KR101871608B1 - 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 이용한 실시간 선량 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 실시간 선량 모니터링 장치는, 전자빔(electron beam)을 생성하여 외부로 출력하는 전자빔 생성부; 적어도 하나의 가스를 포함하여 신틸레이션(scintillation) 현상을 유도하고, 상기 신틸레이션 현상에 통해 상기 전자빔에 의한 방사선을 빛으로 변환하는 신틸레이션 가스부; 상기 변환된 빛을 전기적 신호로 변환하는 처리부; 및 상기 처리부로부터 상기 전기적 신호를 전달받아 표시하는 디스플레이부;를 포함하되, 상기 전기적 신호는 상기 방사선의 선량과 관련될 수 있다.

Description

전자선 치료시 신틸레이션 가스를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기 {Real Time Dose Monitoring Equipment Using Scintillation Gas During Electron Beam Therapy}

본 발명은 전자선 치료시 신틸레이션 가스 및 전자 결합 소자등을 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 증폭하여 계측함으로써 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 광자(Photon)를 이용한 방사선 치료에서 Quality Assurance(QA)가 빈번하게 이용된다.

Quality Assurance(QA) 중 환자 개인에 대한 맞춤형 patient specific QA가 가장 많이 사용된다.

맞춤형 patient specific QA가 가장 많이 사용되는 이유는 광자(photon) 치료에 있어서, Stereotactic Body Radiation Therapy(SBRT) 혹은 Volumetric Arc Therapy (VMAT) 과 같은 Multi-leaf Collimator(MLC) 를 이용한 복잡한 방사선 치료가 시행되고 있기 때문이다.

즉, 기존에 사용되어 왔던 일반적인 선량 검증이 아닌 치료 방사선의 흐름(fluence)을 확인하고 치료의 재현성을 높이기 위해, 맞춤형 patient specific QA가 이용된다.

광자(Photon)를 이용한 방사선 치료 이외에 전자선을 이용한 방사선 치료 방식이 있다.

광자(Photon)를 이용한 방사선 치료와 다르게 전자선을 이용한 방사선 치료에 있어서는 아직 기존의 선량 검증방법이 적용되어 선량 전달, 균일성 등만이 평가되고 있다.

이는 전자선을 이용한 방사선 치료가 보조적 치료 역할을 수행하고 있어 복잡한 선량 분포를 필요로 하지 않는 것에서 비롯된 것이다.

또한, 전자선을 이용한 방사선 치료는 피부암 치료 등에 bulk 한 형태로 사용되고 있기에 patient specific QA 의 필요성이 낮아 나타난 현상으로 볼 수 있다.

그러나 최근에는 전자선의 경우에도, 기존의 전자선 치료와는 달리 복잡한 타겟의 치료를 위한 modulated electron radiotherapy(MERT) 또는은 electron multileaf collimator (eMLC)를 사용한 치료가 제안되고 있다.

따라서 이러한 복잡해진 전자선을 이용한 방사선 치료 발전에 따라 전자선에 특화된 patient specific QA의 필요성이 대두되고 있으므로, 이에 대한 해결방안이 요구된다.

대한민국 특허청 출원번호 제10-2008-7004169호 대한민국 특허청 출원번호 제10-2015-7013230호

본 발명의 목적은 전자선 치료시 신틸레이션 가스 및 전자 결합 소자등을 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법을 사용자에게 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 실시간 선량 모니터링 장치는, 전자빔(electron beam)을 생성하여 외부로 출력하는 전자빔 생성부; 적어도 하나의 가스를 포함하여 신틸레이션(scintillation) 현상을 유도하고, 상기 신틸레이션 현상에 통해 상기 전자빔에 의한 방사선을 빛으로 변환하는 신틸레이션 가스부; 상기 변환된 빛을 전기적 신호로 변환하는 처리부; 및 상기 처리부로부터 상기 전기적 신호를 전달받아 표시하는 디스플레이부;를 포함하되, 상기 전기적 신호는 상기 방사선의 선량과 관련될 수 있다.

또한, 상기 처리부는, 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛의 유입에 의해 광전자 방출을 일으킴으로써, 상기 변환된 빛을 상기 전기적 신호로 변환하는 광전 음극(photocathode); 상기 변환된 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부; 및 상기 증폭한 전기적 신호를 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나로 처리하고, 상기 처리한 신호를 상기 디스플레이부로 출력하는 해독부(Readout part);를 포함할 수 있다.

