KR20210005850A - 입자 빔 안내 시스템 및 방법 및 관련된 방사선 치료 시스템 - Google Patents
입자 빔 안내 시스템 및 방법 및 관련된 방사선 치료 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
인입 궤적(T1)을 따라 인입 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 수신하고 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)이 제공되며, 이 입자 빔 안내 시스템은, 입자 빔의 에너지 레벨을 조정하기 위한 감쇠기(22); 각각이 인입 궤적으로부터 중간 궤적(T2)으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하는, 감쇠기의 하류에 포지셔닝되는 제1 빔 가이드(26) ― 제1 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제1 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제1 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열됨 ― ; 및 각각이 중간 궤적으로부터 인출 궤적으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하는, 제1 빔 가이드의 하류에 포지셔닝되는 제2 빔 가이드(28)를 포함하고, 제2 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제1 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제2 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열된다. 이러한 입자 빔 안내 시스템들을 포함하는 방사선 치료 시스템이 또한 개시된다.
Description
본 발명은 인입 궤적을 따라 인입 입자 빔을 수신하고 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 제어하기 위한 입자 빔 안내 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 입자 빔 안내 시스템에서 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 방사선 치료 및 보다 구체적으로, 주변 조직에 가해지는 손상을 최소화하면서 암 종양에서 세포들의 DNA를 파괴하는 것을 목표로 하는, 방사선의 효과를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 복수의 입자 빔 안내 시스템들을 포함하는 방사선 치료 시스템에 관한 것이며, 각각의 입자 빔 안내 시스템은 인입 궤적을 따라 인입 입자 빔을 수신하고 방사선 치료 환자의 신체 내부에 로케이팅된 3-차원 방사선 타겟을 향한 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 제어하도록 배열된다.
방사선 치료를 이용한 암 치료는 환자에게 이온화 방사선을 적용하여서, 환자 신체의 악성 세포들에 방사선 에너지를 축적하는 것을 수반한다. 충분한 양의 에너지가 축적되는 경우, DNA의 파괴 및 방사된 세포들의 후속 사멸이 발생한다.
양성자들 및 다른 하전 입자들은 방사선 치료에 적합한 깊이-도즈 곡선(depth-dose curve)을 디스플레이한다. 이러한 방사선은 소위 브래그 피크(Bragg peak) ― 하전 입자의 궤적의 맨 마지막 구역에서 축적된 에너지의 급격한 증가 ― 를 생성하며, 여기서 하전 입자는 그의 전체 에너지를 상실하고 증착된 도즈는 0으로 떨어진다.
US 2016/0144201 A1은 다중 양성자 빔들이 다수의 방향들 및 각도들로부터 환자에게 전달되는 강도-변조식 양성자 치료를 위한 시스템을 개시한다. 이 시스템은 양성자 빔들의 에너지 분포를 제어, 구성 또는 선택할 수 있고, 또한 빔들의 포지션들 및/또는 정렬들을 동적으로 변경할 수 있다.
US 2016/0144201 A1은 또한, 관심의 볼륨들을 서브-볼륨들로 분할하고, 특히 환자 움직임에 기초하여 서브-볼륨들에 도즈 제약들을 적용하고, 양성자 치료 시스템의 하나 이상의 실행 가능한 구성들을 찾고, 양성자 치료의 하나 이상의 양상들을 개선하거나 최적화하는 양성자 빔 구성을 선택하는 단계들을 포함하는 양성자 치료 계획을 생성하는 방법을 개시한다.
그러나 US 2016/0144201 A1의 양성자 치료 시스템 및 다른 종래 기술의 방사선 치료 시스템들과 연관된 문제는, 치료 동안 환자의 움직임으로 인해 시스템이 방사선 타겟 내의 의도된 포지션에 방사선 도즈를 정확하게 전달하는 것이 어렵다는 것이다. 사실상, 환자가 제지되더라도, 환자의 신체 내의 장기 움직임들로 인해, 호흡 및 비자발적 근육 활동 예컨대, 심장 박동들에 기인한 모션들이 있을 것이므로, 종래 기술의 방사선 치료 시스템들이 방사선 도즈를 정확하게 전달하는 것은 여전히 어려울 것이다.
따라서, 종래 기술 시스템들을 사용하여 치료 계획을 준비할 때, 도즈 제약들은 치료 동안 환자 및/또는 장기 움직임들과 연관된 불확실성을 고려할 필요가 있다. 실제로, 이러한 불확실성은 시스템의 운영자가 건강한 조직에 대한 손상을 방지하기 위해 더 낮은 전체 도즈량(dosage)을 전달하도록 시스템을 세팅하게 할 수 있다. 이는 결국, 불확실성이 존재하지 않는 경우보다 치료를 덜 효율적이 되게 할 수 있다.
입자 빔 방사선 치료 시스템에서, 입자들은 광의 속도에 가까운 속도로 이동하고 궤적은 일반적으로 자석들에 의해 제어되고 구부러진다. 요구되는 자기력의 결과로서 빠르고 유연한 방식으로 입자 빔의 방향을 변경하는 것은 난제이다.
본 발명의 목적은 이러한 문제를 완화하고 입자 빔의 에너지 및 궤적이 효율적으로 제어될 수 있게 하는 입자 빔 안내 시스템 및 방사선 치료 시스템을 제공하는 것이다.
일 양상에 따르면, 본 발명은 입자 빔 안내 시스템을 제공하며, 입자 빔 안내 시스템은,
입자 빔의 에너지 레벨을 조정하기 위한 감쇠기;
각각이 인입 궤적으로부터 중간 궤적으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하는, 감쇠기의 하류에 포지셔닝되는 제1 빔 가이드 ― 제1 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제1 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제1 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열됨 ― ;
각각이 중간 궤적으로부터 인출 궤적으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하는, 제1 빔 가이드의 하류에 포지셔닝되는 제2 빔 가이드 ― 제2 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제3 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제2 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제3 평면에 직교하는 제4 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열됨 ― ;
제2 빔 가이드의 하류에 포지셔닝되고 의도된 인출 궤적을 제어하도록 배열되는 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛을 포함하고, 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛은 각각이 인입 궤적에 직교하는 개별 평행 평면들에서 개별적으로 이동 가능하며 개구를 각각 디스플레이하는, 입자 빔 감쇠 재료의 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들을 포함하고, 개구들의 정렬은 의도된 인출 궤적을 정의한다.
상기 제3 평면은 상기 제1 평면과 동일할 수 있고, 결과적으로 상기 제4 평면은 상기 제2 평면과 동일할 수 있다.
