KR20140061271A - Mri와 방사선 병용 치료 시스템 - Google Patents

Mri와 방사선 병용 치료 시스템 Download PDF

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Abstract

MRI와 방사선 병용 치료 시스템은 MRI 이미지 장비 및 방사선 치료 장비를 포함한다. MRI 이미지 장비는 축선을 따라 동축으로 배열되는 다수의 주 자석 코일(104)들을 포함하는 차폐된 솔레노이드 자석(10), 및 상기 주 자석 코일들보다 축선으로부터 더 큰 반경에서 상기 축선과 동축으로 배열되는 자기 차폐 장치를 포함한다. 방사선 치료 장비는 상기 축선에 평행한 전자 빔 경로에 배열되는 선형 전자 가속기(9), 빔 편향 장치(17) 및 방사선 빔을 발생시키기 위한 타겟(9)을 자체적으로 포함하는 LINAC 조립체를 포함한다. 선형 전자 가속기는 주 자석 코일(104)들과 자기 차폐 장치 사이의 반경 방향으로의 위치에 위치된다.

Description

MRI와 방사선 병용 치료 시스템 {COMBINED ＭＲＩ AND RADIATION THERAPY SYSTEM}
본 발명은 MRI와 방사선 병용 치료 장비에 관한 것이다.
MRI와 방사선 병용 치료 장비의 특정 예들이 공지되어 있으나, 특정 단점들을 겪고 있다. 본 발명은 이들 단점들의 적어도 몇몇을 다룬다.
방사선 치료는 통상적으로, 환자의 암 조직들을 겨냥하기 위해 감마 방사선 등을 사용한다. 그와 같은 방사선은 가속기에 의해 발생되고 적합한 타겟에 조준되는 전자 빔을 사용하거나 코발트-60과 같은 적합한 방사성 동위원소를 함유하는 방사선 소스를 사용하여 발생될 수 있다.
코발트-60 소스의 사용은 저장, 및 작동자들에 의한 과다-노출의 방지에 난점들을 포함한다. 그와 같은 소스들의 방호(screening)는 단지, 납 또는 텅스텐과 같은 상당한 양의 조밀한 재료에 의해서만 달성될 수 있다. 그와 같은 소스들은 간단하고 MRI와 방사선 병용 치료 시스템에서 직면하게 되는 것과 같은 자기장들에 의해 영향을 받지 않는다. 그러나 생성된 방사선은 상대적으로 낮은 에너지를 가지며 세기-조절되지도 않는다.
전자 빔 가속에 의한 적합한 타겟에의 방사선 발생은 고-에너지 광자들을 생성할 수 있게 하는 장점들을 가지며 세기 조절도 될 수 있다.
통상적으로 선형 가속기들인, 전자 빔을 생성하는데 요구되는 가속기들은 횡방향 자기장들에 매우 민감하며, 이는 MRI 장비와 이들의 합체를 어렵게 만든다. 자기장은 가속기들 내의 전자 빔의 경로를 편향시켜서, 그와 같은 방사선 소스들의 효율을 무효화한다.
선형 전자 가속기(LINAC)가 MRI 시스템에 내장될 수 있게 하고 MRI와 방사선 병용 치료에 사용되는 예시적인 장치가 WO 2003008986 호로부터 공지되어 있으며 이는 반경방향으로 정렬된 LINAC를 사용한다. LINAC 및 그의 관련 타겟은 저온용기 내의 틈 또는 투명 창을 통해 방사선 빔을 투사하도록 초전도 MRI 자석의 코일들 사이에 배열된다. 반경방향으로 정렬된 LINAC는 자석의 중간-평면에 배열되며 자석 주위에 많은 공간을 요구하는데, 이는 많은 설치들에 대해 이를 비실용적으로 만든다. 주 자석의 자기장은 LINAC에 횡방향이며 전자 빔 경로와 간섭된다. 단지 상대적으로 낮은 주 자기장 강도(자속 밀도)만이 묵인될 수 있다.
MRI와 방사선 병용 치료 장비의 더욱 소형화된 장치가 미국 특허 공보 US 2011/0213239 A1호, 국제 특허 공보 WO 2012049466 호 및 영국 특허 GB 2484529 호 에 설명되어 있다. 이러한 장치에서, 선형 가속기(LINAC)는 자석의 축선에 평행하게 배열되며 MRI 시스템의 주 자기장 코일들과 경사 코일들 사이에 위치된다. 자석의 축선에 평행한 축방향 경로로부터 자석의 축선에 수직한 반경방향 경로로 그 후에 적합한 타겟 상으로 발생된 전자 빔을 편향시키기 위해서 빔 조정 장치들이 제공된다. 따라서 LINAC과 타겟은 상대적으로 강한 자기장 내에 침지된다.
