KR20050019820A - 하전 강입자빔으로 표적에 조사하는 장치,강입자치료에서의 이용 - Google Patents

Abstract

하전 강입자빔으로 표적에 조사하는 장치, 강입자치료에서의 이용(Device for irradiating a target with a hadron-charged beam, use in hadrontherapy)

이 장치는 빔의 궤적에 대하여 수직한 최소한 한 방향을 따라, 상기 빔의 밀도를 균일하게 하도록 설계된 입자 광학 수단(14, 16, 18, 20)과 상기 조사에 대하여 3차원 제어하기 위한 수단(6, 22, 24)을 포함한다.

Description

하전 강입자빔으로 표적에 조사하는 장치, 강입자치료에서의 이용{Device for irradiating a target with a hadron-charged beam, use in hadrontherapy}

본 발명은 하전 강입자빔(이하 더욱 간략하게 "강입자(hadrons)"이라 한다.)으로 표적에 조사하는 장치에 관한 것이다.

특히, 이는 강입자치료기간(hadrontherapy session)동안에 종양이 차지하고 있는 인체의 일부분에 조사하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 접근할 수 없거나 접근하기 어려운 표적에 조사하는 것이 필요한 모든 분야에 응용될 수 있다.

예를 들어, 밀폐된 용기에 위치한 방사선 폐기물을 변화시키기 위하여 이 폐기물에 조사하는데 응용될 수 있다.

본 발명은 더욱 구체적으로 강입자치료에 응용될 수 있다.

이는 모든 강입자치료 센터에 설치되어 강입자빔을 이용하여 종양에 조사하는 때에 사용하는 기술을 대체할 수 있을 것이다.

강입자치료는 방사선치료가 광자나 전자를 이용하는데 반하여 그것은 강입자빔을 이용한다는 점을 제외하고는 방사선치료와 동일한 원리에 기초한 치료방법이다.

예를 들어 H⁺, He²⁺ 및 C⁴⁺와 같은 가벼운 이온은 강입자로 흔히 사용된다.

이와 같은 이온들의 빔은 보통 양성자용으로 사용되는 사이클로트론(cyclotron)이나 보다 무거운 이온용으로 사용되는 싱크로트론(synchrotron)과 같은 가속기설비에 의해 생산된다.

강입자치료 기술은 다음과 같은 문헌들에서 알려져 있다.

[1] "일본에서의 의학용 가속기 HIMAC와 하전입자치료(The medical accelerator HIMAX and the charged particle therapy in Japan)", A. Kitagawa and F. Soga, Proc. PAC Conf. 2001, June 18 - 22 2001, Chicago, IL, USA.

[2] "암치료 전용의 이온빔 설비를 위한 제안(Proposal for a dedicated ion beam facility for cancer therapy)", Eds. K.D. Gross, M. Pavlovic, GSI, Darmstadt, September 1998.

방사선치료와 비교하여 강입자치료의 이점은 "브래그 피크(Bragg peak)"라는 물리적 현상의 존재에 기초한다. "브래그 피크"라는 물리적 현상에 따르면 강입자는 인체의 특정한 깊이에서 강입자의 모든 운동에너지를 실질적으로 잃어버리므로, 그 깊이에서 피크 선량의 누적(peak dose deposit)을 일으키며, 이를 "브래그 피크"라 부른다.

브래그 피크의 깊이는 입사빔의 운동에너지에 의존한다. 따라서 운동에너지가 전형적으로 50 MeV/u에서 450 MeV/u까지 변하도록 강입자를 싱크로트론으로 가속하거나, 사이클로트론으로 가속되는 양성자빔의 경우 모멘트 해석 시스템(a moment analysis system)을 이용하여 상기 브래그 피크의 깊이를 전형적으로 일 내지 수십 센티미터 사이에서 조정할 수 있다.

이러한 브래그 피크 현상에 관하여 예를 들어, 문헌[2]를 참조할 수 있다.

양성자(H⁺)와 비교하여 가벼운 이온과 특히 탄소 이온의 이점은 브래그 피크를 증폭시키는 그것들의 보다 좋은 생물학적 효율에 근거한다.

본 발명은 싱크로트론이나 사이클로트론을 사용하는 두 개의 강입자빔 생성 기술에 유용하다. 이는 이들 두 타입의 가속기 중 어느 하나에 기초하는 강입자치료 센터에서 사용하는 조사시스템을 대체할 수 있다.

이제 강입자빔으로 종양에 조사하는 공지의 장치를 다시 살펴보기로 한다.

종양의 크기는 수 센티미터 정도가 될 수 있다. 현존하는 시설에서 종양의 크기 전체는 두 가지 다른 방식으로 조사된다.

사용되는 첫 번째 기술은 수동형 조사(passive irradiation)로 이는 잘 제어되고 잘 알려져 있다는 이점을 가지고 있어 현재까지 사용되고 있다.

현재 개발중인 두 번째 기술은 픽셀(pixel)에 의한 스캐닝 즉, 능동형 스캐닝으로 이는 종양의 외형에 따르는 3차원 조사를 가능하게 한다. 이것이 이 기술을 "3차원 입체 조형 조사 기술(3D conformational irradiation technique)"이라 불리는 이유이다.

수동형 조사 기술은 바람직하게는 사이클로트론을 이용하여 사용되는데, 이 사이클로트론은 고정형 에너지 기계 장치이다. 그렇지만, 이 기술은 싱크로트론을 이용하여 사용되기도 한다( 문헌[1] 참조).

