KR20080055688A

KR20080055688A - 즉발감마선 검출시스템 및 이를 이용한 즉발감마선 검출을위한 선별준위 결정방법

Info

Publication number: KR20080055688A
Application number: KR1020070129780A
Authority: KR
Inventors: 김찬형; 민철희
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2008-06-19
Also published as: KR100935801B1

Abstract

본 발명은 즉발감마선 검출시스템을 제공한다. 상기 즉발감마선 검출시스템은 제 1영역과 제 2영역이 형성되고, 그 일측과 타측을 관통하는 관통홀이 형성된 케이스와; 상기 제 1영역에 위치되는 감속부와; 상기 제 2영역에 위치되는 흡수부와; 상기 제 2영역에 위치되되, 상기 흡수부의 내부에 위치되는 차폐부; 및 상기 관통홀을 통과한 즉발감마선을 검출하여 선량을 측정하는 측정부를 구비한다.

즉발감마선, 백그라운드 감마선, 선별준위

Description

즉발감마선 검출시스템 및 이를 이용한 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법{PROMPT GAMMA SCANNING SYSTEM AND A DISCRIMINATION LEVEL DETERMINATION METHOD FOR DETECTING PROMPT GAMMAS USING THE SAME}

본 발명은 즉발감마선 검출시스템에 관한 것으로서,

좀 더 상세하게는 즉발감마선 검출시에 선별준위를 결정하여 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선의 영향을 최소화하여 정확한 선량급락지점을 찾도록 하는 즉발감마선 검출시스템 및 이를 이용한 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법에 관한 것이다.

근래에 들어, 의료분야에는 암과 같은 종양을 제거하는 등의 치료 목적으로 방사선 치료가 일반화되어 있다.

이중에, 양성자빔을 사용한 의료용 치료는 암과 같은 종양부위에 높은 선량을 전달하고 정상적인 세포에는 적은 선량을 전달할 수 있는 특징이 있어 암치료와 같은 의료용 치료에 널리 사용된다. 따라서, 상기와 같은 양성자빔을 사용하여 환자에게 치료를 시행할 경우에는, 상기 양성자 선량의 급락지점을 정확히 아는 것이 필요하다.

즉, 일반적으로 사용되는 감마선과 달리 양성자 빔은 매질에 전달되면 일정한 깊이에서 대부분의 에너지를 잃고 브래그피크(Bragg peak)라는 독특한 선량분포를 나타낸 다음 그 후로는 전달되는 선량이 거의 없는 특성을 가지는 것으로, 첨부도면 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 이러한 양성자 빔의 매질 내에서 선량 분포를 보여 주는 것이고, 이때 브래그피크의 위치는 입사되는 양성자 에너지에 따라 다른 깊이를 가지기 때문에 양성자 치료시에는 환자의 체내에 위치한 암의 위치에 브래그피크가 나타나도록 입사하는 양성자 빔의 에너지를 계산하여 환자에게 조사한다.

이와 같은 선량분포 특성으로 인해 양성자 치료는 암이 중요장기 부근에 위치한 경우 가장 적절한 방사선 치료방법으로, 주요장기에는 선량을 주지 않으면서 암세포에만 많은 방사선을 전달할 수 있다. 하지만 이 브래그피크가 중요장기에서 나타나게 되면 환자의 생명에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 브래그피크가 어디에서 생기는지 확인하는 것은 양성자 치료에 있어서 매우 중요하다.

상기 환자의 환부에 조사되는 상기 양성자 빔은 환자의 인체를 구성하는 원자의 원자핵과 핵반응을 하며, 이때 즉발감마선을 방출하게 된다. 이러한 즉발감마선의 분포와 양성자의 선량급락지점과의 상관관계가 연구된 바 있다.

즉, 첨부도면 도 9에 도시된 바와 같이, 이온빔에 원자핵과 반응하는 매카니즘을 도식적으로 보여주는 것이고, 도면의 가장 아래에서 두 번째가 즉발감마선을 방출하는 모습을 나타내주고 있다. 양성자 입자는 인체를 구성하는 원자(탄소, 산소, 나트륨, 마그네슘 등)의 원자핵과 핵반응을 하게 되는데, 양성자 입자로부터 에너지를 전달 받은 원자핵은 여기되었다가 원상태로 돌아오면서 받은 에너지의 일부를 방출하게 되고, 이때 방출되는 에너지의 주요 형태가 즉발감마선이다. 양성자 빔은 인체내에서 지속적으로 에너지를 잃다가 핵반응을 통해 많은 에너지를 전달하고 사라지게 되며, 이때 다수의 즉발감마선이 방출이 된다. 때문에 즉발감마선이 발생하는 위치와 양성자의 선량급락지점은 밀접한 상관관계를 가지게 된다. 특히 선량급락지점 이후에는 즉발감마선이 거의 생성되지 않는다.

