KR20190056677A - 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기 - Google Patents

그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기에 관한 것으로, 구체적으로 그리드 펄스 폭과 펄스 주기에 더해서 펄스 크기를 변경하여 방사선 치료 계획에 있어 정밀하고 정확하고 안정적인 방사선량의 제어가 가능하여 방사선 피폭을 최소한으로 줄일 수 있는 치료 계획이 가능하도록 하는 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태와 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하며, 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정하는 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기를 제공한다.

Description

그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기{Grid pulse control apparatus and method, linear accelerator using the apparatus}
본 발명은 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기에 관한 것으로, 구체적으로 그리드 펄스 폭과 펄스 주기에 더해서 펄스 크기를 변경하여 방사선 치료 계획에 있어 정밀하고 정확하고 안정적인 방사선량의 제어가 가능하여 방사선 피폭을 최소한으로 줄일 수 있는 치료 계획이 가능하도록 하는 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기에 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.
이와 관련하여 개선된 종래 기술로 국내특허등록번호 10-1590153의 "의료용 선형가속기의 방사선량 제어 방법 및 그 시스템"이 있다.
상기 개선된 종래 기술은 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 하며, 이를 위하여, 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 도파관내 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 포함하고 있다.
이와 같은 개선된 종래 기술은 방사선량에 영향을 미치는 그리드 펄스 크기의 전압을 고정하고 그 이외의 펄스 폭 및 펄스 주기를 조절하는 것으로 방사선량에 영향을 미치는 펄스 크기를 고려하지 않아 정밀한 선량 제어가 어렵다.
또한, 개선된 종래 기술은 그리드 펄스의 비율을 조절하는 방법으로 방사선량을 계산하기가 복잡하고 치료 계획에 있어 정확한 방사선량을 제어하기 위해 적용하는 방식이 까다롭다.
또한, 개선된 종래 기술은 제어 방법의 시스템 구현이 가능하나 복잡한 비율방식으로 인해 방사선량의 제어에 오차가 발생할 수 있어 생명에 직결되는 방사선에는 정확한 치료를 적용하는데 무리가 있다.
국내특허등록번호 10-1590153호 국내특허등록번호 10-1438165호 국내특허등록번호 10-1389071호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그리드 펄스 폭과 펄스 주기에 더해서 펄스 크기를 변경하여 방사선 치료 계획에 있어 정밀하고 정확하고 안정적인 방사선량의 제어가 가능하여 방사선 피폭을 최소한으로 줄일 수 있는 치료 계획이 가능하도록 하는 그리드 펄스 제어 장치 및 방법, 그 장치를 이용한 선형 가속기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 그리드 펄스 제어 장치는 치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태와 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하며, 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 제어부는, 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압이 0 내지 양극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하고, 음극 최대 전압이 0 내지 음극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 양극 최대 기준 전압은 +150V이고, 상기 음극 최대 기준 전압은 -150V이다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 펄스 변조기는, 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호의 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호를 생성할 때에, PWM 전압 가변을 사용하여 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 제어부는, 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하며, 상기 그리드 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 그리드 펄스 신호의 주기는 상기 구동 펄스 신호의 주기와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치의 상기 제어부는, 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하고, 상기 펄스 변조기는, 상기 동기화 신호에 기초하여 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법은 (a) 제어부가 치료 계획에 따른 출력 방사선량 정보를 수신하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 출력 방사선량에 따른 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 단계; (c) 펄스 변조기가 결정된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하는 단계; (d) 상기 펄스 변조기가 생성된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총 그리드 및 마그네트론 발진기로 인가하는 단계; 및 (e) 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 인가로 인해 출력되는 방사선을 피치료 대상으로 조사하는 단계를 포함하며, 상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법의 상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압이 0 내지 양극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하고, 음극 최대 전압이 0 내지 음극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법의 상기 양극 최대 기준 전압은 +150V이고, 상기 음극 최대 기준 전압은 -150V이다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법의 상기 (c) 단계에서 상기 펄스 변조기가 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호의 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호를 생성할 때에, PWM 전압 가변을 사용하여 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법의 상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하며, 상기 그리드 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법의 상기 그리드 펄스 신호의 주기는 상기 구동 펄스 신호의 주기와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 그리드 펄스 제어 방법은 (f) 상기 제어부가 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 (d) 단계에서 상기 펄스 변조기가 상기 동기화 신호에 기초하여 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형 가속기는 그리드(grid)로 인가되는 그리드 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 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태 및 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태와 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하며, 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정한다.