또한, 상기 증폭부는, 상기 광전 음극에 의해 유도된 광전자의 수를 늘리는 광전자 증배관(photomultiplier); 및 상기 광전자의 수가 늘어난 전기적 신호의 S/N비 저하를 막기 위한 전치 증폭기(preamplifier);를 더 포함하고, 상기 전치 증폭기에 의해 처리된 전기적 신호를 증폭할 수 있다.

또한, 상기 처리부는, 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛을 통한 전하의 축적과 전송을 순차적으로 이용하여 상기 전기적 신호로 변환하는 전하결합소자(charge coupled device, CCD) 일 수 있다.

한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 실시간 선량 모니터링 방법은, 전자빔 생성부를 통해 전자빔(electron beam)을 생성하여 외부로 출력하는 제 1 단계; 적어도 하나의 가스를 포함하여 신틸레이션(scintillation) 현상을 유도하는 신틸레이션 가스부를 통해 상기 전자빔에 의한 방사선을 빛으로 변환하는 제 2 단계; 처리부가 상기 변환된 빛을 전기적 신호로 변환하는 제 3 단계; 및 디스플레이부가 상기 처리부로부터 상기 전기적 신호를 전달받아 표시하는 제 4단계;를 포함하되, 상기 전기적 신호는 상기 방사선의 선량과 관련될 수 있다.

또한, 상기 제 3 단계는, 광전 음극(photocathode)이 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛의 유입에 의해 광전자 방출을 일으킴으로써, 상기 변환된 빛을 상기 전기적 신호로 변환하는 제 3-1 단계; 증폭부가 상기 변환된 전기적 신호를 증폭하는 제 3-2 단계; 및 해독부(Readout part)가 상기 증폭한 전기적 신호를 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나로 처리하고, 상기 처리한 신호를 상기 디스플레이부로 출력하는 제 3-3 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 3-2 단계는, 증배관(photomultiplier)이 상기 광전 음극에 의해 유도된 광전자의 수를 늘리는 단계; 및 전치 증폭기(preamplifier)가 상기 광전자의 수가 늘어난 전기적 신호의 S/N비 저하를 막는 단계;를 더 포함하고, 상기 전치 증폭기에 의해 처리된 전기적 신호를 증폭할 수 있다.

또한, 상기 제 3 단계는, 전하결합소자(charge coupled device, CCD)가 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛을 통한 전하의 축적과 전송을 순차적으로 이용하여 상기 전기적 신호를 출력할 수 있다.

본 발명은 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명에 따른 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기는 기존의 선량 평가 기기와 다르게 build-up 구간의 최소화를 통하여 전자선 측정이 용이하다는 장점이 있다.

기존의 선량 측정 장비에서는 photon 의 build-up 구간의 보정을 위해 기기의 표면에서 보다 낮은 지점에 선량 측정 구간이 존재하고, 이는 고에너지 photon 에 optimization 되어 있으며, 정확한 선량 측정을 위한 phantom 의 활용이 필요하였으나 본 발명에서는 build-up 구간을 최소화할 수 있고, phantom의 사용이 불요할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 기존의 선량 계측기보다 뛰어난 분해능을 제공할 수 있다.

기존의 선량 계측기는 diode 혹은 ion-chamber 를 활용하였으나 본 발명은 전자 결합 소자등을 이용한 선량 측정을 수행하므로, 기존의 선량 분해능과 대비하여 선량 분해능이 더 높고, 이를 통해 전자선에서 중요시 되는 산란의 영향에 대해서 보다 정확한 분석이 가능하다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명과 관련하여, 방사선 치료에서 Quality Assurance(QA)가 필요한 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 광자(Photon)를 이용한 방사선 치료에서 이용되는 Quality Assurance(QA)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 3은 종래에 이용되고 있는 전자선을 이용한 방사선 치료에서 이용되는 Quality Assurance(QA)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련된 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기의 구체적인 모습을 도시한 것이다.
도 5는 도 4에서 설명한 계측기를 통해 실시간으로 선량을 모니터링하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명과 관련된 신틸레이션 가스 및 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기의 구체적인 모습을 도시한 것이다.
도 7은 도 6에서 설명한 계측기를 통해 실시간으로 선량을 모니터링하는 방법을 설명하는 순서도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

방사선 치료란, 파장이 매우 짧고 높은 에너지를 가지는 방사선을 이용하여 환자를 치료하는 임상의학의 한 방법으로, 수술, 항암 화학 요법과 더불어 3대 암 치료 중 하나이다.

