출모듈(121)을 구성한다. 하나의 검출모듈(121)을 구성하는 세 개의 광섬유(121a, 121b)는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 동일 깊이로 배치된다. 하나의 광섬유(121a)는 기준 광섬유가 되고 다른 두 광섬유(121b)는 기준 광섬유(121a)보다 긴 길이를 갖는 검출 광섬유가 된다. 센서(12)는 복수의 검출모듈을 갖도록 구성되며, 복수의 검출모듈은 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 동일한 깊이에서 서로 이웃하여 배치된다. 이 실시형태에서, 하나의 검출모듈은 두 채널의 검출 결과를 출력한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
광검출부(30), 신호처리부(40) 및 디스플레이부(50)는 도 1에 도시된 실시형태와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 도 3 및 도 4의 실시형태에서, 신호처리부(40)는 기준 광섬유(121a) 및 검출 광섬유(121b)로 구성된 각 검출모듈(121)에서 검출된 광 신호의 크기를 산출하고, 검출 광섬유(121b)에서 기준 광섬유(121a)보다 긴 길이를 갖는 부분에 의한 광 신호의 크기를 해당 검출모듈의 검출값으로 결정할 수 있다.
이하, 전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 센서 및 장치의 작용 및 효과에 대해 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1의 실시형태에서, 산란 모드로 치료용 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 물 팬텀(20)의 상부에 위치하여 물 팬텀 방향으로 양성자 선을 방출한다. 본 발명의 일 실시형태에서 센서(11)는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향의 선량을 검출하도록 배치된다. 이를 위해, 센서(11)는 깊이 방향을 따라 배치된 복수의 광섬유를 포함한다. 특히, 광섬유는 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 광섬유(111a, 111b)를 포함하는 복수의 검출모듈로 구성되며, 이 복수의 검출모듈이 깊이 방향으로 사선 배치되는 구조를 갖는다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 광섬유는 깊이 방향으로 사선 배치됨으로써 광섬유 간의 간섭과 산란에 의한 영향을 감소시킬 수 있다.
물 팬텀(20)의 상부에 배치된 양성자 선원으로부터 방출되는 양성자 선이 복수의 광섬유(111a, 111b)를 통과할 때, 광섬유 내에서는 체렌코프 방사 효과(Cerenkov radiation effect)에 의해 광자가 발생한다. 즉, 양성자 선이 통과한 광섬유에서는 빛이 발생할 수 있다.
체렌코프 방사 효과는, 하전 입자가 매질 내의 빛의 속도보다 빠른 속도로 매질을 투과할 때 입사선을 중심으로 일정한 각도를 갖는 원추형으로 광자(빛)가 발생되는 효과로서 일정 에너지 이상의 하전 입자에 의해 발생되는 것이다. 더욱 구체적으로, 양성자가 광섬유와 반응해서 나오는 고에너지 이차 전자들(177 KeV이상)은 디스크 내에서 체렌코프 광자를 방출하는데 체렌코프 광자는 보통 200nm 영역의 자외선에서부터 방출되며 대부분의 가시영역에 걸치는 파장대를 갖게 되는데, 방출 확률은 파장의 제곱에 반비례함으로 자외선(UV) 영역의 파장대에서 가장 많은 광자가 나온다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에서는 광검출 효율을 높이기 위해 광검출부(30)를 자외선에 더욱 민감하게 제작하여 광효율을 높일 수 있다.
