KR20210139380A - 콤팩트 레이저 웨이크필드 가속 전자 및 x선을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
암 치료 및 진단을 위한 레이저 웨이크필드 가속(LWFA) 유도 전자 빔 시스템. 본원에 제시된 예시적 실시형태는, 하나 이상의 레이저 파이버, 및 하나 이상의 레이저 파이버 중 개별 레이저 파이버 내의 전자 빔 소스를 포함하고, 전자 빔 소스는, 레이저 펄스 소스, 플라즈마 타겟, 플라즈마 타겟 상의 레이저 펄스 소스에 의해 생성된 레이저 펄스를 포커싱하도록 구성된 플라즈마 타겟과 레이저 펄스 소스를 인터포징하는 광학부의 세트를 포함하고, 레이저 펄스의 플라즈마 타겟과의 상호작용은 전자 빔의 생성을 유도한다. 본원에 제시된 다양한 실시형태에서, 전자 빔의 고에너지 전자는 하이-Z 물질과 상호작용하여 X선을 생성한다.
Description
본원에 기술된 주제는, 일반적으로 레이저 웨이크필드 가속(laser wakefield acceleration; LWFA)에 관한 것이며, 보다 구체적으로, LWFA에 의해 콤팩트하게 생성된 대용량(large dose) 전자 빔 또는 X선의 생성을 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 전자빔 및 X선으로 암(cancer) 등에 대한 의학적 치료 및 진단을 용이하게 하고, 표면 살균을 위한 전자 빔으로 기구 및 재료의 조사를 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
의학에서의 방사선의 사용은 100년 이상으로 거슬러 올라가며 그 응용은 진단 영상화 및 방사선 치료에 있어 왔다[참조 Barret et al, Radiological Imaging: Theory of image formation, detection and processing. Vols. 1 및 2, Academic Press, 1981; Johns et al, 물리학 방사선학, 3rd, 1974]. 진단 이미징의 경우, 빠르게 움직이는 전자와 텅스텐 타겟의 충돌에 의해 생성된 킬로볼트(KV) X선 빔은 오늘날까지 계속되는 수년 동안 표준 기술이었다[참조: Beutel et al, Handbook of Medical Imaging , Vol 1, SPIE Press, 2000; Curry et al, Christensen의 Physics of diagnostic radiology, 4th Ed., 1990]. 방사선 촬영, 유방촬영술, 형광투시 및 컴퓨터 단층촬영과 같은 모든 방사선 영상 시스템은 이 기술을 통해 이미징 X선을 생성한다. 이 기술을 통한 KV X선 생성은 효과적인 것으로 입증되었지만,
KV X선 빔이 기존 이미징 장치의 일부를 덜 부피가 커지도록 만들 수 있는 더 컴팩트한 디바이스로 생성하고, 이에 따라 환자를 덜 위협할 수 있다면 상당한 이점이 있을 수 있다. 많은 치료법이 조사(irradiation)를 위해 방사성 동위원소를 사용하고; 방사성 동위원소 생산, 운송 및 저장의 수반되는 로지스틱(accompanying logistic)은 다양한 소스(source)를 찾는(look into) 주요 이유이다. 예를 들어, 모든 방사성 동위원소에는 특정 반감기(characteristics half-life)가 있으므로 적시에 사용하지 않으면 손실될 것이다. 또한, 모든 방사성 동위원소는 수출 통제법의 적용을 받으며 확산에 대해 철저히 보호된다.
주로 암 치료에 초점을 맞춘 방사선 요법[참조, Khan, the physical of radiation therapy, 4th Ed., 2010]은 다양한 방사선 소스로부터 상당한 이점을 얻었다. 선형 가속기(linear accelerator; linac)에 의해 생성된 메가볼트(MV) X선 및 (MeV) 전자 빔은 신체의 임의의 부위의 암성 종양을 치료하는 데 일상적으로 사용된다. 이러한 빔의 생성은 전자가 무선 주파수(radiofrequency; RF) 소스의 전기장 성분에 의해 메가전압 에너지로 가속된다는 점을 제외하고는 이미징을 위한 KV X선과 유사한 개념을 기반으로 한다. 전자 가속이 발생하는 도파관은 길이가 1미터 이상일 수 있지만 RF 소스도 마찬가지로 클 수 있다. MV X선 및 MeV 전자 빔의 생산이 현재 선형 가속기의 사이즈의 일부 내에서 동일한 빔 특성으로 달성될 수 있다면, 상당한 혁신을 구상할 수 있다. CAN(Coherent Amplification Network)[참조, Mourou et al, “The future is fibre accelerators”, Nature Photonics 7, 258-261 (2013)]을 기반으로 하는 콤팩트 레이저 웨이크필드 가속(LWFA)[참조, Tajima et al, “Laser electron accelerator”, Phys. Rev. Ltrs. 43.4 (1979), 267]을 사용하여, 더 많은 방사선 종양학 센터에서 더 비용 효율적이고 더 쉽게 접근할 수 있게 함으로써, 저에너지/초고선량 전자 및 고에너지 전자 생산에 혁명을 일으켰다.
