KR102388907B1 - 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 - Google Patents

즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 및 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법에 관한 것으로, 구체적으로는 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용하여 체내 양성자 선량분포를 측정할 수 있는 측정장치에서 검출한 즉발감마영상을 전처리하여 체내 양성자 선량의 측정의 정확성 및 효율을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈{A CONTROL MODULE OF AN APPARATUS FOR MEASURING PROTON DOSE DISTRIBUTION USING PROMPT GAMMA AND POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY IMAGES}
본 발명은 체내 양성자 선량분포(proton dose distribution) 측정장치의 제어모듈 및 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법에 관한 것으로, 구체적으로는 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 모두 획득하여 체내 양성자 선량분포를 추정할 수 있는 장치에서 검출한 즉발감마선 측정 정보를 전처리함으로써 영상화질을 향상시키고 이를 통하여 체내 양성자 선량의 측정의 정확성 및 효율을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
방사선 치료는 외과적 수술, 항암제를 이용하는 화학요법과 더불어 3대 암 치료방법 중의 하나이며, 방사선 치료의 궁극적인 목적은 종양 부위에는 최적의 방사선량을 조사함과 동시에 주위 정상조직을 최대한 보호하는 것이다.
이러한 방사선 치료를 크게 두 분야로 나누면 고 에너지 X-선 혹은 감마선이나 양성자 혹은 중이온 입자를 외부에서 조사하여 암을 치료하는 외부방사선치료와 방사성 동위원소를 체내에 주입하여 암을 치료하는 근접방사선치료가 있다.
특히 외부방사선치료 중 양성자치료는 수소 원자핵인 양성자를 가속하여 에너지를 높인 후 이를 환자의 종양 위치에 조사하는 방법을 의미하는데, 양성자 빔은 환자 체내 물질과 충돌하면서 운동에너지를 잃다가 일정 운동에너지가 되면 대부분의 에너지를 주위 물질에 전달하는 선량특성(Bragg Peak)을 보인다.
가속된 양성자의 초기 에너지에 따라 대부분의 에너지를 전달하는 특정 깊이가 결정되고, 환자 체내 종양이 위치한 깊이와 크기에 따라 에너지를 다양하게 조절함으로써 넓은 면적에 선량을 균일하게 전달할 수 있는 SOBP (Spread Out Bragg Peak)를 만들어 치료가 수행된다.
피부 부근에 최대의 선량을 전달하고 체내로 깊이 들어감에 따라 전달 선량이 점점 낮아지는 X선을 사용한 가장 보편적인 방사선 치료와는 달리 양성자치료는 정상조직에 전달되는 선량을 줄일 수 있어 정상조직합병증과 2차 암의 발생을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 1에서 확인되는 바와 같이 X-선의 경우 1 cm의 깊이 오차에 대해서 3%의 선량차이만 발생하지만, 양성자 빔의 경우 동일한 깊이 오차에 대해서 최대 90%의 선량차이가 발생할 수 있음을 보여주고 있으며, 이를 고려해 볼 때 양성자 치료에 있어서 양성자 빔의 선량급락지점(또는 비정)의 정확한 예측이 매우 중요하다.
즉, 빔 전달 장치, 치료계획, 환자 셋업 등에서 발생하는 오차에 의해서 양성자 빔의 선량급락지점이 정확하게 예측되지 못한 경우에는 암 조직에 계획된 선량을 전달하지 못하거나, 주변 주요 장기에 과도한 선량을 전달할 수 있다.
따라서 환자 체내에서 실제 전달된 양성자 선량의 급락지점을 실시간으로 정확히 확인할 수 있는 장치 및 방법이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 하기 선행기술문헌에는 PET-MRI 융합시스템에 대한 기술이 개시되어 있으며, 본 발명의 기술적 요지는 개시하고 있지 않다.
대한민국 공개특허공보 10-2010-0060193호
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 및 체내 양성자 선량분포 측정방법은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
환자 체내의 양성자 선량급락지점을 정확히 결정함으로써 양성자 치료시 암 조직에 계획된 선량을 전달하지 못하거나, 주변 주요 장기에 과도한 선량을 전달할 수 있는 문제점을 방지할 수 있는 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 및 체내 양성자 선량분포 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈은 갠트리 내부에 배치되어 양성자 빔과 매질의 상호작용에 의하여 발생되는 즉발감마선 및 생성된 양전자방출체 근처에서 발생하는 소멸방사선 중 적어도 하나를 검출하고 복수 개의 검출기를 포함하는 검출모듈과, 상기 검출기의 전단에 탈부착 가능하도록 형성되는 복수 개의 콜리메이터를 포함하는 콜리메이터 모듈를 포함하는 체내 양성자 선량분포 측정장치를 제어하는 체내 양성자 선량분포 제어모듈에 관한 것으로, 상기 검출모듈로부터 상기 양전자방출체 근처에서 발생하는 즉발감마선 검출정보를 전달받는 제1 획득부; 상기 검출모듈로부터 상기 양전자방출체 근처에서 발생하는 소멸방사선의 검출정보를 전달받은 제2 획득부; 상기 제1 획득부가 획득한 즉발감마선 검출정보 중 배경방사선에 의한 노이즈를 저감시키기 위한 전처리를 수행하는 전처리부; 상기 전처리부에서 전처리된 즉발감마선 검출정보에 기초하여 즉발감마선영상을 생성하는 즉발감마선영상 생성부; 상기 양전자방출체 근처에서 발생하는 소멸방사선의 검출정보에 기초하여 양전자방출단층영상을 생성하는 양전자방출단층영상 생성부; 및 상기 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상에 기초하여 양성자 선량분포정보를 산출하는 양성자 선량분포정보 생성부;를 포함한다.