상기와 같은 본 발명은 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 조절하여 안정적인 방사선량을 출력함으로써 방사선량을 조절할 수 있는 선형가속기의 구현이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 개선된 종래 기술에서 사용되는 펄스 폭과 펄스 주기의 변화를 이용하여 선량을 제어하는 거에 더해 펄스 신호의 전압 크기를 조절함으로써 방사선 치료계획에 있어 정밀하고 정확하고 안정적인 방사선량의 제어가 가능하여 방사선 피폭을 최소한으로 줄일 수 있는 치료 계획이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 개선된 종래 기술에서 사용되는 그리드 펄스 폭, 펄스 주기 변경을 통한 선량 제어를 더욱 정밀하게 하기 위하여 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 세밀하게 변경시키는 방법으로 선량을 집중시켜 치료를 극대화시킬 수 있다.
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 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형 가속기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 전자총의 상세 구성도이다.
도 3은 단일 펄스 주기, 단일 펄스 크기, 단일 펄스 폭의 형태를 가지고 있는 그리드 펄스 신호를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 그리드 펄스 신호의 전압이 캐소드(Cathode) 전압보다 낮아 전자가 차단되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 그리드 펄스 신호의 전압이 캐소드(Cathode) 전압보다 높아 전자가 나가게 되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 그리드 펄스 신호의 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 다양하게 제어하는 실시예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 방법의 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형 가속기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형 가속기(100)는 전자총(110), 마그네트론 발진기(120), 펄스 변조기(130), 제어부(140) 및 도파관(150)을 포함한다.
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 장치이다.
이와 같은 상기 전자총(110)은 도 2에 도시된 바와 같이 히터(110-1), 전자를 발생하는 캐소드(cathode)(110-2), 애노드(anode)(110-3) 및 상기 전자의 발생을 제어하는 그리드(grid)(110-4)를 포함할 수 있다.
상기 전자총(110)은 캐소드(110-2)의 전압을 기준으로 그리드 펄스 전압의 크기에 따라 온/오프되어 전자빔이 온/오프된다.
전자총(100)에서 나온 전자들이 그리드(110-3)를 통과하며 도파관(150)을 지나 방사선을 방출하게 되는데 이때 발생한 전자의 양은 방사선의 양과 비례하게 된다.
여기에서, 상기 그리드 펄스 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 사전에 설정된 단일 펄스 주기, 단일 펄스 크기, 단일 펄스 폭의 형태를 가진다.
그리드 펄스 신호의 전압이 도 4에 도시된 바와 같이 캐소드(Cathode)(110-2) 전압보다 낮으면 전자가 차단되고 도 5에 도시된 바와 같이 캐소드(Cathode)(110-2) 전압보다 높으면 전자가 나가게 된다.
이처럼 상기 전자총(110)의 그리드(110-3)로 인가되는 그리드 펄스 신호에 따라 캐소드(110-2)로부터의 전자 발생 여부가 제어될 수 있으며, 상기 캐소드(110-2)로부터 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 도파관(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)의 그리드 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)의 그리드 펄스 신호 및 상기 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 생성하고, 생성된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총(110)의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기(120)로 인가할 수 있다.
이때, 상기 펄스 변조기(130)는 제어부(140)로부터 수신되는 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호에 기초하여 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총(110)의 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 그리드/구동 펄스 신호의 형태(예를 들어, 펄스 신호의 주기, 크기 및 펄스 폭 등)를 결정하고, 상기 그리드/구동 펄스 신호간 위상 또는 주파수 조정을 위한 동기화 신호를 생성할 수 있다.
상기 출력 방사선량 정보는 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 선형 가속기(100)를 통해 병변 조직으로는 방사선량을 집중시키고 정상 조직으로는 방사선량을 최소화하도록 하는 치료 계획에 따라 구체적 상황에 부합하도록 설정될 수 있으다.
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 선형 가속기(100)의 출력 방사선을 조사하는 조사부 헤드의 위치와 환자와의 거리를 고려하여 설정될 수 있다.
한편, 상기 출력 방사선량 정보는 본 발명의 실시예에 따른 선형 가속기(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)의 그리드 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.
이처럼 상기 그리드 펄스 신호는 사전에 설정된 단일 펄스 주기, 단일 펄스 크기, 단일 펄스 폭의 형태로 결정할 수 있으며 펄스 신호 형태는 구동 펄스 신호에 기초하여 선형가속기의 방사선량의 크기에 따라 결정할 수 있다.
이를 위하여 제어부(140)는 도 6의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 그리드 펄스 신호의 단일 펄스 크기의 양극 최대 전압(POS:POSitive voltage)과 음극 최대 전압(NEG: NEGative voltage)을 캐소드(110-2) 전압을 기준으로 조절하여 방사선량을 정밀하게 제어가 가능하도록 한다.