제1 및 제2 빔 가이드들 사이의 간격은 30 내지 150cm 범위 내에 있을 수 있다.
입자 빔 안내 시스템은 감쇠기의 하류 및 제1 빔 가이드의 상류에 포지셔닝되고 입자 빔을 포커싱하기 위한 포커싱 사중극(focusing quadrupole)들을 형성하는 일 세트의 자석들을 포함하는 포커싱 유닛을 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 입자 빔 안내 시스템에서, 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 제어하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은,
입자 빔 안내 시스템에서, 인입 궤적을 따라 인입 입자 빔을 수신하는 단계;
입자 빔 안내 시스템의 감쇠기에서 입자 빔의 에너지 레벨을 조정하는 단계;
감쇠기의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템의 제1 빔 가이드를 사용하여 인입 궤적으로부터 중간 궤적으로 입자 빔을 편향시키는 단계 ― 제1 빔 가이드는 각각이 인입 궤적으로부터 중간 궤적으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하고, 제1 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제1 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제1 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열됨 ― ;
제1 빔 가이드의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템의 제2 빔 가이드를 사용하여 중간 궤적으로부터 인출 궤적으로 입자 빔을 편향시키는 단계 ― 제2 빔 가이드는 각각이 중간 궤적으로부터 인출 궤적으로 입자 빔을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들을 포함하고, 제2 빔 가이드의 제1 쌍극자는 제3 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열되고, 제2 빔 가이드의 제2 쌍극자는 제3 평면에 직교하는 제4 평면에서 입자 빔을 편향시키도록 배열됨 ― ;
제2 빔 가이드의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템의 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛을 사용하여 의도된 인출 궤적을 제어하는 단계를 포함하고, 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛은 각각이 인입 궤적에 직교하는 개별 평행 평면들에서 개별적으로 이동 가능하며 개구를 각각 디스플레이하는, 입자 빔 감쇠 재료의 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들을 포함하고, 개구들의 정렬은 의도된 인출 궤적을 정의한다.
방법은 감쇠기의 하류 및 제1 빔 가이드의 상류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템의 포커싱 유닛을 사용하여 입자 빔을 포커싱하는 단계를 포함할 수 있고, 포커싱 유닛은 입자 빔을 포커싱하기 위한 포커싱 사중극(focusing quadrupole)들을 형성하는 일 세트의 자석들을 포함한다.
감쇠기에서 입자 빔의 에너지 레벨을 조정하는 단계는 입자 빔의 경로에서 감쇠 재료의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 한 쌍의 슬라이딩 웨지(wedge)들을 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 감쇠기에서 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
동작 시에, 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들은 개구들이 입자 빔 안내 시스템의 원하는 인출 궤적을 정의하도록 포지셔닝된다. 제1 및 제2 빔 가이드들이 원하는 또는 세팅된 인출 궤적을 달성하는 데 성공한 경우, 입자 빔은 제어 디스크들의 정렬된 개구들을 통과할 것이다. 그러나 입자 빔과 완벽하게 정렬되지 않은 부유 입자들은 제어 디스크들에 의해 포착될 것이다. 또한, 빔 가이드들이 입자 빔을 오정렬시킨 경우, 입자 빔은 제1 또는 제2 제어 디스크에 부딪칠 것이다.
제1 및/또는 제2 빔 궤적 제어 디스크는 유리하게는, 입자 빔이 부딪치는 제어 디스크 상의 위치를 검출할 수 있는 센서들을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 오정렬에 관한 정보가 입자 빔 안내 시스템으로 피드백될 수 있게 하여 원하는 및 검출된 인출 궤적 간의 편차를 감소시키도록 감쇠기 및/또는 빔 가이드들을 실시간으로 또는 거의 실시간으로 조정하게 허용한다.
충분한 정확성을 보장하기 위해, 평행한 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들 사이의 거리는 40 내지 150mm 범위 내에 있을 수 있고, 디스크들에 디스플레이되는 개구들은 원형이고 3 내지 10mm 범위 내의 직경을 가질 수 있다.
감쇠기는 입자 빔의 경로에서 감쇠 재료의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 이동될 수 있는 한 쌍의 슬라이딩 웨지들을 포함할 수 있다. 그러나 원칙적으로 당 업계에 알려진 임의의 유형의 입자 빔 감쇠기가 사용될 수 있다.
제1 및 제2 빔 가이드들의 자석들은 초전도 자석들일 수 있다.
입자 빔 안내 시스템은 유리하게는, 입자 빔 안내 시스템의 컴포넌트들이 인클로징되는 챔버를 포함할 수 있다. 챔버는 유리하게는, 예컨대 극저온 냉각을 보장하기 위해 대기 제어, 예컨대 진공 인클로저 및/또는 온도 제어를 제공할 수 있다. 챔버는 또한 예컨대, 하나의 입자 빔 안내 시스템으로부터의 자기장들이 다른 입자 빔 안내 시스템의 동작을 방해하는 것을 방지하도록 자기 차폐를 제공할 수 있다.
입자 빔 안내 시스템의 챔버는 일반적으로, 튜브 형상일 수 있고, 방사선 타겟을 등진 제1 입자 빔 입구 인렛 단부, 및 방사선 타겟을 향하는 제2 입자 빔 인출 단부를 갖는다.
추가의 양상에 따르면, 본 발명은 방사선 치료 시스템을 제공하며, 방사선 치료 시스템은,
복수의 입자 빔 안내 시스템 소스들 ― 각각의 입자 빔 안내 시스템은 인입 궤적을 따라 인입 입자 빔을 수신하고 방사선 치료 환자의 신체 내부에 로케이팅된 3-차원 방사선 타겟을 향한 방사 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 제어하도록 배열됨 ― ;
방사선 타겟의 임의의 움직임의 방향 및 속도를 포함하여 3-차원 방사선 타겟의 공간에서 포지션 및 배향을 모니터링하고, 또한 입자 빔들의 방사선 경로들에 로케이팅된 방사선 타겟을 둘러싼 신체 조직의 조직 특성들을 모니터링하도록 배열된 이미징 시스템;
방사선 치료 세션 동안,
이미징 시스템으로부터 상기 조직 특성 및 상기 방사선 타겟의 포지션 및 배향에 관한 정보를 수신하고;
상기 조직 특성들에 관한 수신된 정보에 기초하여, 상기 입자 빔들에 노출되지 않아야 하는 신체 조직을 식별하고; 그리고
방사선 타겟의 움직임에 대한 응답으로,
(i) 상기 입자 빔들의 브래그 피크(Bragg peak)들은 상기 방사선 타겟 내부의 미리 결정된 빔 교차 구역에서 교차하게 되고; 그리고
(ii) 상기 입자 빔들의 방사선 경로들은 상기 입자 빔들에 노출되지 않을 것으로서 식별된 상기 신체 조직을 통과하지 않도록 입자 빔 안내 시스템을 제어하는 입자 빔 제어 시스템을 포함한다.