광섬유에서 생성된 광신호는 광검출부(30)에 의해 그 세기가 검출되고 그에 대응되는 전기신호로 생성된다. 광검출부(30)에서 더 검출되는 빛의 양(빛의 세기)에 대한 정보를 포함하는 전기신호는 신호처리부(40)로 제공되고, 신호처리부(40)는 검출모듈별로 각 검출모듈에 포함된 두 광섬유의 길이 차에서 생성된 빛의 세기에 대응하는 값을 연산하고 이 빛의 세기를 이용하여 깊이에 따른 양성자 선량을 산출할 수 있다. 신호처리부(40)에 의한 양성자 선량은 디스플레이부(50)로 제공되어 시각적으로 표시되거나 디스플레이부(50)를 구현한 PC에서 다른 연산을 통해 양성자 선 분포를 파악하기 위한 다른 정보를 생성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 광섬유(111a, 111b)를 포함하는 하나의 검출모듈에서는 양성자 선의 통과에 따라 각 광섬유에서 생성된 두 개의 광신호가 출력될 수 있다. 두 개의 광섬유(111a, 111b)는 상호 길이가 차이가 나므로 각각에서 출력되는 광신호의 세기가 차이가 나게 된다. 따라서, 검출 광섬유(111b)에서 출력되는 광신호의 세기와 기준 광섬유(111a)에서 출력되는 광신호의 세기의 차를 구하면, 두 광섬유의 길이차이에 해당하는 부분에서 출력되는 광신호의 세기를 구할 수 있다. 이차 산란모드로 방출되는 치료용 양성자선은 통상 10 ~ 25 cm의 필드 사이즈를 갖는데, 필드 내에 들어가는 모든 광섬유는 활성 영역에 포함되므로 하나의 광섬유를 이용할 경우에 공간 분해능이 떨어진다. 이러한 문제를 해소하고자 본 발명은 두 개의 광섬유를 하나의 검출모듈로 구성하고, 두 광섬유의 길이 차에 해당하는 광신호이 세기를 이용함으로써 공간 분해능을 향상시킬 수 있다. 두 광섬유의 길이차를 작게 할수록 공간 분해능을 더 향상될 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
전술한 도 1 및 도 2의 실시형태와 마찬가지로, 도 3의 실시형태에서, 산란 모드로 치료용 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 물 팬텀(20)의 상부에 위치하여 물 팬텀 방향으로 양성자 선을 방출한다. 본 발명의 일 실시형태에서 센서(12)는 양성자 선이 진행하는 깊이 방향에서 동일한 깊이를 갖는 위치의 선량을 검출하도록 배치된다. 이를 위해, 센서(12)는 동일 깊이로 나란하게 배치된 복수의 광섬유를 포함한다. 특히, 광섬유는 서로 동일한 길이를 갖는 두 개의 광섬유(121b)와, 광섬유(121b)와 다른 길이를 갖는 하나의 광섬유(121a)가 하나의 양성자 선 검출을 위한 검출모듈(121)을 구성한다. 한 검출모듈(121)을 구성하는 광섬유(121a, 121b)에서 기준 광섬유(121a)는 그 보다 더 긴 길이를 갖는 검출 광섬유(121b) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같이, 하나의 검출모듈을 하나의 기준 광섬유(121a)와 두 개의 검출 광섬유(121b)로 구성하여 하나의 검출모듈에서 기준 광섬유(121a)와 검출 광섬유(121b)의 길이 차에 대응되는 두 채널의 광신호를 생성하게 함으로써 기준 광섬유(121a)의 개수를 감소시킬 수 있다. 광섬유에서 양성자 선을 검출하여 빛을 생성하는 것은 전술한 도 1 및 도 2의 실시형태에 대한 설명에서 기술된 것과 동일하므로 중복 기재를 생략하기로 한다.
광섬유에서 생성된 광신호는 광검출부(30)에 의해 그 세기가 검출되고 그에 대응되는 전기신호로 생성된다. 광검출부(30)에서 더 검출되는 빛의 양(빛의 세기)에 대한 정보를 포함하는 전기신호는 신호처리부(40)로 제공되고, 신호처리부(40)는 검출모듈에 하나의 광 섬유와 두 광섬유의 길이 차에서 생성된 빛의 세기에 대응하는 두 채널의 검출값을 연산하고 이 빛의 세기를 이용하여 깊이에 따른 양성자 선량을 산출할 수 있다. 신호처리부(40)에 의한 양성자 선량은 디스플레이부(50)로 제공되어 시각적으로 표시되거나 디스플레이부(50)를 구현한 PC에서 다른 연산을 통해 양성자 선 분포를 파악하기 위한 다른 정보를 생성할 수도 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 또 다른 실시형태는 전술한 도 1과 도 3의 센서구조를 함께 하나의 물 팬텀에 배치되도록 구현될 수도 있다. 이 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 센서(11)의 광섬유에서 빛을 검출하는 하나의 광검출부와 도 3 및 도 4에 도시된 센서(12)의 광섬유에서 빛을 검출하는 다른 하나의 광검출부가 마련될 수 있으며, 신호처리부(40)는 두 개의 광검출부로부터 검출된 빛에 대응되는 전기 신호를 제공받아 신호처리를 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 양성자 선을 검출할 수 있는 광섬유를 산란 모드로 검출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향으로 다수 배치함으로써 물 팬텀을 이동시키거나 센서의 위치를 변동하지 않고서도 깊이 방향의 양성자 선량 정보(브래그 피크 또는 SOBP)를 신속하고 효율적으로 검출할 수 있다. 