여기에서, 그리드 펄스 신호는 전자총의 전자빔 방출을 위한 ON, OFF 신호이다. 그리드 펄스 신호가 ON이 되면 전자빔을 방출하고, 그리드 펄스 신호가 OFF 되면 전자빔은 방출되지 않는다.
그리드 펄스 신호의 펄스 크기는 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압(POS)이 일예로 0~+150V의 범위를 가지며, 음극 최대 전압(NEG)이 일예로 0~-150V의 범위를 가지면서 가변이 가능하도록 상기 제어부(140)에 의해 펄스 변조기(130)가 제어된다.
이처럼 제어부(140)는 펄스 변조기(130)를 제어하여 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 양극 최대 전압(POS)이 일예로 0~+150V의 범위에서 가변되고, 음극 최대 전압(NEG)이 일예로 0~-150V에서 가변되도록 제어하여 방사선량 변화를 측정하여 치료에 적절한 방사선량을 선택할 수 있다.
상기 제어부(140)는 펄스 변조기(130)에서 출력되는 그리드 펄스 신호의 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 다양한 방법으로 제어할 수 있으며, 아날로그 전압 가변, PWM(pulse width modulation) 전압 가변, 디지털 전압 가변 등을 사용할 수 있다.
일예로, 출력 방사선량 정보에 기초하여 20% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 30V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -120V를 갖도록 하여 출력한다.
다음으로, 일예로 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 75V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -75V를 갖도록 하여 출력한다.
또한, 출력 방사선량 정보에 기초하여 70% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 120V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -30V를 갖도록 하여 출력한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형가속기(100)는 전자총(110)의 그리드로 인가되는 그리드 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 피치료 대상으로 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 7은 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그리드 펄스 제어 방법은 먼저 치료 계획에 따른 출력 방사선량에 대한 정보를 선형가속기에 연동되는 PC 등의 전자장치를 통해 수신한다(S101).
상기 제어부(140)는 상기 출력 방사선량 정보에 기초하여 전자총(110) 그리드의 그리드 펄스 신호 및 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호의 형태(예를 들어, 펄스 신호의 주기, 펄스 크기, 펄스 폭 등)를 결정한다(S103).
특히, 본 발명과 관련하여 상기 제어부(140)는 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압(POS)이 양극 최대 기준 전압(일예로 +150V)과 같거나 작은 범위에서 특정 값을 가지도록 결정하고, 음극 최대 전압(NEG)이 음극 최대 기준 전압(일예로 -150V)과 같거나 큰 범위에서 특정 값을 가지도록 결정한다.
이처럼 제어부(140)는 펄스 변조기(130)를 제어하여 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 양극 최대 전압(POS)이 일예로 0~+150V의 범위에서 가변되고, 음극 최대 전압(NEG)이 일예로 0~-150V에서 가변되도록 제어하여 방사선량 변화를 측정하여 치료에 적절한 방사선량을 선택할 수 있다.
상기 펄스 변조기(130)는 제어부(140)로부터 수신되는 펄스 신호 형태에 관한 정보에 기초하여 상기 전자총(110) 그리드의 그리드 펄스 신호 및 상기 마그네트론 발진기(120)의 구동 펄스 신호를 생성한다(S105).
이때, 상기 제어부(140)는 펄스 변조기(130)에서 출력되는 그리드 펄스 신호의 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 다양한 방법으로 제어할 수 있으며, 아날로드 전압 가변, PWM(pulse width modulation) 전압 가변, 디지털 전압 가변 등을 사용할 수 있다.
일예로, 출력 방사선량 정보에 기초하여 20% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 30V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -120V를 갖도록 하여 출력한다.
다음으로, 일예로 출력 방사선량 정보에 기초하여 50% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 75V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -75V를 갖도록 하여 출력한다.
또한, 출력 방사선량 정보에 기초하여 70% 듀티비(duty rate)가 설정된 경우에 펄스 변조기(130)는 그리드 양극 최대 기준 전압이 일예로 150V인 경우에 양극 최대 전압을 120V를 갖도록 하여 출력한다. 물론 이때, 펄스 변조기(130)는 음극 최대 기준 전압이 -150V인 경우에 음극 최대 전압이 -30V를 갖도록 하여 출력한다.
한편, 상기 S105 단계를 통해 생성된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총(110) 그리드 및 마그네트론 발진기(120)로 인가(S107)함으로써 출력되는 방사선을 피치료 대상으로 조사함을 통해 방사선 치료를 수행한다(S109).