도 1은 WO 2012049466 호, US 2011/0213239 A1호 및 GB 2484529 호의 도 1에 대응한다. 이는 자기 공명 이미징 부분(3) 및 방사선 치료 부분(5)을 갖는 자기 공명 유닛(1)과 종래의 병용 방사선 치료의 개략적인 묘사를 도시한다. 자기 공명 이미징 부분(3)은 주 자석(10), 이 경우에 두 개의 대칭의 부분 경사 코일(21A,21B)들을 포함하는 경사 코일 시스템, 고주파수 코일(14)들, 예를 들어 두 부분들의 본체 코일(14A,14B), 및 환자 침대(6)를 포함한다. 자기 공명 이미징 부분의 모든 이들 구성요소들은 제어 유닛(31) 그리고 작동 및 디스플레이 콘솔(32)에 연결된다.
주 자석(10)과 부분 경사 코일(21A,21B)들 모두는 본질적으로 중공형 실린더처럼 성형되며 수평 축선(15) 주위에 동축으로 배열된다. 주 자석(10)의 내측 외피는 내부에 방사선 치료 부분(5), 경사 시스템, 고주파수 코일(14) 및 환자 침대(6)가 배열되는 실린더 형상의 내측부(7)를 [축선(15)에 수직한]반경방향 방향으로 제한한다. 더욱 정밀하게, 방사선 치료 부분(5)은 경사 코일 시스템(21A,21B)의 반경방향 외측 측면과 주 자석(10)의 하우징의 반경방향 내측 지향 표면 사이의 내측부(7)에 위치된다.
자석 코일들 이외에도, 주 자석(10)은 지지대들, 하우징 등과 같은 추가의 구조적 요소들을 포함하며 자기 공명 이미징에 필요한 균질한 주 자기장을 발생한다. 도시된 예에서, 주 자기장의 방향은 수평 축선(15)에 평행하다. 고주파수 코일(14)은 환자 내의 핵 스핀들을 여기시키는데 사용된다. 여기된 핵 스핀들에 의해 방출된 신호들은 고주파수 코일(14)들에 의해 수신된다.
각각의 경우에 축방향으로 이격된 부분 경사 코일(21A,21B)들은 각각의 경우에 차폐물(27)에 의해 완전히 둘러싸인 경사 코일(20)들을 포함한다. 경사 코일(20)은 3 개의 공간 방향들로 자기 공명 신호들의 로케이션-코딩(location coding)을 위해 그리고 선택적인 층의 여기를 위해 경사 자기장들을 발생시키는 개별적인 경사 코일들 및 지지대들을 포함한다.
방사선 치료 부분(5)은 갠트리(8) 상에 배열되며 선형 전자 가속기(LINAC)(9), 빔 편향 장치(17), 타겟 애노드(19), 균질화 본체(22) 및 시준기(23)를 포함한다. 갠트리(8)는 관통-구멍(파선들)의 역할을 할 수 있으며, 그 관통-구멍에 의해서 갠트리를 통과하여 자기 공명 이미징(3) 부분으로의 접근이 가능하다.
LINAC(9)는 주 자석(10)의 축선(15)에 평행하게 가속되는 전자 빔(13)을 발생시키는 전자 소스(11), 예를 들어 텅스텐 캐소드를 포함한다. LINAC(9)가 펄스형 전자 빔(13)을 발생시키면, 그것은 연속 전자 빔을 제공하도록 설계된 것보다 더욱 소형으로 만들질 수 있다. 예를 들어, LINAC(9)은 5 ms마다 5 ㎲의 길이를 갖는 전자 빔 펄스들을 발생시킬 수 있다.
전자 빔(13)의 전자들은 LINAC(9)의 실린더 형상의 중공형 전도체들 내의 교류 전기장들에 의해 가속된다. 전자 빔(13)의 전자들은 수 MeV의 크기까지 활성화되도록 가속된다. LINAC(9)은 교류 전기장들 및 전자 소스(11)를 제어하기 위해서 가속기 제어 유닛(12)에 연결된다.
전자 빔(13)은 전자 소스와 대향하는 단부에서 LINAC(9)를 이탈하며 축선(15)을 향해 반경방향 내측으로 빔 편향 장치(17)에 의해 90도까지 편향된다. 이런 목적을 위해, 빔 편향 장치(17)는 주변 자기장들과의 바람직하지 않은 간섭을 방지하기 위해 비-강자성 재료들로 만들어진 전자석으로서 구성된 자석을 포함할 수 있다.
작은 공간에 펄스형 전자 빔(13)을 편향시킬 수 있게 하기 위해서, 빔 편향 장치(17)는 강한 자기장들을 발생시켜야 한다. 동력 손실을 감소시키기 위해서, 빔 편향 장치(17)의 자기장은 펄스형 전자 빔(13)와 동기화되는 펄스형 전자기장이다. 이런 목적을 위해서 빔 편향 장치(17)는 가속기 제어 유닛(12)에 또한 연결되는 빔 편향 제어 유닛(18)에 연결된다.
편향된 전자 빔(13)은 타겟 애노드(19)와 충돌하며 빔 경로를 따라 빔 연장부 내의 타겟 애노드로부터 나오는 방사선 빔을 발생시킨다. 방사선 빔은 균질화 본체(22)에 의해 균질화된다.
