KR101662831B1 - 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 - Google Patents

펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량 분포 검출 장치는, 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및 광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함한다. 상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치되고, 상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며, 상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치되며, 상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면과 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 나란하도록, 양성자 선의 진행 방향을 따라 상기 양성자 선 진행 위치 검출부의 하부에 상기 양성자 선량 분포 검출부가 배치된다.

Description

펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치{PROTON BEAM DETECTOR FOR PENCIL BEAM SCANNING PROTON THERAPY}
본 발명은 치료용 양성자 선원의 위치 및 선량 분포를 검출하는 장치에 관한것으로, 더욱 상세하게는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량 분포를 실시간으로 정밀하게 감시할 수 있는 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. 그러나 산란 모드를 이용한 치료방식은 양성자를 산란시키면서 발생하는 중성자와 감마선과 같은 이차방사선, 방사선의 조사면을 조절하기 위해 사용하는 황동 차폐체와 아크릴릭 재질의 보상체의 방사화(activation), 보상체를 이용한 양성자빔 조절과정에서 발생되는 정상장기의 불필요한 선량의 증가 등의 몇 가지 주요한 문제점을 갖고 있다.
이러한 산란 모드의 양성자 선 전달 방법에서 발생하는 여러 문제를 해결하고자 최근에 펜슬빔 주사(pencil beam scanning)를 이용한 양성자 치료법이 제안되었고 곧 환자 치료에 실용화될 예정에 있다. 이 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 방식은 종래의 산란 모드 전달 방식과 달리 주사 마그넷(scanning magnet)의 조합으로 여러 에너지의 선량분포를 환자에게 전달하여 치료하는 방법으로 그 동안 산란모드에서 불가능했던, 세기변조양성자치료(IMPT, Intensity Modulated Proton Therapy)를 가능하게 함으로써 양성자를 이용한 암 치료를 결과를 극대화, 최적화 시킬 수 있는 최첨단, 차세대 양성자 치료법이다. 또한 펜슬빔 주사방법은 마그넷의 조합으로 빔을 조절을 하므로 산란체와 차폐체의 사용이 불필요해짐에 따라 이차선 및 중성자에 의한 2차 방사선 발생에 따른 부작용을 근본적으로 해소할 수 있으며 그 동안 환자별, 치료부위별에 의한 최대 30개 이상의 차폐체 및 보상체를 제작하기 위한 시간 및 비용의 줄일 수 있는 장점이 있다.
이런 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 기법은 납 산란체 등을 이용하여 빔을 평편하게 생성하여 동일한 선량분포를 조사하는 이중산란 방법과 달리 수많은 펜슬빔의 조합으로 선량분포가 구성되므로 하나의 펜슬빔의 위치가 달라지면 환자에게 전달되는 선량 및 선량분포에 오차가 생기므로 이에 대한 검증이 필수적이다. 특히, 움직임이 있는 장기에 오차가 발생할 확률이 있음에 따라, 동적 불확도 요인을 줄이고 최적화된 치료결과를 얻기 위해서는 양성자 펜슬빔 주사 모드에서 전달되는 치료용 양성자 선의 치료 선량 정확도 검증이 요구된다. 만약 인체 내에서 양성자 선량 분포(Range, Spread-out Bragg peak 등) 및 치료 선량이 정확하게 결정되지 못할 경우, 치료효과가 오히려 급격히 떨어지거나 심지어는 방사선에 민감한 조직이나 장기에 선량을 집중적으로 전달하여 환자에게 심각한 부작용을 초래할 수 있다는 문제가 있기 때문이다.
종래의 치료용 양성자 선의 선량 측정 기법이 선행기술문헌인 공개특허공보 제10-2012-0085499호에 알려져 있다. 이 선행기술문헌에 개시된 양성자 선의 선량 측정 기법은 물 팬텀 내에 상호 길이가 다른 광 섬유를 배치하고 물 펜텀의 위치를 이동시키면서 선량을 측정하는 것으로, 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 기법에서 요구되는 정확한 선원의 위치와 선량 분포를 측정하는데 적용하기 어려운 단점이 있다.