방사선 치료는 방사선 조사기의 위치에 따라서 외부 방사선 치료와 근접 치료로 나눌 수 있다.

외부 방사선 치료는 몸 외부에서 각종 장비를 이용하여 방사선을 조사하는 치료 방법으로 사용하는 방사선의 종류에 따라 광자선 치료, 전자선 치료, 입자선 치료(중성자 치료, 양성자 치료 등)로 구분하기도 한다. 이에 따라서 다양한 방사선 발생 장치가 사용될 수 있지만, 가장 널리 사용되는 방사선 발생 장치는 선형가속기이다.

근접 치료는 방사선 발생 장치나 동위원소를 몸 안이나 표면에 위치시켜서 방사선을 한정된 부위에 조사하는 방법으로, 삽입되는 공간이나 방법에 따라서 강내 치료, 관내 치료, 조직 내 치료, 접촉 치료 등으로 구분할 수 있다.

방사선 치료에서는 방사선치료 품질(Quality assurance) 평가가 필요하다.

방사선치료 품질(Quality assurance, (QA))는 치료하고자 하는 부위에 계획된 선량이 정확히 조사되는지 측정하여 방사선치료의 품질을 검증하는 작업을 의미한다.

도 1은 방사선 치료에서 Quality Assurance(QA)와 관련된 내용을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 환자의 이미지 정보와 기계 관련 정보를 RTP(real-time transport protocol) 시스템을 통해 수집하고, 이를 기초로 선량에 대한 전달 정도, 균일성 등을 판별하며, 판별된 내용을 기초로 방사선치료의 품질을 검증하는 작업이 수행된다.

방사선 고유의 성질에 따라 광자선(X-ray, photon)과 입자선(particle radiation)으로 분류할 수 있다.

광자선은 쉽게 말해 높은 에너지의 빛으로 설명할 수 있는데, 인체를 투과하여 에너지를 전달하는 역할을 한다.

입자선은 핵입자로 알려진 미립자로 이의 움직임을 통해 에너지가 전달된다.

입자선을 이용한 대표적 방사선치료법이 양성자치료(proton therapy)이다.

양성자치료는 방사선 에너지가 특정 깊이에서 멈춰지는 물리적 성질을 이용하여 방사선량을 종양에 집중시킬 수 있다.

따라서 특정 종양에 소수의 양성자 빔을 이용해서 고선량의 방사선을 조사하면서도 주변 장기의 손상은 최소화할 수 있다.

그 외의 대부분의 방사선치료에는 광자선이 사용된다.

광자(Photon)를 이용한 방사선 치료에서도 Quality Assurance(QA)가 빈번하게 이용되는데, Quality Assurance(QA) 중 환자 개인에 대한 맞춤형 patient specific QA가 가장 많이 사용된다.

도 2는 본 발명과 관련하여, 광자(Photon)를 이용한 방사선 치료에서 이용되는 Quality Assurance(QA)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.

도 2의 (a) 내지 (d)에 도시된 것과 같이, 광자를 이용한 방사선 치료에서 맞춤형 patient specific QA가 가장 많이 사용되는 이유는 광자(photon) 치료에 있어서, Stereotactic Body Radiation Therapy(SBRT) 혹은 Volumetric Arc Therapy (VMAT) 과 같은 Multi-leaf Collimator(MLC) 를 이용한 복잡한 방사선 치료가 시행되고 있기 때문이다.

즉, 기존에 사용되어 왔던 일반적인 선량 검증이 아닌 치료 방사선의 흐름(fluence)을 확인하고 치료의 재현성을 높이기 위해, 맞춤형 patient specific QA가 이용된다.

광자(Photon)를 이용한 방사선 치료 이외에 전자선을 이용한 방사선 치료 방식이 있다.

도 3은 전자선을 이용한 방사선 치료에서 이용되는 Quality Assurance(QA)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.