결과적으로, 본 발명의 이러한 양상은 복수의 입자 빔 안내 시스템들을 동시에 그리고 조정된 방식으로 동작시키기 위해 입자 빔 제어 시스템을 사용하는 것에 기초한다. 입자 빔 제어 시스템은, 입자 빔들에 노출되지 않을 것으로서 식별된 신체 조직을 입자 빔들이 통과하는 것을 방지하는 동시에, 입자 빔들이 교차하고 방사선 타겟 내의 미리 결정된 빔 교차 구역 예컨대, 암 종양에서 그의 브래그 피크들을 제공하도록, 입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 제어하게 배열된다.
치료 세션에 앞서, 방사선 타겟의 각각의 부분 또는 구역에 전달될 요구되는 방사선 도즈뿐만 아니라 상이한 방향들에서 방사선 타겟에 전달될 방사선 도즈를 명시하는 치료 계획이 설정된다. 치료 계획은 통상적으로, 방사선 타겟 및 주변 조직(예컨대, 장기들, 뼈들 및 다른 조직 구조들)의 상세한 시각화에 기초하여 생성된다. 치료 계획은 또한 통상적으로 입자 빔들에 노출되지 않을 환자의 신체 내의 신체 조직 및/또는 구역을 식별한다.
치료 세션 동안, 입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들은 모든 각각의 시점마다, 예컨대, 치료 계획에 따라 입자 빔에 노출되지 않아야 하는 환자의 신체의 민감한 구역들 또는 구조들(예컨대, 중추 및/또는 말초 신경계의 구조들, 눈들, 조사되지 않을 것으로 식별된 장기들 등) 및/또는 입자 빔 상에 원치않는 영향들을 미칠 수 있는 환자의 신체 내의 구역들 또는 구조들(예컨대, 뼈들)을 회피하면서, 의도된 빔 교차 구역에서 브래그 피크를 제공하는 각각의 입자 빔의 방사선 경로 또는 궤적을 발견하도록 방사선 타겟의 움직임 및/또는 주변 조직의 움직임에 대한 응답으로 조정된다. 입자 빔 소스에 대해 적합한 입자 빔 궤적이 발견될 수 없는 경우, 입자 빔 소스는 일시적으로 정지(shut down)될 수 있다.
방사선 타겟의 움직임 및/또는 입자 빔 소스들의 재포지셔닝 및 재정렬을 촉진하는 주변 조직의 움직임은 통상적으로, 환자의 이동으로 인한 것이거나 환자의 내부 장기들의 움직임으로 인한 것일 수 있다.
방사선 타겟이 큰 경우에, 치료 계획은 빔 교차 구역이 방사선 타겟에 걸쳐 스위핑되도록 요구할 수 있다. 결과적으로, 각각의 입자 빔의 입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들은 그 후, 그러한 스위핑 액션을 달성하도록 조정될 수 있다.
입자 빔 제어 시스템은, 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적에 대한 세트포인트 값(setpoint value)들을 업데이트하고 미리 결정된 간격으로, 예컨대, 0.1 초 내지 0.05 초 범위 내의 간격으로 세트포인트 값들을 달성하도록 제어 신호들을 상기 복수의 입자 빔 안내 시스템들에 전송하게 배열될 수 있다.
이미징 시스템은, 입자 빔들의 방사선 경로들에 로케이팅되는 의도된 타겟 및 의도된 타겟을 둘러싼 조직의 표현을 실시간 또는 거의 실시간 기반으로 제공할 수 있는 X-선 컴퓨터 단층 촬영(X-선 CT) 이미징 시스템, MRI(magnetic resonance imaging) 시스템, PCT(proton computed tomography) 이미징 시스템, PET(positron emission tomography) 시스템, 초음파 이미징 시스템 또는 임의의 다른 유형의 이미징 시스템, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
타겟 및 주변 조직의 실시간 또는 거의 실시간 표현은 표현을 실시간으로 정렬 및 업데이트하기 위해 타겟 및 주변 조직의 정적 표현, 및 모션의 추적과 함께 모션 패턴들의 지식에 기초할 수 있다. 모션의 실시간 추적은 예컨대 US 5,207,223 및 WO 02/19908 A1에 개시된 바와 같이 초음파 또는 다른 이미 알려진 수단을 사용하여 달성될 수 있다.
이미징 시스템에 의해 제공된 상기 표현에 기초하여, 입자 빔 안내 시스템들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들은, 입자 빔들의 브래그 피크들이 방사선 타겟 내부의 미리 결정된 빔 교차 구역에서 교차하는 상태를 유지하는 동시에, 입자 빔들에 노출되지 않을 것으로서 식별된 신체 조직을 통과하지 않는 입자 빔들의 방사선 경로들을 설정하도록 방사선 타겟 및 주변 조직의 움직임들을 동적으로 보상하게 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 효율적인 도즈 전달이 달성되어, 종양 내부의 방사선 치료 처치의 효과를 개선하고 동시에 주변의 건강한 조직에 전달되는 방사선 도즈를 감소시킬 수 있다.
입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정하는 입자 빔 안내 시스템의 능력으로 인해, 본 발명에 따른 시스템은 방사선 타겟 및 주변 조직의 움직임들을 보상하는 동시에, 종양에 걸쳐 빔 교차 구역을 스위핑함으로써 큰 종양들을 치료하는 데 사용될 수 있다. 동일한 능력으로 인해, 본 발명에 따른 시스템은 또한 치료 세션 동안 복수의 종양들을 치료하는 데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 완전한 치료 세션을 전자적으로 그리고 실시간으로 문서화하는 데 사용될 수 있는데, 예컨대, 치료 세션 동안 사용된 시스템 셋업 및 타겟들 또는 타겟의 각각의 부분에서 누적된 방사선 도즈를 문서화는 데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방사선 치료 시스템은 입자 빔들을 생성하고 이들을 입자 빔 안내 시스템들에 제공하기 위한 하나 이상의 입자 생성기들 또는 가속기들을 포함할 수 있으며, 이러한 가속기들 각각은 하나 이상의 입자 빔들 또는 빔렛들을 생성하도록 구성될 수 있다.
입자 빔들은 양성자 빔들일 수 있다.
