KR20180132516A - 킬로볼트 방사선 치료 - Google Patents

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KR20180132516A
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collimator
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피. 보이드 더글라스
웨일 마이클
엠. 송 사무엘
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프레시젼 알티, 인코퍼레이티드
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Abstract

신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치 및 방법은, 전자빔을 수신하고 특수 설계된 콜리메이터를 통해 kV X선을 출력하도록 구성된 치료 애노드; 치료 애노드를 향하여 전자빔을 생성 및 유도하도록 구성된 전자빔 공급원; 및 치료 애노드의 과열을 방지하기 위해 치료 애노드를 따라 전자빔을 조향 및 스캐닝하도록 구성된 적어도 하나의 자석을 포함한다. 구성요소들은 표적 병변에 전달된 선량을 실질적으로 최대화하면서 많은 양의 건강한 조직에 걸쳐서 전달된 선량을 분포시키기 위해 표적 병변 주위를 회전하는 갠트리 상에 장착된다.

Description

킬로볼트 방사선 치료{KILOVOLTAGE RADIATION THERAPY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "System for Kilovoltage Radiation Therapy"라는 발명의 명칭으로 2017년 6월 2일자로 출원된 공동-계류중인 미국 가특허 출원 제62/514,466호에 대한 35 U.S.C. §119(e) 하에서의 우선권의 이익을 주장한다. 상기 출원의 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 표적 병변(target lesion)에 X선 방사를 전달하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로 치료 애노드(treatment anode) 및 복수의 촬상 애노드(imaging anode)를 사용하여 X선 방사를 전달하는 것에 관한 것이다.
침체된 경제는 주요 기반시설의 차이 및 의료 전달을 위한 숙련된 전문가의 부족을 극복할 기회가 거의 없다. 의료 기술 및 데이터 분석의 기하급수적인 성장에도 불구하고, 가장 흔한 치명적인 질병의 많은 부분에서 직접적이고 비용 효과적인 치료가 부족하다. 이러한 맥락에서, 암은 계속해서 전세계적인 건강관리 전달을 위한 큰 부담 및 도전과제이다. 암에 대한 표준 방사선 치료 시스템이 대부분의 암을 치료하는데 효과적일 수 있지만, 방사선 치료 시스템은 고가이고 복잡하다. 따라서, 방사선 치료 시스템의 사용은 개발 도상국에서 극히 제한되며, 선진국에서도 방사선 치료 시스템의 분포는 종종 불균일하다. 따라서, 방사선 치료를 위한 자본 장비 비용을 절감하는 것이 중요할 수 있다.
본 개시내용은 X선 방사를 전달하는 것에 관한 것이다. 하나의 구현예에서, X-선 방사는 치료 애노드 및 복수의 촬상 애노드를 사용하여 표적 병변에 전달된다. 구성요소들은, 표적 병변에 전달되는 선량(dose)을 실질적으로 최대화하면서 많은 양의 건강한 조직에 걸쳐서 전달되는 선량을 분포시키기 위해 표적 병변 주위를 회전하는 갠트리 상에 장착된다.
하나의 구현예에서, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는, 전자빔을 수신하고 kV X선을 출력하도록 구성된 치료 애노드; 치료 애노드를 향하여 전자빔을 생성 및 유도하도록 구성된 전자빔 공급원; 및 치료 애노드의 과열을 방지하기 위해 수냉되는 치료 애노드를 따라 전자빔을 조향 및 스캐닝하도록 구성된 하나 이상의 자석을 포함한다.
다른 구현예에서는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 킬로볼트(kV) X선을 전달하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은, 치료 애노드를 향하여 전자빔을 생성 및 유도하는 단계; 치료 애노드가 kV X선을 생성하도록 하나 이상의 자석을 사용하여 치료 애노드를 따라 전자빔을 조향 및 스캐닝하는 단계; 특수 설계된 콜리메이터를 사용하여 표적 병변에 중심이 있는 교축점(convergence point)으로 유도되지 않는 모든 kV X선을 차단하는 단계; 및 전자빔의 공급원, 하나 이상의 자석, 치료 애노드, 및 콜리메이터를 표적 병변 주위에서 회전시키는 단계를 포함한다.
다른 특징들 및 이점들은 본 개시내용의 양태들을 예로서 도시하는 본 설명으로부터 분명해질 것이다.