종래에는 평판형 이온함과 같은 측정장치를 매질 내에 직접 삽입하여 양성자의 선량을 측정하였으나, 인체에 직접 측정장치를 삽입하여 선량을 측정하는 것은 불가능 하다. 최근 본 한양대학교 방사선해석연구실에 의해 개발된 Prompt Gamma Scanner (PGS)는 양성자 빔과 매질 원자와의 핵반응에 의해 발생되는 즉발감마선과 매질 내 선량분포와의 상관관계를 이용하여 매질 밖에서 양성자의 비정을 실시간으로 측정할 수 있다.

그러나, 종래의 즉발감마선 검출시스템은 중성자에 의한 백그라운드가 너무 높아 선량급락지점을 정확히 찾는데 한계가 있으며, 또한 중성자 차폐를 위한 과도한 중성자 차폐물질로 그 크기가 너무 커서 일반적인 양성자 빔 비정측정에는 사용될 수 있으나 방사선 치료 임상에는 실용화가 되기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 즉발감마선을 검출하는 경우에 최적화된 선별준위를 결정하여 중성자와 중성자에 의한 2 차 감마선의 영향을 최소화하고, 이를 통하여 정확한 선량급락지점을 측정할 수 있는 즉발감마선 검출시스템 및 이를 이용한 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실시예에 따른 즉발감마선 검출시스템을 제공한다.

상기 즉발감마선 검출시스템은 제 1영역과 제 2영역이 형성되고, 그 일측과 타측을 관통하는 관통홀이 형성된 케이스와; 상기 제 1영역에 위치되는 감속부와; 상기 제 2영역에 위치되는 흡수부와; 상기 제 2영역에 위치되되, 상기 흡수부의 내부에 위치되는 차폐부; 및 상기 관통홀을 통과한 즉발감마선을 검출하여 선량을 측정하는 측정부를 포함한다.

여기서, 상기 감속부는 파라핀으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 흡수부는 보론카바이드로 이루어지고, 상기 차폐부는 납으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 관통홀은 상기 홀은 직사각형상의 홀일 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다른 실시예에 따른 즉발감마선 검출시스템을 제공한다.

상기 즉발감마선 검출시스템은 제 1'영역과 제 2'영역이 형성되는 케이스와; 상기 제 1'영역에 위치되는 차폐부와; 상기 제 2'영역에 위치되는 광증배관과; 상 기 광증배관의 일측에 위치되는 섬광검출부; 및 상기 섬광검출부가 상기 케이스의 외부로 노출되도록 안내하는 콜리메이션홀을 포함한다.

여기서, 상기 차폐부는 납으로 이루어질 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 제공한다.

상기 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법은 매질로 양성자빔을 조사하는 제 1단계와; 상기 매질의 내부에서 핵반응 되어 발생되는 즉발감마선이 상기 양성자빔의 경로를 기준으로 직각으로 경로가 형성되어 콜리메이션홀로 유입되는 제 2단계와; 상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼과 상기 콜리메이션홀 이외의 공간에서 오는 백그라운드 감마선 스펙트럼을 평가하는 제 3단계와; 상기 즉발감마선의 수가 상기 백그라운드 감마선 수에 비해 최대로 크도록 에너지 선별준위를 결정하는 제 4단계를 포함한다.

상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 총 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀을 관통해 검출기로 들어오는 감마선과 중성자에 의해 발생한 후 집속통로 이외의 방향에서 검출기로 들어오는 감마선을 의미하며, 이는 몬테칼로 전산코드인 MCNPX 에서 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 계산될 수 있다.

여기서, 상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '0'일 때 평가될 수 있다.

그리고, 상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때의 총 감마선 스펙트럼에서 importance 값이 0일 때의 즉발감마선을 빼줌으로써 평가될 수 있다.

또한, 상기 제 4단계는 상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘리도록 조절하여 상기 양성자 선량급락지점을 결정할 수 있다.

