KR20140126655A - 의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템 - Google Patents

의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 마그네트론(magnetron) 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기의 출력 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 출력 방사선량을 안정적으로 조절할 수 있는 마그네트론 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기는 고주파 발진기로 마그네트론을 이용함으로써 종래 클라이스트론을 이용하는 방식에 비해 소형화할 수 있음은 물론 그 비용 면에 있어서도 효과적이다.

Description

의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템{Medical Linear accelerator radiation dose control method and system}
본 발명은 의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 마그네트론(magnetron) 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기의 출력 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
세기 조절 방사선 치료(Intensity Modulated Radiation Therapy: IMRT)용 선형가속기는 방사선에 치명적인 기관(organs at risk)이 종양에 근접하고 있는 경우에도 세밀한 방사선량 조절을 통해 종양 조직으로는 방사선을 집중시키고 정상 조직으로는 그 영향을 최소화하는 것이 가능한 방사선 치료장치이다.
종래 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기는 전자총으로부터 발생하는 전자의 가속을 위한 마이크로파 증폭기로 출력 방사선량의 조절이 안정적이라고 평가되는 클라이스트론(Klystron)이 통상 이용되고 있으나, 위 클라이스트론은 고비용에 큰 부피를 차지한다는 결점이 있었다.
한편, 위 클라이스트론을 대신하여 전자총으로부터 발생하는 전자의 가속을 위한 마이크로파 발진기로 마그네트론(Magnetron)을 이용하는 경우, 위 마그네트론은 자력 발진기이기 때문에 간단한 구조로 구현가능하며 소형화할 수 있다는 장점은 있으나, 다양한 강도로 출력 방사선량을 제어하기 어려워 세기 조절 방사선 치료에는 적용할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 마그네트론(Magnetron) 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기에 있어 그 출력 방사선량을 안정적으로 조절/제어하는 방법 및 그 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기는, 그리드(grid)로 인가되는 제어 펄스 신호에 따라 캐소드(cathode)로부터 발생된 전자를 도파관으로 방출하는 전자총; 상기 전자총으로부터 방출된 전자의 상기 도파관 내가속을 위한 마그네트론(magnetron) 발진기; 치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 상기 전자총 그리드의 제어 펄스 신호 형태 및 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및 결정된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함한다.
상기 제어부는 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하되, 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 상기 마그네트론 발진기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 온(on) 상태에서 사전 설정된 상기 온(on) 상태보다 전압이 낮은 소정의 다른 전압이 인가되는 오프(off) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있다.
이 경우, 바람직하게는 상기 제어 펄스 신호와 상기 구동 펄스 신호가 동시에 인가되는 펄스의 비율이 50% dose rate 이상일 수 있다.
상기 제어부는 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 오프(off) 상태에서 사전 설정된 상기 오프(off) 상태보다 전압이 높은 소정의 전압이 인가되는 온(on) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있다.
이 경우, 바람직하게는 상기 제어 펄스 신호와 상기 구동 펄스 신호가 동시에 인가되는 펄스의 비율이 50% dose rate 이하일 수 있다.
상기 제어부는 상기 출력 방사선량을 최대화 또는 최소화하기 위해 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 일정 전압 형태로 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하고, 상기 펄스 변조기는 상기 동기화 신호에 기초하여 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마그네트론(magnetron) 발진기가 구비된 선형가속기의 방사선량 제어 방법에 있어서, (a) 치료 계획에 따른 출력 방사선량 정보를 수신하는 단계; (b) 상기 출력 방사선량에 따른 전자총 그리드의 제어 펄스 신호 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 단계; (c) 결정된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하는 단계; (d) 생성된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총 그리드 및 마그네트론 발진기로 인가하는 단계; 및 (e) 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 인가로 인해 출력되는 방사선을 피치료 대상으로 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b)단계는 (b-1) 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하는 단계; 및 (b-2) 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계는 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 동기화하여 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 출력 방사선량을 안정적으로 조절할 수 있는 마그네트론 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기는 고주파 발진기로 마그네트론을 이용함으로써 종래 클라이스트론을 이용하는 방식에 비해 소형화할 수 있음은 물론 그 비용면에 있어서도 효과적이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2의 (a) 내지 (i)는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 방사선량 정보에 기초한 구동 펄스 신호 및 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (i)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 방사선량 정보에 기초한 구동 펄스 신호 및 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 의료용 선형가속기(Linear Accelerator: Linac)의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 마그네트론(magnetron) 발진기가 구비된 세기 조절 방사선 치료(Intensity Modulated Radiation Therapy: IMRT)용 선형가속기의 출력 방사선량 제어 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세기조절 방사선치료용 선형가속기(100)는 전자총(110), 마그네트론 발진기(120), 펄스 변조기(130), 제어부(140) 및 도파관(150)을 포함할 수 있다.