본 개시내용의 구성 및 동작 모두에 관한 본 개시내용의 상세는, 유사한 참조 번호들이 유사한 부분들을 지칭하는 첨부된 도면의 연구에 의해 부분적으로 얻어질 수 있으며, 도면에서:
도 1A는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV 방사선 치료 시스템의 블록도;
도 1B는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV X선 공급원의 상세 블록도;
도 1C는 치료 애노드(치료 빔을 생성함) 및 촬상 애노드(실시간 촬상 및 추적이 가능함)를 포함하는 애노드의 상세 블록도;
도 2는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV 방사선 치료 시스템의 사시도;
도 3은 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 X선관을 포함하는 X선 공급원의 상세 사시도;
도 4는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 X선관의 절개 사시도;
도 5A는 교축점을 향하여 X선을 유도하도록 구성된 콜리메이터를 나타낸 도면;
도 5B는 최상부에 2개의 확대 뷰(view)가 있는 콜리메이터의 정면도를 나타낸 도면;
도 6A는 200kVp, 200mA KVAT(kV arc therapy)를 사용한 몬테 카를로-모델링된(Monte Carlo-modeled) 환자 선량 분포를 나타낸 도면;
도 6B는 15 메가볼트(MV) 선형 가속기(linear accelerator: linac) VMAT(volumetric modulated arc therapy)를 사용한 몬테 카를로-모델링된 환자 선량 분포를 나타낸 도면;
도 7a는 콜리메이터 출구에 있는 고정된 격막 두께(t = 0.2mm)에서의 콜리메이터 구멍 크기(D)의 함수로서 콜리메이터 효율 및 반치전폭(full-width-half-maximum: FWHM)을 나타낸 도면;
도 7b는 적절한 경사(전자빔 경로의 평면으로부터 30°)를 갖고 애노드의 평면 상에서 75×2㎠ 크기의 X선 공급원을 사용하는 (D, t) = (2.3mm, 0.2mm)에 대한 선량 분포를 나타낸 도면;
도 8은 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 프로세스(800)를 도시하는 흐름도.
과거에는, 킬로볼트(kV) X선의 의료 사용이 표적 병변, 특히 표피(superficial skin)로부터 상류에 있는 건강한 조직을 통한 kV X선의 고감쇠 때문에 표면적인 방사선 치료에 한정되어 왔다. 특히, 종래의 kV X선 사용은, (1) 단일의 초점으로 넓은 면적에 걸쳐 선량을 분포시키는 것의 곤란성; 및 (2) 대부분의 X선관 및 전원이 촬상 목적(대략 120kVp)용이고 과열로 인해 장시간 동안 높은 전력에서 작동할 수 없다는 사실 때문에, 현재 표면적인 치료에만 이용 가능하다. MV 시스템은 일반적으로 깊은 병변을 치료하기 위해 사용되지만, MV 시스템을 사용하는 비용은 매우 높을 수 있다. 또한, MV 시스템은 부피가 커서, 그 시스템을 수용하기 위해 대량의 공간을 필요로 할 수 있다. 또한, MV 시스템으로부터의 표적 병변에 대한 고 에너지 방사선은 주변의 건강한 조직에 많은 손상을 초래할 수 있다.
종래의 방사선 시스템 및 그 사용에 의한 전술한 문제점을 해결하기 위해서, 본 개시내용의 수 개의 구현예는 결합된 치료 및 촬상을 위해 설계된 콜리메이터 및 검출기에 의한 스캐닝 전자빔 기술을 채용하는 kV 방사선 치료 시스템에 관한 것이다. 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템은, 텅스텐 애노드가 손상되지 않도록 갠트리 및 수냉 애노드 상에 장착되는 스캐닝 전자빔 X선관을 사용하여 종래의 방사선 시스템이 갖는 상기 문제점 모두를 극복하도록 구성된다.
실험은, 1×8㎟ 초점을 갖는 130kV, 600mA 공급원에 의해, 텅스텐이 0.7msec의 노출에서 부풀기 시작하고 1.0msec의 노출에서 용융하기 시작하는 것을 나타냈다. 텅스텐 애노드 상에 전자빔을 상주시키는 것이 애노드를 쉽게 파괴할 수 있기 때문에, 하나의 구현예에서는, 텅스텐 애노드가 냉각 상태로 유지되고 전자빔이 하나 이상의 자석을 사용하여 항상 이동 상태("스캐닝")를 유지한다. 또한, 전자빔은 초점 크기를 증가시켜서 텅스텐을 용융시키지 않도록 디포커싱된다(defocused). 따라서, 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템은, (1) 애노드(구리 블록 상의 텅스텐)를 수냉하고, (2) 전자빔을 디포커싱하고(예컨대, 1㎠까지), (3) 빔을 일정하게 이동시키도록 구성된다.
하나의 구현예에서, 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템은, 갠트리 및 자기적으로 조향되는 연속 스캐닝 전자빔을 회전 치료에 적응시킴으로써 달성되는, 3D 궤도를 갖는 강도 변조(intensity-modulated) kV X선 공급원을 포함한다. 따라서, 전자빔은 치료 애노드의 장축을 따라 전자적으로 스위핑되고, 기계 운동에 의해 장축에 대하여 실질적으로 수직으로 이동한다. 그 결과, 광자가 표적 병변 상에 정점(apex)이 있는 역 피라미드 형상이 된다. 이것은, 미리 정해진 수의 콜리메이터에 걸쳐서 상주하는 전자빔을 갖는 종래의 X선 공급원과 대조적이다. 본 시스템에서는, 전자빔이 조향 자석에 의해 조향됨에 따라, 애노드 상의 스캔 속도 및 빔 전류가 실시간으로 선량률을 변조하도록 조절될 수 있다. 또한, 전자빔을 더 느리게 이동시키는 것은 (현재의 빔 위치에서) 더 많은 선량을 전달한다.