시준기(23)는 타겟 애노드(19) 이후의 빔 경로 내의 이격된 부분 경사 코일(21A,21B)들 사이에서 환형 슬롯 내에 배열된다. 이와 같이 달성된 조사 타겟에 대한 근접도는 방사선 발광 및 시준기(23)의 효율을 개선한다.
시준기(23)는 방사선 빔의 방향 및 방사선 빔의 횡단면이 영향을 받을 수 있게 한다. 이런 목적을 위해서 시준기(23)는 바람직하게 이동가능한 조정기(24)들과 합체되며, 이는 방사선 빔이 단지 특정 방향으로만, 예를 들어 단지 반경방향 방향(26)에 평행하거나 빔 축선(26)으로부터 각도(α)까지 이격되게 통과할 수 있게 하며 특정 횡단면을 가진다. 이는 또한, 방사선 빔들이 반경방향 빔 축선 방향(26)에 평행하게 통과하지 못하게 하고 반경방향 방향(26)으로부터 특정 각도들로 각진 방사선 빔들만이 통과될 수 있는 방식으로 시준기(23)의 조정기(24)들을 설정하는 것이 가능하다. 조정기(24)들을 제어하기 위해서, 시준기(23)는 시준기 제어 유닛(25)에 연결된다. 그와 같은 시준기들은 적절히 공지되어 있다. 예로서, 다엽(multi-leaf) 시준기들에 대해 참고가 만들어질 수 있다. 이들은 세기 조절되는 방사선 치료(IMRT)를 수행하는 것을 가능하게 하며, 여기서 방사선 빔의 크기, 형상 및 세기가 방사선 타겟에 대해 최적으로 적응될 수 있다. 특히 IMRT는 또한 방사선 치료 기기의 회전 축선의 외측에 방사선 중심이 위치될 수 있게 한다.
방사선 빔은 시험 물체, 이 경우에는 환자(P)를 관통하며, 방사선 빔 경로는 자기 공명 이미징 부분(3)의 진단 (이미징) 용적(D)을 통해 연장한다. 방사선 타겟 용적 외측의 방사선 국부 선량을 최소화하기 위해서, 방사선 치료 부분은 주 자기장의 축선(15) 주위에서 회전한다. 그 결과, 전체 선량이 단지 방사선 중심(B)에만 가해진다. 시준기(23)는 방사선 빔의 횡단면을 매 회전 중에 방사선 타겟의 실제 윤곽에 일정하게 적응시킨다. 갠트리(8)는 방사선 치료 부분의 회전을 위해 구성된다. 갠트리 제어 유닛(29)은 방사선 치료 부분(5)의 운동을 제어한다. 예로서 방사선 치료 부분(5)은 180도까지의 회전 이후에 방사선 치료 부분(5')으로서 도시되어 있다.
갠트리 제어 유닛(29), 시준기 제어 유닛(25), 빔 편향 제어 유닛(18), 가속기 제어 유닛(12) 및 제어 유닛(31)은 서로에 연결되어서, 자기 공명 이미징 부분에 의해 수집된 진단 데이터, 예를 들어 방사선 타겟의 3차원 형상, 방사선 치료 부분의 회전 위치뿐만 아니라 전술한 펄스형 빔들의 발생 및 방사선 빔의 횡단면 및 방향에 대한 시준기 설정치들이 서로 조화된다.
환자 침대(6)는 바람직하게, 3 개의 공간 방향들로 이동가능하여서 방사선의 타겟 구역이 방사선 중심(B) 내에 정밀하게 위치될 수 있다. 이런 목적을 위해 제어 유닛(31)은 환자 침대의 운동을 제어하기 위해 편리하게 구성된다.
그러나, 이러한 공지된 장치는 특정 단점들을 겪는다. LINAC(9)과 타겟(19)을 주 자석(10) 내에 위치시킴으로써, 주 자석의 코일들은 상대적으로 큰 직경이어야 하며, LINAC 및 타겟은 시스템의 전체 크기를 허용가능한 직경으로 유지하기 위해서 주 자석 코일들에 가깝게 위치되어야 한다. 이러한 장치의 작동은 실험적으로 입증되었지만, 단지 LINAC(9)에 의해 체험되는 자기장만이 충분한 균질도를 갖는다는 것이 입증되었다. 이는 LINAC이 주 자석 코일들에 가깝게 위치될 때 달성하는 것을 어렵게 하는데, 이는 전자 빔 품질이 자기장 방위 및 강도의 편차들로 인해 전자 빔에 의해 체험되는 자기장의 편차들에 의해 열화될 수 있기 때문이다. 자기 공명 이미징 부분은 중심 이미징 영역에 균질한 자기장을 발생시키도록 설계되며, LINAC(9)에 의해 점유된 용적 내의 자기장은 다소 덜 균질하다. 자기장은 주 자석(10)의 보어에서는 강력할 것이나, 그 영역 내의 자기장 선들은 특히 자석의 단부 근처에서 실제로 평행하지 않을 것이며, 빔의 약간의 편향 및 분산이 초래될 것이다.
