KR20200047093A - 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치 - Google Patents

환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치 Download PDF

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KR20200047093A
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Abstract

본 발명은 방사선 치료 계획을 평가하는 기술에 관한 것으로 보다 상세하게는, 호흡운동과 같이 불규칙한 환자의 움직임을 고려하여 환자 맞춤형 실시간 호흡 운동을 모의구현함으로써 시술자의 방사선 치료 계획을 검증할 수 있는 평가 장치에 관한 것이다. 본 발명은 환자의 호흡 운동을 모의 구현함에 있어서 모의되는 호흡 운동의 오차를 최소화할 수 있는 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치는 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 내측 구동부; 상기 내측 구동부 측에 설치되어 상기 3축 운동을 구동시키는 내측모터드라이버; 상기 내측 구동부의 3축 운동과 별개인 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 외측 구동부; 및 상기 외측 구동부 측에 설치되어 3축 운동을 구동시키는 외측모터드라이버를 포함한다. 본 발명은 환자의 호흡 운동을 모의 구현함에 있어서 6축 각각의 모터드라이버와 모터 간의 거리차에 따라 발생할 수 있는 모의되는 호흡 운동의 오차를 최소화할 수 있다.

Description

환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치{Apparatus for evaluating radiation therapy plan based on respiratory motion of patient}
본 발명은 방사선 치료 계획을 평가하는 기술에 관한 것으로 보다 상세하게는, 호흡운동과 같이 불규칙한 환자의 움직임을 고려하여 환자 맞춤형 실시간 호흡 운동을 모의구현함으로써 시술자의 방사선 치료 계획을 검증할 수 있는 평가 장치에 관한 것이다.
방사선 치료란, 파장이 매우 짧고 높은 에너지를 가지는 방사선을 이용하여 환자를 치료하는 임상의학의 한 방법으로, 수술, 항암 화학 요법과 더불어 대표적인 암 치료 방법 중 하나이다. 주로 암이라고 불리는 악성 종양을 치료하지만, 양성 종양이나 일부 양성 질환도 치료 가능하다.
이러한 방사선 치료는 방사선 조사기의 위치에 따라서 외부 방사선 치료와 근접 치료로 나눌 수 있다. 외부 방사선 치료는 몸 외부에서 각종 장비를 이용하여 방사선을 조사하는 치료 방법으로 사용하는 방사선의 종류에 따라 광자선 치료, 전자선 치료, 입자선 치료(중성자 치료, 양성자 치료 등)로 구분하기도 한다. 이에 따라서, 다양한 방사선 발생 장치가 사용될 수 있지만, 가장 널리 사용되는 방사선 발생 장치는 선형가속기이다.
근접 치료는 방사선 발생 장치나 동위원소를 몸 안이나 표면에 위치시켜서 방사선을 한정된 부위에 조사하는 방법으로, 삽입되는 공간이나 방법에 따라서 강내 치료, 관내 치료, 조직 내 치료, 접촉 치료 등으로 구분할 수 있다.
한편, 영상 유도 체부 방사선 수술로서 활용되는 정위 방사선 수술은 방사선을 이용하여 두부 및 두경부 내의 종양 치료 시 두개골을 절개하지 않고, 정위적으로 매우 정확하게 파괴시키는 안전하고 비침습적인 치료 방법이다. 종래의 뇌수술시 필연적으로 따르는 위험이나 합병증을 최소화하면서 수술과 동등한 혹은 더 나은 치료 효과를 얻을 수 있는 획기적인 최첨단 무혈 방사선 수술 방법이다. 정위방사선 수술은 작은 체적에 높은 정확도와 높은 선량의 집중도(conformity)를 가지고 짧은 시간 내에 고선량의 방사선을 전달할 수 있다.
최신 선형가속장치를 기반으로 한 방사선 수술 시스템으로서, 사이버나이프시스템이 소개되었다. 사이버나이프 시스템은 선량 최적화에 대한 수학적인 개념을 도입한 기기로 로봇팔에 선형가속장치가 장착되어있으며, 약1200개의 빔을 이용하여 주변의 방사선 민감 조직을 피해 불규칙한 종양의 모양에 맞추어 좋은 표적 포함도와 선량의 집중도를 얻으면서 치료할 수 있는 최첨단 방사선 수술 장치이다.
이하에서 제시된 선행기술문헌은 움직임 보정 기능을 이용하여 방사선 치료시스템을 제어하는 기술적 수단을 소개하고 있다.
1. 한국특허공개공보 10-2006-0065497, 2006년 06월 14일 공개, 고려대학교 산학협력단