또한, 상기 양성자빔은 상기 매질로 수직으로 조사되며, 상기 조사된 이후에 상기 매질의 일정 깊이 간격으로 선별준위에 따라 상기 즉발감마선의 선량분포를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 즉발감마선을 검출하는 경우에 최적화된 선별준위를 결정하여 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선의 영향을 최소화하고, 이를 통하여 정확한 선량급락지점을 측정할 수 있는 효과가 있다.

다음, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 즉발감마선 검출시스템 및 이를 이용한 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 즉발감마선 검출시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 즉발감마선 검출시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도 3은 콜리메이션 홀을 통해 PGS의 섬광 검출부로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선으로 인한 백그라운드 감마선 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 도 4a는 콜리메이션 홀만을 통해 PGS의 섬광검출부로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선에 의해 발생된 백그라운드 감마선의 비를 보여주는 그래프이다. 도 4b는 콜리메이션 홀만을 통해 PGS의 섬광검출부로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 총 감마선의 비를 보여주는 그래프이다. 도 5는 PGS시스템을 사용한 100 MeV 양성자 빔의 물 팬텀 내 비정 측정 시, 선별준위에 따른 즉발감마선의 선량분포 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6은 MCNPX 코드를 사용한 80 MeV 양성자 빔의 물팬텀 내 깊이에 따른 선량분포(PDD)와 PGS-L를 사용한 즉발감마선분포를 보여주는 그래프이다. 도 7은 본 발명의 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 보여주는 흐름도이다.

도 1을 참조로 하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 즉발감마선 검출시스템(100)은 제 1영역(a)과 제 2영역(b)이 형성되고, 그 일측과 타측을 관통하는 관통홀(111)이 형성된 케이스(110)와; 상기 제 1영역(a)에 위치되는 감속부(120)와; 상기 제 2영역(b)에 위치되는 흡수부(130)와; 상기 제 2영역(b)에 위치되되, 상기 흡수부(130)의 내부에 위치되는 차폐부(140); 및 상기 관통홀(111)을 통과한 즉발감마선을 검출하여 선량을 측정하는 측정부(150)를 구비한다.

여기서, 상기 감속부(120)는 파라핀으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 흡수부(130)는 보론카바이드로 이루어지고, 상기 차폐부(140) 는 납으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 관통홀(111)은 상기 홀은 직사각형상의 홀일 수 있다.

도 2를 참조로 하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 즉발감마선 검출시스템(200)은 제 1'영역(a')과 제 2'영역(b')이 형성되는 케이스(210)와; 상기 제 1'영역(a')에 위치되는 차폐부(240)와; 상기 제 2'영역(b')에 위치되는 광증배관(220)과; 상기 광증배관(220)의 일측에 위치되는 섬광검출부(230); 및 상기 섬광검출부(230)가 상기 케이스(210)의 외부로 노출되도록 안내하는 콜리메이션홀(250)을 구비한다.

여기서, 상기 차폐부(240)는 납으로 이루어질 수 있다.

도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 설명하도록 한다.

먼저, 최적화된 선별준위에 대해 명확하게 정의하고, 최적화된 선별준위 결정방법에 대해 어떤 원리에 의해 결정되는지를 명확하게 기재하는 바이다.

즉, 전체 계측된 감마선중에서 양성자 빔의 비정을 결정하는데 사용되는 즉발감마선의 비율을 높이고 방해가 되는 백그라운드 감마선의 비율을 줄이는 것으로, 이때 측정된 감마선의 에너지 분포를 확인해 본 결과 즉발감마선은 대부분 높은 에너지를 가지고 있는 반면, 백그라운드 감마선은 대부분 낮은 에너지를 가지고 있음을 확인하였다.(첨부도면 도 3 참조)

이 때문에 높은 에너지의 감마선만을 사용한다면 즉발감마선의 비율이 높아지고 결국 더 정확하게 양성자 빔의 비정을 결정할 수 있게 되며, 보다 정량적으로 최적화된 에너지 윈도우(선별준위)를 정하기 위해서 사용할 에너지 범위의 최고값은 10 MeV로 정한 다음 최저에너지 값이 변할 때 즉발감마선의 비율을 계산하게 된다. 그 결과 최저에너지가 4-6 MeV 일 때 가장 높은 즉발감마선의 비율이 나타남을 알 수 있고, 에너지 범위가 넓을수록 계측효율이 좋기 때문에 본 발명에서는 최적화된 선별준위(에너지 범위)를 4-10 MeV로 정하였으며, 이러한 최적화된 선별준위가 실제 측정된 값에 적용되어도 가장 좋은 결과를 가짐을 확인하였다.(첨부도면 도 5 참조, 이는 100 MeV 양성자 빔을 사용하였을 때 0-10 MeV, 2-10 MeV, 4-10 MeV, 6-10 MeV 의 선별준위(에너지 윈도우)에 따라 나타나는 즉발감마선의 분포)