도 3의 (a)에 도시된 것과 같이, 광자(Photon)를 이용한 방사선 치료와 다르게 전자선을 이용한 방사선 치료에 있어서는 아직 기존의 선량 검증방법이 적용되어 선량 전달, 균일성 등 만이 평가되고 있다.

이는 전자선을 이용한 방사선 치료가 보조적 치료 역할을 수행하고 있어 복잡한 선량 분포를 필요로 하지 않는 것에서 비롯된 것이고, 전자선을 이용한 방사선 치료는 피부암 치료 등에 bulk 한 형태로 사용되고 있기에 patient specific QA 의 필요성이 낮아 나타난 현상으로 볼 수 있다.

기존의 QA 기기에 있어서 전자선의 선량 평가의 오차율은 photon 빔의 선량 평가 오차율보다 약 2~5% 정도 높은 것으로 나타난다. 이는 기존의 선량 평가 기기의 경우 photon 의 에너지 및 dose rate 에 맞춰 기기를 개발하며 또한 선량 측정에 있어서의 optimization 을 photon 에 맞추어 사용하기 때문이다.

그러나 도 3의 (b)와 같이, 최근에는 전자선의 경우에도, 기존의 전자선 치료와는 달리 복잡한 타겟의 치료를 위한 modulated electron radiotherapy(MERT) 또는 electron multileaf collimator (eMLC)를 사용한 치료가 제안되고 있다.

따라서 이러한 복잡해진 전자선을 이용한 방사선 치료 발전에 따라 전자선에 특화된 patient specific QA의 필요성이 대두되고 있으므로, 이에 대한 해결방안이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법을 사용자에게 제공하는 것이다.

방사선 치료에 이용되는 전자선 빔은 4 MeV 이상으로 high energy에 속한다.

이를 위해서 high energy detection에 사용되는 gas electron multiplier 방식을 본 특허에서 일부 적용하였다.

본 발명에서 제안하는 방법은 크게 두 가지로 구성되어 있다.

본 발명이 제안하는 계측기의 구체적인 실시예는 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기와 신틸레이션 가스 및 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기로 나눌 수 있다.

본 발명의 실시예 모두 effective area는 100 x 100 m2로 국제기준을 따를 수 있고, 특히, CCD(Charge-Coupled Device)는 pixel 당 12 bit 이상을 표현하며, 공간 해상도는 um 단위로 표현되는 해상도를 가질 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 2개의 제안하는 실시예를 설명한다.

제 1 실시예

본 발명의 제 1 실시예에 따른 계측기는 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기이다.

도 4는 본 발명과 관련된 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기의 구체적인 모습을 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실시간 선량 모니터링 계측기(10)는 전원공급부(11), 전자빔 생성부(electron beam generator, 12), 신틸레이션 가스부(13), 광전 음극(photocathode, 14), 증폭부(15), 해독부(Readout part, 16) 및 디스플레이부(17)를 포함할 수 있다.

단, 도 4에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 실시간 선량 모니터링 계측기가 구현될 수도 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 각 구성요소의 동작을 제어하는 제어부(미도시)가 더 포함될 수도 있다.

제어부는 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 제어부는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

또한, 제어부는 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(미도시)에 저장되고, 제어부(미도시)에 의해 실행될 수 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

먼저, 전원공급부(11)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 전자빔 생성부(electron beam generator, 12), 신틸레이션 가스부(13), 광전 음극(photocathode, 14), 증폭부(15), 해독부(Readout part, 16) 및 디스플레이부(17) 동작에 필요한 전원을 공급한다.

다음으로, 전자빔 생성부(electron beam generator, 12)는 전자빔(electron beam)을 생성하여, 신틸레이션 가스부(13)로 공급하는 기능을 제공한다.

전자빔은 전자총에서 나오는 속도가 거의 균일한 전자의 연속적 흐름을 말하며 전자선이라고도 한다.

속도 v의 전자빔에는 드브로이파로서의 파장 λ=h/mv(h는 플랑크상수)가 대응하고, 전자빔의 파장은 극히 짧으므로 진공인 경우 또는 전기장, 자기장이 없을 경우에는 직선으로 전파된다고 보아도 된다.

보통 사용되는 가속전압에 대응하는 전자빔의 파장은 0.1∼0.005nm이며 X선의 파장범위(0.001∼5nm)와 비슷하다.