특히, 하나의 검출모듈을 구성하는 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 광섬유를 적용하여 양성자 선 검출의 공간분해능을 향상시킬 수 있고, 검출모듈을 깊이 방향으로 사선 배치함으로써 광섬유 사이의 간섭 등을 배제하여 더욱 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 양성자 선을 검출할 수 있는 광섬유를 산란 모드로 검출되는 치료용 양성자 선의 깊이 방향에서 동일 깊이에 다수 배치함으로써 물 팬텀을 이동시키거나 센서의 위치를 변동하지 않고서도 동일 깊이에서의 양성자 선량 정보(대칭성)를 신속하고 효율적으로 검출할 수 있다. 특히, 두 개의 광섬유와 그 보다 짧은 길이를 갖는 하나의 광섬유를 두 광섬유 사이에 배치한 세 개의 광섬유를 포함하는 검출모듈을 구성하고 짧은 길이를 갖는 하나의 광섬유를 기준으로 두 광섬유에서 그 길이 차에 해당하는 빛을 검출하게 하여 하나의 검출모듈로 두 채널의 검출값을 생성하게 함으로써 광섬유 개수를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
11, 12: 센서 111, 121: 검출모듈
111a, 121a: 기준 광섬유 111b, 121b: 검출 광섬유
20: 물 팬텀 30: 광검출부
40: 신호처리부 50: 디스플레이부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 산란 모드 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선을 검출하는 양성자 선 검출 장치에 있어서,
    제1 기준 광섬유 및 상기 제1 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 제1 검출 광섬유를 각각 포함하는 복수의 제1 검출모듈을 가지며, 상기 복수의 제1 검출모듈 각각은 상기 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선이 진행하는 수직 방향으로 일정 간격으로 배치되며, 서로 이웃한 제1 검출모듈 각각이 서로 간섭하지 않도록 상기 수직 방향으로 중첩되지 않게 반복적으로 사선 배치된 제1 센서;
    제2 기준 광섬유 및 상기 제2 기준 광섬유보다 긴 길이를 갖는 두 개의 제2 검출 광섬유를 각각 포함하는 복수의 제2 검출모듈을 가지며, 상기 복수의 제2 검출모듈 각각은 상기 양성자 선원에서 방출되는 양성자 선이 진행하는 수직 방향에 대하여 직교하는 수평 방향으로 나란하게 서로 이웃하여 일렬로 배치된 제2 센서;
    상기 제1 센서로부터 광을 검출하는 제1 광검출부;
    상기 제2 센서로부터 광을 검출하는 제2 광검출부; 및
    상기 제1 광검출부 및 상기 제2 광검출부에서 검출된 광의 세기에 따라 해당 검출모듈의 검출값을 결정하되, 상기 제1 기준 광섬유와 상기 제2 검출 광섬유 사이의 길이 차 및 상기 제2 기준 광섬유와 상기 제2 검출 광섬유 사이의 길이 차에 해당하는 부분에 의한 광 신호의 크기를 해당 검출모듈의 검출값으로 결정하여 양성자 선 위치 및 양성자 선량 분포를 연산하는 신호 처리부;
    를 포함하되,
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서는 물 팬텀 내에 배치되고, 상기 산란 모드 양성자 선원은 상기 물 팬텀 상부에 배치되며,
    상기 복수의 제2 검출모듈 각각은 두 개의 채널을 형성하도록 상기 두 개의 제2 검출 광섬유가 상기 제2 기준 광섬유를 사이에 두고 그 양측에 배치되는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 센서는, 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 수직 방향으로 배치된 사전 설정된 개수의 상기 제1 검출모듈을 각각 포함하는 복수의 사선 배치 구조를 가지며,
    상기 사선 배치 구조는 상기 양성자 선원에 방출되는 양성자 선이 진행하는 수직 방향으로 반복 배치된 것을 특징으로 하는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광검출부는 상기 제1 센서에 포함된 상기 제1 기준 광섬유 및 상기 제2 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하고,
    상기 제2 광검출부는 상기 제2 센서에 포함된 상기 제2 기준 광섬유 및 상기 제2 검출 광섬유에서 생성되는 빛을 검출하여 그에 대응되는 전기 신호로 출력하며,
    상기 신호 처리부는 상기 제1 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 제1 검출모듈 별로 상기 제1 검출 광섬유와 상기 제2 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하고, 상기 제2 광검출부에서 출력된 전기 신호를 제공받아, 상기 제2 검출모듈 별로 상기 제2 검출 광섬유와 상기 제2 기준 광섬유의 길이 차에 해당하는 빛의 세기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
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