상기 전처리부는, 상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 에너지 범위 내의 검출정보만 추출하는 제1 전처리유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 검출기는, 다각형 기둥 형상을 갖는 다수개의 섬광 결정셀이 결합 배열되어 구성되는 신틸레이터; 상기 신틸레이터의 일단에 결합되어 상기 신틸레이터로부터 전달된 섬광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전변환부; 및 상기 광전변환부에 전기적으로 연결되어 광전변환부로부터 전달되는 전기적 신호를 미리 설정된 검출 알고리즘을 통해 데이터로 변환하여 상기 제어모듈로 전달하는 검출회로부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전처리부는, 양성자 빔에 의하여 발생되는 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로 입사되는 경우 상기 섬광 결정셀에서 상기 방사선이 반응한 입사 깊이 정보를 파악하고, 가장 얕은 깊이에서 반응한 제1 섬광 결정셀의 위치를 초기 방사선의 입사 위치라고 판단한 후, 상기 다수개의 섬광 결정셀에 전달된 에너지의 합을 상기 제1 섬광 결정셀에서 검출한 에너지로 간주하는 제2 전처리유닛;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 검출기는, 상기 다수개의 섬광 결정셀의 일단에 배치되는 제1 광센서; 및 상기 다수개의 섬광 결정셀의 타단에 배치되는 제2 광센서;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로의 에너지 전달에 기초하여 발생된 빛의 양을 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집하고, 상기 입사 깊이 정보는 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집한 상기 빛의 양의 비율에 기초하여 결정되는 것이 바람직하다.
상기 전처리부는, 상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 시간 범위 내에서의 검출정보만 추출하는 제3 전처리유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈 및 체내 양성자 선량분포 측정방법은 양성자 치료 분야에서 환자 체내의 방사선량 분포를 정밀하게 확인하기 위해 연구되었던 즉발감마선 분포 측정과 PET 스캔 방식을 동시에 적용할 수 있는 측정기술을 제안함으로써 선량급락지점 및 3차원적인 선량분포를 정확하게 확인할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 물 깊이에 따른 X-선 빔과 치료용 양성자 빔의 선량분포 및 1 cm 깊이 오차에 대한 X-선 및 양성자 빔의 선량 변화를 표시한 그래프이다.
도 2는 양성자 선량분포와 동일 빔에 의해서 발생되는 양전자방출체의 분포를 PET을 통해 재구성한 영상이다.
도 3은 깊이에 따른 80, 150, 220 MeV 에너지의 양성자 빔에 의한 선량분포 및 각각의 양성자 빔에 의해 발생되는 즉발감마선의 분포를 표시한 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 구성 중 검출기의 상세 구성을 도시한 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 구성 중 콜리메이터의 사시도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치에서 콜리메이터의 탈부착 구조에 대한 여러 구현예를 도시한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 구성 중 제어모듈의 세부구성을 도시한 블록도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치 중 전처리부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다.
도 18은 도 17의 단계 중 피검사체의 체내 양성자 선량분포정보를 생성하는 단계의 세부 단계를 도시한 플로우차트이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
양전자방출단층촬영 기술은 1978년 처음으로 제안되었으며, 양전자방출체(positron emitter)로부터 발생된 양전자가 주변 매질의 음전자와 결합하면 180도 방향으로 소멸광자 2개가 방출되는 원리를 이용하여 수많은 소멸방사선의 궤적을 토대로 3차원적인 양전자방출체 분포를 영상화할 수 있다.
양성자 빔은 인체를 구성하는 주요 원자인 16O, 12C, 14N 등과 핵반응을 통해 15O, 11C, 13N 등의 양전자방출체를 발생시킨다.
발생된 양전자방출체는 2 내지 20분의 짧은 반감기로 붕괴하기 때문에 치료 직후 측정을 수행해야 하며, 측정된 양전자방출체의 분포를 통해 양성자 선량의 3차원 분포를 유추할 수 있게 된다.