또한, 신틸레이션 가스부(13) 내에서에서 전자빔 생성부로부터 공급된 방사선은 형광체 내의 원자나 분자를 들뜨게 하는데, 이 들뜬 에너지가 빛으로 방출되면서 신틸레이션이 된다.

할로젠화알칼리나 황화아연 등의 무기결정에서는 전도띠로 들뜨게 된 전자가 발광중심인 격자결함이나 불순물 원자에 포착되어 발광하는 것이며, 발광세기나 스펙트럼 및 감쇠시간은 발광중심의 종류나 농도 및 발광중심과 모체결정의 조합에 크게 좌우된다.

유기결정이나 유기액체 및 비활성기체에서는 대부분의 경우 들뜸, 발광의 과정이 동일 원자 또는 분자 안에서 일어나는 것으로 생각되나 무기물질만큼 분명하지는 않다.

발광스펙트럼은 일반적으로 가시광선영역 및 자외선영역에 있으며 감쇠시간은 10-9~10-3s 정도가 된다.

본 발명에서 신틸레이션 가스부(13)의 역할은 전자빔 생성부로부터 공급된 방사선을 빛으로 변환하고, 변환된 빛을 광전 음극(photocathode, 14)에 제공하는 것이다.

또한, 광전 음극(photocathode, 14)은 입사광에 의하여 광전자 방출을 일으키기 위한 전극이다.

일반적으로는 광전관이나 촬상관 등의 광전류원으로서 전자관 내에서는 부전위를 주어 사용한다.

본 발명에 따른 광전 음극(14)은 신틸레이션 가스부(13)에서 변환된 빛을 전기적 신호로 다시 변환하는 기능을 제공한다.

또한, 증폭부(15)는 입력신호의 에너지를 증가시켜 출력측에 큰 에너지의 변화로 출력하는 장치이다.

취급하는 신호의 주파수 범위에 따라 본 발명에 따른 증폭부(15)는 직류증폭기, 초저주파증폭기, 가청주파증폭기 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 증폭부(15)는 광전자 증배관(photomultiplier), 전치 증폭기(preamplifier, head amplifier)를 포함할 수 있다.

여기서 광전자 증배관(photomultiplier)은 2차 전자 증배관을 이용한 광전관을 말한다.

세슘 합금(Sb-Cs, Bi-Cs 등) 또는 마그네슘 합금(Ag-Mg등)을 증착한 반투명의 광전 음극 C에 빛이 닿으면 광전자가 방출된다.

광전자가 대음극 에 닿으면 광전자의 몇배인 2차 전자가 발생하고 이것이 다음의 대음극 등에 순차적으로 충돌하여 서서히 2차 전자의 수가 늘어나서 증폭 작용이 일어난다.

전치 증폭기(preamplifier)는, 신호의 감쇠 및 외래 잡음에 의한 S/N비의 저하를 막기 위해 검출기 앞 쪽에 설치하는 증폭기를 의미한다.

따라서 광전 음극(14)으로부터 전달된 전기적 신호는 광전자 증배관(photomultiplier)에 의해 전자의 수가 늘어나고, 전치 증폭기(preamplifier)에 의해 S/N비의 저하가 방지되며, 결국, 증폭부(15)에 의해 출력이 증가된다.

또한, 해독부(Readout part, 16)는 증폭부(15)로부터 출력된 아날로그 신호를 입력 받고, 아날로그 신호 중 일부를 디지털 신호로 변환할 수 있다.

여기서 아날로그 신호는 디스플레이부(17)로 전달되지 않고 직접 외부로 출력될 수도 있다.

또한, 디스플레이부(17)는 해독부(Readout part, 16)로부터 전달받은 정보를 표시하는 기능을 제공한다.

이때, 제어부(미도시)의 제어에 따라 디스플레이부(17)는 선량과 관련된 적어도 하나의 정보를 표시할 수 있다.

본 발명에 따른 디스플레이부(17)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparant OLED) 등이 있다.

한편, 전술한 본 발명의 각 구성요소는 원거리 통신 또는 근거리 통신을 이용하는 통신부(미도시)에 의해 데이터를 교환할 수 있다.

여기서 근거리 통신은 와이파이(WiFi, Wireless-Fidelity), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 기술 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.

또한, 원거리 통신은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 기술 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.