이에, 본 발명은 환자의 호흡 운동을 모의 구현함에 있어서 모의되는 호흡 운동의 오차를 최소화할 수 있는 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치는 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 내측 구동부; 상기 내측 구동부 측에 설치되어 상기 3축 운동을 구동시키는 내측모터드라이버; 상기 내측 구동부의 3축 운동과 별개인 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 외측 구동부; 및 상기 외측 구동부 측에 설치되어 3축 운동을 구동시키는 외측모터드라이버를 포함한다.
여기서, 상기 내측 구동부는 신체 내부의 움직임에 대응하는 3차원 움직임을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 외측 구동부는 신체 외부의 움직임에 대응하는 3차원 움직임을 제공할 수 있다.
본 발명은 환자의 호흡 운동을 모의 구현함에 있어서 6축 각각의 모터드라이버와 모터 간의 거리차에 따라 발생할 수 있는 모의되는 호흡 운동의 오차를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방사선 치료 계획의 평가 장치의 사진을 나타낸다.
도 2는 도 1의 방사선 치료 계획의 평가 장치의 개략도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 방사선 치료 계획의 평가 장치의 기능 블록도를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방사선 치료 계획의 평가 장치의 사진을 나타낸다. 도 2는 도 1의 방사선 치료 계획의 평가 장치의 개략도를 나타낸다. 도 3은 도 1의 방사선 치료 계획의 평가 장치의 기능 블록도를 나타낸다. 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 종래 주지된 사항에 대한 설명은 생략하거나 간단히 한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 방사선 치료 계획 평가 장치는 제 1 프레임(100), 제 2 프레임(200), 연결 프레임(300)을 포함할 수 있다.
제 1 프레임(100)은 중공형으로, 상부에 6 축 동적 팬텀 제어기(500)가 탑재된다. 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)는 신체 외부(예를 들어, 피부)의 움직임과 신체 내부(예를 들어, 시술 대상 장기)의 움직임이 동시에 발생하여 상호 작용하는 상황을 시계열적으로 모의 구현할 수 있으며 특히, 방사선 치료시 환자의 불규칙한 호흡 운동(내부 운동 및 외부 운동 포함)을 정량적으로 분석을 할 수 있다. 그리고, 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)는 팬텀(420)을 통해 방사선량을 측정하여 측정 시간과 함께 시계열적으로 기록하고, 그 기록된 측정 시간을 기준으로 미리 설정된 방삭선 치료 계획에 따른 방사선량과 상기 측정된 방사선량을 비교하여 차이값을 산출하며 상기 측정시간별로 상기 산출된 차이값을 사용자에게 모니터를 통해 제공할 수 있다.
제 1 프레임(100)과 제 2 프레임(200)은 연결 프레임(300)에 의해 상호 연결될 수 있다.
제 1 프레임(100) 상에는 중공형으로 양 측부에 제 1 모터(M1), 제 2 모터(미도시)가 구비될 수 있다. 제 1 프레임(100) 상면에는 제 1 프레임(100) 직상방으로 연장되는 제 1 지지프레임(120)이 구비될 수 있다. 그리고, 제 1 지지프레임(120) 상에 제 3 모터(M3)가 구비될 수 있다. 제 1 지지프레임(120)에는 제 1 탑재부(410)가 제 3 모터(M3)에 의해 z 축 운동 가능하게 설치될 수 있다. 제 1 탑재부(410) 상면에는 팬텀(420)이 탑재될 수 있다. 주지된 바와 같이 팬텀(420)은 환자의 종양을 모의한 것이며, 방사선 수집 수단으로 형성되어 환자의 종량을 모의한 영역으로 조사되는 방사선량을 검출하고 이를 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)에 전달할 수 있다. 제 1 내지 제 3 모터는 각각 제 1 지지프레임(120)의 x 축 운동과 y 축 운동, 제 1 탑재부(410)의 z 축 운동을 담당할 수 있다. 제 1 내지 제 3 모터는 스테핑 모터일 수 있다. 이하, 제 1 내지 제 3 모터를 내측 구동부(111)로 통칭한다. 제 1 모터(M1)의 제 1 측은 회전축이 위치하고 그와 반대되는 측(전극 단자가 위치한 측)에는 각각 제 1 모터드라이버(MD1)가 결합될 수 있다. 