이에 따라, 상기 즉발감마선 검출을 위한 최적화된 선별준위 결정방법은 매질로 중성자빔을 조사하는 제 1단계(S100)와; 상기 매질 또는 물팸텀(90)의 내부에서 핵반응 되어 발생되는 즉발감마선이 상기 중성자빔의 경로를 기준으로 직각으로 경로가 형성되어 콜리메이션홀(250)로 유입되는 제 2단계(S200)와; 상기 콜리메이션홀(250)로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼과 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼을 측정하는 제 3단계(S300)와; 상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘려 양성자 선량급락지점을 결정하는 제 4단계(S400)를 포함한다.

여기서, 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에서의 총 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 측정될 수 있다.

그리고, 상기 콜리메이션홀(250)로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '0'일 때 측정될 수 있다.

또한, 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀(250)의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때의 총 감마선 스펙트럼에서 importance 값이 0일 때의 즉발감마선을 차감해줌으로써 측정될 수 있다.

또한, 상기 제 4단계(S400)는 상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘리도록 조절하여 상기 양성자 선량급락지점을 결정할 수 있다.

즉, 검출기에 의해 측정되는 감마선은 크게 즉발감마선과 백그라운드 감마선으로 분류될 수 있고, 본 발명에서는 즉발감마선의 분포를 측정하는 것이며, 백그라운드 감마선은 양성자 빔의 비정을 결정하는데 정확도를 떨어뜨리기 때문에 가급적 즉발감마선 만을 측정하는 것이다. 하지만 실제 검출기로 감마선을 측정하는 경우, 측정된 감마선이 즉발감마선인지 백그라운드 감마선인지 구별할 수 없기 때문에 몬테칼로 방법을 사용하여 계측되는 감마선을 즉발감마선과 백그라운드 감마선을 따로 구분한 후 각각의 에너지 스펙트럼을 확인하게 되고, 그 결과 즉발감마선의 분포가 4-10 MeV의 선별준위를 가질 때 가장 높은 것으로 나타났으며, 이는 다시 말해서 측정된 감마선 중에서 4-10 MeV 에너지 범위(선별준위)에 있는 감마선을 사용하면 상대적으로 백그라운드 감마선의 비율이 작아지게 되고 즉발감마선의 비율이 늘어나게 되는 것이다.

이에, 첨부도면 도 3은 콜리메이션 홀을 통해 PGS의 섬광검출기로 직접 입사 하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선으로 인한 백그라운드 감마선의 에너지 스펙트럼을 비교한 그래프이고, 도 4a는 콜리메이션 홀만을 통해 PGS의 섬광검출기로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선에 의해 발생된 백그라운드 감마선의 비를 보여주는 그래프로서, 이는 선별준위의 ㅅ상부 바운드(per bound)를 10 MeV로 정한 후 하부 바운드(Lower bound)를 0에서 10 MeV 까지 변화시시킬 때, 전체 감마선 중에서 즉발감마선의 비율을 보여주는 그래프인 것이다.