본 개시내용의 구현예는 기존의 기반 시설에 대하여 최소한의 갱신에 의해 비교적 낮은 비용으로 종래의 시스템을 넘어서는 이점을 제공한다. kV 구성요소 및 차폐 요건(예컨대, MV 방사선 차폐를 위해 통상적으로 사용되는 2미터 두께의 콘크리트 벽을 갖는 수백만 달러의 지하 벙커)의 비용이 종래의 구성요소 및 요건의 비용보다 낮기 때문에, kV 방사선 치료 시스템의 전체 비용이 더 낮아진다. 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템의 비용은 종래의 MV linac 시스템의 비용의 20% 미만인 것으로 추정된다. 200kVp X선에 대한 차폐는 일반실이 용이하게 차폐될 수 있도록 벽 안에 3mm의 납만이 필요할 것이다.
이들 설명을 읽은 후, 다양한 구현예 및 적용예에서 본 개시를 구현하는 방법이 분명해질 것이다. 그러나, 본 개시내용의 다양한 구현예가 본 명세서에 기술될 것이지만, 이들 구현예는 예로서 제시된 것일 뿐이며, 제한적인 것이 아니라는 것이 이해된다. 이와 같이, 다양한 구현예의 이러한 상세한 설명은 본 개시내용의 범위 또는 폭을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
하나의 구현예에서, 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템은 치료 빔을 정밀하게 표적 병변에 전달하기 위해 병변의 실시간 추적을 가능하게 하기 위한 결합된 치료 및 촬상을 제공한다. 제안된 에너지 범위(각각 130 내지 220mA에서 180 내지 300kV)의 선량 측정(인체에 의해 흡수되는 이온화 방사선 선량의 측정, 계산, 및 평가임)은 종래의 방사선 치료 시스템에서 종종 사용되는 MV 빔에 필적하는 것으로 밝혀졌다.
도 1A는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV 방사선 치료 시스템(100)의 블록도이다. 도 1A의 도시된 구현예에서, kV 방사선 치료 시스템(100)은 kV X선 공급원(110), 검출기(140), 및 촬상기/추적기(150)를 포함한다. kV X선 공급원(110)은 미리 정해진 표적 병변 및 주변 조직(130)에 X선을 전달한다. 촬상기/추적기(150)는 표적 병변의 정밀한 위치를 결정한다. kV X선 공급원(110) 및 검출기(140)는 일반적으로 갠트리 상에 배치된다.
도 1B는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV X선 공급원(110)의 상세 블록도이다. 도 1B의 도시된 구현예에서, kV X선 공급원(110)은 전자빔 공급원(예컨대, X선관)(112), 애노드(120), 및 콜리메이터(114)를 포함한다. 하나의 구현예에서, 콜리메이터는, 콜리메이터가 교축점을 조절할 수 있도록 이동 가능하다.
도 1C는 치료 애노드(122)(치료 빔을 생성함) 및 촬상 애노드(124)(계획 촬상, 실시간 촬상 및 추적을 가능하게 함)를 포함하는 애노드(120)의 상세 블록도이다.
하나의 구현예에서, kV X선 공급원(110)은, 치료 빔이 매우 넓은 피부 면적 및 조직 체적에 걸쳐서 신체로 진입할 수 있게 하는 스캐닝 전자빔 및 갠트리 회전을 이용하여 3D 궤도로 강도 변조된다. 전술한 바와 같이, 스캐닝 전자빔은 치료 애노드(122) 상에서 연속적으로 스위핑되어, 냉각기로 냉각할 수 있게 한다. 하나의 구현예에서, 전자빔은 애노드(122) 상에서 스위핑하기 위해 하나 이상의 조향 자석(전자빔 공급원(112)을 빠져나가는 빔 주위에 하우징됨)을 사용하여 "스캐닝된다"(또는 조향된다). 조향 자석은 쌍극자, 사중극자, 및 솔레노이드 자석 중 하나 이상을 포함하고, 이들 중 하나 이상일 수 있다.
전자빔이 애노드(122)에 부딪힐 때, 애노드는 X선이 모든 방향으로 전파하도록 거의 등방성으로 X선을 생성한다. 따라서, 콜리메이터(114)는 표적 병변에 대해 중심이 있는 "교축점"을 향하여 전파하지 않는 X선을 차단함으로써 X선을 표적 병변 및 주변 조직(130)으로 유도하도록 구성된다. 촬상 애노드(124)는 주변 조직(130) 내의 표적 병변의 계획 촬상, 실시간 촬상 및 추적을 제공하여 주위 조직(130) 내의 표적 병변에 대한 치료 빔의 정밀한 표적화를 가능하게 하도록 구성된다.
