KR101839369B1 - 붕소중성자포획치료(bnct) 시설 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 양성자가속기를 이용한 붕소중성자포획 치료시설에 관한 것으로서, 3개의 치료실에 시간 선택적으로 양성자선을 공급하여 치료 대기 시간을 줄이고, 각 치료실에 공급되는 빔의 상대 각도를 최소화하여 양성자선의 전송 효율을 높이는 것이 특징이다. 또한, 중성자 표적계를 치료실과 가속기실을 차폐하는 차폐벽 내에 배치하여 치료실 공기 중으로 누설되는 Ar-41의 방사화 문제를 방지할 수 있다.

Description

붕소중성자포획치료(BNCT) 시설{Boron Neutron Capture Therapy System}

본 발명은 선형양성자가속기형 붕소중성자포획치료 시설의 가속기, 빔라인, 표적계의 장치 구성과 방사선 안전 확보를 위한 치료실의 공간 배치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

붕소중성자포획치료법(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy, 이하, BNCT라 한다)은 중성자선의 조사에 의하여 암세포를 사멸시키는 중성자 포착요법이다. BNCT에서는 붕소를 포함하는 약재를 환자에게 투여하여 암세포가 존재하는 부위에 붕소를 집적시키고, 이 붕소가 집적된 부위에 중성자선을 조사하면 암세포에 모인 붕소화합물이 중성자를 집중적으로 흡수하게 되고, 이때 나오는 2차 방사선으로 암세포를 사멸시킨다.

이러한 중성자 포착요법 장치는 양성자선 발생장치와, 양성자선을 조사대상인 환자에게 유도하는 진공 배관인 빔라인과, 양성자선을 집속하고 양성자선의 지향성을 높이는 콜리메이터(collimator), 양성자선의 진행 방향을 제어하는 전자석, 중성자 생성을 위한 중성자 표적계 등의 장치 요소를 포함한다.

중성자선은 원자로, 가속기로부터 인출할 수 있다. 원자로는 열중성자(Thermal neutron)가 대부분이며 유해 방사선 피폭 문제 외에도 치료 깊이가 낮다는 단점이 있다. 최근에는 가속기를 이용한 BNCT 연구가 활발하며, 특히 치료 깊이가 열중성자의 2~3 cm 보다 깊은 7~8 cm 수준인 고강도의 열외중성자속(Epithermal neutron flux)을 생성할 수 있고, 잔류 방사선량이 작은 선형가속기가 주목받고 있다.

선형 양성자가속기형 BNCT시설에서는 양성자가속기로부터 수십mA 이상의 양성자선을 수 MeV 이상으로 가속하여 표적에 조사하여 다량의 중성자를 발생시켜 사용하게 된다. 이때 선형 양성자가속기로부터 발생된 양성자선은 표적까지 수송되는 동안 공간전하효과(space charge effect)인 양성자 간의 척력으로 인해 쉽게 발산되는 특성이 있어, 빔을 표적까지 손실 없이 수송하기 위해서는 빔라인은 가능한 한 짧고, 작은 각도로 구부려야 한다.

한편, 일반적으로 암세포에 조사되는 빔은 열외중성자빔(4eV≤E_n≤40keV)이 적합하다고 알려져 있다. 열외중성자는 Be-9 또는 Li-7로 구성된 표적에, 입사된 양성자가 감속되며 생성된다. 이 과정에서 감마선이나 속중성자(E_n≥40keV) 등과 같은 불필요한 방사선도 생성되므로 이에 대한 추가적인 차폐시설이 요구된다.