또한, 상기 중성자빔은 상기 매질(90)로 수직으로 조사되며, 상기 조사된 이후에 상기 매질(90)의 일정 깊이 간격으로 선별준위에 따라 상기 즉발감마선의 선량분포를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다음은, 본 발명의 즉발감마선 검출을 위한 최적화된 선별준위 결정방법을 도 3 내지 도 6을 참조로 하여 좀 더 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명에서는 먼저 도 1과 같이 양성자 빔의 타겟 물질인 물팬텀(90)과 즉발감마선을 측정하기 위한 PGS　시스템을 MCNPX 코드를 사용해 전산모사 하였다. 물팬텀(90) 내에서의 양성자 빔에 의한 선량분포를 계산하기 위해 MCNPX 코드의 FS 카드를 사용하여 물팬텀을 1 mm 두깨 평판의 셀로 나누었다. 셀에서의 선량계산을 할 수 있는 MCNPX코드의 F6 tally를 사용하여 각각의 셀에서의 선량 계산을 통해 양성자의 선량분포를 계산하였다. 또한 SSW 카드를 사용하여 물팬텀 표면에서 공간위상파일(RSSA)을 생성 하였다. RSSA 파일은 물팬텀 표면을 지나는 방사선입자들의 종류, 에너지, 방향 등의 정보를 담고 있다. RSSA 파일을 생성한 후 이를 선원으로 하여 다음 단계의 계산을 수행하였다. 이러한 방법은 동일한 선원을 사용하여 반복적 계산을 수행하는 전산모사에 적합한 방법이다. 다음으로 앞서 생성한 선원항(RSSA 파일)을 이용해 PGS 시스템 내의 섬광검출부(230) 위치에서 감마선의 스펙트럼을 계산하였다. 다음으로 동일한 선원을 사용한 PGS시스템의 감마선 측정을 위해 콜리메이션 홀(250)을 제외한 모든 구성 물질에서의 Importance 값을 0으로 하였다. MCNPX 코드는 모든 물질에 고유의 Importance 값을 주고 있으며, 이 Importance 값은 입자수송을 제거Importance=0)하거나 보다 많은 입자수송을 위해 입자분할(Importance>1) 할 때 유용하게 사용된다. 이처럼 PGS 구조물질의 importance값으로 0을 사용함으로서 중성자가 PGS물질내로 들어 올 경우 더 이상 중성자의 입자수송은 이루어지지 않는다.

뿐만 아니라 중성자에 의한 2차 감마선도 생성되지 않게 되며 결국 백그라운드 감마선 없이 콜리메이션 홀(250)을 통해 들어오는 즉발감마선만을 측정할 수 있게 된다. 콜리메이션 홀(250)로 들어오는 모든 감마선을 즉발감마선으로 고려했을 때 도 3과 같은 그래프를 얻을 수 있다.

한편, PGS 시스템의 구조물질(파라핀, 보론 카바이드, 납)에서의 Importance 값을 1로 하여 얻은 총 스펙트럼은 콜리메이션 홀(250)로 들어오는 순수 즉발감마선 이외에 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선에 의해 들어오는 백그라운드를 모두 포함하고 있다.

즉, 총 스펙트럼과 콜리메이션 홀(250)로 들어오는 순수한 즉발감마선의 스 펙트럼과의 차이는 백그라운드 스펙트럼을 나타낸다. 도 3은 이러한 백그라운드 스펙트럼과 순수 즉발감마선 스펙트럼을 보여주고 있다. 그리고, PGS 시스템은 백그라운드 감마선을 최대한 줄이고 즉발감마선의 수를 최대한 늘일 때 보다 정확한 양성자 선량 급락지점을 찾을 수 있다.

그림 4a 및 도 4b는 도 3의 스펙트럼 정보를 이용하여 에너지에 따른 즉발감마선/백그라운드 그리고 즉발감마선/총감마선의 관계를 보여주고 있다.

도 4a에서 볼 수 있듯이 4 MeV - 8 MeV 의 에너지에서 즉발감마선의 값이 백그라운드 감마선에 비해 상대적으로 매우 높음을 알 수 있다. 이는 양성자 빔과 물의 산소원자가 원자핵반응을 통해 즉발감마선을 방출하게 되는데 이때 대부분의 즉발감마선이 2 MeV와 4 - 8 MeV 의 에너지를 가지고 물팬텀 밖으로 방출되기 때문이다. 측정된 감마선 중 2 MeV 대의 에너지를 가지는 감마선은 즉발감마선뿐만 아니라 백그라운드 감마선도 많이 발생되기 때문에 즉발감마선 측정에 큰 의미를 가지지 못한다.

도 4b는 총 측정감마선 중 즉발감마선의 비율을 나타내 주고 있으며 이 또한 4 MeV 근방에서 상대적으로 큰 값을 가지고 있다.

MCNPX 코드 계산결과를 근거로 4 MeV 이상의 측정 감마선만을 고려할 때 백그라운드 감마선을 최대한 줄여 보다 정확하게 양성자의 매질 내 선량 급락지점을 찾을 수 있다. 이를 근거로 100 MeV 양성자빔을 물팬텀에 조사 시켰을 때 PGS 시스템에 의한 즉발감마선측정치를 분석하였다.