이 두 번째 기술에서, 입사하는 강입자빔의 운동에너지의 큰 확산을 유도하는 산란 물질(scattering material)의 이용을 통하여, 브래그 피크를 확산시킴으로써 상기 조사가 깊이 있게 확산되게 한다. 비선형 입자 광학 수단(non-linear corpuscular optical means)을 이용하여 빔을 균일하게 만들기 위하여 후술하는 실험적인 작업이 사용되었다.

이 주제와 관련된 보다 많은 정보는 하기 문헌에서 제공된다.

[3] "직사각형의 빔 분포의 생성(Generation of rectangular beam distributions)", B. Blind, Report MS H811, LANL, NM 87545.

이 기술의 수학적 모델링은 F. Mㅹot와 T. Aniel에 의해 설명되었다.

이 주제와 관련된 보다 많은 정보는 하기 문헌에서 제공된다.

[4] "비선형 광학에 의한 빔 균일화에 관하여(On beam uniformization by non-linear optics)", F. Mㅹot and T. Aniel, Saturne National Laboratory Report, Ref. CEA/DSM/GECA/GT/95-05, July 1995, 1쪽에서 20쪽.

[5] "빔 신장기의 비선형 제어의 원리(Principles of the non-linear tuning of beam expanders)", F. Mㅹot and T. Aniel, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A379, 1996, 197쪽에서 205쪽.

수동형 조사의 경우, 일례로 종양의 전체 너비에 걸쳐 빔을 넓히는 "워블레이터(wobulator)"라 부르는 스캐닝 시스템을 사용하여 빔을 횡방향 확장시키고, 이 스캐닝 시스템을 횡밀도를 균일하게 하기 위한 목적의 산란 물질과 결부시키며, 일례로 다중-슬라이드 콜리메이터(multi-slide collimator)와 같은 조사시키는 영역의 외곽선을 가능한 한 명확히 하기 위한 목적인 횡경막 시스템(diaphragm system)을 이용하여, 종양의 횡방향 조사(transverse irradiation)를 얻을 수 있다.

상기 수동형 조사 기술은 적어도 3개의 심각한 단점이 있다.

실제로 이것은 입사빔의 품질저하의 원리(principle of degradation)에 기초한다: 고품질이며 실질적으로 단일한 에너지빔에서 출발하여 빔은 커다란 크기와 확산된 에너지의 형태로 된다.

이 기술은 또한 입사빔에 "감쇄 물질(degrading materials)"이라 부르는 차단 요소(interception elements)의 삽입을 관련시킨다.

나아가, 이 기술은 정밀한 3차원 입체 조형 조사를 가능하게 하지 않는다는 중요한 결점을 가지고 있다: 종양 밖의 영역에 필연적으로 조사된다.

능동형 스캐닝 기술의 이용은 에너지 가변형 기계인 싱크로트론에 기초한 설비에서 보다 바람직하게 예상된다.

그러나, 이 기술의 명백한 이점은, 과거에 수동형 조사에 한정되었던 몇몇 사이클로트론 시설 인근에서도 넓은 에너지 영역을 유도하는 것을 가능하게 하는 분산 및 모멘트 해석 시스템(dispersion and moment analysis system)을 이용하여, 현재 발전되고 있다는 것이다.

이 능동형 스캐닝 기술에 있어서, 가느다란 강입자빔은 전형적으로는 수 밀리미터와 같은 직경을 가지고 이용되며, 강입자빔의 에너지를 조정함으로써, 단면으로 깊이 있는 조사가 얻어진다. 이는 브래그 피크의 깊이를 결정하는 효과를 갖는다. 강입자빔의 에너지는 수 밀리미터의 조사 깊이에 대응됨을 기억하자.

종양 단면의 횡방향 조사는 약 초속 10 미터의 속력으로, 텔레비전 빔과 동일한 방식으로, 빔 스폿을 사용하여 이 단면을 스캐닝함으로써 얻어진다.

현 시점에서 이 기술의 한 가지 선호되는 변형( 문헌[2] 참조)은 픽셀 대 픽셀로 상기 종양의 단면을 조사하는 것으로 구성되어 있다.

깊이가 주어지고, 이에 따라 단면에 주어진다면, 스폿은 필요한 선량이 얻어질 때까지 결과적으로 상기 빔 스폿의 직경과 같은 크기의 직경을 갖는 픽셀 위에 유지되며, 그 다음에 상기 스폿은 곧바로 다음 픽셀로 이동하는 식이 계속된다.

이 변형은 도 1에서 도식적으로 묘사된다. 상기 도 1은 도면이 놓인 평면에 수직한, 미도시된 강입자빔에 의한 종양단면(2)에의 조사를 보여준다. 이 단면의 횡방향 스캐닝은 파선(4)으로 나타내지며, 픽셀들(6)은 연속적으로 조사된다.

수동형 조사와 비교하여 능동형 조사 즉, 능동형 스캐닝은 그것이 3차원 입체 조형을 가능하게 하고 조사될 덩어리(volume) 내의 임의의 지점("볼륨 픽셀(volume pixel)" 또는 복셀(voxel)이라고도 부른다)에 선량의 보다 정밀한 조정을 가능하게 한다는 점에 중요한 이점을 가지고 있다.

수동형 조사에서 또 다른 횡방향 확장과 균일화 기술은 강입자치료분야에서 최근에 제안되었다.