하나의 예시적인 구현예에서, kV 방사선 치료 시스템(100)은 최대 30분의 치료 시간 동안 등각점(isocenter)에 위치하는 암 병변(들)이 있는 환자 주위를 회전하는 (예컨대, X선 공급원(110) 내의) 전자빔 공급원(112)을 포함한다. 전자빔 공급원(112)은 교축점(상세에 대해서는 도 5A 및 도 5B 참조)을 향하여 전파하지 않는 모든 X선을 차단함으로써 X선 빔을 미리 정해진 표적 병변(예컨대, 등각점에서의 1cm 구)에 전달한다. 따라서, 충분한 냉각 및 열 관리를 갖춘 X선관(상세에 대해서는 도 4 참조)은 최대 30분 동안 연속적으로 75×3㎠의 텅스텐 애노드를 가로질러 연속적으로 스캐닝하는 200kVp, 200mA(40kW), 1cm 직경의 전자빔을 수신할 수 있다. 넓은 애노드 면적에 걸친 스캐닝 전자빔은, 손상 또는 탈기(outgassing)가 없는 동작을 보장하는 X선관/공급원 베이크아웃(bake-out) 온도인 400℃ 미만으로 충분한 냉각을 가능하게 한다. 1cm 직경의 전자빔 초점 크기는 자속을 최대화하고 비교적 넓은 면적에 걸쳐서 열을 분포시키는 상기 "디포커싱된 전자빔"의 일례이다. 그러나, 초점 크기는 병변으로부터의 크기 및 거리에 따라 달라질 수 있다.
상기 예시적인 구현예(라디오크로믹 필름(radiochromic film) 또는 파머 타입 이온화 챔버(Farmer type ionization chamber)를 포함하는 적절한 팬텀을 포함함)를 이용하여, 예를 들어 폐암에 대한 3D 선량 분포는 30분 미만으로 전달되어, 예측 값의 5% 이내의 선량 전달을 유효화할 수 있다. 이러한 선량 분포는 최신 기술의 표준 linac MV 치료 시스템의 것과 직접 비교될 수 있다. 복잡한 병변 형상 또는 더 큰 체적의 경우, 공급원 및 환자 테이블 양쪽 모두는 치료 동안 이동될 수 있어, 전체 기하학적 구조에 걸쳐서 적절한 선량을 분포시킬 수 있다.
깊은 병변에 대해서는, 종래의 kV X선 치료의 조직 감쇠가 높을수록 표적 병변으로부터 상류에 있는 피부 및 조직에 과다 투여한다. 따라서, 치료 X선의 진입점이 가능한 한 큰 면적에 걸쳐서 분포되는 것이 매우 바람직하다. 3D 궤도를 갖는 강도 변조 kV X선 공급원(스캐닝 전자빔 및 갠트리 회전을 이용함)은 치료 X선의 진입점이 큰 면적에 걸쳐서 분포될 수 있게 한다.
3D 궤도를 갖는 강도 변조 kV X선 공급원의 하나의 구현예에서, X선관은, 전자빔이 갠트리의 원형 궤도에 직교하는 치료 애노드(예컨대, 텅스텐 애노드) 상에 (자석의 조향 코일을 사용하여) 자기적으로 조향되는 동안에 상기 관을 회전시키는 갠트리 상에 장착된다. 따라서, 공급원 위치의 궤적은 (360° 치료 계획에 대해) 실린더의 표면이 된다. 이러한 기하학적 구조는 넓은 피부 면적에 걸쳐서 치료 X선의 진입점을 분포시킴으로써, 표적 병변을 피부 선량으로 증가시킨다. 따라서, X선의 강도는 전자빔 전류(초당 암페어 또는 쿨롱으로서 정의되고, 여기서 1 쿨롱 = 6.25×1018 전자)를 변화시키거나, 또는 전자빔이 치료 애노드에 걸쳐서 스위핑되는 속도를 변화시킴으로써 "변조"될 수 있다. 이것은, 변조가 5마이크로초 정도인 펄스의 펄스 반복 주파수를 변화시킴으로써 수행되는 MV 시스템과 대조적이다.