도 5는 이러한 선별준위 에너지에 따른 깊이별 즉발감마선의 분포를 보여준 다. 4 MeV 와 6 MeV 의 선변준위를 적용할 때 다른 에너지에 비해 보다 급격한 선량급락을 볼 수 있으며, 4 MeV 의 선별준위가 6 MeV 보다 측정효율이 높다. PGS 시스템 사용 시 4 MeV의 선별준위 적용은 높은 측정 효율을 유지하면서 백그라운드를 혁신적으로 줄일 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기에 기술된 바와 같이 최적화된 선별준위를 적용하여 양성자와 양성자에 의한 2차 감마선의 영향을 최소화 하였다. 이를 통해 기존 PGS의 과도한 양성자 차폐물질(파라핀(CH₂), 보론카바이드(B₄C))을 제거한 후 섬광검출부(230)와 납만을 사용한 Prompt Gamma Scanner-Lead(PGS-L-L)를 개발하였다. PGS-L는 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선의 영향을 고려하지 않고, 양성자 빔과 매질의 원자핵과의 핵반응에 의해 4π 방향으로 발생된 즉발감마선 중 빔 입사방향에 90도 방향으로 들어오는 즉발감마선만을 측정하도록 납 차폐를 하였다.

도 6은 MCNPX 코드를 사용해 80 MeV 양성자 빔에 대한 물팬텀(90) 내에서의 선량분포와 PGS-L에 의한 즉발감마선의 분포를 보여준다. 양성자 빔에 의한 물팬텀(90) 내 선량 분포(PDD)계산을 위해 물팬텀(90)을 2 mm 간격의 평판으로 나눈 후, 각 평판에서 계산된 평균선량을 평판 중심위치에서의 선량 값으로 한다. PDD 값은 물 표면으로부터 4.5 cm 부근에서 브레그 피크를 보여주는 일반적 양성자 선량 분포를 나타낸다. PGS-L를 사용한 즉발감마선의 분포는 브레그 피크 근처에서 급격한 선량급락을 보여준다.

본 발명을 따를 때, 현재의 즉발감마선의 검출시스템은 약 500kg으로 병원에 서 환자치료를 위해 일상적으로 치료실로 옮겨 사용하고, 사용하지 않을 때 다른 장소에 보관하는 방식으로 사용하기 어려울 뿐만 아니라 부피가 크기 때문에 치료실에서 적절하게 위치시켜 사용하기 어려운 문제가 있고, 이처럼 중성자 차폐물질이 큰 이유는 중성자와 중성자에 의해서 발생한 백그라운드 감마선을 차폐하기 위한 것이지만. 본 발명에서는 백그라운드 감마선을 차폐에 의하지 않고 선별준위를 통해서 줄이고자 하였으며, 검출기에 들어오는 감마선중 중성자 백그라운드 감마선을 선별하여 제거하고, 즉발감마선만을 취하도록 하는 것이다.

이에, 본 발명은 즉발감마선의 분포를 측정함으로써 양성자 빔이 인체 내에서 브래그피크의 위치에서 에너지를 전달하였는지 알아내는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 즉발감마선 검출시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 즉발감마선 검출시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 3은 콜리메이션 홀을 통해 PGS의 섬광검출기로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선으로 인한 백그라운드 감마선 스펙트럼을 비교한 그래프이다.

도 4a는 콜리메이션 홀만을 통해 PGS의 섬광검출기로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 PGS 구조물질에서 중성자와 중성자에 의한 2차 감마선에 의해 발생된 백그라운드 감마선의 비를 보여주는 그래프이다.

도 4b는 콜리메이션 홀만을 통해 PGS의 섬광검출기로 직접 입사하는 즉발감마선(Net prompt gamma)과 총 감마선의 비를 보여주는 그래프이다.

도 5는 PGS시스템을 사용한 100 MeV 양성자 빔의 물 팬텀 내 비정 측정 시, 선별준위에 따른 즉발감마선의 선량분포 변화를 보여주는 그래프이다.

도 6은 MCNPX 코드를 사용한 80 MeV 양성자 빔의 물팬텀 내 깊이에 따른 선량분포(PDD)와 PGS-L를 사용한 즉발감마선분포를 보여주는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법을 보여주는 흐름도이다.