이 주제와 관련된 보다 많은 정보는 하기 문헌을 참조하자.

[6] "양성자 방사 치료 설비에 대한 빔 전송 시스템의 설계(Design of a beam transport system for a proton radiation therapy facility)", W.P. Jones and G.P. Berg, Proc. Particle Accelerator Conf., New-York, 1999, pages 2519-2521.

이 기술의 이점은 그것이 오직 입자 광학 수단으로만 구성된 시스템에 기초하기 때문에 조사빔(irradiation beam)을 차단하지 않는다는 점이다: 이 시스템은 비선형 자석 렌즈들을 이용하는데, 각 렌즈들은 한 개의 8극(octupole) 또는 한 개의 8극 및 한 개의 12극(dodecapole)의 조합으로 되어 있다.

이 기술은 조사에 의하여 핵물질을 재처리하기 위하여 (평방 미터 크기 정도로) 크고 균일한 횡선속 분포를 갖는 빔의 생산을 위하여 과거에 제안되었었다는 점에 주목하자.

이 주제와 관련된 보다 많은 정보는 위에서 언급한 문헌[3]에서 제공된다.

이것은 측면과 말단의 산란 꼬리(scattering tail)를 발생시키기 때문에 빔의 질을 저하시키는 경향이 있는 단점을 가지는 산란물질을 사용을 피하였다.

현재의 경향은 픽셀 스캐닝 기술을 사용하는 것인데, 이는 이 기술이 3차원 입체 조형 조사를 가능하게 하는 유일한 기술이기 때문이며, 또한 수동형 조사가 주로 역사적인 이유 때문에 아직까지 사용하는 것으로 알려져 있다.

그때에는 픽셀 깊이는 싱크로트론용 가속기를 이용하거나 차단매질을 이용한 감쇄를 통하여 입사빔의 에너지를 매개로 하여 조절하게 된다.

이 주제와 관련된 보다 많은 정보는 하기 문헌에서 제공된다.

[8] "Himac에서 ¹¹C 빔을 이용한 스폿 스캐닝 조사(Spot scanning irradiation with ¹¹C beams at Himac)", E. Urakabe, FFAG-02 Workshop, KEK, Tsukuba, February 13 - 15 2002.

[9] "스폿-스캐닝을 위한 빔속 선량 분포의 유연한 수치 모델(flexible computational model of pencil beam dose distribution for spot-scanning)", A. Molodojentsev and t. Sakae, FFAG-02 Workshop, KEK, Tsukuba, February 13 - 15 2002.

능동형 스캐닝의 경우, 현재의 경향은 픽셀 스캐닝 기술을 개선에 한정되어 있다.

문헌 [1]에서 기술된 것에 필적할만한 또 다른 스캐닝 기술은 하기의 문헌에 기술되어 있다.

[10] "효고 이온빔 메디칼 센터에서 강입자치료를 위한 가속기 설비 PATRO (Accelerator facility PATRO for hadrontherapy at Hyogo Ion Beam Medical Center)", A. Itano.

본 발명은 첨부된 도면을 참조한 실시예의 설명을 본 후에 보다 잘 이해될 것이나, 하기의 실시예는 오직 이해를 돕기 위해 사용되며, 본 발명을 결코 제한하지 않는다.

도 1은 공지의 횡방향 픽셀 스캐닝 기술(transverse pixel scanning technique)에 의한 종양단면의 조사를 개략적으로 보여준다.

도 2는 본 발명에 따르는 장치의 일 실시예의 개략적인 도면이다.

도 3은 도 2의 장치의 변형에 대한 개략적인 부분도이다.

도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 조사빔의 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따라 종양 단면을 균일하고 느리며 2차원적으로 스캐닝함으로써 이 단면을 조사하는 것을 개략적으로 보여준다.

도 6은 공지의 조사 기술에 따라 선량 누적(dose deposit)을 일정하게 하기 위한 픽셀의 병치(justaposition)를 개략적으로 보여준다.

본 발명의 목적은 표적의 정확한 부피 내에 이온들을 출력시킴으로써 위에서 기술된 종래 기술보다 보다 잘 제어되는 방식으로 표적에 조사한다는 것에 있다.

특히, 본 발명의 목적은 위에서 기술된 능동형 스캐닝 기술을 더욱 개선시키는 것에 있다.

보다 명확하게 말하면, 본 발명의 목적은 표적 조사 장치(target irradiation device)이며, 특히 인체의 일 부위에 하전 강입자빔으로 조사하며, 이 빔은 하전 강입자빔을 생성시키는 수단에 의하여 만들어지며, 이 장치는

상기 하전 강입자빔의 궤적에 대하여 수직한 최소한 한 방향을 따라, 하전 강입자빔의 횡밀도를 균일하게 하도록 설계된 입자 광학 수단(corpuscular optics means)(14, 16, 18, 20)과,

상기 하전 강입자빔으로 상기 표적에의 조사를 3차원 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 장치의 바람직한 일 실시예에 따르면, 입자 광학 수단은 최소한 한 개의 비선형 입자 광학 렌즈로 구성되어 있다.