진단 검사를 위해 쉽게 이용 가능한 CT 스캐너 선량률 데이터를 이용하여, kV 방사선 치료 시스템에 의해 전달되는 선량은 kVp에 대한 이차 의존성 및 전류-시간 곱(mAs)에 대한 선형 의존성을 가정함으로써 추정될 수 있다. 120kV, 240mA 공급원을 갖는 복부 CT는 25세 이상의 성인에 대하여 약 15mGy를 전달한다. 검사를 위해 약 1초가 걸린다(일반적으로 그러함)고 가정하면, kV 방사선 치료 시스템은 매초 35mGy(= 15×200/240×(200/120)2)를 전달할 것이다. 이것은, 통상적인 MV 시스템에 의해 전달되는 1-6Gy/min의 근방 이내인 2Gy/min(= 35×60)에 대응한다. 10cm 깊이에서, 선량률은 kV 및 MV 시스템에 대하여 각각 약 0.2 및 0.5의 팩터만큼 감소될 것이다. 따라서, 200kVp, 200mA kV 방사선 치료의 선량률은 1 내지 수 Gy/min일 수 있고, MV 시스템에 기초한 치료에 대해 경쟁력이 있어야 한다. 실제로, 본 개시내용의 kV 방사선 치료 시스템은, kV X선이 급속한 선량 감소로 시준될 수 있기 때문에, MV 시스템보다도 우수할 수 있는 반면에, MV 다엽 콜리메이터 시스템은 (일반적으로) 텅스텐 잎의 두껍고 무딘 에지 때문에 빈약한 선량 감소를 갖는 선량 분포를 생성한다. 즉, 더 높은 에너지의 MV X선은 차단 물질이 두꺼울(일반적으로 약 1cm 이상의 두꺼운 텅스텐) 필요가 있기 때문에 차단하기가 더 어려운 반면에, 더 낮은 에너지의 kV X선은 일반적으로 얇은 납 시트로 차단하기가 더 쉽다.
도 2는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 kV 방사선 치료 시스템(100)의 사시도이다. 도 2의 도시된 구현예에서, kV 방사선 치료 시스템(100)은 kV X선 공급원(110) 및 검출기(140)를 포함한다. 전술한 바와 같이, kV X선 공급원(110)은 표적 병변 및 주변 조직(130)에 X선을 전달한다. 하나의 구현예에서, kV X선 공급원(110) 및 검출기(140)는 갠트리(210) 상에 배치된다. 또한, 갠트리(210)는 평탄면(220) 위에 누운 환자 주위를 회전하여 X선 공급원(110)이 다양한 각도로부터 표적 병변을 조사할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 X선관(300)을 포함하는 X선 공급원(110)의 상세 사시도이다. 하나의 구현예에서, X선 공급원(110)은 (애노드(330) 및 콜리메이터(240)를 사용하여) 교축점(340)을 향하여 전파하지 않는 모든 X선을 차단함으로써 X선(230)(스캐닝 전자빔(312)을 통해 생성됨)을 미리 정해진 표적 병변(350)(예컨대, 등각점에서의 1cm 구)에 전달하도록 구성된다. 하나의 구현예에서, X선관(300)은 전자 총(310) 및 하나 이상의 자석으로 구성된 조향 코일(320)을 포함한다.
도 3의 도시된 구현예에서, X선관(300)의 전자 총(310)은 치료 애노드(330)를 향하여 전자빔(312)을 생성 및 유도한다. 텅스텐 애노드(330) 상에 전자빔(312)을 상주시키는 것이 애노드를 쉽게 파괴할 수 있기 때문에, 텅스텐 애노드(330)는 냉각 상태로 유지된다(예컨대, 도 4에 나타낸 바와 같이 수냉된다). 전자빔(312)은 각 빔이 텅스텐 애노드(330)의 다른 부분에 낙하하도록 하나 이상의 자석(즉, 조향 코일(320))을 사용하여 항상 이동 상태로 유지된다("스캐닝" 및/또는 "조향된다"). 따라서, 강도 변조 kV X선 공급원(110)은 (애노드(330)의 장축을 따라 기계적으로 스위핑되는) 자기적으로 조향되는 연속 스캐닝 전자빔(312)을 (도 2에 나타낸 갠트리(210)의 기계적 운동에 의해 장축에 실질적으로 수직으로 결과로서 생긴 광자를 이동시키는) 회전 치료에 적응시킴으로써 3D 궤도를 달성한다. 그 결과, 광자가 표적 병변(350) 상에 정점(340)이 있는 역 피라미드 형상이 된다. 또한, 하나의 구현예에서, 전자 총(310)은 초점(314)의 크기를 증가시켜서 애노드(330)를 용융시키지 않도록 각 전자빔을 디포커싱하는 디포커싱 유닛을 포함한다. 하나의 구현예에서, 전술한 스캐닝 전자빔 및 갠트리 회전의 사용은 치료 빔(230)이 매우 넓은 피부 면적 및 조직 체적에 걸쳐서 신체로 진입할 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 전자빔(312)이 애노드(330)에 부딪힐 때, 애노드(330)는 등방성으로 X선을 생성하여 모든 방향으로 전파시킨다. 따라서, 콜리메이터(240)는 표적 병변(350)에 대해 중심이 있는 "교축점"(340)을 향하여 전파하지 않는 X선을 차단함으로써 X선(230)을 표적 병변(350)으로 유도하도록 구성된다.