이와 같이, 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 치료방법의 선량측정은 기존의 산란모드와 달리 3차원 물 팬텀을 이용한 측정이 불가능하며 정확한 선량 분포를 검증할 수 있는 장치는 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.
한국공개특허 제10-2012-0085499호
이에, 본 발명은 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량을 정밀하게 검출하여 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유; 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부를 포함하며,
상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 광섬유가 배열된 방향 및 상기 제2 광섬유가 배열된 방향은 상호 직교할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양성자 선 진행 위치 검출부는 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유를 고정하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며,
상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 광파장 변환 디스크는 자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 복수의 상기 광파장 변환 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및
광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치되고,
상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며, 상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치되며,
상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면과 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 나란하도록, 양성자 선의 진행 방향을 따라 상기 양성자 선 진행 위치 검출부의 하부에 상기 양성자 선량 분포 검출부가 배치되는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유 별로 빛을 검출하고 복수의 상기 광파장 변환 광섬유 별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치 및 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량을 실시간으로 정밀하게 검출함으로써 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 치료 대상이 아닌 환자의 장기에 양성자 선이 전달됨으로써 발생하는 부작용 등 최소화하고 양성자 치료의 효율을 현저하게 향상시키는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자선 진행 위치 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 양성자 선량 분포 검출부의 광파장 변환 수단을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광파장 변환 수단을 A-A’라인을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
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 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 양성자 선이 지나가는 위치를 검출하기 위한 양성자선 진행 위치 검출부(10)와 양성자선이 지나가는 위치에 따른 양성자 선량 분포를 검출하기 위한 양성자 선량 분포 검출부(20)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 양성자선 진행 위치 검출부(10) 및 양성자 선량 분포 검출부(20)는 검출하고자 하는 정보의 선택에 따라 두 요소 중 하나만으로 구현될 수도 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는 양성자선 진행 위치 검출부(10)에서 생성되는 광신호와 양성자 선량 분포 검출부(20)에서 생성되는 광신호를 검출하기 위한 광신호 검출부(31-33)와, 광신호 검출부(31-33)에서 검출된 광신호에 대한 정보를 이용하여 양성자 선이 통과한 위치를 연산하고, 양성자 선량을 연산하는 신호 처리부(40) 및 신호 처리부(40)에서 연산된 결과를 표시하기 위한 디스플레이부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자선 진행 위치 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 양성자선 진행 위치 검출부(10)는 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유(121)와, 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유(131)를 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 제1 광섬유(121)와 복수의 제2 광섬유(131) 각각은 하나의 평면 상에 배치되어 하나의 층(12, 13, 이하 각각 제1 광섬유층 및 제2 광섬유층이라 함)을 구성할 수 있다. 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)은 상호 상하로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 광섬유(121)가 배열된 제1 방향과 제2 광섬유(131)가 배열된 제2 방향은 상호 다른 방향이 될 수 있으며, 바람직하게 상호 직교할 수 있다. 예를 들어, 통상의 x-y의 직교좌표에서 제1 광섬유(121)는 y 축과 평행한 방향으로 배열되어 x 좌표값을 형성할 수 있고, 제2 광섬유(131)는 x 축과 평행한 방향으로 배열되어 y 좌표값을 형성할 수 있다. 복수의 제1 및 제2 광섬유(121, 131) 각각은 그 단면이 사각형태를 갖도록 함으로써, 배열된 전면이 균이란 매질로 채워지는 효과를 얻을 수 있다.
복수의 제1 광섬유(121)는 하나의 광검출부(31)와 연결되고 복수의 제2 광섬유(131)는 다른 광검출부(32)와 연결될 수 있다.