상기 전자총(110, Electron Gun)은 전자관에서의 전자 발생, 전자 빔(Electron beam)의 형성, 발생한 전자의 가속, 집속 및 입력 신호에 따른 전자 빔의 강도를 제어하는 장치로, 상기 전자총(110)은 전자를 발생하는 캐소드(cathode) 및 상기 전자의 발생을 제어하는 그리드(grid)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전자총(110)의 그리드로 인가되는 제어 펄스 신호에 따라 캐소드로부터의 전자 발생 여부가 제어될 수 있으며, 상기 캐소드로부터 발생된 전자는 도파관(150)으로 제공/방출될 수 있다.
상기 마그네트론 발진기(120, Magnetron)는 고주파(micro-wave)를 발진시키기 위한 전자 진공관으로서, 상기 마그네트론 발진기(120)에서 발생한 고주파 에너지가 상기 도파관(150)으로 인가되면 상기 도판관(150)으로 유입된 전자 또는 전자 빔과 상기 고주파 에너지의 상호작용으로 번칭(bunching) 현상을 일으켜 전자가 고속으로 가속될 수 있다.
본 발명에서 상기 마그네트론 발진기(120)는 펄스 변조기(130)로부터 인가되는 구동 펄스 신호에 따라 위 고주파 발생이 제어될 수 있다.
상기 펄스 변조기(130, Pulse Modulator)는 제어부(140)로부터 수신되는 정보에 기초하여 상기 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 및 상기 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 인가할 수 있다.
구체적으로, 상기 펄스 변조기(130)는 제어부(140)로부터 수신되는 펄스 신호 형태에 관한 정보에 기초하여 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 및 상기 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 생성하고, 생성된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총(110)그리드 및 상기 마그네트론 발진기(120)로 인가할 수 있다.
이때, 상기 펄스 변조기(130)는 제어부(140)로부터 수신되는 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호에 기초하여 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총(110) 그리드 및 상기 마그네트론 발진기(120)로 인가할 수 있다.
상기 제어부(140, Micro Control Unit)는 치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 상기 펄스 변조기(130)로부터 생성되는 제어/구동 펄스 신호의 형태(예를 들어, 펄스 신호의 주기, 크기 및 펄스 폭 등)를 결정하고, 상기 제어/구동 펄스 신호간 위상 또는 주파수 조정을 위한 동기화 신호를 생성할 수 있다.
상기 출력 방사선량 정보는 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기(100)를 통해 병변 조직으로는 방사선량을 집중시키고 정상 조직으로는 방사선량을 최소화하도록 하는 치료 계획에 따라 구체적 상황에 부합하도록 설정될 수 있으며, 구체적으로 상기 출력 방사선량 정보는 10% dose 또는 80% dose 등의 최대 출력 방사선량 대비 백분율로 설정될 수 있다.
이때, 상기 출력 방사선량 정보는 도파관(150)에서 가속된 전자가 타겟(target)과 충돌함으로써 발생하는 방사선(예컨대, X-선)량, 방사선 조사 대상의 조직 종류, 조직의 위치, 조직의 밀도 및 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기(100)의 출력 방사선을 조사하는 조사부 헤드의 위치와 환자와의 거리를 고려하여 설정될 수 있다.
한편, 상기 출력 방사선량 정보는 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기(100)와 연동되는 PC(10, personal computer) 등 전자장치를 통해 치료 계획을 수립하는 사용자의 선택에 따라 입력되어 상기 제어부(140)로 전달될 수 있다.