이러한 입자 광학 수단은 상기 하전 강입자빔의 궤적에 수직하면서 서로 수직한 두 방향을 따라 하전 강입자빔의 횡밀도를 균일하게 하도록 설계된 두 개의 비선형 입자 광학 렌즈를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 각각의 비선형 입자 광학 렌즈는 2n-극이며, 상기 2n은 적어도 8과 같은 정수이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 3차원 제어 수단은

생성된 하전 강입자의 에너지를 조절하는 수단과,

좁고 본질적으로 사각형인 띠를 따라 표적을 스캔하도록 하전 강입자빔을 위치시킬 수 있는 스캐닝 수단을 포함한다.

바람직하게는, 상기 스캐닝 수단은 한 쌍의 자기 쌍극자를 포함한다.

본 발명에 따르는 장치의 제1 실시예를 따르면, 상기 하전 강입자빔 생성 수단은 싱크로트론을 포함하며, 생성된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단은 상기 싱크로트론에 의해 생산된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단이다.

본 발명을 따르는 장치의 제2 실시예를 따르면, 상기 하전 강입자빔 생성 수단은 사이클로트론을 포함하며, 생성된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단은 모멘트 해석(moment analysis) 수단을 포함한다.

바람직하게는 상기 스캐닝 수당은 좁은 띠의 중심이 중앙선을 따라가도록 하고 한편으로 상기 표적의 외형을 따라갈 수 있도록 상기 좁은 띠를 길게 하거나 짧게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 입자 광학 수단은 상기 좁은 띠의 길이 및/또는 두께에 의존하는 하전 강입자빔의 횡밀도의 균일화를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 유리한 일 실시예에서, 상기 스캐닝 수단은 상기 표적의 예정된 깊이에, 이들 깊이 각각에 대하여 복수 회차에 걸쳐 하전 강입자빔이 상기 표적을 스캔하도록 할 수 있으며, 각 회차에 상기 표적에 전달되는 상기 선량은 이 깊이에 대하여 요구되는 총 선량을 횟수만큼 나눈 것과 같다.

본 발명에서 이용되는 하전 강입자는 바람직하게는 가벼운 이온 또는 보다 명확히 말하면 가벼운 핵, 다른 말로 표현하면 전형적으로 원자번호가 20 이하인 핵이다.

예를 들어, 이러한 핵들은 H⁺, He⁺⁺ 및 C⁴⁺ 중에서 고른다.

본 발명에 따르는 장치의 일 실시예는 도 2에서 개략적으로 보여진다.

상기 장치는 하전 강입자빔에 작용하도록 설계되며, 상기 하전 강입자빔의 궤적은 X 축을 따라 뻗는다.

또한 두 방향 X와 Z는 서로 수직하며 X축에 수직하게 정의된다. 예를 들어 상기 X축은 수평이고, 상기 Y 방향도 수평이며, 상기 Z 방향은 수직한다.

도 2에서 보여진 상기 예에서, 상기 강입자빔(4)의 생성 수단은 강입자의 에너지를 조정하는 수단(6)이 구비되는 싱크로트론으로 구성된다. 예를 들어 이러한 강입자들은 He²⁺이나 C⁴⁺ 원자핵이 될 수 있다.

도 3에서 개략적이고 부분적으로 보여진 일 변형에서, 상기 강입자들은 양성자(H⁺)이며 양성자빔 생성 수단(4)은 사이클로트론(8)으로 구성된다.

이 사이클로트론에는 양성자의 에너지를 조정하는 모멘트 해석 수단(10)이 따른다.

상기 강입자빔(4)에 의하여 조사되어야 하는 표적(12), 예를 들어 종양, 또한 볼 수 있다.

보 2에서 보여진 본 발명에 따르는 상기 장치는 싱크로트론(2)과 표적(12) 사이( 및 도 3의 경우에는 모멘트 해석 수단(10)과 상기 표적 사이)에 설치된다.

상기 X축에 따라 상기 장치는 적어도 하나의 비선형 균일화 렌즈, 적어도 하나의 자기 스캐닝 쌍극자 및 한 세트의 포커싱 렌즈를 포함한다.

상기 예에서, 각 비선형 균일화 렌즈는 8극 렌즈이며, 그들 중 두 개(14,16)가 사용된다.

상기 8극 렌즈(14 및 16)는 각각 수평의 Y 방향 및 수직한 Z 방향을 따라 강입자빔(4)의 횡밀도를 균일하게 만들도록 설계된다.

12극 렌즈(18)는 상기 8극 렌즈(14)에 덧붙여질 수 있으며, 12극 렌즈(20)는 상기 8극 렌즈(16)에 덧붙여질 수 있다.

상기 예에서, 두 개의 자기 쌍극자 또는 자기 쌍극자로 된 자석이 사용되며, 이는 참조번호 22 및 24로 표시된다.

이것들은(상기 렌즈들은) 바람직하게는 상기 표적(12)으로부터 10 m 안쪽에 위치한다.

상기 자기 쌍극자(22)는 강입자빔(4)이 상기 Y의 수평 방향을 따라 상기 표적(12)을 스캔하도록 설계되며, 상기 자기 쌍극자(24)는 상기 강입자빔(4)이 상기 수직의 Z 방향을 따라 상기 표적(12)을 스캔하도록 설계된다.

상기 예에서, 상기 포커싱 렌즈는 각각 Q1에서 Q7로 번호 메겨진 8극 렌즈이다.

이 예에서 :(발산하는) 렌즈(Q1), (수렴하는) 렌즈(Q2), 렌즈(14), 만약 구비된다면 렌즈(18), (발산하는) 렌즈(Q3), 렌즈(16), 만약 구비된다면 렌즈(20), (수렴하는) 렌즈(Q4), (발산하는) 렌즈(Q5), (수렴하는) 렌즈(Q6), (발산하는) 렌즈(Q7), 쌍극자(22)와 쌍극자(24) 모두는 이 순으로 있다.