이에 더하여 양성자선 진행 위치 검출부(10)는 상호 적층된 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)을 상하부에서 고정하는 프레임(11a, 11b)을 더 포함할 수 잇다. 프레임(11a, 11b)은 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)의 테두리 영역 상하부와 접촉하여 이들을 고정하고 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)이 적층된 구조물의 상하면을 노출시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다. 또한, 도 4는 도 3에 도시된 양성자 선량 분포 검출부의 광파장 변환 수단을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다. 또한, 도 5는 도 4에 도시된 광파장 변환 수단을 A-A’라인을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부(20)는 복수의 광파장 변환 수단(21)을 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 광파장 변환 디스크(211) 및 광파장 변환 디스크(211)의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유(212)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유로 구성된 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름(213)을 더 포함할 수 있다.
양성자 선량 분포 검출부(20)는 그를 통과하는 양성자 선량을 검출하기 위한 수단으로서, 복수의 광파장 변환 수단(21)은 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 상호 대향하도록 적층되는 구조로 배치될 수 있다. 또한, 양성자 선량 분포 검출부(20)는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 광파장 변환 수단(21)의 광파장 변환 디스크(211)에 입사되도록 배치될 수 있다. 복수의 광파장 변환 수단(21)에 포함된 광파장 변환 광섬유(212)는 광검출부(33)에 연결될 수 있다.
복수의 광파장 변환 수단(21)은 양성자 선이 진행하는 방향을 따라 적층된 구조를 갖는 것으로, 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 양성자 선이 통과하는 경우 빛을 생성할 수 있다. 따라서, 빛이 생성되는 광파장 변환 수단(21)의 적층 위치를 확인하면 양성자 선이 도달하는 위치를 확인할 수 있다. 즉, 복수의 광파장 변환 수단(21)이 적층된 양성자 선량 분포 검출부(20)를 전술한 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 하부에 배치하되, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)가 형성하는 평면과 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 나란하도록 배치하는 경우, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)에 의해 직교좌표에서 양성자 선이 진행하는 x 좌표 및 y 좌표를 검출할 수 있고 복수의 광파장 변환 수단(21)에 의해 직교좌표에서 양성자선이 도달하는 z 좌표를 결정할 수 있다.
전술한 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 제1 광섬유(121) 및 제2 광섬유(131)와 양성자 선량 분포 검출부(20)의 광파장 변환 광섬유(212)와 각각 연결되는 광검출부(31, 32, 33)는 제1 광섬유(121), 제2 광섬유(131) 및 광파장 변환 광섬유(212)에서 전달되는 광신호를 개별 광 신호별로 검출하고 검출된 결과를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 다채널 광 검출 장치이다. 예를 들어, 광검출부(31)은 복수의 제1 광섬유(121)와 연결되어 제1 광섬유(121) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고 그 결과를 전기적 신호로 출력할 수 있다. 마찬가지로, 광검출부(32)는 복수의 제2 광섬유(131) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고, 광검출부(33)은 복수의 광파장 변환 광섬유(212) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고 그 결과를 전기적 신호로 출력할 수 있다. 이러한 광검출부(31-33)는 광증배관(Multi-Anode PhotoMultiplier Tube: MAPMT), 포토 다이오드 어레이(Photodiode Array) 또는 반도체 광증배관 (Silicon Photo-Multiplier Array)으로 구현될 수 있다.
신호처리부(40)는 광검출부(31-33)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(31-33)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.
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.
이하, 전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 작용 및 효과에 대해 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선 진행 위치 검출부(10)와 양성자 선량 분포 검출부(20)를 동시에 포함하는 실시형태를 도시한 것으로, 펜슬빔 주사 모드로 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 상부에 위치할 수 있다. 펜슬빔 주사 모드로 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)가 배치된 하부 방향으로 양성자 선을 주사하며, 양성자 선은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과하여 그 하부에 배치된 양성자 선량 분포 검출부(20)의 광파장 변환 수단(21)으로 입사될 수 있다.