그러나 이러한 양전자방출단층촬영 기술은 도 2에 도시된 바와 같이 양전자방출체 분포와 양성자 선량 간의 직접적인 상관관계가 없기 때문에 3차원 적인 양성자 빔의 궤적은 확인할 수 있지만, 선량급락지점의 확인이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 양성자와의 핵반응을 통해 들뜬 상태에 놓인 핵자는 짧은 시간 안에 MeV 단위의 고 에너지 감마선을 방출하는데 이를 즉발감마선이라 부르며, 이러한 즉발감마선은 양성자 빔의 에너지가 낮을 때(브래그 피크 근처) 발생확률이 높은 특성을 가지고 있어 선량급락지점을 정밀하게 확인하는 것이 가능한 장점이 있다.
도 3은 양성자 빔의 에너지에 따라 체내 비정이 다르며 양성자 빔에 의해 체내에 전달된 선량분포(붉은 실선)와 즉발감마선의 발생분포(검은 실선)의 상관관계를 보여주는데, 아직 이 기술은 치료용 양성자 빔에 대한 비정 검증을 위해 고 에너지 즉발감마선을 고효율/고해상도로 측정할 수 있는 시스템이 부족하며 선량분포를 3차원적으로 획득하는 것이 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치는 상술한 두 기술의 장점을 융합할 수 있는 측정장치로, 구체적으로 실시간으로 양성자 빔의 체내 비정을 확인할 수 있는 즉발감마선영상 및 양성자 빔의 3차원적 범위를 확인할 수 있는 양전자방출단층영상을 융합하여 실시간으로 정밀하게 환자체 내의 양성자 선량분포를 측정할 수 있는 장치이다.
상술한 기능의 구현을 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 검출모듈(100), 콜리메이터 모듈(200) 및 제어모듈(300)을 포함하도록 구성된다.
검출모듈(100)은 갠트리 내부에 배치되어 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선 및 양전자방출체 중 적어도 하나를 검출하는 기능을 수행하며, 이러한 검출모듈(100)은 복수 개의 검출기(110)를 포함하도록 구성되되 이러한 검출모듈(110)는 피검사체(10)를 중심으로 환형 형상으로 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 각각의 검출기(110)는 도 6에 도시된 바와 같이 신틸레이터(111), 광전변환부(112) 및 검출회로부(113)를 포함하도록 구성될 수 있다.
신틸레이터(111)는 다각형 기둥 형상을 갖는 다수개의 섬광 결정셀이 결합 배열되어 구성되며, 광전변환부(112)는 신틸레이터(111)의 일단에 결합되어 신틸레이터(111)로부터 전달된 섬광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 구성이다.
검출회로부(113)는 광전변환부(112)에 전기적으로 연결되어 광전변환부(112)로부터 전달되는 전기적 신호를 미리 설정된 검출 알고리즘을 통해 데이터로 변환하여 제어모듈(300)로 전달하는 기능을 수행하는 구성이다.
콜리메이터 모듈(200)은 검출기(110)의 전단에 탈부착 가능하도록 형성되는 복수 개의 콜리메이터(210)를 포함하는 구성으로, 이러한 콜리메이터(210)는 도 7에 도시된 바와 같이 복수 개의 콜리메이터 홀(211)이 미리 설정된 간격으로 이격 배열된 평행다공형 콜리메이터인 것이 바람직하다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 즉발감마선은 양성자 빔이 조사되는 동안에 검출되어야 하는데, 이때 배경방사선이 많이 발생하기 때문에 이로 인한 측정의 정확성이 담보되지 않을 수 있기 때문에, 양성자 빔이 조사되는 동안에는 콜리메이터(210)가 검출기(110) 전단에 부착된 상태에서 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선을 검출하여야 한다.
이후 양성자 빔의 조사가 완료된 이후에는 도 5에 도시된 바와 같이 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단으로부터 탈락된 상태에서 양성자 빔에 의하여 발생되는 양전자방출체 근처에서 생성된 소멸방사선을 검출한다.
즉, 즉발감마선의 검출시점과 양전자방출체의 검출시점에 따라 콜리메이터 모듈(200)이 겐트리 내부에서 이동 가능하도록 구성되어야 하는데, 이러한 콜리메이터 모듈(200)의 이동을 위한 2가지 구현예를 고려해 볼 수 있다.
첫번째 구현예의 경우 도 8 및 도 9에 도시된 구현예로, 콜리메이터 모듈(200)은 콜리메이터(210)의 측면에 결합되는 이송부(220)를 포함하고, 이러한 이송부(220)는 갠트리 내주면에 겐트리의 길이방향을 따라 형성된 이송레일(20) 상에서 이동 가능하도록 형성되도록 구성될 수 있다.