도 4를 통해 설명한 본 발명의 구성을 기초로 실시간으로 선량을 모니터링하는 방법에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5를 참조하면, 가장 먼저, Electron beam generator(12)가 방사선 빔을 출력하는 단계(S11)가 진행된다.

Electron beam generator(12)에서 출력된 전자빔은 신틸레이션 가스부(13)로 제공된다.

이후, 또한, 신틸레이션 가스부(13) 내에서에서 전자빔 생성부로부터 공급된 방사선은 형광체 내의 원자나 분자를 들뜨게 하는데, 이 들뜬 에너지가 빛으로 방출되면서 신틸레이션이 된다.

이러한 신틸레이션 반응에 의해 Scintillation gas 부(13)에서 Scintillation gas를 이용하여 입력된 방사선을 빛으로 변환하는 단계(S12)가 진행된다.

또한, Photocathode(14)가 빛을 전기적 신호로 다시 변환하는 단계(S13)가 진행된다.

즉, 광전 음극(photocathode, 14)은 입사광에 의하여 광전자 방출을 일으키기 위한 전극으로, 신틸레이션 가스부(13)에서 변환된 빛을 전기적 신호로 다시 변환하게 된다.

이후, Power supply(11)로부터 전원을 공급받은 증폭기(15)가 전기적 신호를 증폭하는 단계(S14)가 진행된다.

S14 단계에서는 광전 음극(14)으로부터 전달된 전기적 신호는 광전자 증배관(photomultiplier)에 의해 전자의 수가 늘어나고, 전치 증폭기(preamplifier)에 의해 S/N비의 저하가 방지되며, 결국, 증폭부(15)에 의해 출력이 증가된다.

또한, 해독부(16)가 증폭기(15)로부터 출력된 아날로그 신호를 입력 받고, 아날로그 신호 중 일부를 디지털 신호로 변환하는 단계(S15)가 진행되고, 해독부(16)로부터 입력된 아날로그 신호 및 디지털 신호를 디스플레이부(17)가 출력하는 단계(S16)가 수행된다.

따라서 전술한 본 발명의 실시간 선량 모니터링 계측기의 구성이 적용되는 경우, 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 제 1 실시예는 범용적인 사용을 위한 아날로그 및 디지털 신호형태를 출력해내도록 구성된 것이다.

제 1 실시예에 따른 아날로그 신호는 에너지 스펙트럼을 통한 신호대 잡음비등 측정이 용이해 보다 더 정확한 빔 측정이 가능하고, 연구수행에 있어서 도움이 될 수 있다.

또한, Scintillation gas의 구성비에 따라서 전자선의 에너지를 효율적으로 측정함이 가능할 수 있다.

결국, 본 발명에 따른 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기는 기존의 선량 평가 기기와 다르게 build-up 구간의 최소화를 통하여 전자선 측정이 용이하다는 장점이 있다. 기존의 선량 측정 장비에서는 photon 의 build-up 구간을 보정을 위해 기기의 표면에서 보다 낮은 지점에 선량 측정 구간이 존재하고, 이는 고에너지 photon 에 optimization 되어 있으며, 정확한 선량 측정을 위한 phantom 의 활용이 필요하였으나 본 발명에서는 build-up 구간을 최소화할 수 있고, phantom의 사용이 불요할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 기존의 선량 계측기보다 뛰어난 분해능을 제공할 수 있다. 기존의 선량 계측기는 diode 혹은 ion-chamber 를 활용하였으나 본 발명은 증폭기를 이용한 선량 측정을 수행하므로, 기존의 선량 분해능과 대비하여 선량 분해능이 더 높고, 이를 통해 전자선에서 중요시 되는 산란의 영향에 대해서 보다 정확한 분석이 가능하다.

제 2 실시예

본 발명에 따른 제 2 실시예로서 신틸레이션 가스 및 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기를 제안한다.

도 6은 본 발명과 관련된 신틸레이션 가스 및 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기의 구체적인 모습을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명이 제안하는 제 2 실시예에 따른 실시간 선량 모니터링 계측기(20)는 전자빔 생성부(electron beam generator, 21), 신틸레이션 가스부(22), 전하결합소자(charge coupled device, CCD, 23) 및 디스플레이부(24)를 포함할 수 있다.