상기와 같은 본 발명은 그리드 펄스 크기 전압을 조절하여 안정적인 방사선량을 출력함으로써 방사선량을 조절할 수 있는 선형가속기의 구현이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 개선된 종래 기술에서 사용되는 펄스 폭과 펄스 주기의 변화를 이용하여 선량을 제어하는 거에 더해 펄스 크기를 조절함으로써 방사선 치료계획에 있어 정밀하고 정확하고 안정적인 방사선량의 제어가 가능하여 방사선 피폭을 최소한으로 줄일 수 있는 치료 계획이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 개선된 종래 기술에서 사용되는 그리드 펄스 폭, 펄스 주기 변경을 통한 선량 제어를 더욱 정밀하게 하기 위하여 그리드 펄스 크기를 세밀하게 변경시키는 방법으로 선량을 집중시켜 치료를 극대화시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 선형가속기 110 : 전자총
120 : 마그네트론 발진기 130 : 펄스 변조기
140 : 제어부 150 : 도파관

Claims (15)

  1. 치료 계획에 따라 설정되는 출력 방사선량 정보에 기초하여 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태와 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하며,
    상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정하는 그리드 펄스 제어 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압이 0 내지 양극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하고, 음극 최대 전압이 0 내지 음극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하는 그리드 펄스 제어 장치.
  3. 청구항 2항에 있어서,
    상기 양극 최대 기준 전압은 +150V이고, 상기 음극 최대 기준 전압은 -150V인 그리드 펄스 제어 장치.
  4. 청구항 1항에 있어서,
    상기 펄스 변조기는,
    상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호의 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호를 생성할 때에, PWM 전압 가변을 사용하여 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하는 그리드 펄스 제어 장치.
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하며,
    상기 그리드 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 장치.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 그리드 펄스 신호의 주기는 상기 구동 펄스 신호의 주기와 동일한 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 장치.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하고,
    상기 펄스 변조기는,
    상기 동기화 신호에 기초하여 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 장치.
  8. (a) 제어부가 치료 계획에 따른 출력 방사선량 정보를 수신하는 단계;
    (b) 상기 제어부가 상기 출력 방사선량에 따른 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호 및 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 단계;
    (c) 펄스 변조기가 결정된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하는 단계;
    (d) 상기 펄스 변조기가 생성된 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 전자총 그리드 및 마그네트론 발진기로 인가하는 단계; 및
    (e) 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 인가로 인해 출력되는 방사선을 피치료 대상으로 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정하는 그리드 펄스 제어 방법.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 그리드 펄스 신호의 전압 크기를 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압이 0 내지 양극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하고, 음극 최대 전압이 0 내지 음극 최대 기준 전압의 범위에서 특정 값을 갖도록 결정하는 그리드 펄스 제어 방법.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    상기 양극 최대 기준 전압은 +150V이고, 상기 음극 최대 기준 전압은 -150V인 그리드 펄스 제어 방법.
  11. 청구항 8항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 펄스 변조기가 상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총 그리드의 그리드 펄스 신호의 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호를 생성할 때에, PWM 전압 가변을 사용하여 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하는 그리드 펄스 제어 방법.
  12. 청구항 8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 제어부는 상기 구동 펄스 신호를 사전 설정된 단일 주기, 단일펄스 크기 및 단일 펄스 폭의 형태로 결정하며,
    상기 그리드 펄스 신호 형태를 상기 구동 펄스 신호에 기초하여 상기 출력 방사선량의 크기에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 방법.
  13. 청구항 8항에 있어서,
    상기 그리드 펄스 신호의 주기는 상기 구동 펄스 신호의 주기와 동일한 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 방법.
  14. 청구항 8항에 있어서,
    (f) 상기 제어부가 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호의 동기화 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (d) 단계에서 상기 펄스 변조기가 상기 동기화 신호에 기초하여 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 상기 전자총 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 것을 특징으로 하는 그리드 펄스 제어 방법.
  15. 그리드(grid)로 인가되는 그리드 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 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태 및 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태를 결정하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 결정된 상기 전자총의 그리드 펄스 신호의 형태와 상기 마그네트론 발진기의 구동 펄스 신호 형태에 따라 상기 그리드 펄스 신호 및 상기 구동 펄스 신호를 생성하고 이를 상기 전자총의 그리드 및 상기 마그네트론 발진기로 인가하는 펄스 변조기를 포함하며,
    상기 제어부는 그리드 펄스 신호의 형태를 결정할 때에, 캐소드 전압을 기준으로 양극 최대 전압과 음극 최대 전압을 조절하여 결정하는 그리드 펄스 제어 장치를 이용한 선형 가속기.
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