이때, 상기 제어부(140)는 상기 마그네트론 발진기(120)에서의 고주파 발생을 위한 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일 펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하되, 상기 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 출력 방사선량의 크기에 따라 결정함으로써 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양을 제어할 수 있고 이를 통해 출력 방사선량을 임의 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력방사선량의 크기에 따라 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정할 수 있으며, 위 펄스 비율 조절을 정확히 수행하기 위하여 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 위상 또는 주파수 조정을 위한 동기화 신호를 생성할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기(100)는 상기 제어부(140)의 제어 펄스 신호 형태 조절을 통해 전자총(110)으로부터 발생하는 전자 또는 전자 빔의 발생 여부만을 제어하는 것이 아닌 그 세기 조절이 가능할 수 있고, 이로부터 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양 조절이 가능할 수 있어, 결국 위 가속된 전자의 타겟과 충돌함으로써 발생하는 방사선의 출력량 또한 제어할 수 있다.
상기 제어부(140)의 출력 방사선량 제어와 관련하여 새로운 도면을 이용하여 설명한다.
도 2의 (a) 내지 (i)은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 방사선량 정보에 기초한 구동 펄스 신호 및 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 2의 (a)는 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호를 나타내는 도면이며, 도 2의 (b) 내지 (i)는 전자총 그리드의 출력 방사선량에 따른 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 상기 제어부(140)는 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기(T), 단일 펄스 크기(A) 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정할 수 있으며, 펄스 변조기(130)는 상기 결정에 따른 구동 펄스 신호를 생성하여 이를 마그네트론 발진기(120)로 인가할 수 있다.
이때, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력 방사선량의 정보에 따라 상기 마그네트론 발진기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정할 수 있는 것으로, 예컨대, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 온(on) 상태에서 사전 설정된 상기 온(on) 상태보다 전압이 낮은 소정의 다른 전압이 인가되는 오프(off) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있다.
도 2의 (b) 내지 (i)에 나타낸 출력 방사선량 정보에 기초한 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호는 마그네트론 발진기(120)로 도 2의 (a)에 나타낸 구동 펄스 신호가 인가되는 것을 전제로 하며, 상기 제어 펄스의 온(on) 및 오프(off) 신호는 사전 설정된 소정 전압으로 예컨대, 상기 제어 펄스의 온(on) 신호는 144.5V, 오프(off) 신호는 -110V로 구현할 수 있다.
도 2의 (b)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 0% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호의 역 형태 즉, 동시에 온(on)이 되는 비율이 0%인 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 0% dose rate로 제어할 수 있다.
도 2의 (c)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 20% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/5 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 20% dose rate로 제어할 수 있다.
도 2의 (d)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 25% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/4비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 25% dose rate로 제어할 수 있다.
도 2의 (e)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/2 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 50% dose rate로 제어할 수 있다.
이하, 도 2의 (f)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 66.7% dose rate이 설정된 경우, 도 2의 (g)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 75% dose rate이 설정된 경우, 도 2의 (h)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 90% dose rate이 설정된 경우에 있어 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호들은 도면에 나타낸 바와 같이 도 2의 (f)는 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 2/3 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태, 도 2의 (g)는 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 3/4 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태, 도 2의 (h)는 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 9/10 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 해당하는 출력 방사선량을 제어할 수 있다.
도 2의 (i)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 100% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 전자총(110) 그리드로 일정하게 온(on) 신호를 인가함을 통해 간편하게 출력 방사선량을 100% dose rate 즉 최대화할 수 있다.
한편, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 오프(off) 상태에서 사전 설정된 상기 오프(off) 상태보다 전압이 높은 소정의 다른 전압이 인가되는 온(on) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있다.
도 3의 (a) 내지 (i)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 방사선량 정보에 기초한 구동 펄스 신호 및 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 3의 (a)는 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호를 나타내는 도면이며, 도 3의 (b) 내지 (i)는 전자총 그리드의 출력 방사선량에 따른 제어 펄스 신호를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 상기 제어부(140)는 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기(T), 단일 펄스 크기(A) 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정할 수 있으며, 펄스 변조기(130)는 상기 결정에 따른 구동 펄스 신호를 생성하여 이를 마그네트론 발진기(120)로 인가할 수 있다.
도 3의 (b) 내지 (i)에 나타낸 출력 방사선량 정보에 기초한 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호는 마그네트론 발진기(120)로 도 3의 (a)에 나타낸 구동 펄스 신호가 인가되는 것을 전제로 하며, 상기 제어 펄스의 온(on) 및 오프(off) 신호는 사전 설정된 소정 전압으로 예컨대, 상기 제어 펄스의 온(on) 신호는 144.5V, 오프(off) 신호는 -110V로 구현할 수 있다.