이하에서, "입자 빔"이라는 용어는 맥락으로부터 달리 언급되거나 암시적으로 이해되지 않는 한, 동일한 빔 경로를 갖고 하나 및 동일한 입자 소스로부터 나오는 하나 또는 복수의 입자 빔들 또는 빔렛들을 의미하는 것으로 이해된다. 예컨대, 입자 빔은 당 업계 내에서 "펜슬 빔(pencil beam)"으로 지칭되는 유형일 수 있다. 대안적으로, 입자 빔의 윤곽의 실시간 조정을 위한 기존의 신기술이 적용될 수 있다. 이 신기술을 IGRT(image-guided radiation therapy) 또는 4-차원 방사선 요법이라 칭해진다.
입자 빔이 양성자 빔인 경우, 입자 빔의 궤적은 일반적으로 영구 자석들 또는 전자석들에 의해 조작되며, 일반적으로 이러한 액추에이터 시스템에서 전력 전달 및 냉각에 대한 높은 요구들이 존재할 것이다. 예컨대, 에너지 이송을 위해 또는 초전도성(superconductivity)을 위한 조건들을 제공하기 위해 냉각이 요구될 수 있다.
입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 개별적으로 제어함으로써, 입자 빔 제어 시스템은 브래그 피크들이 빔 교차 구역에 포커싱되는 것을 보장한다.
입자 빔 제어 시스템은 개별 입자 빔들의 시작 및 중지, 및 또한 각각의 입자 빔이 빔 교차 구역을 조사하는 시간의 길이를 제어하도록 구성될 수 있다.
입자 빔 제어 시스템은, 빔 교차 구역에 의해 점유되는 공간의 볼륨이 비교적 큰 방식으로, 입자 빔들을 제어할 수 있으며, 이 경우에, 빔 교차 구역은, 적어도 방사선 타겟이 작은 경우, 전체 방사선 타겟을 포함할 수 있다. 대안적으로, 입자 빔 제어 시스템은 빔 교차 구역에 의해 점유되는 볼륨이 작아지도록 입자 빔들을 포커싱하게 배열될 수 있으며, 이 경우에 전달된 방사선은 이 작은 볼륨으로 집중된다.
방사선 타겟이 빔 교차 구역에 의해 점유된 볼륨보다 큰 경우, 빔 교차 구역은 방사선 타겟의 상이한 부분들에 원하는 조사 도즈를 전달하기 위해 방사선 타겟에 걸쳐 스위핑하거나 스캔될 수 있다. 이러한 스위핑 또는 스캐닝은 단계적 또는 연속적일 수 있다.
빔 교차 구역을 동적으로 제어하기 위해, 각각의 입자 빔의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들은 유리하게는, 동적으로 제어되어야 한다.
입자 빔들의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정하는 목적은 각각의 입자 빔의 브래그 피크 발생의 정확한 포지셔닝을 보장하여서, 그것이 미리 정의된 빔 교차 구역에서 정확히 발생하게 하는 것인데, 즉 입자 빔들의 브래그 피크들이 빔 교차 구역에서 교차하도록 만드는 것이다. 빔 교차 구역의 범위는 일반적으로 교차하는 입자 빔들의 단면적들 및 그의 브래그 피크들의 축방향 범위에 의해 결정된다. 축적된 에너지가 최대 축적된 에너지의 80 % 초과인 구역으로서 브래그 피크가 정의되는 경우, 빔 교차 구역의 볼륨은 통상적으로, 입자 빔들의 개별 단면적들 및 입자 빔들 사이의 각도들에 의존하여 50 내지 1000mm3의 범위 내에 있도록 세팅될 수 있다.
빔 교차 구역에서 개별 입자 빔들의 포지션은 일반적으로 +/- 0.5mm의 정확도 내에 있도록 세팅되어야 하고, 충분한 동적 특성들을 제공하기 위해, 입자 빔들의 인출 궤적의 조정은 바람직하게는, 입자 빔들이 빔 교차 구역을 따라 20mm/s의 속도로 이동하고 40mm/s2의 가속도로 가속하도록 허용할 만큼 충분히 빨라야 한다.
이미징 시스템은 타겟의 공간에서의 포지션 및 배향, 즉 자세뿐만 아니라 속도 데이터, 즉 타겟의 포지션 및 자세의 변화들에 관한 데이터를 연속적으로 모니터링하도록 배열된다. 이미징 시스템은 또한 타겟을 둘러싼 조직, 특히 입자 빔들의 경로에 놓여있는 조직에 관한 정보를 모니터링하도록 배열된다.
이 데이터에 기초하여, 이미징 시스템은 종양 및 주변 조직을 동적으로 맵핑하고 환자의 신체의 관련 부분을 표현하는 수학적 모델을 구성할 수 있다. 다양한 유형들의 조직(뼈, 살, 장기들, 종양 등)이 맵핑될 것이며, 상이한 유형들의 조직이 입자 빔들과 어떻게 상호작용하는지에 관한 정보를 사용하여, 입자 빔 제어 시스템이 각각의 입자 빔의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 연속적으로 조정할 수 있어서, 빔 교차 구역이 의도된 포지션으로 고정될 것이다. 원하는 인출 에너지 레벨들 및 원하는 인출 궤적들의 셋업은 유리하게는, 동일한 수학적 모델을 사용하여 맵핑될 수 있어서, 실제 실시간 조사뿐만 아니라 신체의 상이한 부분들에서 누적된 효과는 예컨대, 각각 입방 mm(또는 선택한 대로 더 크거나 더 작은 유닛들 당) 단위로 등록된다.
이미징 시스템에 의해 모니터링되는 정보는, 정보를 프로세싱하고 빔 소스 포지션들, 빔 소스 정렬들 및 빔 변조들의 최적 조합을 자동으로 계산하고 동적으로 구현하여 빔 교차 구역 상에 빔들을 포커싱 및 유지하는 빔 제어 시스템으로 포워딩된다.
빔 교차 구역이 이동중일 때, 예컨대 빔 교차 구역이 타겟에 걸쳐 스위핑하도록 의도될 때 그리고/또는 예컨대, 호흡 모션으로 인해 타겟이 이동중인 경우 빔 교차 구역이 타겟을 따라야 할 때, 뼈는 입자 빔에 대해 상이하고 일반적으로 원치않는 효과를 미치기 때문에, 빔들의 궤적들이 늑골들과 같은 뼈를 회피하게 하기 위해 개별 입자 빔들의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적을 동적으로 조정할 필요가 종종 있을 것이다.
입자 빔의 인출 에너지 레벨을 조정하는 것은 예컨대, PCT/US2008/055069(이는 이로써 인용에 의해 포함됨)에 설명된 바와 같이, 브래그 피크의 원위 포지션이 빔 교차 구역에서 발생하도록 제어될 수 있게 레인지 시프터(range shifter)를 적용하는 것을 포함할 수 있다.