도시하지는 않았으나 도 6에 도시된 제 2 실시예에서도 제 1 실시예와 마찬가지로 제어부, 전원공급부, 메모리, 무선통신부 등을 더 포함할 수도 있다.

전자빔 생성부(electron beam generator, 21)는 제 1 실시예와 마찬가지로 전자빔(electron beam)을 생성하여, 신틸레이션 가스부(22)로 공급하는 기능을 제공한다.

또한, 신틸레이션 가스부(22) 내에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 전자빔 생성부(21)로부터 공급된 방사선이 형광체 내의 원자나 분자를 들뜨게 하는데, 이 들뜬 에너지가 빛으로 방출되면서 신틸레이션이 된다.

신틸레이션 가스부(22)에서 생성된 빛은 제 2 실시예에서는 전하결합소자(charge coupled device, CCD, 23)로 공급된다.

한편, 제 1 실시예와 달리 제 2 실시예에 적용되는 전하결합소자(charge coupled device, CCD, 23)는 전하를 전송하는 소자의 일종이다.

CCD(23)의 동작원리는 반도체 표면에 형성한 포텐셜 샘 속에 소수 캐리어를 축적하고, 이 전하를 일련의 포텐셜 내를 순차로 전송하는 것이다.

CCD(23)의 가장 간단한 구성은 근접한 MOS 커패시터의 열로 실현할 수 있는데, 게이트 전극을 클록 펄스에 의하여 순차로 높은 전압(전자에 대해서는 낮은 포텐설이 된다)으로 바이어스해 가면, 포텐셜의 샘이 이동해간다.

전하는 포텐셜이 낮은 쪽으로 이동하기 때문에 포텐셜의 샘이 움직임에 따라 전하는 표면을 따라 이동해 간다.

전하는 전기적 또는 광학적으로 주입되고, 광학적 주입을 이용한 CCD는 영상 센서에, 전기적 주입을 이용한 CCD는 아날로그 신호의 처리나 디지털 메모리(시프트 레지스터)에 사용된다.

따라서 제 2 실시예에 따른 CCD(23)는 제 1 실시예와 달리 광전 음극(photocathode, 14), 증폭부(15), 해독부(Readout part, 16)이 불요할 수 있다.

또한, 디스플레이부(24)는 제 1 실시예와 마찬가지로 CCD(23)로부터 받은 디지털 정보 또는 아날로그 정보를 표시하는 기능을 제공한다.

이때, 제어부(미도시)의 제어에 따라 디스플레이부(24)는 선량과 관련된 적어도 하나의 정보를 표시할 수 있다.

도 7은 도 6에서 설명한 계측기를 통해 실시간으로 선량을 모니터링하는 방법을 설명하는 순서도이다.

도 7을 참조하면, 가장 먼저, Electron beam generator(21)가 방사선 빔을 출력하는 단계(S21)가 진행된다.

이후, Scintillation gas 부(22)에서 Scintillation gas를 이용하여 입력된 방사선을 빛으로 변환하는 단계(S22)가 진행된다.

또한, CCD(23)가 빛을 통한 전하의 축적과 전송을 이용하여 전기 신호로 순차적으로 변환하는 단계(S23)하는 단계가 진행되고, CCD(23)로부터 입력된 전기 신호를 디스플레이부(17)가 출력하는 단계(S24)가 진행된다.

제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여, 더 간편한 구성으로 되어 있어 안정적으로 선량에 대한 측정이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 제 2 실시예에서는 Scintillation gas의 구성비에 따라서 전자선의 에너지를 효율적으로 측정할 수 있다.

결국, 본 발명의 실시간 선량 모니터링 계측기의 구성이 적용되는 경우, 전자선 치료시 신틸레이션 가스를 통해 발생된 전기적 신호를 이용하여 실시간으로 선량을 모니터 할 수 있는 계측기 및 그 제어방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명에 따른 신틸레이션 가스 및 전자결합소자 또는 증폭기를 이용한 실시간 선량 모니터링 계측기는 기존의 선량 평가 기기와 다르게 build-up 구간의 최소화를 통하여 전자선 측정이 용이하다는 장점이 있다.