도 1의 장치는 방사선 치료 장비에 관례적이고 유리하게 제공되는 다엽 시준기(MLC)와 같은 방사선 빔 성형 장치들을 위한 많은 공간을 허용하지 못한다.
따라서 본 발명은 이들 단점들의 적어도 몇몇을 다루며 첨부된 특허청구범위들에서 규정된 바와 같은 MRI와 방사선 병용 치료 장비를 제공한다.
본 발명의 전술한, 그리고 추가의 목적들, 장점들 및 특징들은 비-한정적인 예들로 주어진 본 발명의 특정 실시예들의 다음 설명으로부터 더욱더 자명해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 MRI/방사선 병용 치료 시스템을 예시하며,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MRI와 방사선 병용 치료 시스템(2)을 도시하며,
도 3은 그와 같은 자석의 예시적 디자인을 절반-횡단면으로 도시하며,
도 4는 도 3의 디자인의 주 자석 코일들 및 차폐 코일들의 3차원 묘사를 도시하며,
도 5는 그와 같은 디자인의 자석을 더욱 완전한 상태로 도시하며,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 MRI 자석과 방사선 병용 치료 LINAC 조립체의 3차원 묘사를 예시한다.
본 발명에 따라서, 전자 빔을 발생시키는데 요구되고, 차례로 방사선 빔을 발생시키는데 요구되는 LINAC가 주 자석의 반경방향 외측에 위치되며, 따라서 주 자석 코일들의 직경이 감소될 수 있게 허용한다.
본 발명은 능동적으로 차폐되는 솔레노이드 자석들에 적용될 수 있으며, 여기서 주 자석 코일들과 동축으로 배열되지만 주 자석 코일들보다 더 큰 직경의 차폐 코일들은 주 자석 코일들에 의해 전류가 운반되는 것에 비해서 대향 방향으로 전류를 운반한다. 본 기술 분야의 당업자들에게 잘 공지되었듯이, 그와 같은 차폐 코일들은 MRI 시스템 주위의 표류 자기장의 크기를 감소시킨다. 바람직하게, LINAC는 주 자석 코일들의 반경방향 외측 표면과 차폐 코일들의 반경방향 내측 표면 사이에 반경방향으로 위치되는 주 자석의 축선에 평행하게 배열된다. 이런 방식으로, 본 발명의 MRI와 방사선 병용 치료 장비는 필적할만한 MRI 시스템의 외경과 유사한 외경을 가져서, 종래의 MRI와 방사선 병용 치료 시스템에는 비실용적일 위치들에 설치를 허용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MRI와 방사선 병용 치료 장비(2)를 도시한다. 주 자석(10)에는 방사선 빔이 방사선 중심(B)에 있는 환자(P)에 도달하는 것을 허용하기 위해 주 자석의 코일들 사이에서 그리고 저온용기를 통과하는 "레터박스" 슬롯(100)들이 제공된다. 거기에는 방사선 빔의 통행에 이용되지 않는, 예를 들어 기계식 지지 필러들이 주 자석(50)의 두 개의 부분들을 함께 결합하나, 양호한 작동 범위가 어려움 없이 제공될 수 있는 몇몇 원주 위치들이 있을 수 있다. LINAC(9), 타겟(9) 및 시준기(23)가 주 자석(10)의 반경방향 외측, 그러나 차폐 코일(102)들의 반경방향 내측에 제공된다. 본 발명의 실시예에서, 차폐 코일들은 주 자석과 동일한 저온용기 내측에 놓이며, LINAC(9)과 관련 장비를 수용하기 위한 오목부가 저온용기 내에 형성된다. 갠트리(8)는 축선(15)을 중심으로 회전할 수 있어서 방사선 빔이 임의의 각도로부터 방사선 중심(B)으로 가해질 수 있게 한다. 주 자석(10)의 원주 주위의 간격들에서, 도 2에 도시된 두 개의 부분들이 결합될 수 있어서, 기계식 지지대들이 주 자석의 코일들을 링크하고 이들의 요구되는 상대 위치들에 주 자석 코일들을 유지하는 것을 허용한다. 대체 실시예들에서, LINAC 및 관련 장비는 주 자석에 대해 제위치에 고정될 수 있으며, LINAC 및 관련 장비를 갖춘 주 자석은 바람직한 방향으로부터 방사선 빔을 제공하기 위해 축선(15)을 중심으로 회전될 수 있다.
LINAC가 방사선 중심(B)으로부터 더 멀리 반경방향으로 위치될 때, 도 1의 종래 기술의 시스템에 사용된 것과 유사한 시준기(23)는 본 발명에 따라 사용될 때, 주어진 빔 각도(α)에 대해 환자의 더 넓은 비율에 걸쳐서 치료 빔을 지향시킬 수 있는데, 이는 시준기(23)가 방사선 중심(B) 및 축선(15)으로부터 더 멀리 반경방향으로 위치되기 때문이다. 다른 한편으로, 도 1에 예시된 바와 같이 종래 기술과 동일한 방사선 중심(B)을 커버하는데에는 더 작은 빔 각도(α')가 요구된다.