하전 입자들의 빔에 대한 에너지 손실은 타겟의 빔 교차 구역에 도달하기 전에 그것이 통과할 조직의 범주에 의존하여 밀리미터 당 측정된 바와 같이 실질적으로 변동된다. 그것이 공기, 살, 다양한 장기들 또는 뼈 조직을 통과하는지 여부 및 이들의 각각의 경로 거리는 빔 소스로부터 브래그 피크가 발생할 거리에 큰 영향을 미칠 것이다.
입자 빔들의 관련 유형의 입자들 및 다른 관련 빔 특성들을 고려하여, 타겟 및 주변 조직의 수학적 모델에는 조직의 범주마다 mm 당 에너지 손실을 보여주는 데이터가 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 예컨대, US 9,199,093(이는 이로써 인용에 의해 포함됨)에 설명된 바와 같은 3D 도즈 추적이 적용될 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명이 보다 상세히 논의될 것이다.
도 1은 3개의 상이한 입자 빔들의 브래그 피크들을 예시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방사선 치료 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 입자 빔 안내 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 입자 빔 굽힘을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 입자 빔 안내 서브-시스템에서 인가된 자기장의 함수로써 굽힘의 각도를 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방사선 치료 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 입자 빔 안내 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 입자 빔 굽힘을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 입자 빔 안내 서브-시스템에서 인가된 자기장의 함수로써 굽힘의 각도를 도시한다.
하전 입자가 물질을 통해 이동할 때, 이는 재료의 원자들을 이온화하고 그의 경로를 따라 도즈를 축적한다. 하전 입자의 속도가 감소함에 따라, 축적된 에너지가 증가한다. 양성자들, α-광선들 및 다른 이온 광선들에 대해, 축적된 에너지 피크들은 입자들이 멈추기 직전에 그리고 결과적으로, 이러한 이온화 방사선의 에너지 손실이 물질을 통과하는 거리의 함수로써 플로팅되는 경우, 결과적인 곡선은, 축적된 에너지가 0이 되기 직전에 소위 브래그 피크로서 확연한 피크를 디스플레이할 것이다.
이는 3개의 상이한 입자 빔들로부터의 브래그 피크들을 개시하는 도 1에서 예시된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방사선 치료 시스템의 실시예를 개시한다. 방사선 치료 시스템은 방사선 치료 환자(4)의 신체 내부에 로케이팅된 3-차원 방사선 타겟(3) 상에 입자 빔들(6a-6c)을 방사하도록 배열된 복수의 입자 빔 안내 시스템들(1a-1c)을 포함한다.
또한, 방사선 치료 시스템은, 입자 빔들(6a-6c)의 브래그 피크들이 방사선 치료 세션 동안 방사선 타겟(3) 내부의 미리 결정된 빔 교차 구역(8)에서 교차하게 되도록 입자 빔 안내 시스템들(1a-1c)을 빠져나가는 입자 빔들(6a-6c)의 에너지 레벨들 및 궤적들을 개별적으로 제어 및 조정하게 배열되는 입자 빔 제어 시스템(7)을 포함한다.
인출 궤적 제어는 예컨대, 데카르트 좌표들 x, y, y에 의해 표현되는 각각의 입자 빔 소스의 포지션을 정의하는 3개의 변수들 및 예컨대, 직교 피치 및 요(yaw) 축들을 중심으로 측정된 회전 각도들에 의해 표현되는 바와 같이 빔 소스로부터 발생하는 입자 빔의 피치 및 요를 정의하는 2개의 변수들을 제어하는 것을 포함한다.
입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨을 조정하는 것은 입자 빔(6a-6c)의 경로에 하나 또는 복수의 감쇠기 엘리먼트들(도 4 참조)을 동적으로 삽입 및 제거하는 것을 포함할 수 있다.
방사선 치료 시스템은, 3-차원 방사선 타겟(3)의 공간에서 포지션 및 배향을 모니터링하고, 또한 입자 빔들(6a-6c)의 방사선 경로들에 로케이팅된 방사선 타겟(3)을 둘러싸는 신체 조직(5)의 조직 특성들을 모니터링하도록 배열되는 이미징 시스템(2)을 더 포함한다. 모니터링된 데이터에 기초하여, 이미징 시스템은 타겟(3) 및 주변 조직(5)을 동적으로 맵핑하고 환자의 신체의 관련 부분, 즉 타겟(3) 및 입자 빔 소스들(1a-1c)과 타겟(3) 사이에 놓인 주변 조직(5)을 표현하는 수학적 모델을 구성하도록 배열된다. 이 맵핑에서, 상이한 유형들의 주변 조직(뼈, 살, 장기들 등)이 맵핑되고 상이한 유형들의 조직이 입자 빔들과 어떻게 상호작용하는지에 관한 알려진 정보, 특히, 매우 상이한 유형들의 조직이 입자 빔들을 어떻게 감쇠시키는지에 관한 정보를 사용하여 수학적 모델을 생성한다.
동작 시에, 이미징 시스템(2)은 타겟(3) 및 주변 조직(5)의 공간에서의 포지션 및 배향을 모니터링하고, 타겟(3) 및 주변 조직(5)의 맵뿐만 아니라 환자(4)의 신체의 관련 부분을 표현하는 수학적 모델을 연속적으로 업데이트한다. 업데이트된 맵 및/또는 업데이트된 수학적 모델이 입자 빔 제어 시스템(7)에 포워딩된다.
입자 빔 제어 시스템(7)은 이미징 시스템(2)으로부터 수신된 정보를 프로세싱하고, 이 정보에 기초하여 입자 빔 안내 시스템들(1a-1c)로 전송되는 제어 신호들을 생성하여, 입자 빔들(6a-6c)의 브래그 피크들이 타겟(3)의 포지션 및/또는 자세의 임의의 변화를 고려하여 의도된 빔 교차 구역(8) 내에서 유지되도록 입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정한다.
이는 도 3에 예시되며, 여기서, 예컨대, 움직이는 환자 또는 환자의 내부 장기들로 인한 타겟(3)의 공간에서 포지션 및/또는 배향의 변화가 입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정하도록 입자 빔 제어 시스템(7)에 촉구한다.
이미징 시스템(2)으로부터 수신된 정보로부터, 입자 빔 제어 시스템(7)은 또한, 치료 계획에 따라, 입자 빔들(6a-6c)에 노출되지 않아야 하는 신체 조직을 식별한다. 입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정할 때, 입자 빔 제어 시스템(7)은 그러한 신체 조직이 입자 빔들(6a-6c)에 노출되지 않도록 보장한다.