도 4는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 (도 3에 나타낸 사다리꼴 형상의 콜리메이터가 없는) 치료 애노드(442) 근처의 X선 공급원(400)의 절개 사시도이다. 도 4의 도시된 구현예에서는, 전자빔(420)(예컨대, 빔 크기 = 1×1㎠)이 기울기(예컨대, 60°)를 갖고 수냉 텅스텐 치료 애노드(442)(예컨대, 크기 = 75×3㎠)에 부딪힘에 따라, X선(422)이 수냉 창(452)을 통해 공급원(400)을 빠져나간다. 치료 애노드(442) 상의 큰 전자빔 스폿(예를 들어, 크기 = 1×2㎠)은 애노드 냉각 요건을 줄인다. 하나의 구현예에서, 연속 동작을 위해 40kW(= 200kV×200mA) X선 공급원을 냉각하는 것은 냉각수 채널(450)을 통해 외부 40kW 냉각기로부터 펌핑된 4Gal/min의 물로 충분하다. 도 4의 도시된 구현예에서, 콜리메이터(도 5A 및 도 5B에 나타냄)(예컨대, 크기 = 75×2×6㎤)는 표적에 대해 중심이 있는 "교축점"(예컨대, 도 3에서의 지점(340))을 향하여 유도되지 않는 모든 X선을 차단함으로써 X선(422)을 표적 병변으로 유도한다. X선 공급원(400)은 촬상 애노드(440)를 더 포함한다. 다른 구현예에서, 콜리메이터는 "교축역(convergence region)"을 향하여 유도되지 않는 모든 X선을 차단함으로써 X선(422)을 표적 병변으로 유도한다. 교축역은 3D 공간 내의 작은 체적, 1 내지 수 cm의 구이다.
도 5A 및 도 5B는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 콜리메이터(500)를 나타내는 도면이다. 도 5A는 교축점(520)을 향하여 X선(520)을 유도하도록 구성된 콜리메이터(500)를 나타낸다. 도 5B는 최상부에 2개의 확대 뷰(530, 540)가 있는 콜리메이터(500)의 정면도를 나타낸다.
도 5B의 도시된 구현예에서, 콜리메이터(500)는 확대 뷰(530)에 나타낸 육각형 구멍(532)(및 관련 격막)으로 구성된다. 육각형 구멍은 X선을 교축점(520)에서의 한 지점으로 유도하여 수렴하도록 구성된다. 즉, 본 개시내용의 하나의 구현예에서, 육각형 구멍(532)과 관련 격막의 단면은 X선(510)이 교축점(520)을 향하여 하류로 유도됨에 따라 더 작고 더 얇게 된다. 다른 구현예에서, 단면은 직사각형이다.
도 5B의 콜리메이터 설계는 교축점에서의 가상 광원으로 취해진 제1 확대 뷰(530)를 볼 때에 시각적으로 검증될 수 있다. 광원은 교축점(520)에 대한 명확한 시선을 나타내는 중간에서 대부분 보일 수 있다는 것에 유의해야 한다. 콜리메이터의 입구에서의 다른 곳으로부터 교축점을 향하는 다른 뷰는 유사한 렌더링을 나타낼 것이다.
도 5A 및 도 5B에 나타낸 하나의 특정 구현예에서, 콜리메이터(500)는 (입구에서) 직경 D = 2mm(542), (입구에서) 격막 두께 t = 0.2mm(544), 및 콜리메이터(500)의 출구로부터 40cm에 있는 교축점(520)을 갖는 육각형 구멍들의 어레이로서 구성된다. 교축점(520)까지의 거리(즉, 초점 거리)는 직경 및 격막 두께의 크기가 변하는 비율을 나타낸다.
치료를 위해, 교축점이 서로 다르고 치료 용적이 서로 다른 수개의 콜리메이터가 사용될 수 있다. 따라서, 콜리메이터(들)는 특정 치료 계획에 따라 선택될 수 있다. 상이한 표적 병변 크기(예컨대, 크기 s = 1, 2, 3, 4cm) 및 초점 길이(예컨대, 초점 길이 f = 26, 36, 46cm)에 대하여 수개의 부착 가능한 콜리메이터가 구성될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, kV 방사선 치료 시스템의 실시간 촬상 및 추적 능력은 촬상 애노드(440)(예컨대, 19개의 촬상 애노드가 사용될 수 있음)에 의해 가능해진다. 치료 동안, 전자빔(420)은 주기적으로 모든 촬상 애노드(440)를 순환할 수 있다. 하나의 구현예에서, 전자빔(420)은 1-10msec 동안 촬상 애노드(440) 중 하나에 초점이 맞춰지고(마찬가지로 모든 촬상 애노드를 순환하고), 투사 이미지가 검출기(예컨대, 도 2의 평판 검출기(140))에 의해 포착된다. 그런 다음, 투사 이미지(예컨대, 검출기(140)에 의해 포착된 투사 이미지)는 (예를 들어, 표적 병변의 이미지를 검출하고 표시하기 위한 토모신디시스 알고리즘(tomosynthesis algorithm)을 이용하여) 3D 볼류메트릭 이미지를 재구성하는데 사용된다. 표적 병변의 정확한 위치는 정확하고 정밀한 선량 전달을 위해 정확한 위치맞춤을 가능하게 한다. 토모신디시스 알고리즘의 사용은 19개의 투사 이미지를 사용하여 (검출 및 추적을 가능하게 하도록 (예컨대, 치료 동안에 이동하는 폐에서) 암 병변의 충분한 상세를 렌더링하기 위해) 표적 병변의 정확한 3D 재구성을 가능하게 한다.