이러한 장치는 도 1의 종래 기술의 장치의 경우였던 것보다 다엽 시준기(23)와 같은 LINAC 및 관련 장비를 위한 상당히 더 많는 공간을 제공한다. 주 자석 코일들은 WO 2012049466호, US 2011/0213239 A1호 및 GB 2484529 호의 장치에서보다 직경이 더 작으며, 전체로서의 시스템은 WO 2003008986 호의 예에서보다 훨씬 더 작은 반경방향 공간을 요구한다.
전자 편향기(17)는 간단한 횡방향 자기장, 또는 US 2011/0213239 A1호, 또는 WO 2012049466호 및 GB 2484529 호에서 제공된 것과 같은 코일들의 배열을 제공할 수 있다. 영구 자석들이 상당한 표류 자기장을 발생하지 않는 바람직하게, 할바흐 배열(Halbach array)로 사용될 수 있다. 빔 포커싱 요소들이 유리하게 제공될 수 있다.
주 자석과 차폐 코일들 사이에 LINAC를 위치시키는 것의 다른 장점은 LINAC가 아래에서 더 상세히 설명되듯이, 낮은 자기장 강도의 영역 내에 위치된다는 점이다. 차폐 코일(102)들의 신중한 디자인에 의해, LINAC(9)에 의해 체험되는 자기장은 가속기(13) 내에 전자 빔의 경로에 평행하게 배열될 수 있으며, 따라서 전자 빔은 주 자석(10) 또는 차폐 코일(102)들의 자기장에 의해서 편향되지 않을 것이다.
차폐 코일(102)들은 주 자석(10)의 주 코일들에 의해 운반되는 전류에 대해 대향 방향으로 전류를 운반한다. 이들은 차폐 코일들의 외측의 표류 자기장을 감소시키는 대향 자기장을 발생시키며, 주 자기장의 복귀 경로를 자석(10)과 차폐 코일(102)들 사이로 지향시킨다. 이러한 영역 내의 자기장 선들은 주 자석의 보어의 단부에 있는 것보다 더 평행하며, 자기장 강도가 더 낮다. LINAC(9)을 이러한 낮은 강도의 더 평행한 자기장의 영역 내에 위치시킴으로써, 빔(13) 상의 배경 자기장의 영향이 감소된다. 바람직하게, 본 발명에 있어서 LINAC는 빔(13)의 방향에 평행한 자기장을 체험한다.
자기 공명 이미징의 작동에 대한 그의 간섭을 감소시키기 위해서 RF 차폐물이 LINAC의 주위에 제공될 수 있다.
다엽 시준기(23)의 위치선정을 위해 더 많은 공간이 이용될 수 있으며, 따라서 이는 종래 기술의 장치에서 수용될 수 있는 것보다 더 많은 리프(leaf)들을 갖는 양호한 시준기일 수 있다. 본 발명의 장치의 시준기에 의해서 체험된 자기장이 도 1에 도시된 것과 같은 종래 장치들의 시준기에 의해 체험된 것보다 더 낮은 강도를 갖기 때문에, 본 발명의 시준기(23)는 주 자석(10)의 자기장에서 더욱 용이하게 작동될 수 있다.
주 자석(10) 근처에 LINAC(9)과 관련 장비의 존재는 이미징 영역 내에 자기장의 일부 왜곡을 초래할 것이다. 본 발명에 따라서, LINAC은 이미징 영역으로부터 더 멀리 위치되며, 따라서 이미징 영역 내의 자기장에 더 적은 영향을 가진다. 이는 LINAC이 이미징 영역에 훨씬 더 가까운 도 1과 같은 종래의 장치들의 경우에서보다, 예를 들어 종래의 심밍 기술(shimming technique)들에 의해 나머지 영향을 보상하는 것이 상대적으로 간단한 일일 것이다.
바람직하게, LINAC 및 전자 빔 편향기(17)는 전자 빔이 단일 평면 내에 남아 있도록 배열된다. 이는 전자 빔의 제어에 대한 모델링을 간단화한다. 그러나, US 2011/0213239 A1호에서 인용된 것과 같은 다른 편향기들이 대신에 사용될 수 있다.
빔 편향 장치(17)는 하나 또는 그 초과의 영구 자석들에 의해 제공될 수 있다. 그와 같은 자석들이 이미징 필드를 왜곡시킬 강한 자기장을 제공할 것이지만, 그와 같은 왜곡은 정적이고 종래의 심밍 방법들을 사용하기 위해 보정하는 것이 상대적으로 간단해야 한다. 펄스형 전자석이 사용되면, 냉각 장치 및 고주파수들에서 요구되는 전류를 스위칭할 수 있는 동력 공급원과 함께, 전자석으로 전류를 운반하는데 전류 피드 쓰루(current feed through)들이 요구될 것이다. 그와 같은 전자석에 대한 전류의 고주파수 스위칭은 기계식 진동을, 그리고 따라서 환자에게 불쾌한 음향 소음을 유발할 수 있으며 장비에 대한 기계적 열화를 유발할 수 있다. 이러한 진동의 일부는 진공 용기 내에 LINAC를 감쌈으로써 완충될 수 있으나, 빔 편향 장치(17)를 위한 영구 자석을 사용하는 것이 그리고 종래의 심밍에 의해 이미징 필드의 부수적인 왜곡을 보정하는 것이 더 비용-효과적이라는 것을 더 간단히 발견할 수 있다.