도 2의 장치는 능동형 조사 장치의 카테고리 안에 분류된다. 그러므로 그것은 정확한 3차원 입체 조형이라는 중요한 이점을 가지며, 한편으로 주된 개선을 제공한다. 도 3의 상기 변형에 대해서도 이러한 점은 같다.

상기 빔(4)에 의한 조사가 상기 종양의 상방면(upstream side)에서 수 미터 떨어진 곳에 위치하는 쌍극자(22,24)를 스캐닝하는 수단과 상기 입사빔(4)의 에너지를 조정하는 수단에 의해 3차원 공간에서 실질적으로 제어된다는 점에서 상기 장치는 위에서 기술한 것과 같은 능동형 스캐닝 장치에 속한다.

상기 빔의 횡방향 분포와 관련하여, 상기 조사된 횡방향 영역은 상기 두 방향 X 및 Z 중 한 방향이나 두 방향 모두에 균일한 밀도를 가지며 원칙적으로 조사되는 상기 종양의 단면의 국소적인 너비와 같은 길이를 가진 좁은 띠까지 미친다는 점을 덧붙이고자 한다.

본 발명에서, 입자 광학 장치가 사용되므로, 이는 상기 강입자빔을 차단하지 않는다. 그것은 한 개 또는 두 개의 비선형 렌즈를 포함한다.

도 2의 예에서, 균일화 렌즈라 부르는 상기 두 개의 비선형렌즈(14,16)가 사용되며, 이는 상기 강입자빔을 조사되어야 할 종양을 가진 환자까지 전송하는 광선로(optical line)를 이룬다.

빔 스캐닝 수단 또한 사용되는데 상기 예에서 두 개의 자기 쌍극자(22,24)를 포함한다. 이러한 쌍극자는 능동형 스캐닝으로 사용되는 형태이다.

일반적으로 인정되듯이, 한 개 내지 두 개의 비선형 렌즈를 사용하는 상기 횡방향 균일화 기술( 위에서 언급한 문헌[3]과 [6] 참조)과 한 쌍의 자기 쌍극자를 사용하는 상기 빔 스캐닝 기술은 이미 알려져 있다.

그러나 본 발명은 이러한 두 기술을 상당히 혁신적이고 유익한 방식으로 결합시킨다.

이제 비선형 입자 광학 수단을 이용한 본 발명에서 사용하는 상기 횡방향 균일화에 대하여 다시 살펴보자.

(상기 싱크로트론(2)이나 모멘트 해석 수단(10)으로부터의 출력에서) 그것의 자연적인 형태로 상기 빔(4)은 그것의 진행방향 X에 수직한 두 방향 Y 및 Z 각각에 (가우시안 곡선과 같은) 벨 형태의 횡밀도를 갖는다.

그러나 본 발명에서, 이 밀도가 두 방향 Y 및 Z 중 적어도 한 방에서 또는 가능하면 두 방향 모두에서 균일하여야 하는 것은 필수적이다.

이 균일화는 비선형 렌즈를 사용하여, 방향 당 한 개의 렌즈를 사용하여, 얻을 수 있다.

2극 렌즈가 사용되는데, 여기서 차수(order) 2n은 필요한 균일화를 얻을 수 있도록 충분히 큰 짝수로, 바람직하게는 8과 같거나(8극 렌즈) 필요하다면 8보다 크다.

앞에서 보았듯이, 복합적인 비선형 렌즈는 각각이 한 쌍의 비선형 렌즈, 즉 2n극 렌즈와 2m극 렌즈로 형성되어 사용될 수도 있다. 여기서 m ＞ n ≥ 4이며, 예를 들어 n = 4 및 m =6으로 선택한다.

도 2는 예로서 XY 평면 및 XZ 평면에서의 이와 같은 균일화를 얻는 광선로를 보여준다.

상기 X축에 수직하며, Y를 따른 빔의 결과적인 프로파일(곡선I) 및 Z를 따른 프로파일(곡선II)과 함께 실질적으로 직사각형의 띠 (상기 띠의 길이는 Y방향과 평행하고 너비는 Z방향과 평행하다)를 형성하는 상기 빔(4)의 횡단면(S)은 도 4에서 개략적으로 보여진다(도 4는 순전히 이해를 돕기 위한 목적으로 주어지며, 어떠한 의미로도 한정적이지 않으며 특히 나타난 치수와 관련하여 한정적이지 않다).

본 발명에 따라 균일화를 제공하도록 설계된 광 선로의 경우에는, 이 선로의 입자 광학 수단이 상기 비선형 렌즈를 이용하는 기능으로서 제공된다.

이제 2차원 스캐닝을 다시 살펴보도록 하자.

도 2의 상기 장치는 도4에서 개략적으로 보여진 것과 같은 직사각형 빔의 영향이 도 5에서 개략적으로 도시된 바와 같이 고려되는 종양단면을 천천히 스캔할 수 있도록 (능동형 스캐닝의 경우보다 느리다는 의미에서) 상기 빔(4)를 위한 저속 안내 시스템(slow guidance system)을 사용한다. 상기 저속 안내 시스템은 예를 들어 도 2의 상기 광선로의 마지막 4극자(Q7)의 하방면(downstream side)에 정확히 정렬된 두 개의 쌍극자 자석(22,24)을 사용한다.