근접 치료(brachytherapy)는 타겟 체적(target volume)에 인접 및/또는 근접한 곳에 방사선량(radiation dose)을 전달하는 방사선 종양학 내의 또 다른 치료 기술이다. 역사적으로, 다른 것들 중 Ra-222, Ir-192, Co-60과 같은 방사성 소스는 근접 치료에 사용되었다. 고선량률(High-dose-rate; HDR) 근접 치료[참조, Kubo et al., “High dose-rate brachytherapy treatment delivery: report of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group”, 59, Med. Phys. 25: 375-403, 1998]는, 타겟에 매우 등각의 선량을 전달하고 타겟 위치를 넘어 가까운 장기와 영역에 대한 선량을 최소화할 수 있기 때문에, 다른 것들 중 부인과, 유방암, 피부 및 두경부암을 치료하기 위해 고활성(10 Ci) 방사성 감마선 소스를 사용한다. HDR 치료에서의 방사성 소스의 사용이 효과적이기는 하지만, 소스 붕괴로 인해 치료에 점진적으로 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 새로운 Ir-192 소스(10 Ci)를 사용한 HDR 부인과 치료는 4개월 된 소스의 15분에 비해 5분 조금 더 걸릴 수 있다. 전자적으로 생성된 X선 및/또는 전자 빔에 대한 HDR 치료에서 방사성 소스를 교체하면 붕괴로 인한 정기적인 소스 교체 제거, 방사선 차폐 감소 및 일정한 치료 시간과 같은 상당한 이점이 실현될 수 있다.
다른 콤포넌트 및 재료와 함께 수술 도구는 살균이 필요하다. 표면 상의 생물학적 활성 유기체(바이러스, 박테리아, 미생물)의 사멸은 살균에 중요하다. 기구, 콤포넌트 및 재료의 종래의 살균 방법은, 다른 것들 중, 스팀(steam)(오토클레이브; autoclave) 살균, 가스(산화에틸렌) 살균, 및 유리구슬 살균기(glass bead sterilizer)를 사용한 건열 살균(dry heat sterilization)을 포함한다. 각 방법과 관련된 단점은 기구, 콤포넌트 또는 재료에 대한 피해로부터 인명 피해에 이르기까지 다양하다.
이러한 이유 및 다른 이유로, 살균 방법뿐만 아니라 의료 치료 및 진단을 위한 에너지 시스템에 대한 개선된 시스템, 디바이스 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
예를 들어, 수술 도구 및 기타 콤포넌트 및 재료뿐만 아니라 암 및 암 진단학 치료를 포함하는 의학적 치료 및 진단학을 위한 저강도 레이저, 전자 빔 및 X선의 생성을 용이하게 하는 시스템, 장치 및 방법의 예시적인 실시형태가 제공된다.
예시적인 실시형태에서, 레이저 웨이크필드 가속(LWFA)은 예를 들어 암 또는 종양의 조사와 같은 의학적 치료 또는 요법을 용이하게 하기 위해 전자 빔 또는 X선을 생성하는 데 사용된다. 높은 양의 전자 또는 X선은, 건강한 조직을 온전하게 유지하면서 종양의 형태에 대한 필요한 양의 전자 또는 X선 전달의 형태와 매칭되게 하기 위한 파이버의 최적 형성, 및 복수의 파이버 레이저(fiber laser), 레이저 웨이크필드 가속의 저에너지(높은 플라즈마 밀도) 레짐(regime), 레이저 웨이크필드 가속의 고에너지(낮은 플라즈마 밀도) 레짐, 레이저의 높은 반복률, 더 가까운 거리와 더 작은 부피에서 종양의 타겟팅(targeting)을 포함하는 효과들의 조합의 결과로서 달성된다.