즉, 양전자 빔을 조사할 경우에는 도 8과 같이 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단에 배치됨으로써 검출기(110)가 즉발감마선을 검출하되, 양전자 빔의 조사가 완료된 상태에서는 도 9에 도시된 바와 같이 이송부(220)의 구동에 의하여 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단으로부터 탈락되게 되며, 이때 검출기(110)는 피검사체(10)에서 나오는 양전자방출체 근처에서 생성된 소멸방사선을 검출하게 된다.
두 번째 구현예의 경우 도 10 및 도 11에 도시된 구현예로, 검출모듈(100)은 환형 형상으로 배치된 복수 개의 검출기(110)를 포함하도록 구성되되, 콜리메이터 모듈(200)은 복수 개의 검출기(110)에 대응하는 복수 개의 콜리메이터(210)와 복수 개의 콜리메이터(210)를 지지하는 지지링(230)을 포함하도록 구성될 수 있다.
이러한 지지링(230)은 갠터리 내부에서 회전 가능하도록 배치되며, 양전자 빔을 조사할 경우에는 도 10과 같이 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단에 배치됨으로써 검출기(110)가 즉발감마선을 검출하되, 양전자 빔의 조사가 완료된 상태에서는 도 11에 도시된 바와 같이 지지링(230)이 회전함으로써 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단으로부터 탈락되게 되며, 이때 검출기(110)는 피검사체(10)에서 나오는 양전자방출체 근처에서 생성된 소멸방사선을 검출하게 된다.
제어모듈(300)은 검출모듈(100)에 의하여 검출된 즉발감마선 및 양전자방출체에 기초하여 피검사체(10)의 체내 양성자 선량분포를 측정하는 구성으로, 도 12에 도시된 바와 같이 제1 획득부(310), 제2 획득부(320), 즉발감마선영상 생성부(330), 양전자방출단층영상 생성부(340) 및 양성자 선량분포정보 생성부(350)를 포함하도록 구성된다.
제1 획득부(310)는 검출모듈(100)로부터 즉발감마선 검출정보를 전달받는 기능을 수행하고, 제2 획득부(320)는 검출모듈(100)로부터 양전자방출체 분포에 관한 검출정보를 전달받는 기능을 수행한다.
즉발감마선영상 생성부(330)는 제1 획득부(310)가 획득한 즉발감마선 검출정보에 기초하여 즉발감마선영상을 생성하는 기능을 수행하고, 양전자방출단층영상 생성부(340)는 제2 획득부(320)가 획득한 양전자방출체의 검출정보에 기초하여 양전자방출단층영상을 생성하는 기능을 수행하낟.
양성자 선량분포정보 생성부(350)는 즉발감마선영상 생성부(330) 및 양전자방출단층영상 생성부(340)가 각각 생성한 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상에 기초하여 양성자 선량분포정보를 산출하는 기능을 수행한다.
한편 고에너지 양성자 빔은 피검사체(10) 매질과 상호작용할 때 즉발감마선 또는 양전자방출체 뿐만 아니라 중성자, 알파, 베타, 선량분포와 무관한 감마선 등 많은 배경방사선이 발생된다.
양전자방출체의 분포를 측정하는 PET 영상은 양성자 빔 조사 후에 측정되기 때문에 상대적으로 배경방사선이 적은 반면에 즉발감마선 측정은 양성자 빔 조사 중에 수행되므로 노이즈인 배경방사선의 전처리가 필요하다.
따라서 제어모듈(300)은 제1 획득부(310)가 획득한 즉발감마선 검출정보 중 배경방사선에 의한 노이즈를 저감시키위한 전처리를 수행하는 전처리부(360)를 더 포함할 수 있으며, 이때 즉발감마성영상 생성부(330)는 전처리된 즉발감마선 정보에 기초하여 즉발감마선영상을 생성하는 것이 바람직하다.
특히 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치에서는 배경방사선의 저감을 위하여 Energy window(이하 'EW'라 함) 기술, Depth of interaction(이하 'DOI'라 함) 및 Time of flight(이하 'TOF'라 함) 기술 등을 이용하여 즉발감마선을 전처리하는데, 이하 이에 대하여 도 13 내지 도 16을 참조하여 설명하도록 한다.
먼저 EW 기술과 관련하여, 도 13은 150 MeV 양성자 빔이 물팬텀을 지나가면서 발생되는 즉발감마선(자주색 실선)과 그 외의 배경방사선(주황색 실선)이 다공형 콜리메이터를 지나 9.6 * 9.6 * 3 cm3 섬광체에서 흡수된 에너지스펙트럼을 보여주고 있다.
검은 점선은 물팬텀 표면에서 기록된 즉발감마선의 운동에너지스펙트럼을 보여주며 아주 낮은 에너지를 제외하고는 약 4.4 MeV, 5.2 MeV에서 가장 발생 빈도가 높은 경향이 확인된다..