대체 실시예들에서, 방사선 빔의 통행을 위해 저온용기 내에 슬롯(100)들을 제공하는 것이 불필요할 수 있다. 적어도 적절한 영역에서 종래의 3 mm 스테인리스 스틸보다는 10 mm 두께의 알루미늄과 같은 적절한 재료로 저온용기가 형성되면, 방사선 빔은 저온용기를 통과하여 지향될 수 있다. 이는 기계적 조립을 훨씬 더 간단하게 할 수 있다.
MRI와 방사선 병용 치료 시스템들에서 관례적이듯이, 본 발명의 MRI 자석은 상대적으로 낮은 강도의 배경 자기장을 제공할 수 있다. 예를 들어, 주 자석은 0.5 T 또는 그 미만의 배경 자기장 강도(자속 밀도)를 제공할 수 있다. 이러한 레벨 및 그 미만의 자기장 강도(자속 밀도)들은 MRI와 방사선 병용 치료 시스템들에서 주변 조직에 대한 손상을 유발하는 경향을 감소시키는 것으로 여겨진다.
예시적인 디자인의 방법은
- LINAC의 중심선을 규정하고 LINAC에 의해 체험된 자기장 강도의 최대 허용가능한 편차를 설정하는 단계,
- 이미징 용적을 억제하는 단계,
- 차폐 코일들이 유효성을 유지하는 것을 보장하도록 표류 자기장을 억제하는 단계,
- 시스템의 디자인 변수에 따라서 코일들의 형상을 억제하는 단계,
- 공지된 선형 최적화 또는 선형 전류 밀도 최적화기 방법들에 기초하여 컴퓨터-보조 최적화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 최적화 방법들, 예를 들어 단순 방법에 기초한 전류 밀도 최적화기가 사용될 수 있다.
능동형 차폐 코일 디자인
위에서 논의되고 도 2에 도시된 예에서, 능동형 차폐 코일(102)들이 제공된다.
차폐 코일(102)들이 "완벽한" 차폐를 제공한다고 가정하면, 솔레노이드 주 자석(10)의 보어 내측의 자속의 양은 주 코일들과 차폐 코일들 사이의 자속의 양과 동등하다. 보어 내의 자속은 보어의 횡단면적 전반에 걸쳐 분포되는 반면에, 주 자석 코일들과 차폐 코일들 사이의 자속은 주 자석 코일들과 차폐 코일들 사이의 영역의 환형 횡단면 전체에 걸쳐 분포된다.
보어 내의 자속 밀도가 B0인 경우에, 주 자석 코일들과 차폐 코일들 사이의 영역 내의 자속 밀도는 Ba이며, RO는 주 자석 코일들의 평균 반경이며, RS는 차폐 코일들의 평균 반경이다.
Figure pat00001

예를 들어, RS = 2RO 이면, Ba = -B0/3이다. 본 발명의 장치는 도 1의 종래 기술에서 LINAC에 의해 체험된 그의 자기장 강도의 1/3의 영역 내에 LINAC(9)을 위치시킨다. B0 = 0.5T인 경우의 예시적인 자석에서, 복귀 자속 밀도 Ba = -166 mT이다. 이러한 자속 밀도의 자기장에서, 다엽 시준기의 리프(leaf)들을 위한 구동 모터들은 국부적으로 차폐될 수 있으며, 이는 MRI와 방사선 병용 치료 시스템에 다엽 조준기를 제공하는데 실용적인 제안이 될 수 있어서, 방사선 빔의 능동적인 성형화가 가능하다.
적절한 자석 디자인은 LINAC에 따른 자기장이 최소값과 최대값 사이에 억제되는 간단한 전류 밀도 최적화기를 사용하여 달성될 수 있다.
도 3은 그와 같은 자석의 예시적 디자인을 축선(15)을 중심으로 대칭인 절반-횡단면으로 도시한다. 도 3으로부터 명료하듯이, 각각 상대적으로 몇몇의 권선(turn)들만을 갖는, 차폐 코일(102)들의 보통의 수보다 더 많은 코일들이 제공된다. 이는 주 자석 코일(104)들과 차폐 코일(102)들 사이의 영역 내에 있는 자기장이 LINAC와 타겟 조립체(5)의 영역에서 상대적으로 균질하게 될 수 있게 한다. 방향(Z)은 자석의 중간 평면으로부터의 축방향 거리 및 빔 경로(26)를 나타낸다. 방향(R)은 축선(15)으로부터의 반경방향 거리를 나타낸다. 상기 디자인은 또한, 자기장 차폐에 대한 특별 기준들, 통상적으로 자석의 중심점으로부터 반경방향으로 2.5 m 그리고 축방향으로 4.5 m의 거리에서 5 가우스보다 크지않도록 표류 자기장을 억제하는 것을 만족해야 한다.