도 5에서, 상기 종양 단면은 참조번호 34로 표시된다. 균일하고 저속이며 2차원인 스캐닝은 이 위에서 상기 강입자빔을 이용하여 수행되며, 상기 강입자빔에 대하여 X축에 수직한 상기 단면은 대체로 직사각형(36)의 형상이다: 상기 종양의 외곽선을 따라갈 수 있도록 상기 직사각형이 길게 되거나 짧게 됨에 따라 이와 동시에 이 직사각형의 중력 G의 중심은 중심선(38)을 따라간다.

도 5에서 보여진 것과 다르게 상기 직사각형은 미끄러지며, 따라서 스캔되는 영역의 외곽선은 매끄럽다.

나아가, 상기 도 5의 상기 예에서, 상기 종양의 아래쪽은 두 영역(34a, 34b)으로 나누어진다.

이 경우, 스캐닝 직사각형(36a)에서 시작하여, 스캐닝 라인(38)은 적합한 스캐닝 직사각형들로 이들 두 부분중 한 부분(34a)을 스캔하기 위하여 스캐닝 라인(42)으로 먼저 연장되며, 그 다음으로 직사각형(36a)은 적합한 스캐닝 직사각형으로 다른 부분(34b)을 스캔하기 위하여 또 다른 스캐닝 라인(44)으로 상기 스캐닝 라인(38)을 연장하는데 다시 사용된다.

상기 현재 위치에서 상기 직사각형의 길이는 4극 포커싱 렌즈(예를 들어 사극(Q4-Q7))를 이용하여 매우 통상적인 방법으로 조정된다. 그 너비 또한 동일한 사극(포커싱 렌즈)을 이용하여 의도대로 조정할 수 있다. 이것들이 광선로의 이미지 평면 위에 이미지의 간단한 형성이며, 상기 이미지 평면은 상기 조사되는 종양 단면의 평면이다.

균일화 또한 상기 4극자의 조정에 의존하기 때문에, 이것은 비선형 렌즈 또는 두 렌즈 모두를 동시에 조정하는 것을 요구한다( 문헌[4] 참조).

이 모든 것은 이렇게 다양한 렌즈에 대한 전력 공급을 제어하고 소프트웨어에 의하여 스스로 제어되는 함수 발생기(function generator)를 이용하여 통상적으로 만들 수 있다.

이 소프트웨어에 대한 데이터는 당해 기술 분야의 당업자들에게 알려진 하나 또는 수 개의 형상 기술(imagery technique)을 이용하여 얻어진 상들을 본 뒤에 의사에 의하여 미리 수행되어진 환자 치료에 대한 계획으로부터 결정된다.

다음으로 본 발명의 다양한 이점과 혁신적인 성질을 설명한다.

하나의 픽셀은 작은 직사각형이라고 생각할 수 있으므로 설명한 것처럼 균일화된 직사각형에 의한 스캐닝은 픽셀 스캐닝을 포함할 수 있다.

나아가, 픽셀 스캐닝은 이것이 소위 "3차원 입체" 조사를 가능하게 하기 때문에 현재 선호되는 기술이다: 입자빔의 위치와 에너지는 상기 종양 덩어리 내의 임의의 위치의 픽셀에 도달하기 위하여 조정될 수 있다.

나아가, 각 픽셀에서 정지하는, 픽셀에 의한 스캐닝은 연속적인 텔레비전 타입의 스캐닝 대신에 선호된다.

그러므로, 알려진 모든 기술과 비교하여 본 발명의 이점을 보이기 위하여는, 본 발명의 성능과 본 발명에 가장 근접한 선행 기술인 능동형 픽셀 스캐닝의 성능만을 비교하는 것으로 충분하다.

1/ 먼저 과도한 강도의 문제를 고려하자.

어떤 우연한 조건 하에서, 상기 강입자빔은 강도 시간 피크(intensity time peak)를 가질 수 있으며, 이 강도 시간 피크는 당해 분야의 당업자들에게 알려진 적절한 (미도시된) 안정 시스템에 의하여 조사를 곧바로 정지시킨다.

그 결과는 이 순간 상기 빔에 의한 상기 표적 영역에 대한 다소 현저한 과조사(overirradiation)이다. 이는 강입자치료에 있어서 중요한 문제이며, 최적의 해법은 아직 발견되지 않았다.

본 발명에 따른 장치의 경우, 상기 조사 직사각형(irradiation rectangle)은 보통 능동형 스캐닝 기술에서 고려되는 픽셀의 면적보다 훨씬 큰 면적을 갖는다. 이것은 동일한 종양 단면을 보여주는 도 1과 도 5를 비교함으로써 쉽게 확인할 수 있다.

결과적으로, 도 5에서 나타난 바와 같이 본 발명의 경우, 우연히 발생하는 상기 피크는 도 1에서 도시된 것처럼 선행 기술에서보다 더 약한 면적 과조사(surface overirradiation)를 야기한다.

그러므로, 조사(irradiation)는 2 그레이 쓰레스홀드(2 Grays threshold)와 같은 쓰레스홀드 현상에 비선형적 효과를 관련시킨다는 것이 알려져 있지만, 상기 문제가 되는 것은 완화되거나 심지어 제거된다( 문헌[1] 참조).

2/ 다음으로 선량 균질성의 문제를 고려하자.