본 발명은 고강도의 열외중성자선을 생성하기 위해 선형 양성자가속기로부터의 양성자선을 표적까지 효율적으로 전달하도록 최소한의 빔라인 구성 요소를 가지며, 빔 경로의 길이 및 꺾임이 최소화된 빔 수송계통을 구성하는 것이 목적이다. 또한, 다수의 치료실을 배치하여 환자 대기 시간을 줄이고 치료 시설을 효율적으로 운용함이 목적이다. 또한, 중성자 표적계로부터 생성되는 감마선이나 속중성자 등 불필요한 방사선을 추가로 차폐하고, 각 치료실을 독립적이며 효과적으로 방사선 차폐하는 붕소중성자포획치료법 시설을 제공하는 것이 목적이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 붕소중성자포획 치료시설은, 선형양성자가속기실; 선형양성자가속기실의 일측에 배치되는 제1 치료실, 제2 치료실, 및 제3 치료실; 선형양성자가속기실과 제1, 제2 및 제3치료실을 차폐하는 제1 차폐벽, 제2 차폐벽 및 제3 차폐벽을 포함하되, 선형양성자가속기실은, 양성자선을 생성하는 선형양성자가속기; 양성자선을 치료실에 분배하도록 형성된 3조의 빔라인; 3조의 빔라인의 분기점에 배치되는 양성자선 분배용 전자석; 및 3조의 빔라인의 종단에 배치되는 3조의 중성자 표적계를 포함하고, 제2차폐벽은 선형양성자가속기의 빔 출사 방향에 수직 하도록 배치되고, 제1 및 제3차폐벽은 벽면이 3조의 빔라인의 분기점을 향하도록 제2차폐벽과 둔각으로 연결되고, 중성자 표적계는 제1, 제2, 및 제3차폐벽에 각각 매립되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실은 제1방향에 배치되되, 제1방향에 수직인 제2방향으로 나란하게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 중성자 표적계는 제1, 제2, 및 제3차폐벽에 각각 매립되거나, 제1, 제2, 및 제3차폐벽와 같은 폭을 갖고, 제1, 제2, 및 제3차폐벽에 삽입되는 각각의 차폐벽모듈에 매립되는 것을 특징으로 한다.

또한, 양성자선 분배용 전자석은 2극 전자석으로 구성되며, 선형양성자가속기에서 가속된 양성자선을 3조의 빔라인 중 어느 하나로 분배하는 것을 특징으로 한다.

또한, 빔라인은 선형양성자가속기로부터 출사되는 양성자선과 동축상에 배치되는 1조의 선형 빔라인; 및 1조의 선형 빔라인을 기준으로 대칭이며, 수평면 상에서 소정의 각도로 벌어진 'Y'자형인 2조의 빔라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1, 제2, 및 제3치료실은 각각의 출입구를 포함하는 복도 벽체와 나란히 배치되고, 출입구와 마주보도록 배치되는 중간차폐벽을 포함하고, 출입구는 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실의 상기 제2방향의 일측에 근접하여 배치되고, 상기 중간차폐벽이 형성하는 내부 통로는 상기 출입구와 엇갈리도록 상기 제2방향의 타측에 근접하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1, 제2, 및 제3치료실은 각각의 출입구, 복도 벽체, 및 중간차폐벽으로 둘러싸인 임시 대피소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 BNCT 치료실을 3개로 구성하여 일 치료실에서 열외중성자로 환자를 치료할 때, 타 치료실에서 환자의 치료 준비 및 치료계획 수립을 수행함으로써 환자 대기 시간을 줄이는 효과가 있다. 또한, 선형 양성자가속기로부터 공급된 양성자 빔을 진행 방향으로 공급하는 중앙 치료실 및 빔 진행 방향을 좌우 측으로 최소한의 각도로 구부린 2조의 치료실을 배치함으로써 빔라인 구성을 최소화하고 양성자 빔의 수송 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 중성자 표적계를 치료실 및 양성자가속기실을 차폐, 격리하는 콘크리트 차폐체 내부에 위치시킴으로써 공기 중으로 누설되는 Ar-41의 방사화 문제를 막을 수 있는 효과가 있다. 또한, 각 치료실의 출입구에 가까운 위치에 중간차폐벽이 배치됨으로써 출입구 차폐문의 두께와 무게를 경감시켜 출입구 개폐를 신속하게 하고, 방사선 안전 사고 시 임시 대피소 역할을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 주요부를 나타내는 부분 절개된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 빔라인을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A'부분 단면도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 표적계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 주요부를 나타내는 부분 절개된 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 평면도이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT시설의 배치를 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT시설은 선형양성자가속기(10), 제1빔라인(20), 양성자선 분배용 전자석(30), 3조의 빔라인(21, 22, 23), 3조의 중성자 표적계(50), 및 3개의 치료실(41, 42, 43)을 포함할 수 있다.

선형양성자가속기(10)는 양성자 등의 하전 입자선을 생성하는 입사기(11), RFQ(Radio-Frequency Quadrupole, 12), DTL(Drift Tube Linac, 13), 및 제1빔라인(20)의 일단이 연결되어 양성자선이 전달될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 시설의 빔라인을 나타내는 사시도이다. 도 3은 도시의 편의를 위해 선형양성자가속기실(16)을 차폐하는 차폐벽(110)의 일부를 생략하여 도시한 사시도이다.