입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들의 조정은 반드시 방사선 타겟의 움직임에 의해 촉발될 필요가 있는 것이 아니라, 입자 빔들(1a-1c)에 노출되지 않을 신체 조직이 입자 빔들(6a-6c)의 방사선 경로들 내로 들어가게 되도록 하는 움직임에 의해 촉발될 수 있다. 예컨대, 방사선 타겟을 본질적으로 공간 내의 동일한 위치에 남겨두는 환자의 신체의 회전은 그럼에도, 회전이 신체 조직으로 하여금 입자 빔(6a-6c)의 방사선 경로 내에서 조사되지 않게 하는 경우, 하나 또는 복수의 입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적이 조정될 것을 요구할 수 있다.
입자 빔 제어 시스템(7)이 입자 빔(6a-6c)에 대한 "안전한" 방사선 경로, 즉 입자 빔들에 노출되지 않을 신체 조직을 회피하는 방사선 경로를 찾을 수 없는 경우, 입자 빔 제어 시스템(7)은, 그러한 방사선 경로가 발견될 때까지, 예컨대 방사선 타겟 및 주변 조직이 시프트되어 그러한 방사선 경로가 재차 이용 가능해질 때까지 입자 빔을 차단해야 할 수 있다.
의도된 빔 교차 구역(8)은 도 2 및 도 3에 개시된 바와 같이 타겟(3)의 주어진 포지션에 고정될 수 있다. 대안적으로, 빔 교차 구역(8)은 연속적으로 또는 단계적으로 타겟(3)에 걸쳐 스위핑하도록 배열될 수 있으며, 이 경우에, 빔 제어 시스템(7)은 또한, 타겟의 공간에서 포지션 및/또는 배향의 임의의 변화 및 입자 빔들(6a-6c)의 경로들에 놓인 조직의 조성의 임의의 변화를 보상하는 것 외에도, 입자 빔들(6a-6c)의 인출 에너지 레벨들 및 인출 궤적들을 조정할 때 빔 교차 구역의 새로운 포지션을 고려해야 한다.
도 4 및 도 5는 방사선 치료 시스템의 입자 빔들(6a, 6b, 6c)을 재포지셔닝 및 재정렬하기 위한 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 실시예를 도시하며, 여기서 입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 인입 궤적(T1)을 따라 인입 입자 빔(6a-6c)을 수신하고 입자 빔(6a-6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하도록 배열된다.
입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 방사선 타겟(3)을 등진 시스템(1a-1c)의 단부에, 방사선 타겟(3)의 결정된 포인트에서 브래그 피크가 발생하도록 입자 빔 에너지 레벨을 조정하게 배열된 감쇠기(22)를 포함한다. 개시된 실시예에서, 감쇠기(22)는 입자 빔(6)의 경로에 있는 감쇠 재료의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 이동될 수 있는 한 쌍의 슬라이딩 웨지(wedge)들(22a, 22b)을 포함한다.
입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 또한 감쇠기(22)의 하류, 즉 감쇠기(22)의 방사선 타겟 측 상에 배열된 포커싱 유닛(24)을 포함한다. 포커싱 유닛(24)은 입자 빔(6a-6c)이 감쇠기(22)를 통과한 후 그 입자 빔(6a-6c)을 포커싱하기 위한 포커싱 사중극들을 형성하는 한 세트의 자석들(24a, 24b)을 포함한다.
입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 감쇠기(22)의 하류에 포지셔닝된 제1 빔 가이드(26)를 더 포함한다. 제1 빔 가이드(26)는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(26a, 26b)을 포함하고, 각각의 안내 쌍극자들(26a, 26b)은 인입 궤적(T1)으로부터 중간 궤적(T2)으로 입자 빔(6a-6c)을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 초전도 자석들을 포함하며, 여기서 제1 쌍극자(26a)는 제1 평면에서, 예컨대 수평 평면에서 입자 빔(6a-6c)을 편향시키도록 배열되고, 제2 쌍극자(26b)는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서, 예컨대 수직 평면에서 입자 빔(6a-6c)을 편향시키도록 배열된다.
입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 제1 빔 가이드(26)의 하류에 포지셔닝된 제2 빔 가이드(28)를 더 포함한다. 제2 빔 가이드(28)는 각각이 2개의 초전도 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(28a, 28b)을 포함한다. 안내 쌍극자들(28a, 28b)은 입자 빔(6a-6c)을 중간 궤적(T2)으로부터 인출 궤적(T3)으로 편향시키도록 배열된다. 제1 빔 가이드(26)에서와 같이, 하나의 쌍극자(28a)는 제1 평면에서 입자 빔(6a-6c)을 편향시키도록 배열되고, 다른 쌍극자(28b)는 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 입자 빔(6a-6c)을 편향시키도록 배열된다.
제1 빔 가이드(26)는 인입 빔(6a-6c)을 편향시켜 그것이 중앙의 제2 빔 가이드(28)에, 즉 인입 궤적(T1)에 평행하지 않은 궤적을 따라 진입하게 할 수 있다. 이는, 인입 궤적(T1)에 직교하고 인입 궤적(T1)과 동축인 중심을 갖는 평면 원형 구역(29) 내의 어느 곳으로부터나 입자 빔(6a-6c)이 제2 빔 소스(28)를 빠져나가는 것을 가능하게 할 것이다(도 5 참조). 가능한, 즉 원형 영역(29)의 반경을 정의하는 최대 편향은 입자 빔이 얼마나 활동적인지(energetic)뿐만 아니라 제1 빔 가이드의 자석들의 강도 및 범위에 의해 결정될 것이다.
제2 빔 가이드(28)는 입자 빔(6a-6c)이 제2 빔 가이드(28)를 빠져나가게 하는 정렬을 제어한다. 즉, 제2 빔 가이드(28)는 인출 궤적(T3)의 피치 및 요를 제어한다.
결과적으로, 제1 빔 가이드(26)는 (원(29) 내의) 인출 궤적(T3)의 시작 포지션을 제어하고, 제2 빔 가이드(28)는 인출 궤적(T3)의 피치 및 요를 제어하며, 이에 따라 입자 빔 안내 시스템(1a-1c)이 방사선 타겟의 포지션 및 주변 조직에 대한 인출 궤적(T3)를 채택하도록 허용한다.