도 8a는 6MV의 에너지를 가지는 감마선의 매질내 선량분포 곡선과 여러 에너 지를 가지는 양성자 빔의 매질 내 선량 분포를 나타낸 그래프이다.

도 8b는 인체 내에서 양성자 빔이 전달하는 선량분포를 나타낸 그래프이다.

도 9는 이온빔에 원자핵과 반응하는 매카니즘을 도식적으로 보여주는 도면이다.

Claims

제 1영역과 제 2영역이 형성되고, 그 일측과 타측을 관통하는 관통홀이 형성된 케이스;

상기 제 1영역에 위치되는 감속부;

상기 제 2영역에 위치되는 흡수부;

상기 제 2영역에 위치되되, 상기 흡수부의 내부에 위치되는 차폐부; 및

상기 관통홀을 통과한 즉발감마선을 검출하여 선량을 측정하는 측정부를 포함하는 즉발감마선 검출시스템.
제1항에 있어서,

상기 감속부는 파라핀으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출시스템.
제1항에 있어서,

상기 흡수부는 보론카바이드로 이루어지고, 상기 차폐부는 납으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출기.
제1항에 있어서,

상기 관통홀은 직사각형상의 홀인 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출시스 템.
제 1'영역과 제 2'영역이 형성되는 케이스;

상기 제 1'영역에 위치되는 차폐부;

상기 제 2'영역에 위치되는 광증배관;

상기 광증배관의 일측에 위치되는 섬광검출부; 및

상기 섬광검출부가 상기 케이스의 외부로 노출되도록 안내하는 콜리메이션홀을 포함하는 즉발감마선 검출시스템.
제5항에 있어서,

상기 차폐부는 납으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출시스템.
매질로 양성자빔을 조사하는 제 1단계;

상기 매질의 내부에서 핵반응 되어 발생되는 즉발감마선이 상기 양성자빔의 경로를 기준으로 직각으로 경로가 형성되어 콜리메이션홀로 유입되는 제 2단계;

상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼과 상기 콜리메이션홀 이외의 공간에서 오는 백그라운드 감마선 스펙트럼을 평가하는 제 3단계를 포함하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항에 있어서,

상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘리도록 하여 양성자 선량급락지점을 결정하는 제 4단계를 더 포함하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항에 있어서,

상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '0'일 때 측정되는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항에 있어서,

상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 계산되는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항 또는 제10항에 있어서,

상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 총 감마선 스펙트럼에서 importance 값이 '0'일 때의 즉발감마선을 차감한 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항에 있어서,

상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 총 감마선 스펙트럼을 측정하는 단계를 더 포함하되,

상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 총 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 측정되는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제7항에 있어서,

상기 양성자빔은 상기 매질로 수직으로 조사되며, 상기 조사된 이후에 상기 매질의 일정 깊이 간격으로 선별준위에 따라 상기 즉발감마선의 선량분포를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
제8항에 있어서,

상기 제 4단계는 상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘리도록 조절하여 상기 양성자 선량급락지점을 결정하는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.
매질로 양성자빔을 조사하는 제 1단계와, 상기 매질의 내부에서 핵반응 되어 발생되는 즉발감마선이 상기 양성자빔의 경로를 기준으로 직각으로 경로가 형성되어 콜리메이션홀로 유입되는 제 2단계와, 상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼과 상기 콜리메이션홀 이외의 공간에서 오는 백그라운드 감마선 스펙트럼을 평가하는 제 3단계, 상기 백그라운드 감마선을 줄이고 상기 즉발감마선의 수를 늘리도록 하여 양성자 선량급락지점을 결정하는 제 4단계를 포함하되,

상기 콜리메이션홀로 유입되는 즉발감마선의 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '0'일 때 측정되고, 상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 백그라운드 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 측정된 총 스펙트럼에서 importance 값이 '0'일때의 즉발감마선을 차감한 값이며, 상기 콜리메이션홀의 외측부에서의 총 감마선 스펙트럼은 상기 콜리메이션홀의 외측부에 형성되는 중성자 차폐재의 importance 값이 '1'일 때 측정되고, 상기 양성자빔은 상기 매질로 수직으로 조사되며, 상기 조사된 이후에 상기 매질의 일정 깊이 간격으로 선별준위에 따라 상기 즉발감마선의 선량분포를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 즉발감마선 검출을 위한 선별준위 결정방법.