제1빔라인(20)의 타단에는 양성자선 분배용 전자석(30)이 배치되고, 제1빔라인(20)의 타단에는 3조의 빔라인(21, 22, 23)이 연결될 수 있다. 제1빔라인(20)의 양성자선 진행 방향으로 연장된 위치에 나란히 배치된 제2빔라인(22) 및 그 방향에서 수평방향 양측으로 소정의 각도로 꺾여 배치되는 제3빔라인(21) 및 제4빔라인(23)이 연결될 수 있다. 제3 및 제4빔라인(21, 23)의 꺾임 각도는 양성자선의 손실이 최소화되도록 3개의 치료실(41, 42, 43)을 배치할 수 있는 가장 작은 각도로 선정하는 것이 바람직하다.

양성자선 분배용 전자석(30)은 2극 전자석이 이용될 수 있다. 양성자선 분배용 전자석(30)은 제1빔라인(20)으로부터 출사된 양성자선을 제2 내지 제4빔라인(21, 22, 23) 중 어느 하나로 분배할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 표적계를 나타내는 도 3의 A-A'부분 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1빔라인(20)에서 분기되어 연결된 제2 내지 제4빔라인(21, 22, 23)의 타단 각각에는 열외중성자 생성을 위한 중성자 표적계(50)가 배치되고, 중성자 표적계(50)를 포함하는 차폐벽(110)의 반대편에는 치료실(41, 42, 43)이 배치될 수 있다.

여기서 선형양성자가속기(10) 및 제1 내지 제4빔라인(20, 21, 22, 23)이 배치되는 선형양성자가속기실(16)은 콘크리트 차폐벽(110)에 둘러싸인 폐쇄공간일 수 있다.

각 치료실(41, 42, 43)은 독립적으로 차폐된 폐쇄공간일 수 있다. 치료실(41, 42, 43)의 출입구(420)는 중성자 표적계(50)를 기준으로 선형양성자가속기실(16)의 반대편으로 배치될 수 있다. 출입구(420)는 출입구(420)가 설치된 벽체에 수직인 두 벽체의 어느 한 측에 근접하여 배치될 수 있다. 또한, 각 치료실(41, 42, 43)의 출입구(420)와 환자에게 열외중성자가 조사되는 공간 사이에는 중간차폐벽(410)이 배치될 수 있다. 중간차폐벽(410)은 출입구(420)가 설치된 벽체(440)와 나란하게 배치되되, 출입구(420)와 가까운 중간차폐벽(410)의 일측은 치료실을 둘러싸는 중간차폐벽에 연결되고, 출입구(420)로부터 먼 중간차폐벽(410)의 타측은 환자 이동 통로를 형성하도록 치료실을 둘러싸는 차폐벽과 간격을 가지도록 배치될 수 있다.

의료용 가속기 시설의 차폐 설계에 있어서, 중성자는 고에너지 광자에 비해 산란 반응을 잘 일으키는 특성이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예와 같이 최소한의 폭을 가지는 통로(430)가 출입구(420)로부터 최대한 어긋나게 위치하도록 중간차폐벽(410)이 배치됨으로써 효과적인 차폐가 이루어질 수 있다. 또한, 차폐체인 출입문의 두께와 무게를 경감시켜 출입구(420)의 개폐가 신속하게 이루어질 수 있고, 방사선 사고 시 임시 대피소(450)를 제공할 수 있는 공간 배치 구조인 것이 특징이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT시설은 제2 내지 제4빔라인(21, 22, 23)에 의해 열외중성자선이 분배 공급되는 3개의 치료실(41, 42, 43)이 배치됨으로써 환자 대기 시간이 최소화되고 BNCT시설을 효율적으로 운용할 수 있다. 예컨대, 한 개 치료실에서 환자를 조사할 때 다른 치료실에서는 치료대(460)에 환자를 구속하거나, 환자의 시술부위를 사전에 열외중성자속의 출사 방향과 정렬하는 작업을 하는 등 다른 환자의 치료 준비를 하거나 치료계획을 수립함으로써 BNCT시설의 가동 효율을 높일 수 있다.