도 4는 도 3의 디자인의 주 자석 코일(104)들 및 차폐 코일들의 3차원 묘사를 도시한다.
도 5는 그와 같은 디자인의 자석을 더 완전한 상태로 도시한다. 주 자석 코일들은 내측 저온용기(106) 내에 위치되는 반면에, 차폐 코일들은 외측 저온용기(108) 내에 위치된다. 경사 코일 조립체(20)는 내측 저온용기(106)의 보어 내부에 제공된다. LINAC, 그의 타겟 및 관련 장비는 내측 저온용기와 외측 저온용기 사이에 반경방향으로 위치되는 도면 부호 5에 제공된다. RF(본체) 코일들 및 환자는 시스템이 이미징 및 방사선 치료 처리에 사용될 때 경사 코일 조립체(20)의 보어 내에 위치될 것이다. 몇몇 실시예들에서, "레터박스" 슬롯들과 같은 갭들은 방사선이 조사 센터(B)로의 접근을 허용하기 위해서 내측 저온용기(106)를 통해서 제공된다. 다른 실시예들에서, 방사선은 저온용기의 재료 내에 형성된 "창"을 통해 지향된다. 그와 같은 "창"은 알루미늄과 같은 상대적으로 낮은 원자 번호를 갖는 재료이다.
LINAC(9), 타겟(19) 및 LINAC 조립체(5) 내의 관련 장비를 포함하는 방사선 소스가 축선(15)을 중심으로 회전될 수 있어야 하는 것이 아주 바람직하다. 이는 여러 대체 방식들로 달성될 수 있다. 예를 들어, LINAC 조립체(5)는 저온용기에 고정될 수 있으며, 전체 조립체는 축선(15)을 중심으로 회전될 수 있다. "레터박스" 슬롯은 방사선 빔의 경로를 수용하도록 내측 저온용기를 통해서 제공될 수 있다. 이와는 달리, 저온용기들은 제위치에 고정될 수 있는 반면에, LINAC 조립체(5)는 외측 저온용기 내에서 내측 저온용기를 중심으로 회전되도록 배열된다. 적어도 내측 저온용기의 "적도 영역"- 즉, 방사선 빔의 요구되는 모든 경로들을 수용하기에 충분한 원주 대역 -은 방사선에 투과되는 재료로 형성되는 하나 또는 그 초과의 틈들을 포함하며 주 자석 코일들이 없다. 이는 알루미늄의 저온용기(106)를 형성하고, 수지-함침된 탄소 섬유, 탄소 기질 내의 탄소 섬유 또는 TUFNOL(등록상표) 박층들과 같은 복합 재료의 필요한 내측 코일 지지 구조물을 형성함으로써 편리하게 달성될 수 있다. 선택된 복합 재료는 예상된 방사선에 노출될 때 구조적 열화를 겪지 않을 것을 보장하기 위해 복합재료의 방사선 경도에 대해 평가되어야 한다.
수동형 차폐의 예
일련의 대체 실시예들에서, LINAC 조립체에 의해 체험된 자기장의 균질화 및 자기 차폐는 차폐 코일들이 아닌 수동형 차폐 장치들에 의해 제공된다.
도 6은 본 발명의 그와 같은 실시예에 따른 MRI 자석과 방사선 병용 치료 LINAC 조립체의 3차원 묘사를 예시한다.
도 5의 특징들에 대응하는 이들 특징들은 대응하는 참조 번호들을 소유한다. 저온용기 내의 능동형 차폐 코일들 대신에, 도 6의 실시예는 타겟 및 관련 장비를 수용하도록 그 내측으로 절단된 반경방향 구멍을 갖는, LINAC 조립체(5) 주위에 배열되는 강자성 튜브(110)를 포함한다. 이러한 강자성 튜브는 LINAC의 고주파수 간헐성 전자 빔이 이미징 시스템과 간섭하는 것을 방지한다. 이는 또한, 주 자석의 잔류 자기장이 LINAC의 적절한 작동을 손상시키지 않게 하는 것을 보장하도록 주 자석(10)의 자기장으로부터 LINAC 조립체(5)를 격리시킨다. 그와 같은 튜브는 상당히 클(예를 들어, 50 mm 또는 그보다 큰 벽 두께를 가질) 필요가 있다. 이는 주 자석의 이미징 필드를 변형시키며 표류 자기장을 억제한다. 주 자기장의 변형을 보정하고 표류 자기장의 효율적인 차폐를 제공하기 위해서, 유사한 강자성 튜브(112)들이 주 자기 코일들을 중심으로 대칭인 선택된 원주 위치들에 놓인다.