제 1 모터(M1)의 전극 단자는 제 1 모터드라이버(MD1)의 출력단자와 연결될 수 있다. 제 1 모터(M1)는 제 1 모터드라이버(MD1)의 출력전원에 따라 회전할 수 있다. 주지된 바와 같이 스텝모터는 출력전원의 인가 시간에 따라 기 설정된 턴수로 회전할 수 있다. 제 2 모터(미도시)와 제 2 모터드라이버(미도시), 제 3 모터(M3), 제 3 모터드라이버(MD3)는 위와 동일한 방식으로 결합될 수 있다. 이에 의해, 제 1 내지 제 3 모터와 제 1 내지 제 3 모터드라이버 각각의 연결을 위한 전원선의 길이가 동일할 수 있다. 이하, 제 1 내지 제 3 모터드라이버를 내측 모터드라이버(112)라고 통칭한다. 제 1 모터와 제 1 모터 드라이버의 결합체 및 제 2 모터와 제 2 모터 드라이버의 결합체는 제 1 프레임의 외부로 노출될 수 있도록 설치될 수 있다. 그리고, 제 3 모터와 제 3 모터 드라이버 결합체는 제 1 지지프레임(120) 외부로 노출되게 설치될 수 있다.
상기와 같은 제 1 프레임(200) 상의 구조는 피검체의 신체 내부의 움직임을 모의 구현하는 구성으로서, 교차하는 3개 축을 이용하여 신체 내부의 움직임에 대응하는 3차원의 움직임을 구현할 수 있는 구조체를 갖는다. 제 1 탑재부(410)의 3축 운동은 피검체의 체내 기관의 움직임에 의한 방사선 감쇠를 유도하도록 형성될 수 있다.
제 2 프레임(200) 상에는 중공형으로 양 측부에 제 4 모터(M4), 제 5 모터(미도시)가 구비될 수 있다. 제 2 프레임(200) 상면에는 제 1 프레임(200) 직상방으로 연장되는 제 2 지지프레임(220)이 구비될 수 있다. 그리고, 제 2 지지프레임(220) 상에 제 6 모터(M6)가 구비될 수 있다. 제 2 지지프레임(220)에는 방사선 감쇄판(230)이 제 6 모터(M6)에 의해 z 축 운동 가능하게 설치될 수 있다. 방사선 감쇄판(230)은 팬텀(420)의 상부에 위치할 수 있다. 제 4 내지 제 6 모터는 각각 제 2 지지프레임(220)의 x 축 운동과 y 축 운동, 방사선감쇄판(230)의 z 축 운동을 담당할 수 있다. 제 4 내지 제 6 모터는 스테핑 모터일 수 있다. 이하, 제 4 내지 제 6 모터를 외측 구동부(211)로 통칭한다. 제 4 모터(M4)의 제 1 측은 회전축이 위치하고 그와 반대되는 측(전극 단자가 위치한 측)에는 각각 제 4 모터드라이버(MD4)가 결합될 수 있다. 제 4 모터(M4)의 전극 단자는 제 4 모터드라이버(MD4)의 출력단자와 연결될 수 있다. 제 4 모터(M4)는 제 4 모터드라이버(MD4)의 출력전원에 따라 회전할 수 있다. 주지된 바와 같이 스텝모터는 출력전원의 인가 시간에 따라 기 설정된 턴수로 회전할 수 있다. 제 5 모터(미도시)와 제 5 모터드라이버(미도시), 제 6 모터(M6), 제 6 모터드라이버(MD6)는 위와 동일한 방식으로 결합될 수 있다. 이에 의해, 제 4 내지 제 6 모터와 제 4 내지 제 6 모터드라이버 각각의 연결을 위한 전원선의 길이가 동일할 수 있다. 이하, 제 4 내지 제 6 모터드라이버를 외측 모터드라이버(212)라고 통칭한다.
제 4 모터와 제 4 모터 드라이버의 결합체 및 제 5 모터와 제 5 모터 드라이버의 결합체는 제 2 프레임의 외부로 노출될 수 있도록 설치될 수 있다. 그리고, 제 6 모터와 제 6 모터 드라이버 결합체는 제 2 지지프레임(220) 외부로 노출되게 설치될 수 있다.
상기와 같은 제 2 프레임(200) 상의 구조는 피검체의 신체 외부의 움직임을 모의 구현하는 구성으로서, 교차하는 3개 축을 이용하여 신체 외부의 움직임에 대응하는 3차원의 움직임을 구현할 수 있는 구조체를 갖는다. 방사선감쇄판(230)의 3축 운동은 피검체 체표면의 움직임에 의한 방서선 감쇄를 유도하도록 형성될 수 있다.
상기와 같은 제 1 탑재부(410)의 3축 운동과 방사선감쇄판(230)의 3축 운동이 융합되는 것을 통칭하여 6축 동적 팬텀 기구물이라 한다. 즉, 6축 동적 팬텀 기구물을 제 1 탑재부(410)과 방사선감쇄판(230)을 통칭하는 의미이다.