9.6 * 9.6 * 3 cm3 섬광체에 흡수된 에너지스펙트럼은 산란영향으로 인해 상대적으로 저에너지 영역이 높으나 3 MeV 이상의 에너지 영역에서는 기준 에너지스펙트럼과 동일한 에너지에서 높은 빈도수를 보여주고 있다..
그러나 150 MeV 양성자 빔이 만들어내는 배경방사선의 양은 즉발감마선에 비해 280배 이상 높으며 배경방사선에 의해 섬광체에 흡수된 에너지는 저에너지에서부터 지수함수 형태로 빈도수가 점차 감소하는 형태를 보여주고 있다.
시스템 상에서 어느 특정 에너지 범위를 지정하지 않고 전체 에너지 영역으로 즉발감마선을 측정한다면 배경방사선의 영향이 매우 커져 정확한 선량분포를 획득하기가 어렵기 때문에 도 13의 붉은 영역과 같이 배경방사선의 비율은 작으면서 즉발감마선의 비율은 높은 특정 에너지 영역을 정한 후, 해당 영역 안에 들어오는 방사선 수만을 세는 방법으로 즉발감마선의 분포를 측정하게 되면 전체 에너지 영역에 비해 선량분포의 예측 정확도가 상당히 높아지게 된다.
따라서 상술한 EW 기술을 구현하기 위하여 전처리부(360)는 상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 에너지 범위 내의 검출정보만 추출하는 제1 전처리유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
두 번째, DOI 기술의 경우 도 14에 도시된 바와 같이 한 개의 방사선이 섬광체 집합체(100)에 입사하였을 때 각각의 단위 섬광체에서 방사선이 반응한 깊이 정보를 알아내고, 그 중 가장 얕은 깊이에서 반응한 단위 섬광체의 위치가 초기 방사선의 입사 위치라고 판단한 후, 각각의 단위 섬광체에 전달된 에너지의 합을 해당 단위 섬광체에 부여하는 기술이다.
이 때, 각각의 단위 섬광체에서 반응한 깊이 정보는 섬광체 양 끝단에 센서를 부착하여 방사선이 섬광체에 에너지를 전달함에 따라 발생된 빛의 양이 양 끝단에 수집되는 비율을 이용하여 확인할 수 있다.
한편, 도 15는 DOI 기술을 적용했을 때와 하지 않았을 때의 섬광체 내 흡수 에너지스펙트럼을 나타내고 있는데, 도 15의 검은색 실선과 같이 즉발감마선이 섬광체 내부에서 전달한 에너지 스펙트럼은 즉발감마선의 초기 에너지 스펙트럼에 비해 저에너지 영역의 비율이 증가한 것을 확인할 수 있다.
이러한 현상은 첫 번째로는 콜리메이터와의 반응으로부터 발생된 산란선의 영향과, 두 번째로는 섬광체와의 반응확률에 따른 에너지 전달 특성의 영향에 의한 것으로 파악될 수 있다.
이 중 DOI 기술은 섬광체와의 반응확률에 따른 에너지 전달 특성의 영향을 최소화함으로써 효율을 높이고 정확한 즉발감마선을 측정할 수 있는 기술이다.
예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이 7개의 단위 섬광체를 가지고 있는 검출기(100)를 측면에서 바라보았을 때, 4번째 단위 섬광체에 4.4 MeV의 감마선이 입사하고 2, 3, 4번째 단위 섬광체에 각각 1 MeV, 2.4 MeV, 1 MeV 에너지가 흡수되었다고 가정하면, DOI 기술을 적용하지 않고 3-7 MeV EW만 적용했을 때에는 세 개의 단위 섬광체 중 두 번째 단위 섬광체에 3.2 MeV의 감마선이 입사했다고 인식하고 DOI 기술을 적용했을 때는 4번째 단위 섬광체에 4.4 MeV 감마선이 입사했다고 인식한다.
DOI 기술을 적용하지 않았을 때는 각각의 단위 섬광체에 흡수된 에너지 스펙트럼이, DOI 기술을 적용했을 때는 전체 섬광체 집합체에 흡수된 에너지 스펙트럼이 EW의 기준이 된다.
도 15의 그래프는 5개 위치에서의 단위 섬광체에 흡수되는 에너지 스펙트럼과 전체 섬광체 집합체에 흡수되는 에너지 스펙트럼을 보여주고 있는데, DOI 기술을 적용하지 않았을 때는 각 섬광체에 2 MeV 이하의 에너지가 흡수되는 빈도수가 상당히 높은 경향이 확인되었고, 2 MeV 이상의 에너지 영역에서는 양성자 선량분포에 따라 즉발감마선의 발생 강도가 높은 78번째 단위 섬광체에서 그 외의 단위 섬광체에 비해 흡수 에너지의 빈도수가 상대적으로 높은 경향이 확인되었다.