도 6은 하전 입자, 예컨대 양성자가 자기장을 통과할 때 새로운 방향을 획득하는 방법의 일반 원리를 도시하고, 도 7a 및 도 7b는 자기장의 상이한 길이(l)에 대해 특히, l = 200mm(곡선들 Da, Db), l = 300mm(곡선들 Ea, Eb), l = 400mm(곡선들 Fa, Fb) 및 l = 500mm(곡선들 Ga, Gb)에 대해, 인가된 자기장 강도의 함수로서 제1 빔 가이드(26)에서 달성된 굽힘 각도를 도시한다. 도 7a는 150 MeV의 에너지를 갖는 입자 빔에 대해 달성된 굽힘 각도를 도시하고 도 7b는 250 MeV의 에너지를 갖는 입자 빔에 대해 달성된 굽힘 각도를 도시한다.
제2 빔 가이드(28)의 하류에, 입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛(30)을 포함한다. 이 유닛(30)은 인입 궤적에 직교하는 개별 평면들에서 개별적으로 이동 가능한 2개의 평행한 빔 궤적 제어 디스크들(30a, 30b)을 포함한다. 제어 디스크들(30a, 30b) 간의 거리는 40 내지 150mm의 범위 내에 있다. 각각의 제어 디스크(30a, 30b)는 입자 빔이 통과하는 원형 개구(31a, 31b)를 디스플레이하고, 개구들(31a, 31b)은 각각 입자 빔(6a-6c)의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는다. 개구들(31a, 31)의 직경은 예컨대, 3 내지 10mm 범위 내에 있을 수 있다.
동작 시에, 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들(30a, 30b)은 개구들(31a, 31b)이 입자 빔 안내 시스템의 원하는 인출 궤적을 정의하도록 포지셔닝된다. 제1 및 제2 빔 가이드들(26, 28)이 입자 빔 제어 시스템(7)에 의해 세팅된 인출 궤적을 달성하는 데 성공한 경우, 입자 빔은 정렬된 개구들(31a, 31b)을 통과할 것이다. 그러나 빔 가이드들(26, 28)이 입자 빔을 오정렬시킨 경우, 입자 빔은 제1 또는 제2 제어 디스크에 부딪칠 것이다.
결과적으로, 개구들(31a, 31b)은 항상, 원하는 인출 궤적을 갖는 입자 빔이 개구들(31a, 31b)을 통과하도록 허용하는 포지션에 유지될 것이며, 따라서 입자 빔이 특정된 타겟 영역 이외의 임의의 다른 포지션에 부딪히지 않는다는 것을 확인하기 위한 안전 조치로서 작용한다. 각각의 빔 궤적 제어 디스크들(30a, 30b)은 임의의 부유 양성자들을 흡수하는 표면 외에도, 부유 양성자들의 양의 등록을 위한 센서들을 갖고, 이에 따라, 오정렬에 관한 정보가 입자 빔 안내 시스템으로 피드백될 수 있게 하여 원하는 및 검출된 인출 궤적 간의 편차를 감소시키도록 감쇠기 및/또는 빔 가이드들을 실시간으로 또는 거의 실시간으로 조정하게 허용한다.
이 기능성은 컴퓨팅된 학습을 통해 시간이 지남에 따라 개선될 수 있다. 이 기능성은 메인 입자 빔을 방해하지 않고 획득될 수 있다.
입자 빔 안내 시스템(1a-1c)은 입자 빔 안내 시스템의 컴포넌트들이 인클로징되는 챔버(도시되지 않음)를 포함한다. 챔버는 극저온 냉각을 보장하기 위해 대기 제어 예컨대, 진공 인클로저 및/또는 온도 제어를 제공한다. 챔버는 또한 하나의 입자 빔 안내 시스템으로부터의 자기장들이 다른 입자 빔 안내 시스템의 동작을 방해하는 것을 방지하도록 자기 차폐를 제공한다.
위의 설명에서, 본 발명에 따른 장치의 다양한 양상들이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 설명 목적들로, 장치 및 그의 작동들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 번호들, 시스템들 및 구성들이 기술되었다. 그러나, 이 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 예시적인 실시예의 다양한 수정들 및 변동들뿐만 아니라 개시된 청구 대상이 속하는 당업자들에게 명백한 장치의 다른 실시예들은 다음의 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
Claims (15)
- 인입 궤적(T1)을 따라 인입 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 수신하고 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)으로서,
상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 에너지 레벨을 조정하기 위한 감쇠기(22);
각각이 상기 인입 궤적(T1)으로부터 중간 궤적(T2)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(26a, 26b)을 포함하는, 상기 감쇠기(22)의 하류에 포지셔닝되는 제1 빔 가이드(26) ― 상기 제1 빔 가이드(26)의 제1 쌍극자(26a)는 제1 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열되고, 상기 제1 빔 가이드(26)의 제2 쌍극자(26b)는 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열됨 ― ;
각각이 상기 중간 궤적(T2)으로부터 상기 인출 궤적(T3)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(28a, 28b)을 포함하는, 상기 제1 빔 가이드(26)의 하류에 포지셔닝되는 제2 빔 가이드(28) ― 상기 제2 빔 가이드(28)의 제1 쌍극자(28a)는 제3 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열되고, 상기 제2 빔 가이드(28)의 제2 쌍극자(28b)는 상기 제3 평면에 직교하는 제4 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열됨 ― ; 및
상기 제2 빔 가이드(28)의 하류에 포지셔닝되고 의도된 인출 궤적(T3)을 제어하도록 배열되는 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛(30)을 포함하고,
상기 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛(30)은 각각이 상기 인입 궤적(T1)에 직교하는 개별 평행 평면들에서 개별적으로 이동 가능하며 개구(31a, 31b)를 각각 디스플레이하는, 입자 빔 감쇠 재료의 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들(30a, 30b)을 포함하고, 개구들(31a, 31b)의 정렬은 상기 의도된 인출 궤적(T3)을 정의하는,
입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 빔 가이드들(26, 28) 사이의 간격은 30 내지 150cm 범위 내에 있는,
입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c). - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)은,
상기 감쇠기(22)의 하류 및 상기 제1 빔 가이드(26)의 상류에 포지셔닝되고, 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 포커싱하기 위한 포커싱 사중극(focusing quadrupole)들을 형성하는 일 세트의 자석들(24a, 24b)을 포함하는 포커싱 유닛(24)을 포함하는,
입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c). - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감쇠기(22)는,
상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 경로에서 감쇠 재료의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 이동될 수 있는 한 쌍의 슬라이딩 웨지(wedge)들(22a, 22b)을 포함하는,
입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c). - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 빔 가이드들(26, 28)의 자석들은 초전도 자석들인,
입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c). - 방사선 치료 시스템으로서,
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 입자 빔 안내 시스템들(1a, 1b, 1c) ― 각각의 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)은 인입 궤적(T1)을 따라 인입 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 수신하고 방사선 치료 환자(4)의 신체 내부에 로케이팅된 3-차원 방사선 타겟(3)을 향한 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하도록 배열됨 ― ;