도시된 장치에서, 8 개의 유사한 튜브들이 저온용기(106) 주위에 놓인다. 디자인 단계 중에 결정된 것과 같은 다소간의 튜브들이 제공될 수 있다. 대칭을 위해, 모든 강자성 튜브(110,112)들은 강자성 튜브(110) 내에 타겟과 관련 장비를 수용하도록 제공되는 것과 유사한 구멍(114)들을 가질 수 있다. 구멍들은 바람직하게, 방사선 경로(26)의 축방향 위치 및 자석의 축방향 중심 평면과 정렬된다. 이와는 달리, 구멍들은 이미징 필드의 균질화를 돕도록 인접 튜브들에 대해 교대로, 중앙 지점을 중심으로 대칭인 축방향 위치들에 있을 수 있다.
더 간단한 버전에서, 추가의 강자성 튜브(112)들이 모델링에 의해 결정된 수와 위치들에 주 자기 코일들 주위에 놓이는 적합한 치수들의 간단한 강자성 로드들과 함께 놓인다.
본 발명이 제한된 수의 특정 실시예들를 참조하여 설명되었지만, 다수의 변형들 및 수정들은 본 기술분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 예를 들어, 감마선들 또는 x-선들과 같은 상이한 파장들의 방사선이 사용될 수 있다. 빔 성형 및 방향에 대한 상이한 메카니즘들이 사용될 수 있다. 설명되고 예시된 특정한 능동형 및 수동형 차폐 장치들 이외의 차폐 장치들이 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. MRI와 방사선 병용 치료 시스템으로서,
    MRI 이미지 장비, 및
    방사선 치료 장비를 포함하며,
    상기 MRI 이미지 장비는 축선을 따라 동축으로 배열되는 다수의 주 자석 코일(104)들을 포함하는 차폐된 솔레노이드 자석(10), 및 상기 주 자석 코일들보다 축선으로부터 더 큰 반경에서 상기 축선과 동축으로 배열되는 자기 차폐 장치를 포함하며,
    상기 방사선 치료 장비는 상기 축선에 평행한 전자 빔 경로에 배열되는 선형 전자 가속기(9), 빔 편향 장치(17) 및 방사선 빔을 발생시키기 위한 타겟(19)을 자체적으로 포함하는 LINAC 조립체를 포함하는, MRI와 방사선 병용 치료 시스템에 있어서,
    상기 선형 전자 가속기는 주 자석 코일(104)들과 자기 차폐 장치 사이의 반경 방향으로의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차폐 장치는 주 자석 코일들과 동축인 다수의 차폐 코일(102)들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  3. MRI와 방사선 병용 치료 시스템으로서,
    MRI 이미지 장비, 및
    방사선 치료 장비를 포함하며,
    상기 MRI 이미지 장비는 축선을 따라 동축으로 배열되는 다수의 주 자석 코일(104)들을 포함하는 차폐된 솔레노이드 자석(10), 및 상기 주 자석 코일들보다 축선으로부터 더 큰 반경에서 상기 축선과 동축으로 배열되는 자기 차폐 장치를 포함하며,
    상기 방사선 치료 장비는 상기 축선에 평행한 전자 빔 경로에 배열되는 선형 전자 가속기(9), 빔 편향 장치(17) 및 방사선 빔을 발생시키기 위한 타겟(19)을 자체적으로 포함하는 LINAC 조립체를 포함하는, MRI와 방사선 병용 치료 시스템에 있어서,
    상기 자기 차폐 장치는 타겟(19) 및 관련 장비를 수용하도록 그 내측으로 절단된 반경 방향 구멍(114)을 갖는, LINAC 조립체 주위에 배열되는 강자성 튜브(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 차폐 장치는 주 자석 코일들을 중심으로 선택된 원주 위치들에 놓이는 추가의 유사한 강자성 튜브(112)들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 차폐 장치는 주 자석 코일들을 중심으로 선택된 위치들에 놓이는 강자성 로드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 자석 코일들은 저온용기 내부에 수용되며, 주 자석 코일들 사이로 방사선 빔이 통과할 수 있게 하기 위한 슬롯들이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 자석 코일들은 저온용기 내부에 수용되며, 주 자석 코일들 사이로 방사선 빔이 통과할 수 있게 하기 위한, 방사선에 투과되는 재료의 창이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LINAC 조립체는 저온용기 내부에 수용되는 주 자기 코일들을 중심으로 LINAC 조립체가 회전할 수 있게 배열되는 갠트리(8) 상에 장착되며, 방사선 빔의 요구되는 모든 경로들을 수용하기에 충분한 저온용기의 적어도 원주 대역이 방사선에 투과되는 재료로 형성되고 주 자기 코일들이 없는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
  9. 제 2 항에 종속될 때, 제 8 항에 있어서,
    상기 주 코일 및 차폐 코일들은 저온용기 내부에 위치되며, 상기 저온용기에는 그의 회전 경로 전체에 걸쳐서 LINAC 조립체를 수용하기에 충분한, 주 자석 코일들과 차폐 코일들 사이의 반경 방향으로의 위치에 오목부가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    MRI와 방사선 병용 치료 시스템.
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