앞서 설명된 바와 같이 EW 기술을 사용하여 3 내지 5 MeV 에너지 영역에 대해서만 즉발감마선의 분포를 측정하면 흡수 에너지 빈도수 차이를 통해 양성자 선량분포를 유추해낼 수 있다.
DOI 기술을 적용하면 각각의 단위 섬광체가 아닌 전체 섬광체 집합체를 기준으로 흡수 에너지를 분석하기 때문에 저에너지 영역에서의 흡수 에너지 빈도수가 DOI 기술을 적용하지 않았을 때에 비해 상대적으로 낮은 경향성이 확인되었고 이에 따라 고에너지 영역에서의 흡수에너지 빈도수는 높아지게 되며, 이는 즉발감마선 측정 시스템의 민감도를 향상시키는 목적에서 큰 이점을 얻을 수 있다.
이하에서는 세번째, TOF 기술을 도 16을 참조하여 설명하도록 하며, 도 16은 150 MeV 양성자 빔이 30 * 20 * 20 cm3 물 팬텀의 중심을 통과하면서 발생된 방사선의 물 팬텀 표면에서의 시간적 발생분포를 보여주는 그래프이다.
몬테칼로 전산모사 상에서 양성자 빔은 물 팬텀 표면으로부터 100 cm 떨어진 위치에서 조사되었으며, 시간 분포의 분석 결과, 양성자 빔이 물 팬텀까지 100 cm 거리를 이동하고, 양성자와 물 팬텀 간 상호작용으로 인해 발생한 즉발감마선(붉은 실선)이 10 cm 거리를 이동하면서 일정 시간이 소요된 후 약 6 ns에서부터 검출기 표면에서 감지되는 것을 확인하였으며, 물 팬텀 내에서 즉발감마선은 약 1.5 ns 동안 발생 강도가 가장 높은 것으로 확인되었다.
특히 도 16의 그래프에서의 녹색 실선은 양성자, 즉발감마선, 중성자 등의 방사선이 매질 내에서 발생시킨 즉발감마선 외의 감마선(예, 지발감마선, 산란감마선)의 시간적 분포를 보여주며 파랑 실선은 중성자의 시간적 분포를 보여주는데, 즉발감마선을 제외한 감마선과 중성자 등의 방사선은 수 μs까지 발생되는 것으로 확인된다.
TOF 기술을 이용하여 즉발감마선 강도가 가장 높은 6 ns에서부터 1.5 ns 동안에만 신호를 처리하고 나머지 시간 영역에서는 신호처리를 수행하지 않음으로써 배경방사선을 효과적으로 제거할 수 있다.
그러나 사이클로트론에서 가속된 양성자 빔의 강도는 radio-frequency (RF) 주기를 가지고 펄스 형태로 변하는데, 도 16의 시간적 발생분포는 이러한 RF 주기를 고려하지 않고 양성자 빔이 일정하게 발생한다는 전제 하에 계산된 결과이므로, 실제 즉발감마선 검출 시스템에서는 RF 주기에 맞춰 검출기의 신호처리 시작 주기를 설정해야하며 시작시간으로부터 약 1.5 ns 동안에만 신호처리가 수행되도록 회로가 구성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 17 및 도 18 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정방법은 앞에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치를 이용한 체내 양성자 선량분포 측정방법으로, 체내 양성자 선량분포 측정장치에 대한 내용은 앞에서 설명하였으므로 그 자세한 내용의 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정방법은 도 17에 도시된 바와 같이 먼저 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단에 부착되도록 제어모듈(300)이 콜리메이터 모듈(100)을 이동시키는 단계가 먼저 수행된다.
이후 양성자 빔을 갠트리 내부에 배치된 피검사체에 조사하는 단계(S200) 및 검출모듈(100)이 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선을 검출하는 단계(S300)가 순차적으로 수행된다.
이후 양성자 빔의 조사를 중단하고 콜리메이터(210)가 검출기(110)의 전단과 탈락되도록 제어모듈(300)이 콜리메이터 모듈(200)을 이동시키는 단계(S400)와 검출모듈(200)이 양성자 빔에 의하여 발생되는 양전자방출체를 검출하는 단계(S500)가 순차적으로 진행된다.
마지막으로 제어모듈(300)이 검출모듈(100)이 검출한 즉발감마선 및 양전자방출체에 기초하여 피검사체(10)의 체내 양성자 선량분포정보를 생성하는 단계(S600)가 수행되는데, 이러한 피검사체의 체내 양성자 선량분포정보를 생성하는 단계(S600)는 도 18에 도시된 바와 같이 구체적인 단계로 세분화할 수 있다.
먼저 제1 획득부(310)가 즉발감마선 검출정보를 획득하는 단계(S610), 전처리부(360)가 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계(S620) 및 즉발감마영상 생성부(330)가 제1 획득부(310)가 획득한 즉발감마선 검출정보에 기초항 즉발감마선영상을 생성하는 단계(S3630)가 진행된다.