도 6A는 200kVp, 200mA KVAT(kV arc therapy)를 사용하는 몬테 카를로-모델링된 환자 선량 분포(600)를 나타낸다. 도 6B는 15MV linac VMAT(volumetric modulated arc therapy)를 사용하는 몬테 카를로-모델링된 환자 선량 분포(610)를 나타낸다.
도 6A 및 도 6B는 KVAT 및 VMAT 양쪽 모두가 뿌리 깊은 병변의 치료에 대하여 마찬가지로 우수한 선량 프로파일을 보이는 것을 나타낸다. 따라서, KVAT를 사용하는 치료 시스템은, 애노드의 냉각이 해결될 수 있다면, VMAT 시스템에 대하여 경쟁력이 있을 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 kV 방사선 치료 시스템에서 사용되는 콜리메이터(예컨대, 콜리메이터(500))의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 콜리메이터 출구에 있는 고정된 격막 두께(t = 0.2mm)에서의 콜리메이터 구멍 크기(L)의 함수로서 콜리메이터 효율 및 반치전폭((FWHM))을 나타낸다. 도 7a는 격막 두께(t) 및 콜리메이터 구멍 크기(D)를 선택함에 있어 중요한 설계 가이드라인을 제공한다. 예를 들어, 1.0cm의 FWMH에서는, 55%의 효율이 달성될 수 있다.
도 7b는 D 및 t의 특정 설정값에서의 실제 전달 선량 프로파일을 나타낸다. 도 7b는 적절한 경사(전자빔 경로의 평면으로부터 30°)를 갖고 애노드의 평면 상에서 75×2㎠ 크기의 X선 공급원을 사용하는 (D, t) = (2.3mm, 0.2mm)에 대한 선량 분포를 나타낸다. 검출기 중심의 레이-캐스팅(detector-centric ray-casting)이 콜리메이터의 출구면으로부터 40cm에 위치하는 검출 평면과 함께 사용되었다.
도 7a 및 도 7b에 나타낸 결과는, 선량 분포의 형상이 격막 두께(t)에 많이 의존하지 않지만, 콜리메이터 구멍 크기(D)에 의존한다는 것을 나타낸다.
도 8은 본 개시내용의 하나의 구현예에 따른 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 프로세스(800)를 도시하는 흐름도이다. 블록(810)에서, 전자빔이 생성되고 치료 애노드를 향하여 유도된다. 그런 다음, 블록(820)에서, 전자빔이 하나 이상의 자석을 사용하여 치료 애노드를 따라 조향 및 스캐닝되어, 치료 애노드가 kV X선을 생성한다. 블록(830)에서, 표적 병변에 중심이 있는 교축점으로 유도되지 않는 모든 kV X선이 콜리메이터를 사용하여 차단된다. 그런 다음, 블록(840)에서, 전자빔 공급원, 하나 이상의 자석, 치료 애노드, 및 콜리메이터가 표적 병변 주위로 회전된다.
하나의 구현예에서, 프로세스(800)는 전자빔이 표적 병변에 대한 kV X선의 선량률을 변조하도록 조향되고 스캐닝되는 속도를 조절하는 것을 더 포함한다. 다른 구현예에서, 조향 및 스캐닝하는 것은 치료 애노드의 길이방향 축을 따라 전자빔을 일정하게 이동시키는 것을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 프로세스(800)는 kV X선의 강도를 변조하는 것을 더 포함한다. 또 다른 구현예에서, 변조하는 것은 전자빔 전류를 변화시키는 것을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 변조하는 것은 전자빔이 치료 애노드를 따라 조향 및 스캐닝되는 속도를 변화시키는 것을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 프로세스(800)는 전자빔의 스폿 크기가 증가되도록 치료 애노드를 향하여 유도되는 전자빔을 디포커싱하는 것을 더 포함한다. 또 다른 구현예에서, X선을 차단하는 것은 치료 애노드 상에 조향 및 스캐닝된 전자빔에 실질적으로 수직인 평면에서 콜리메이터로부터 kV X선을 출력하는 것을 더 포함한다. 또 다른 구현예에서, 콜리메이터는 이동식이며, 프로세스는, 교축점이 (예컨대, 호흡으로) 이동하는 표적 병변을 추종하도록 이동식 콜리메이터가 조절될 수 있게 하기 위해서 복수의 촬상 애노드를 사용하여 표적 병변을 실시간 촬상하는 것을 더 포함한다. 또 다른 구현예에서, 프로세스(800)는 수냉 유닛을 사용하여 치료 애노드를 냉각하는 것을 더 포함한다.