다른 예시적 실시형태에서, 진단 및 치료 진행 모니터링은 예컨대 저강도 레이저, X선, 또는 전자 빔에 의해 유도되는 형광과 같은 방출을 통해 수행된다.
추가의 예시적인 실시형태에서, 2개의 작동 레짐이 형성된다: (1) 레이저와 고밀도 플라즈마(1020~1021 전자/㎤)의 상호작용으로부터 발생하는 저에너지/초고선량 전자 빔(~1 MeV); 및 (2) 레이저와 저밀도 플라즈마(1018-1019 전자/㎤)의 상호작용으로부터 발생하는 고에너지 전자 빔(1-20 MeV).
다른 예시적 실시형태에서, 예컨대 암 또는 종양의 조사와 같은 요법을 위해 저에너지/초고선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 유도 형광을 통한 진단을 위해 저강도 레이저가 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 진단을 위해 저에너지/가변 선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 요법이나 치료, 진단 및 X선의 생성을 위해 고에너지/가변 선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적인 실시형태에서, X선은 레이저 파이버의 팁에 위치된 하이-Z 물질과 고에너지 전자 빔의 상호작용에 의해 형성된다.
다른 예시적 실시형태에서, 타겟팅된 암 요법 또는 치료 및 진단은, 암 또는 종양 세포 내에 또는 그 옆에 위치하고 하이-Z 물질을 운반하는 나노입자에 충돌하는 전자 빔에 의해 생성된 X선으로 수행된다.
다른 예시적 실시형태에서, X선은, 예를 들어 X선이 형광을 유도하는 것을 통해, 암 요법 또는 치료 및 진단에 사용된다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, 레이저 전자 빔 또는 X선은, 예를 들어 내시경, 근접 치료, 또는 수술 중 방사선 치료(intra-operative radiation therapy; IORT)를 통해 전개되거나 전달된다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, 요법 및 진단은, 피드백과 함께 실시간으로 수행되고 인공 신경망(artificial neural network; ANN)을 통해 제어된다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, 렌즈, OPCPA[참조, Budriunas et al., "53W 평균 전력 CEP-안정화 OPCPA 시스템을 제공하여 1kHz 반복율에서 55TW 소수 사이클 펄스," Opt. Express 25, 5797(2017)] 또는 CPA[참조, Strickland et al., "Compression of amplified chirped optical pulses," Opt. 통신 56, 219-221 (1985)]는 CAN 또는 파이버 레이저를 압축하는 데 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 아키텍처는 밀리-줄 에너지(milli-joule energy)의 fs 펄스의 10’s을 전달하도록 구성된다. 더 긴 펄스(즉, 비공진 LWFA)가 채택되면, 더 긴 펄스 길이 또는 더 높은 전자 밀도로 인해, 자체 변조(self-modulated) LWFA(즉, SMLWFA) 또는 레이저 펄스의 적절한 중첩을 통한 웨이크필드의 여기가 채택되어, 적절한 웨이크필드(박동파 또는 펄스 중첩)를 유도한다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 강도는 1017 W/㎠ 내지 1019 W/㎠ 범위에 있다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저는 100,000 Hz보다 큰 높은 반복률을 채택한다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, CAN 레이저 파이버는 마이크로메트릭(micrometric)이다. 따라서, 외과의 또는 로봇이 외부 또는 내부에서 쉽게 운반할 수 있다. 내부 신체 적용은 신체 개구부로부터 정맥을 통한 신체 내부 접근을 포함할 수 있다. 이러한 적용의 실시예는 간 종양의 치료일 수 있고[참조, Arnold et al., "90Y-TheraSpheres: New look of Yttrium-90," Am. J. 서그. 패톨. 43: 688-694, 2019], 중재 방사선 전문의가 환자의 사타구니 근처 대퇴 동맥을 통해 마이크로 카테터(micro-catheter)를 삽입한다. 이 카테터는, 종양이 혈액 공급의 대부분을 차지하는 간동맥으로 유도되고, 이에 따라 종양을 조사하기 위한 효과적인 도관을 제공한다. CAN 레이저 파이버는 마이크로 카테터를 통해 삽입되고 종양의 혈액 공급을 통해 종양으로 유도되어, 치료를 제공할 수 있다.