도 3의 (b)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 0% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 전자총(110) 그리드로 일정하게 오프(off) 신호를 인가함을 통해 간편하게 출력 방사선량을 0% dose rate 즉 최소화할 수 있다. 물론 도면에 나타내지는 않았으나 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호의 역 형태 즉, 동시에 온(on)이 되는 비율이 0%인 형태일 수도 있다.
도 3의 (c)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 20% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/5 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 20% dose rate로 제어할 수 있다.
도 3의 (d)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 25% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/4비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 25% dose rate로 제어할 수 있다.
도 3의 (e)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 1/2 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 50% dose rate로 제어할 수 있다.
이하, 도 3의 (f)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 66.7% dose rate이 설정된 경우, 도 3의 (g)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 75% dose rate이 설정된 경우, 도 3의 (h)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 90% dose rate이 설정된 경우에 있어 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호들은 도면에 나타낸 바와 같이 도 3의 (f)는 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 2/3 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태, 도 3의 (g)는 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 3/4 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태, 도 3의 (h)는 오프(off) 상태에서 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 9/10 비율로 동시에 온(on)이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 해당하는 출력 방사선량을 제어할 수 있다.
도 3의 (i)는 출력 방사선량 정보에 기초하여 100% dose rate이 설정된 경우의 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호를 나타낸 것으로, 상기 제어 펄스 신호는 도면에 나타낸 바와 같이 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 동일한 형태 즉, 동시에 온(on) 이 되는 형태일 수 있으며, 위 제어 펄스 신호에 따라 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양이 조절됨으로써 출력 방사선량을 100% dose rate로 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호의 용이한 구현 및 전자총의 수명 보호를 위해, 상기 제어 펄스 신호를 도 2를 통해 예시한 바와 같이 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 온(on) 상태에서 사전 설정된 상기 온(on) 상태보다 전압이 낮은 소정의 다른 전압이 인가되는 오프(off) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하는 방법 및 도 3을 통해 예시한 바와 같이 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 오프(off) 상태에서 사전 설정된 상기 오프(off) 상태보다 전압이 높은 소정의 다른 전압이 인가되는 온(on) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하는 방법을 혼용하여 그 형태를 결정할 수 있다.
구체적으로, 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% 이상의 dose rate이 설정된 경우의 제어 펄스 신호는 도 2를 통해 예시한 바와 같이 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 온(on) 상태에서 사전 설정된 상기 온(on) 상태보다 전압이 낮은 소정의 다른 전압이 인가되는 오프(off) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있고, 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% 이하의 dose rate이 설정된 경우의 제어 펄스 신호는 도 3을 통해 예시한 바와 같이 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 오프(off) 상태에서 사전 설정된 상기 오프(off) 상태보다 전압이 높은 소정의 다른 전압이 인가되는 온(on) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절할 수 있다.
요컨대, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호를 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 상기 마그네트론 발진기(120) 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 그 형태를 결정할 수 있으며, 또한 출력 방사선량을 최대화(100% dose rate) 또는 최소화(0% dose rate)하기 위한 상기 제어 펄스 신호는 사전 설정된 소정의 일정한 전압 형태일 수 있다.
한편, 도 2및 도 3을 통해 출력 방사선량에 기초한 제어 펄스 신호의 형태를 예시하였으나, 상기 제어 펄스 신호는 이외에도 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 또한 도면으로 예시하지 않은 다양한 출력 방사선량에 대해서도 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스 비율의 적절한 조절을 통해 다양한 형태로 구현할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 세기 조절 방사선 치료용 선형가속기(100)는 전자총(110) 그리드로 인가되는 펄스 신호의 형태 제어를 통해 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양을 제어함으로써 출력 방사선량을 임의 조절할 수 있다.
상기 도파관(150, Wave-guide)은 전자총(110)으로부터 발생된 전자 또는 전자 빔을 마그네트론 발진기(120)로부터 발생하는 고주파를 이용해 소정의 속도로 가속하여 조사부 헤드로 전송하기 위한 전송로이며, 상기 도파관(150)은 무산소동(oxygen free copper) 재질로 고 진공도 유지 및 일정 온도를 유지하도록 구현할 수 있다.