기존의 선량 측정 장비에서는 photon 의 build-up 구간을 보정을 위해 기기의 표면에서 보다 낮은 지점에 선량 측정 구간이 존재하고, 이는 고에너지 photon 에 optimization 되어 있으며, 정확한 선량 측정을 위한 phantom 의 활용이 필요하였으나 본 발명에서는 build-up 구간을 최소화할 수 있고, phantom의 사용이 불요할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 기존의 선량 계측기보다 뛰어난 분해능을 제공할 수 있다.

기존의 선량 계측기는 diode 혹은 ion-chamber 를 활용하였으나 본 발명은 CCD를 이용한 선량 측정을 수행하므로, 기존의 선량 분해능과 대비하여 선량 분해능이 더 높고, 이를 통해 전자선에서 중요시 되는 산란의 영향에 대해서 보다 정확한 분석이 가능하다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (8)

1. 전자빔(electron beam)을 생성하여 외부로 출력하는 전자빔 생성부;
   적어도 하나의 가스를 포함하여 신틸레이션(scintillation) 현상을 유도하고, 상기 신틸레이션 현상을 통해 상기 전자빔에 의한 방사선을 빛으로 변환하는 신틸레이션 가스부;
   상기 변환된 빛을 전기적 신호로 변환하는 처리부; 및
   상기 처리부로부터 상기 전기적 신호를 전달받아 표시하는 디스플레이부;를 포함하되,
   상기 전기적 신호는 상기 방사선의 선량과 관련되고,
   상기 처리부는,
   상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛의 유입에 의해 광전자 방출을 일으킴으로써, 상기 변환된 빛을 상기 전기적 신호로 변환하는 광전 음극(photocathode);
   상기 변환된 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부; 및
   상기 증폭한 전기적 신호를 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나로 처리하고, 상기 처리한 신호를 상기 디스플레이부로 출력하는 해독부(Readout part);를 포함하며,
   상기 증폭부는,
   상기 광전 음극에 의해 유도된 광전자의 수를 늘리는 광전자 증배관(photomultiplier); 및
   상기 광전자의 수가 늘어난 전기적 신호의 S/N비 저하를 막기 위한 전치 증폭기(preamplifier);를 더 포함하고,
   상기 전치 증폭기에 의해 처리된 전기적 신호를 증폭하며,
   상기 처리부는,
   상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛을 통한 전하의 축적과 전송을 순차적으로 이용하여 상기 전기적 신호로 출력하는 전하결합소자(charge coupled device, CCD) 를 추가적으로 이용하는 것을 특징으로 하는 실시간 선량 모니터링 장치.
   
2. 전자빔 생성부를 통해 전자빔(electron beam)을 생성하여 외부로 출력하는 제 1 단계;
   적어도 하나의 가스를 포함하여 신틸레이션(scintillation) 현상을 유도하는 신틸레이션 가스부를 통해 상기 전자빔에 의한 방사선을 빛으로 변환하는 제 2 단계;
   처리부가 상기 변환된 빛을 전기적 신호로 변환하는 제 3 단계; 및
   디스플레이부가 상기 처리부로부터 상기 전기적 신호를 전달받아 표시하는 제 4단계;를 포함하되,
   상기 전기적 신호는 상기 방사선의 선량과 관련되고,
   상기 제 3 단계는,
   광전 음극(photocathode)이 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛의 유입에 의해 광전자 방출을 일으킴으로써, 상기 변환된 빛을 상기 전기적 신호로 변환하는 제 3-1 단계;
   증폭부가 상기 변환된 전기적 신호를 증폭하는 제 3-2 단계; 및
   해독부(Readout part)가 상기 증폭한 전기적 신호를 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나로 처리하고, 상기 처리한 신호를 상기 디스플레이부로 출력하는 제 3-3 단계;를 포함하며,
   상기 제 3-2 단계는,
   증배관(photomultiplier)이 상기 광전 음극에 의해 유도된 광전자의 수를 늘리는 단계; 및
   전치 증폭기(preamplifier)가 상기 광전자의 수가 늘어난 전기적 신호의 S/N비 저하를 막는 단계;를 더 포함하고,
   상기 전치 증폭기에 의해 처리된 전기적 신호를 증폭하며,
   상기 제 3 단계는,
   전하결합소자(charge coupled device, CCD)가 상기 신틸레이션 가스부에서 변환된 빛을 통한 전하의 축적과 전송을 순차적으로 이용하여 상기 전기적 신호를 추가적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 실시간 선량 모니터링 방법.
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