상기와 같은 구조에서, 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)는 방사선 치료 계획을 평가하는 동안 신체 움직임을 모의하기 위해 시계열적으로, 제 1 모터제어신호를 내측모터드라이버(112)에 제 2 모터제어신호를 외측모터드라이버(212)에 출력할 수 있다. 이때, 제 1 모터제어신호는 제 1 내지 제 3 모터의 회전수 또는 팬텀(420)의 3축 이동 좌표값일 수 있다. 이때, 내측모터드라이버(112)는 내측 구동부(111)를 형성하는 제 1 내지 제 3 모터 각각을 구동시킬 수 있다. 여기서, 내측모터드라이버(112)는 제 1 모터제어신호가 제 1 내지 제 3 모터의 회전수인 경우, 해당 회전수 만큼 제 1 내지 제 3 모터를 회전시키기 위한 전원을 출력할 수 있다. 이와 달리, 내측모터드라이버(112)는 제 1 모터제어신호가 팬텀(420)의 3축 이동 좌표값인 경우 각각의 축에 대한 이동 좌표값에 대응한 모터의 회전수를 산출하고 그 산출된 회전수 만큼 모터를 회전하기 위한 전원을 출력할 수 있다. 내측 감지부(113)는 감지 수단(미도시)을 통해 상기 제 1 모터제어신호에 따른 제어 결과를 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)로 출력할 수 있다.
그리고, 제 2 모터제어신호는 제 4 내지 제 6 모터의 회전수 또는 방사선감쇄판(230)의 3축 이동 좌표값일 수 있다. 이때, 외측모터드라이버(212)는 외측 구동부(211)를 형성하는 제 4 내지 제 6 모터 각각을 구동시킬 수 있다. 여기서, 외측모터드라이버(212)는 제 2 모터제어신호가 제 4 내지 제 6 모터의 회전수인 경우, 해당 회전수 만큼 제 4 내지 제 6 모터를 회전시키기 위한 전원을 출력할 수 있다. 이와 달리, 외측모터드라이버(212)는 제 2 모터제어신호가 방사선감쇄판(230)의 3축 이동 좌표값인 경우 각각의 축에 대한 이동 좌표값에 대응한 모터의 회전수를 산출하고 그 산출된 회전수 만큼 모터를 회전하기 위한 전원을 출력할 수 있다. 외측 감지부(213)는 감지 수단(미도시)을 통해 상기 제 2 모터제어신호에 따른 제어 결과를 제 6 축 동적 팬텀 제어기(500)로 출력할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이, 기존의 중앙 제어를 위한 PC 및 로컬 제어를 위한 콘트롤러를 제 6 축 동적 팬텀 제어기로 통합하는 것에 의해 시스템 구축 비용이 저감되고 설치가 용이할 수 있다. 또한, 치료 계획의 평가를 위해 통신으로 소모되는 시간을 단축할 수 있다. 그리고, 본 발명은 6축 모터 각각에 대응한 모터드라이버를 6축 모터 각각에 결합시키는 것에 의해, 모터와 모터드라이버 사이의 거리가 6축 각각 마다 달라서 전력 손실이 다양하게 발생하여 튜닝 작업이 필요하고, 정기적으로 점검을 해야하는 점을 제거할 수 있다. 이에 의해, 6축으로 환자의 호흡 운동을 모의 구현함에 있어서 모의되는 호흡 운동의 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 단일 제 6 축 동적 팬텀 제어기를 사용해 6축 모터를 통합제어하므로 제어 지연이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 본 발명은 모터와 모터드라이버가 외부로 노출되는 구조를 채택하여 발열로 인한 모터 손상 및 장비의 온도 상승과 같은 문제를 해소할 수 있다. 그리고, 제품 제작시 배선이 간소화될 수 있다.
100: 제 1 프레임
120: 제 1 지지프레임
200: 제 2 프레임
220: 제 2 지지프레임
230: 방사선감쇄판
300: 연결프레임
410: 제 1 탑재부
420: 팬텀
500: 제 6 축 동적 팬텀 제어기

Claims (3)

  1. 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 내측 구동부;
    상기 내측 구동부 측에 설치되어 상기 3축 운동을 구동시키는 내측모터드라이버;
    상기 내측 구동부의 3축 운동과 별개인 3축 운동 각각에 대한 모터를 구비하고 3축 운동을 제공하는 외측 구동부; 및
    상기 외측 구동부 측에 설치되어 3축 운동을 구동시키는 외측모터드라이버를 포함하는 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 구동부는 신체 내부의 움직임에 대응하는 3차원 움직임을 제공하는 것을 특징으로 하는 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 구동부는 신체 외부의 움직임에 대응하는 3차원 움직임을 제공하는 것을 특징으로 하는 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치.
KR1020180129113A 2018-10-26 2018-10-26 환자의 호흡 운동에 기반한 방사선 치료 계획의 평가 장치 KR20200047093A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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