특히 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계(S620)의 경우, 전술한 EW 기술, DOI 기술 및 TOF 기술 등이 적용될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이후 제2 획득부(320)가 양전자방출체의 검출정보를 획득하는 단계(S640)와, 양전자방출단층영상 생성부(340)가 제2 획득부(320)가 획득한 양전자방출체의 검출정보에 기초하여 양전자방출단층영상을 생성하는 단계(S650)가 수행된다.
마지막으로 선량분포정보 생성부(350)가 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상에 기초하여 양성자 선량분포정보를 산출하는 단계(S660)가 수행된다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치 및 측정방법은 정밀한 선량급락지점 확인을 가능하게 하는 즉발감마선의 분포와 동시에 3차원적인 양성자 빔의 선량분포 나타내주는 양전자방출단층영상을 동시에 획득할 수 있는 융합기술이며, 양성자 치료기술을 선도하기 위한 핵심적 기반기술의 선점이 가능하다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 검출모듈
200: 콜리메이터 모듈
300: 제어모듈

Claims (18)

  1. 갠트리 내부에 배치되어 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선 및 양전자방출체 중 적어도 하나를 검출하고 복수 개의 검출기를 포함하는 검출모듈과, 상기 검출기의 전단에 탈부착 가능하도록 형성되는 복수 개의 콜리메이터를 포함하는 콜리메이터 모듈를 포함하는 체내 양성자 선량분포 측정장치를 제어하는 체내 양성자 선량분포 제어모듈에 있어서,
    상기 검출모듈로부터 상기 즉발감마선 검출정보를 전달받는 제1 획득부;
    상기 검출모듈로부터 상기 양전자방출체 분포와 관련된 검출정보를 전달받은 제2 획득부;
    상기 제1 획득부가 획득한 즉발감마선 검출정보 중 배경방사선에 의한 노이즈를 저감시키기 위한 전처리를 수행하는 전처리부;
    상기 전처리부에서 전처리된 즉발감마선 검출정보에 기초하여 즉발감마선영상을 생성하는 즉발감마선영상 생성부;
    상기 양전자방출체 분포와 관련된 검출정보에 기초하여 양전자방출단층영상을 생성하는 양전자방출단층영상 생성부; 및
    상기 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상에 기초하여 양성자 선량분포정보를 산출하는 양성자 선량분포정보 생성부;
    를 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전처리부는,
    상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 에너지 범위 내의 검출정보만 추출하는 제1 전처리유닛을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 검출기는,
    다각형 기둥 형상을 갖는 다수개의 섬광 결정셀이 결합 배열되어 구성되는 신틸레이터;
    상기 신틸레이터의 일단에 결합되어 상기 신틸레이터로부터 전달된 섬광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전변환부; 및
    상기 광전변환부에 전기적으로 연결되어 광전변환부로부터 전달되는 전기적 신호를 미리 설정된 검출 알고리즘을 통해 데이터로 변환하여 상기 제어모듈로 전달하는 검출회로부;
    를 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 전처리부는,
    양성자 빔에 의하여 발생되는 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로 입사되는 경우 상기 섬광 결정셀에서 상기 방사선이 반응한 입사 깊이 정보를 파악하고, 가장 얕은 깊이에서 반응한 제1 섬광 결정셀의 위치를 초기 방사선의 입사 위치라고 판단한 후, 상기 다수개의 섬광 결정셀에 전달된 에너지의 합을 상기 제1 섬광 결정셀에서 검출한 에너지로 간주하는 제2 전처리유닛;
    을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 검출기는,
    상기 다수개의 섬광 결정셀의 일단에 배치되는 제1 광센서; 및
    상기 다수개의 섬광 결정셀의 타단에 배치되는 제2 광센서;
    를 더 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로의 에너지 전달에 기초하여 발생된 빛의 양을 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집하고,
    상기 입사 깊이 정보는 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집한 상기 빛의 양의 비율에 기초하여 결정되는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 전처리부는,
    상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 시간 범위 내에서의 검출정보만 추출하는 제3 전처리유닛을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈.