A) - 가속기에서 뽑아진 빔의 강도는 시간적으로 가능한 한 상수이어야 한다(예를 들어 이 강도는 시간당 입자의 개수로 나타낸다). 실제로, 이 강도는 예를 들어 가속기 추출 기술(accelerator extraction technique)에 의존하는 진동수 범위 내에서 요동에 종속된다.

본 발명에 따르는 상기 장치는 상기 능동형 스캐닝 기술을 사용하여 가능한 것보다 더 잘 이러한 요동을 적분 즉, 이들을 매끄럽게 한다. 이는 사각형에 의한 스캐닝이 보다 낮은 속력에서 행해지기 때문이다: N 개의 픽셀과 동등한 직사각형은 이러한 N 개의 픽셀 중 어느 것보다 N 배만큼 더 길게 주어진 영역에 정지하여 머무른다고 볼 수 있다.

B) - 픽셀 조사에 있어서, 적절하다고 생각되어지는 벨 모양의 분포의 중첩으로써 동일한 선의 두 인접한 픽셀 사이 또는 연속적인 선의 두 픽셀 사이에서 상기 선량은 균일하게 만들어진다.

이러한 면에서, 상기 선량 누적을 균일하게 만들기 위하여 어떻게 픽셀들을 서로 인접하게 놓는지 개략적으로 설명한 도 1과 도 6을 고려하자.

세 개의 인접한 픽셀의 프로파일 I, II 및 III은 위치 P는 가로축 위에 표시되고 상기 누적된 선량 D는 세로축 위에 표시된 좌표 시스템에서 도시된다. 결과적인 프로파일은 참조번호 IV를 갖는다.

상기 결과는 결코 보장되지 않으며 또한 각 픽셀의 선량의 횡방향 프로파일에 매우 밀접하게 의존한다. 여기서 상기 프로파일은 반드시 벨 모양 또는 대칭적인 것은 아니다.

본 발명에 따른 상기 장치는 매우 다르게 작동한다. 스캐닝 방향에 있어서 상기 선량 누적은 능동형 스캐닝의 경우에 사용되는 것들과 동일한 미도시된 측정 기구를 이용한 서보-제어로 스캐닝 속력을 조절함으로써 균일하게 만든다.

이 기구와 관련된 보다 많은 정보는 상기의 문헌[1,2]에서 볼 수 있다.

스캐닝에 수직한 방향은 상기 직사각형의 길이 방향인데, 상기 방향에서 균일성은 본질적이다. 이는 비선형 렌즈를 이용한 균일화의 결과이다.

3/ 추가적으로, 움직이는 종양의 문제를 고려하자.

종양이 움직일 수 있다는 것은 강입자치료의 어려움 중 하나이다. 직사각형에 의한 스캐닝은 기대되지 않은 움직임이 있는 경우 픽셀 스캐닝과 비교하여 유리하기도 하다.

상기 종양의 움직임이 먼저 조사된 영역으로부터 멀리 현재의 조사 영역을 이동시키는 참으로 최악의 경우를 고려하자. 그 때에는 픽셀 스캐닝에 대하여 완벽한 띠는 조사되지 않음에 반하여, 직사각형에 의한 스캐닝의 경우 조사는 결코 부족하지 않다: 상기 전체 띠는 그것이 얼마나 짧던지 간에 상기 움직임에 선행한 시간 동안에 조사된다.

하기에 본 발명에 대한 보다 상세한 기술이 담겨 있다.

Z를 따라서 본 스캐닝 방향에서 벨 모양의 프로파일은 조사 직사각형을 위하여 남겨질 수 있다( 도 4 및 도 5 참조). 그 때에는 상기 두 개의 비선형 렌즈 중 하나가 움직이지 않으며, 균일화는 다른 방향, 즉 상기 직사각형의 길이방향에서 얻을 뿐이다.

상기 직사각형의 너비 방향에서 가능한 균일화는 이 방향을 따라 상기 분포의 모서리(distribution edge)를 벨 모양의 분포와 비교하여 매우 급하게(도 4의 히스토그램 참조) 한다.

이 특성은 조사된 영역의 외곽선의 보다 좋은 한정을 얻는데 사용될 수 있다.

역으로 말하며, 만일 이들 모서리가 너무 급하게 나타난다면, 그들의 경사는 적절한 비선형 렌즈에 작용함으로써 조절된 방식으로 수정될 수 있다.

또한 상기 렌즈는 상기 종양의 외곽선에 맞추는 것을 개선하기 위하여 스캐닝의 끝단에서 점진적으로 연결되거나 끊어질 수 있다.

사이클로트론 설비에서, 상기 3차원 입체 조형 조사 기술은 모멘트 해석을 이용하여 현재 개발 중에 있으며(이에 대해서는 싱크로트론이 보다 적합하다). 그러므로, 본 발명에 따르는 장치는 이러한 시설에 이용될 수 있다: 위에서 언급된 것처럼 상기 하방면에 모멘트 해석 수단을 놓는 것 모두가 필수적이다.

엄밀히 말하자면, 단면에 대한 상기 조사 지속시간은 픽셀 스캐닝에 의한 것보다 균일한 직사각형으로 한 스캐닝에 의한 것이 더 짧을 수 있다.

1/ 한 픽셀로부터 다음으로 이동하는데 있어서 절약이 되며,

2/ 직사각형에 의한 스캐닝은 연속적이다; 이는 (도 5에서 도시된 바와 같이) 상기 종양의 오목한 면에서의 일정 변화에서 혹시 있을 수 있는 경우를 제외하고 간섭받지 않는다.