이들 구현예의 다양한 수정이 당업자에게는 용이하게 명백해질 것이며, 본 명세서에 기재된 일반적인 원리는 본 개시내용의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다른 구현예에 적용될 수 있다. 따라서, 기술은 전술한 특정 예에 한정되지 않는다. 이와 같이, 본 명세서에서 제시된 설명 및 도면은 본 개시내용의 현재 가능한 구현예를 나타내며, 이에 따라 본 개시에 의해 광범위하게 고려되는 주제를 대표한다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시내용의 범위는 당업자에게 자명해질 수 있는 다른 구현예를 완전히 포함하고, 이에 따라 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구범위 이외의 어떤 것에 의해서도 한정되지 않는다는 것이 이해된다.

Claims (20)

  1. 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV(킬로볼트) X선을 전달하기 위한 장치로서,
    전자빔을 수신하고 상기 kV X선을 출력하도록 구성된 치료 애노드(treatment anode);
    상기 치료 애노드를 향하여 상기 전자빔을 생성 및 유도하도록 구성된 전자빔 공급원; 및
    상기 치료 애노드의 과열을 방지하기 위해 상기 치료 애노드를 따라 상기 전자빔을 조향 및 스캐닝하도록 구성된 적어도 하나의 자석을 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치료 애노드로부터 상기 kV X선을 수신하고 상기 표적 병변에 중심이 있는 교축점(convergence point)으로 유도되지 않는 모든 kV X선을 차단하도록 구성된 콜리메이터를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자빔 공급원, 상기 적어도 하나의 자석, 상기 치료 애노드, 및 상기 콜리메이터를, 상기 표적 병변을 포함하는 축 주위에 장착하고 회전하도록 구성된 갠트리를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 콜리메이터로부터 출력된 kV X선은 상기 치료 애노드 상에 조향 및 스캐닝된 상기 전자빔에 실질적으로 수직인 평면에 있는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 표적 병변의 실시간 이미지를 제공하도록 구성된 복수의 촬상 애노드(imaging anode)를 더 포함하고,
    상기 실시간 이미지는 상기 교축점을 상기 표적 병변으로 이동시키기 위해 상기 표적 병변의 추적 및 상기 콜리메이터의 조절을 가능하게 하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 치료 애노드에 결합되며, 상기 치료 애노드를 냉각하도록 구성된 수냉 유닛을 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자빔 공급원은, 상기 전자빔의 스폿 크기가 증가되도록 상기 치료 애노드를 향하여 유도된 상기 전자빔을 디포커싱하도록 구성된 디포커싱 유닛을 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 치료 애노드는 텅스텐으로 형성되는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자석은 쌍극자, 사중극자, 및 솔레노이드 자석 중 적어도 하나를 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 장치.
  10. 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법으로서,
    치료 애노드를 향하여 전자빔을 생성 및 유도하는 단계;
    상기 치료 애노드가 상기 kV X선을 생성하도록 적어도 하나의 자석을 사용하여 상기 치료 애노드를 따라 상기 전자빔을 조향 및 스캐닝하는 단계;
    콜리메이터를 사용하여 상기 표적 병변에 중심이 있는 교축점으로 유도되지 않는 상기 kV X선을 차단하는 단계; 및
    상기 표적 병변 주위로 상기 적어도 하나의 자석, 상기 치료 애노드, 및 상기 콜리메이터를 사용하여 조향된 상기 전자빔의 공급원을 회전시키는 단계를 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 표적 병변에 대한 상기 kV X선의 선량률(dose rate)을 변조하기 위해 상기 전자빔이 조향 및 스캐닝되는 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 조향 및 스캐닝하는 것은 상기 치료 애노드의 길이방향 축을 따라 상기 전자빔을 일정하게 이동시키는 것을 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 kV X선의 강도를 변조하는 단계를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 변조하는 단계는 전자빔 전류를 변화시키는 것을 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 변조하는 단계는 상기 전자빔이 상기 치료 애노드를 따라 조향 및 스캐닝되는 속도를 변화시키는 것을 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 전자빔의 스폿 크기가 증가되도록 상기 치료 애노드를 향하여 유도된 상기 전자빔을 디포커싱하는 단계를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 차단하는 단계는 상기 치료 애노드 상에 조향 및 스캐닝된 상기 전자빔에 실질적으로 수직인 평면에서 상기 콜리메이터로부터 상기 kV X선을 출력하는 것을 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 콜리메이터는, 상기 콜리메이터가 부착되는 X선관에 대하여 3차원으로 이동 가능한, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 표적 병변의 추적 및 상기 콜리메이터의 조절을 가능하게 하여 상기 교축점을 상기 표적 병변으로 이동시키기 위해 복수의 촬상 애노드를 사용하여 상기 표적 병변을 실시간 촬상하는 단계를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
  20. 제10항에 있어서,
    수냉 유닛을 사용하여 치료 애노드를 냉각하는 단계를 더 포함하는, 신체 내의 표적 병변을 향하여 kV X선을 전달하기 위한 방법.
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