상기 조사부 헤드는 도파관(150)을 통해 전송된 전자 빔을 방사선 발생을 위한 타겟과 충돌시키고 이로부터 발생하는 방사선(예컨대, X-선)을 그대로 피치료대상으로 조사하거나, 또는 상기 도파관(150)의 말단에 밴딩마그넷(bending magnet)을 구비하여 전자 빔의 진행 경로를 적절히 변경하여 방사선을 발생시킨 후 이를 피치료대상으로 조사할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 선형가속기의 방사선량 제어 방법을 단계적으로 살펴보면, 먼저 치료 계획에 따른 출력 방사선량에 대한 정보를 의료용 선형가속기에 연동되는 PC 등의 전자장치를 통해 수신한다(S401).
상기 제어부(140)는 상기 출력 방사선량 정보에 기초하여 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 및 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호의 형태(예를 들어, 펄스 신호의 주기, 펄스 크기, 펄스 폭 등)를 결정한다(S403).
이때, 상기 S403 단계는 상기 마그네트론 발진기(120)에서의 고주파 발생을 위한 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일 펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하는 과정 및 상기 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 과정을 수행함으로써 도파관(150) 내 가속되는 전자의 양 제어를 통해 출력 방사선량을 임의 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력방사선량의 크기에 따라 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정할 수 있다.
상기 펄스 변조기(130)는 제어부(140)로부터 수신되는 펄스 신호 형태에 관한 정보에 기초하여 상기 전자총(110) 그리드의 제어 펄스 신호 및 상기 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 생성한다(S405).
상기 S505 단계를 통해 생성된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총(110) 그리드 및 마그네트론 발진기(120)로 인가(S407)함으로써 출력되는 방사선을 피치료대상으로 조사함을 통해 세기 조절 방사선 치료(IMRT)를 수행한다(S409).
이때, 상기 S407 단계는 정확한 펄스 비율 조절 수행을 위하여 상기 제어부(140)는 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 위상 또는 주파수 조정을 위한 동기화 신호를 생성하고 이를 상기 전자총(110), 상기 마그네트론 발진기(120) 또는 상기 펄스 변조기(130)로 인가하는 과정을 포함할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 세기 조절 방사선 치료(IMRT)용 선형가속기에 있어서,
    그리드(grid)로 인가되는 제어 펄스 신호에 따라 캐소드(cathode)로부터 발생된 전자를 도파관으로 방출하는 전자총;
    상기 전자총으로부터 방출된 전자의 상기 도파관 내 가속을 위한 마그네트론(magnetron) 발진기;
    치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 상기 전자총 그리드의 제어 펄스 신호 형태 및 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및
    결정된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하는 선형가속기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하되,
    상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 상기 마그네트론 발진기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 온(on) 상태에서 사전 설정된 상기 온(on) 상태보다 전압이 낮은 소정의 다른 전압이 인가되는 오프(off) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어 펄스 신호와 상기 구동 펄스 신호가 동시에 인가되는 펄스의 비율이 50% dose rate 이상인 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 전압이 인가된 오프(off) 상태에서 사전 설정된 상기 오프(off) 상태보다 전압이 높은 소정의 전압이 인가되는 온(on) 상태로의 펄스 제어를 통해 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어 펄스 신호와 상기 구동 펄스 신호가 동시에 인가되는 펄스의 비율이 50% dose rate 이하인 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력 방사선량을 최대화 또는 최소화하기 위해 상기 제어 펄스 신호를 사전 설정된 소정의 일정 전압 형태로 결정하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하고,
    상기 펄스 변조기는,
    상기 동기화 신호에 기초하여 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 것을 특징으로 하는 선형가속기.
  10. 마그네트론(magnetron) 발진기가 구비된 선형가속기의 방사선량 제어 방법에 있어서,
    (a) 치료 계획에 따른 출력 방사선량 정보를 수신하는 단계;
    (b) 상기 출력 방사선량에 따른 전자총 그리드의 제어 펄스 신호 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 단계;
    (c) 결정된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하는 단계;
    (d) 생성된 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총 그리드 및 마그네트론 발진기로 인가하는 단계; 및
    (e) 상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 인가로 인해 출력되는 방사선을 피치료 대상으로 조사하는 단계를 포함하는 선형가속기의 방사선량 제어 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    (b-1) 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하는 단계; 및
    (b-2) 상기 제어 펄스 신호 형태를 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 상기 구동 펄스 신호와 동시에 인가되는 펄스의 비율을 조절하여 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형가속기의 방사선량 제어 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 제어 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 동기화하여 인가하는 것을 특징으로 하는 선형가속기의 방사선량 제어 방법.

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