조사되어야 하는 단면의 외곽선을 따르는 것은 어려운 조작이다. 직사각형내의 균일한 스캐닝은 보다 좋은 맞춤을 제공한다: 상기 직사각형의 길이는 줄어질 수 있으며 스캐닝 속력은 증가될 수 있다. 픽셀 스캐닝과 대조적으로, 우리가 원하는 만큼 픽셀의 직경을 줄이는 것은 불가능하며, 그렇지 않다면 픽셀 사이의 균일성은 더 이상 제어될 수 없다.

본 발명으로 주어진 깊이에 대하여 수 개의 층들에서 (달리 표현하면 수 차례의 통과를 하면서) 조사하는 것이 가능하며, 가로로도 가능할 수 있다.

이것은 상기 층의 개수로 상기 깊이에 대하여 필요한 총 선량을 나눔으로써 할 수 있다.

이 경우, 선량의 균일화는, 예를 들어 종양의 모서리에 조정하는 것을 가능하게 하는 단계들을 수행함으로써 용이하게 된다. 위에서 이미 언급한 직사각형에 의한 스캐닝의 이점 또한 약간 늘어날 수 있다.

- 과도한 강도에 대하여, 입사 시간 피크(accident time peak)의 강도는 더욱 감소될 것이며, 결과적인 과조사(overirraditation)에 대해서도 이러한 점은 같다;

- 선량 균질성에 대해서, 싱크로트론으로부터의 저속 추출과 관련된 시간에 따른 강도의 요동은 한층 더 가라앉힐 수 있다.

- 움직이는 종양에 대하여, 만약 층이 스캐닝될 때 종양이 움직인다면, 뒤에 따라오거나 앞서는 층의 존재는 단일층에 대한 선량의 부족에 한계를 두게 된다.

본 발명은 접근할 수 없거나 접근하기 어려운 표적에 조사하는 것이 필요한 모든 분야에 응용될 수 있다.

예를 들어, 밀폐된 용기에 위치한 방사선 폐기물을 변화시키기 위하여 이 폐기물에 조사하는데 응용될 수 있다.

본 발명은 더욱 구체적으로 강입자치료에 응용될 수 있다.

이는 모든 강입자치료 센터에 설치되어 강입자빔을 이용하여 종양에 조사하는 때에 사용하는 기술을 대체할 수 있을 것이다.

Claims (12)

1. 표적(12), 특히 인체의 일 부위에 하전 강입자빔(4)을 조사하는 장치에 있어서,

   상기 빔은 하전 강입자빔을 생성함으로써 만들어지며,

   상기 하전 강입자빔의 궤적에 대하여 수직한 적어도 한 방향을 따라, 하전 강입자빔의 횡밀도를 균일하게 하도록 설계된 입자 광학 수단(corpuscular optics means)(14, 16, 18, 20)과,

   상기 하전 강입자빔으로 상기 표적에의 조사를 3차원 제어하기 위한 수단(6, 22, 24; 10, 22, 24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조사 장치(irradiation device).
2. 제 1항에 있어서,

   상기 입자 광학 수단은 적어도 한 개의 비선형 입자 광학렌즈를 포함하는 조사 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 입자 광학 수단은 상기 하전 강입자빔의 궤적에 수직하면서 서로 수직한 두 방향을 따라 하전 강입자빔의 횡밀도를 균일하게 하도록 설계된 두 개의 비선형 입자 광학 렌즈를 포함하는 조사 장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   각각의 비선형 입자 광학 렌즈는 2n-극이며, 상기 2n은 적어도 8과 같은 정수인 조사 장치.
5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 3차원 제어 수단은

   생성된 하전 강입자의 에너지를 조절하는 수단과,

   좁고 실질적으로 사각형인 띠를 따라 표적을 스캔하도록 하전 강입자빔을 변위시킬 수 있는 스캐닝 수단을 포함하는 조사 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 스캐닝 수단은 한 쌍의 자기 쌍극자를 포함하는 조사 장치.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 하전 강입자빔 생성 수단은 싱크로트론을 포함하며, 생성된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단은 상기 싱크로트론에 의해 생산된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단인 조사 장치
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 하전 강입자빔 생성 수단은 사이클로트론을 포함하며, 생성된 하전 강입자의 에너지를 조정하는 수단은 모멘트 해석(moment analysis) 수단을 포함하는 조사 장치.
9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스캐닝 수당은 좁은 띠의 중심이 중앙선을 따라가도록 하고 한편으로 상기 표적의 외곽선을 따라갈 수 있도록 상기 좁은 띠를 길게 하거나 짧게 할 수 있는 조사 장치.
10. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 입자 광학 수단은 상기 좁은 띠의 길이 및/또는 두께에 의존하는 하전 강입자빔의 횡밀도의 균일화를 변화시킬 수 있는 조사 장치.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 스캐닝 수단은 상기 표적의 예정된 깊이에, 이들 깊이 각각에 대하여 복수 회차에 걸쳐 하전 강입자빔이 상기 표적을 스캔하도록 할 수 있으며, 각 회차에 상기 표적에 전달되는 상기 선량은 이 깊이에 대하여 요구되는 총 선량을 횟수만큼 나눈 것과 같은 조사 장치.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,

    하전 강입자는 가벼운 무게의 핵인 조사 장치.