선원에서 펜슬빔 주사 모드로 방출된 양성자 선이 양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과하는 과정에서, 양성자 선은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 복수의 제1 광섬유(121) 중 일부와 복수의 제2 광섬유(131) 중 일부를 통과하게 된다. 양성자 선이 광섬유를 통과할 때, 양성자 선에 의해 고에너지 전자선들이 발생되며, 이 전자선들은 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.
복수의 제1 광섬유(121) 중 양성자 선이 통과한 제1 광섬유에서 체렌코프 광이 발생하게 되고 복수의 제2 광섬유(131) 중 양성자 선이 통과한 제2 광섬유에서 체렌코프 광이 발생하게 된다. 전술한 바와 같이, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)은 각각 하나의 채널을 형성하여 광검출부(30)에서 광 검출이 이루어진다. 따라서, 광검출부(30)에서 양성자 선 통과에 의한 체렌코프 광이 발생한 제1 광섬유와 제2 광섬유로부터 빛을 검출하여 데이터 처리부(40)로 전달하면, 데이터 처리부(40)에서는 빛이 발생한 제1 광섬유와 제2 광섬유의 위치를 파악함으로써 양성자 선 진행 위치 검출부(10) 상에서 양성자 선이 통과하는 위치를 연산해 낼 수 있다. 즉, 복수의 제1 광섬유(121)와 복수의 제2 광섬유(131)가 상호 직교하도록 배치된 실시형태에서, 데이터 처리부(40)는 빛을 검출한 제1 광섬유의 위치와 빛을 검출한 제2 광섬유의 위치를 파악하여 직교 좌표계의 x-y 좌표값의 형태로 양성자 선이 통과하는 위치를 연산해 낼 수 있다.
양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과한 양성자 선은 그 하부의 양성자 선량 분포 검출부(20)로 입사된다.
특히, 도 4를 참조하면, 양성자 선은 양성자 선량 분포 검출부(20) 내 광파장 변환 수단(21)의 광파장 변환 디스크(211)를 통과하게 되는데, 전술한 것과 같이 체렌코프 방사 효과에 의해 광파장 변환 디스크(211) 내에서 빛이 발생한다. 즉, 광파장 변환 디스크 내에서 양성자가 물질과 반응해서 나오는 고에너지 이차 전자들(177 KeV이상)은 체렌코프 광자를 방출한다. 통상 체렌코프 광자는 200nm 영역의 자외선에서부터 방출되며 대부분의 가시영역에 걸치는 파장대를 갖게 된다. 이 때, 체랜코프 광의 방출 확률은 파장의 제곱에 반비례하므로, 자외선(UV)영역의 파장대에서 가장 많은 광자가 나온다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에서, 광파장 변환 디스크(211)는 청색 파장 변환(Blue wave length shifting: B-WLS) 물질이 포함함으로써 자외선 영역의 광선을 청색으로 변환하여 재방출 하게 함으로써 측정가능한 영역의 광자 수를 증가시킬 수 있다. 또한, 파장변환 물질은 특정한 각도로 방출되는 체렌코프 광의 방향성을 제거하여 양성자 빔 조사의 방향의존도를 제거하는 역할도 할 수 있다.
광파장 변환 디스크(211)에서 생성된 체렌코프 광은 청색 광으로 변환되어 광파장 변환 디스크(211)의 외주에서 광파장 변환 디스크(211)를 둘러싸고 있는 광파장 변환 광섬유(212)에서 흡수될 수 있다. 광파장 변환 광섬유(212)는 광파장 변환 디스크(211)에서 흡수한 청색광을 녹색광으로 변환할 수 있는 녹색 파장 변환 물질 Green Wavelength shifting: G-WLS)을 포함할 수 있다. 광파장 변환 광 섬유(212)에서 녹색광으로 변환된 빛은 광검출부(33)로 제공되어 전기적 신호로 변환될 수 있다.