도 4를 참조하면, 중성자 표적계(50)는 표적(520), 감속재(540), 및 반사체(560)를 포함할 수 있다. 표적(520)은 Be(Beryllium), Li(Lithium), Ta(Tantalium), 또는 W(Tungsten)으로 구성된 원판 형상일 수 있다. 표적(520)에 양성자가 입사되면 열외중성자, 감마선, 및 속중성자가 생성될 수 있다. 감속재(540)는 표적(520)으로부터 생성된 중성자선을 감속하기 위한 납, 철, 알루미늄, 또는 불화칼슘으로 구성된 원판 형상의 부재가 표적(520)으로부터 열외중성자의 출사 방향으로 적층된 것일 수 있다. 반사체(560)는 Pb(Plumbum)로 구성될 수 있으며, 표적(520)과 감속재(540)를 환형으로 감싸며 배치됨으로써 열외중성자의 탈출을 막아 열외중성자선의 손실을 방지할 수 있다. 중성자 표적계(50)는 열외중성자의 선속(flux)과 전향성(forward directional property)을 향상시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

중성자 표적계(50)는 각 치료실(41, 42, 43)과 선형양성자가속기실(16) 사이를 방사선 차폐하는 차폐벽(110) 내부에 설치될 수 있다. 중성자 표적계(50)는 차폐벽(110)에 직접 매립될 수도 있고, 도 4와 같이 모듈화된 차폐벽모듈(120)에 매립되어 차폐벽(110)에 차폐벽모듈(120)이 조립될 수도 있다. 도 1을 참조하면, 중성자 표적계(50)는 두꺼운 차폐벽(110) 내에 둘러싸여 배치됨으로써 불필요한 방사선이 치료실(41, 42, 43)로 유입되는 것을 최소화할 수 있고, 특히 중성자 표적계(50)로부터 발생되어 치료실(41, 42, 43) 내 공기 중으로 방사화되는 Ar-41을 저감하는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 선형양성자가속기실;
   상기 선형양성자가속기실의 일측에 배치되는 제1 치료실, 제2 치료실, 및 제3 치료실; 및
   상기 선형양성자가속기실로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실을 각각 차폐하는 제1 차폐벽, 제2 차폐벽 및 제3 차폐벽을 포함하되,
   상기 선형양성자가속기실은,
   제1방향으로 양성자선을 출사하는 선형양성자가속기;
   상기 양성자선을 상기 치료실에 분배하도록 형성된 3조의 빔라인;
   상기 3조의 빔라인의 분기점에 배치되는 양성자선 분배용 전자석; 및
   상기 3조의 빔라인의 종단에 배치되는 3조의 중성자 표적계
   를 포함하고,
   상기 제2차폐벽은 상기 선형양성자가속기의 빔 출사 방향에 수직 하도록 배치되고, 상기 제1 및 상기 제3차폐벽은 벽면이 상기 3조의 빔라인의 분기점을 향하도록 상기 제2차폐벽과 둔각으로 연결되는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실은,
   상기 제1방향에 배치되되, 상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 중성자 표적계는,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3차폐벽에 각각 매립되거나,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3차폐벽와 같은 폭을 갖고, 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3차폐벽에 삽입되는 각각의 차폐벽모듈에 매립되는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 양성자선 분배용 전자석은,
   2극 전자석으로 구성되며, 상기 선형양성자가속기에서 가속된 양성자선을 상기 3조의 빔라인 중 어느 하나로 분배하는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획치료 시설.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 빔라인은,
   상기 선형양성자가속기로부터 출사되는 양성자선과 동축상에 배치되는 1조의 선형 빔라인; 및
   상기 1조의 선형 빔라인을 기준으로 대칭이며, 수평면상에서 소정의 각도로 벌어진 'Y'자형인 2조의 빔라인
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실은,
   각각의 출입구를 포함하는 복도 벽체와 나란히 배치되고, 상기 출입구와 마주보도록 배치되는 중간차폐벽을 포함하고,
   상기 출입구는,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실의 상기 제2방향의 일측에 근접하여 배치되고, 상기 중간차폐벽이 형성하는 내부 통로는 상기 출입구와 엇갈리도록 상기 제2방향의 타측에 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3치료실은,
   각각의 출입구, 상기 복도 벽체, 및 상기 중간차폐벽으로 둘러싸인 임시 대피소를 포함하는 것을 특징으로 하는 붕소중성자포획 치료시설.

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