  8. 갠트리 내부에 배치되어, 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선 및 양전자방출체 중 적어도 하나를 검출하고, 복수 개의 검출기를 포함하는 검출모듈;
    상기 검출기의 전단에 탈부착 가능하도록 형성되는 복수 개의 콜리메이터를 포함하는 콜리메이터 모듈; 및
    상기 검출모듈에 의하여 검출된 즉발감마선 및 양전자방출체에 기초하여 피검사체의 체내 양성자 선량분포를 측정하는 제어모듈;
    을 포함하고,
    상기 검출모듈은 상기 양성자 빔이 조사되는 동안에는 상기 콜리메이터가 상기 검출기 전단에 부착된 상태에서 상기 양성자 빔에 의하여 발생되는 즉발감마선을 검출하고, 상기 양성자 빔의 조사가 완료된 이후에는 상기 콜리메이터가 상기 검출기의 전단으로부터 탈락된 상태에서 상기 양성자 빔에 의하여 발생되는 양전자방출체를 검출하되,
    상기 제어모듈은 상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 배경방사선에 의한 노이즈를 저감시키기 위한 전처리를 수행하는 전처리부를 포함하고,
    상기 검출기는,
    다각형 기둥 형상을 갖는 다수개의 섬광 결정셀이 결합 배열되어 구성되는 신틸레이터;
    상기 신틸레이터의 일단에 결합되어 상기 신틸레이터로부터 전달된 섬광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전변환부; 및
    상기 광전변환부에 전기적으로 연결되어 광전변환부로부터 전달되는 전기적 신호를 미리 설정된 검출 알고리즘을 통해 데이터로 변환하여 상기 제어모듈로 전달하는 검출회로부;를 포함하며,
    상기 전처리부는 양성자 빔에 의하여 발생되는 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로 입사되는 경우 상기 섬광 결정셀에서 상기 방사선이 반응한 입사 깊이 정보를 파악하고, 가장 얕은 깊이에서 반응한 제1 섬광 결정셀의 위치를 초기 방사선의 입사 위치라고 판단한 후, 상기 다수개의 섬광 결정셀에 전달된 에너지의 합을 상기 제1 섬광 결정셀에서 검출한 에너지로 간주하는 제2 전처리유닛을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전처리부는,
    상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 에너지 범위 내의 검출정보만 추출하는 제1 전처리유닛을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로의 에너지 전달에 기초하여 발생된 빛의 양을 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집하고,
    상기 입사 깊이 정보는 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집한 상기 빛의 양의 비율에 기초하여 결정되는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 전처리부는,
    상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 시간 범위 내에서의 검출정보만 추출하는 제3 전처리유닛을 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치.
  14. 청구항 1에 따른 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법에 있어서,
    상기 제1 획득부가 상기 즉발감마선 검출정보를 획득하는 단계;
    상기 전처리부가 상기 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계;
    상기 즉발감마선영상 생성부가 전처리된 상기 즉발감마선 검출정보에 기초하여 즉발감마선영상을 생성하는 단계;
    상기 제2 획득부가 상기 양전자방출체의 검출정보를 획득하는 단계;
    상기 양전자방출단층영상 생성부가 양전자방출체의 검출정보에 기초하여 양전자방출단층영상을 생성하는 단계; 및
    상기 양성자 선량분포정보 생성부가 상기 즉발감마선영상 및 양전자방출단층영상에 기초하여 양성자 선량분포정보를 산출하는 단계;
    를 포함하는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 전처리부가 상기 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계;는,
    상기 전처리부가 상기 제1 획득부가 획득한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 에너지 범위 내의 검출정보만 추출하는 단계인 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 검출기는, 다각형 기둥 형상을 갖는 다수개의 섬광 결정셀이 결합 배열되어 구성되는 신틸레이터와, 상기 신틸레이터의 일단에 결합되어 상기 신틸레이터로부터 전달된 섬광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력시키는 광전변환부와, 상기 광전변환부에 전기적으로 연결되어 광전변환부로부터 전달되는 전기적 신호를 미리 설정된 검출 알고리즘을 통해 데이터로 변환하여 상기 제어모듈로 전달하는 검출회로부와, 상기 다수개의 섬광 결정셀의 일단에 배치되는 제1 광센서와, 상기 다수개의 섬광 결정셀의 타단에 배치되는 제2 광센서를 포함하고,
    상기 전처리부가 상기 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계;는,
    양성자 빔에 의하여 발생되는 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로 입사되는 경우 상기 섬광 결정셀에서 상기 방사선이 반응한 입사 깊이 정보를 파악하고, 가장 얕은 깊이에서 반응한 제1 섬광 결정셀의 위치를 초기 방사선의 입사 위치라고 판단한 후, 상기 다수개의 섬광 결정셀에 전달된 에너지의 합을 상기 제1 섬광 결정셀에서 검출한 에너지로 간주하는 단계인 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 방사선이 상기 다수개의 섬광 결정셀로의 에너지 전달에 기초하여 발생된 빛의 양을 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집하고,
    상기 입사 깊이 정보는 상기 제1 광센서 및 제2 광센서에서 수집한 상기 빛의 양의 비율에 기초하여 결정되는 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 전처리부가 상기 즉발감마선 검출정보를 전처리하는 단계;는,
    상기 검출모듈이 검출한 즉발감마선 검출정보 중 미리 설정된 시간 범위 내에서의 검출정보만 추출하는 단계인 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포정보 산출방법.
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