한편, 광파장 변환 디스크(211)와 그 외주를 둘러싸는 광파장 변환 광섬유(212)가 형성하는 구조물의 상하면에는 광반사 필름(213)이 형성될 수 있다. 이 광반사 필름(213)은 광파장 변환 디스크(211)과 광파장 변환 광섬유(212) 내부의 광자가 외부로 방출되는 손실을 방지하며 그 내부로 반사를 유도하여 광검출의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 광파장 변환 수단(21)은 양성자 선의 진행 방향을 따라 적층된 구조를 가지며, 복수의 광파장 변환 수단(21)에 구비된 광파장 변환 광섬유(212)는 각각이 하나의 채널을 구성하여 광검출부(33)에 연결된다. 따라서, 신호처리부(40)는 광검출부(33)에 의해 빛이 검출된 광파장 변환 수단(21)의 위치를 확인함으로써 양성자 선이 도달한 위치를 연산할 수 있다. 특히, 양성자 선 지행 위치 검출부(10) 내 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)가 형성하는 평면과 양성자 선량 분포 검출부(20) 내 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 나란하도록 배치하는 경우, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)에 의해 직교좌표에서 양성자 선이 진행하는 x 좌표 및 y 좌표를 검출할 수 있고 복수의 광파장 변환 수단(21)에 의해 직교좌표에서 양성자선이 도달하는 z 좌표를 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 펜슬빔 주사 모드로 방출되어 실시간으로 변하는 치료용 양성자 선의 위치 및 깊이 방향 선량 분포를 정밀하게 검출함으로써 양성자 치료 영역 내의 총 선량 분포를 재구성하여 확인함으로써 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 치료 대상이 아닌 환자의 장기에 양성자 선이 전달됨으로써 발생하는 부작용 등 최소화하고 양성자 치료의 효율을 현저하게 향상시킬 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.
10: 양성자 선 진행 위치 검출부121: 제1 광섬유
131: 제2 광섬유 20: 양성자 선량 분포 검출부
21: 광파장 변환 수단 211: 광파장 변환 디스크
212: 광파장 변환 광섬유 213: 광반사 필름
31-33: 광검출부 40: 신호처리부
50: 디스플레이부

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 양성자 선이 입사되는 경우에 체렌코프 효과에 의해 광을 발생시키고 자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함하는 광파장 변환 디스크와, 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 구비한 광파장 변환 수단을 복수개 마련한 양성자 선량 분포 검출부; 및
    복수의 광파장 변환 광섬유 별로 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부;를 포함하며,
    상기 복수의 광파장 변환 수단은,
    양성자 선이 진행하는 방향을 따라 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되고,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는,
    펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 광검출부에서 광이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  10. 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및
    자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함하는 광파장 변환 디스크와, 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 구비한 광파장 변환 수단을 복수개 마련한 양성자 선량 분포 검출부; 및
    복수의 제1 광섬유 및 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유 별로 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하고, 복수의 상기 광파장 변환 광섬유 별로 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부;를 포함하며,
    상기 양성자 선 진행 위치 검출부는,
    복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치되고,
    상기 복수의 광파장 변환 수단은,
    양성자 선이 진행하는 방향을 따라 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는,
    펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치되며,
    상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면과 상기 광파장 변환 디스크의 상하면은,
    양성자 선의 진행 방향을 따라 나란히 배치되되, 양성자 선 진행 위치 검출부의 하부에 양성자 선량 분포 검출부가 배치되고,
    상기 제1광섬유, 제2광섬유 및 광파장 변환 디스크는,
    양성자 선이 입사되는 경우에 체렌코프 효과에 의해 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 광섬유가 배열된 방향 및 상기 제2 광섬유가 배열된 방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유를 고정하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 광검출부에서 광이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치 및 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
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