상기 3-차원 방사선 타겟(3)의 임의의 움직임의 방향 및 속도를 포함하여 상기 3-차원 방사선 타겟(3)의 공간에서 포지션 및 배향을 모니터링하고, 또한 상기 입자 빔들(6a, 6b, 6c)의 방사선 경로들에 로케이팅된 방사선 타겟(3)을 둘러싼 신체 조직(5)의 조직 특성들을 모니터링하도록 배열된 이미징 시스템(2);
방사선 치료 세션 동안,
상기 이미징 시스템(2)으로부터 상기 조직 특성들 및 상기 방사선 타겟(3)의 포지션 및 배향에 관한 정보를 수신하고;
상기 조직 특성들에 관한 수신된 정보에 기초하여, 상기 입자 빔들(6a, 6b, 6c)에 노출되지 않아야 하는 신체 조직(5)을 식별하고; 그리고
상기 방사선 타겟(3) 및/또는 상기 방사선 타겟(3)을 둘러싼 신체 조직(5)의 움직임에 대한 응답으로,
(i) 상기 입자 빔들(6a, 6b, 6c)의 브래그 피크(Bragg peak)들은 상기 방사선 타겟(3) 내부의 미리 결정된 빔 교차 구역(8)에서 교차하게 되고; 그리고
(ii) 상기 입자 빔들(6a, 6b, 6c)의 방사선 경로들이 상기 입자 빔들(6a, 6b, 6c)에 노출되지 않을 것으로서 식별된 상기 신체 조직을 통과하지 않도록 상기 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)을 제어하는 입자 빔 제어 시스템(7)을 포함하는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항에 있어서,
상기 입자 빔 제어 시스템(7)은 상기 인출 에너지 레벨 및 상기 인출 궤적(T3)에 대한 세트포인트 값(setpoint value)들을 업데이트하고 0.1 초 내지 0.05 초 범위 내의 간격으로 상기 세트포인트 값들을 달성하도록 제어 신호들을 상기 복수의 입자 빔 안내 시스템들(1a, 1b, 1c)에 전송하게 배열되는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 이미징 시스템은 X-선 컴퓨터 단층 촬영(computed tomography) 이미징 시스템, 자기 공명 이미징 시스템, 초음파 이미징 시스템, 양성자 컴퓨터 단층 촬영 이미징 시스템 및 양전자 방출 단층 촬영 이미징 시스템 중 임의의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 빔 제어 시스템(7)은 방사선 치료 세션 동안, 상기 빔 교차 구역(8)을 상기 방사선 타겟(3) 내의 미리 결정된 포지션으로 고정(lock)하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 빔 제어 시스템(7)은 방사선 치료 세션 동안, 미리 결정된 경로를 따라 상기 방사선 타겟(3)에 걸쳐 상기 빔 교차 구역(8)을 스위핑(sweep)하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 빔 제어 시스템(7)은 방사선 치료 세션 동안, 빔 교차 구역(8)을 상기 방사선 타겟(3) 내의 미리 결정된 포지션으로 단계적으로 재포지셔닝(stepwise reposition)하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
방사선 치료 시스템. - 제6 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 빔들은 양성자 빔들인 것을 특징으로 하는,
방사선 치료 시스템. - 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)에서, 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 방법으로서,
상기 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)에서, 인입 궤적(T1)을 따라 인입 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 수신하는 단계;
상기 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 감쇠기(22)에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 에너지 레벨을 조정하는 단계;
상기 감쇠기(22)의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 제1 빔 가이드(26)를 사용하여 상기 인입 궤적(T1)으로부터 중간 궤적(T2)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키는 단계 ― 상기 제1 빔 가이드(26)는 각각이 상기 인입 궤적(T1)으로부터 상기 중간 궤적(T2)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(26a, 26b)을 포함하고, 상기 제1 빔 가이드(26)의 제1 쌍극자(26a)는 제1 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열되고, 상기 제1 빔 가이드(26)의 제2 쌍극자(26b)는 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열됨 ― ;
상기 제1 빔 가이드(26)의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 제2 빔 가이드(28)를 사용하여 상기 중간 궤적(T2)으로부터 상기 인출 궤적(T3)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키는 단계 ― 상기 제2 빔 가이드(28)는 각각이 상기 중간 궤적(T2)으로부터 상기 인출 궤적(T3)으로 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키기 위한 자기장들을 생성하기 위한 2개의 자석들을 포함하는 제1 및 제2 안내 쌍극자들(28a, 28b)을 포함하고, 상기 제2 빔 가이드(28)의 제1 쌍극자(28a)는 제3 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열되고, 상기 제2 빔 가이드(28)의 제2 쌍극자(28b)는 상기 제3 평면에 직교하는 제4 평면에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 편향시키도록 배열됨 ― ;
상기 제2 빔 가이드(28)의 하류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛(30)을 사용하여 의도된 인출 궤적(T3)을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 빔 궤적 모니터링 및 제어 유닛(30)은 각각이 상기 인입 궤적(T1)에 직교하는 개별 평행 평면들에서 개별적으로 이동 가능하며 개구(31a, 31b)를 각각 디스플레이하는, 입자 빔 감쇠 재료의 제1 및 제2 빔 궤적 제어 디스크들(30a, 30b)을 포함하고, 개구들(31a, 31b)의 정렬은 상기 의도된 인출 궤적(T3)을 정의하는,
입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 감쇠기(22)의 하류 및 상기 제1 빔 가이드(26)의 상류에 포지셔닝된 입자 빔 안내 시스템(1a, 1b, 1c)의 포커싱 유닛(24)을 사용하여 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 포커싱하는 단계를 포함하고,
포커싱 유닛(24)은 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)을 포커싱하기 위한 포커싱 사중극(focusing quadrupole)들을 형성하는 일 세트의 자석들(24a, 24b)을 포함하는,
입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 방법. - 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
상기 감쇠기(22)에서 상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 에너지 레벨을 조정하는 단계는,
상기 입자 빔(6a, 6b, 6c)의 경로에서 감쇠 재료의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 감쇠기(22)에서 한 쌍의 슬라이딩 웨지들(22a, 22b)을 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 이동시키는 단계를 포함하는,
입자 빔(6a, 6b, 6c)의 인출 에너지 레벨 및 인출 궤적(T3)을 제어하기 위한 방법.
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