다른 예시적 실시형태에서, 파이버(CAN 또는 파이버 레이저)는 건강한 조직을 온전하게 유지하면서 선량 및 진단의 형태를 종양의 형태에 일치하도록 성형 및 수정된다.
전자를 가속하기 위한 저밀도 및 고밀도 타겟과 함께 CAN 파이버 기술을 기반으로 하는 암 치료는 전자 에너지를 미세하게 제어하여 종양을 우선적으로 타겟팅할 수 있다. 또한, 복수의 파이버를 사용하여 전자 또는 X선의 선량을 전달함으로써 전달되는 선량의 형태를 임의의 종양 형태에 맞추는 것도 제어될 수 있다.
다른 예시적 실시형태에서, LWFA 전자 빔은 기구, 콤포넌트 및 재료 표면의 살균을 위해 사용된다. 전자 빔과 X선을 사용하여 기구, 콤포넌트 및 재료의 표면을 조사하면 세포 사멸, 즉 사전 프로그래밍된 세포 사멸이 발생한다. 표면 상의 생물학적 활성 유기체(바이러스, 박테리아, 미생물)의 사멸은 살균에 중요하다.
레이저 생성 전자의 예시적 실시형태의 장점은 다음과 같다.
a) 작은 사이즈의 레이저 구동 전자 빔과 타겟.
b) 미세 전자 제어: 시간적 및 공간적.
c) 레이저의 높은 반복률
d) 30%의 높은 레이저 벽 플러그 효율.
본원에 개시된 주제의 다른 시스템, 디바이스, 방법, 피쳐(feature) 및 장점은 다음 도면 및 상세한 설명을 검토할 때 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 피쳐 및 장점은 이 설명에 포함되고, 여기에 설명된 주제의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도된다. 청구범위에서 그러한 피쳐를 명시적으로 언급하지 않는 한, 예시적 실시형태의 피쳐가 첨부된 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
구조 및 동작 모두에 관한 본원에 기재된 주제의 세부사항은 유사한 참조 번호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면의 연구에 의해 명백하게 될 수 있다. 도면의 콤포넌트는 반드시 일정한 비율로 표시되는 것은 아니며 대신 주제의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다. 더욱이, 모든 예시는 개념을 전달하기 위한 것이며, 상대적인 사이즈, 형상 및 기타 세부적인 속성은 문자 그대로 또는 정확하게가 아니라 개략적으로 예시될 수 있다.
도 1은 레이저에 의한 전자의 생성을 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다. 도 1은 또한, 종양 내에서의 X선 생성을 도시한다.
도 2는 레이저에 의한 전자의 생성을 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다. 도 2는 또한, 하이-Z 물질과의 전자 상호작용에 의한 X선의 생성을 도시한다.
도 3a 및 3b는 레이저 파이버의 예시적 실시형태를 도시하는 개략도이다.
도 4는 환자에 대한 레이저 파이버 전달 및 레이저 소스를 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다.
도 5는 레이저 펄스의 생성 및 증폭에 대한 종래 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 1은 레이저에 의한 전자의 생성을 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다. 도 1은 또한, 종양 내에서의 X선 생성을 도시한다.
도 2는 레이저에 의한 전자의 생성을 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다. 도 2는 또한, 하이-Z 물질과의 전자 상호작용에 의한 X선의 생성을 도시한다.
도 3a 및 3b는 레이저 파이버의 예시적 실시형태를 도시하는 개략도이다.
도 4는 환자에 대한 레이저 파이버 전달 및 레이저 소스를 도시하는 예시적 실시형태의 개략도이다.
도 5는 레이저 펄스의 생성 및 증폭에 대한 종래 시스템의 실시예의 개략도이다.
본 주제가 상세하게 설명되기 전에, 본 개시 내용은 설명된 특정 실시형태에 제한되지 않으며, 물론 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위한 것이며, 본 개시의 범위가 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
레이저 웨이크필드 가속(LWFA) 기반 전자 빔 또는 X선 시스템의 예시적 실시형태는, 이러한 시스템 내의 콤포넌트 및 디바이스의 예시적 실시형태; 이러한 시스템을 동작시키고 사용하는 방법의 예시적 실시형태; 및 이러한 시스템이 구현되거나 통합될 수 있는 또는 이러한 시스템이 사용될 수 있는 애플리케이션의 예시적 실시형태로서 여기에 설명된다.
아래에 설명된 추가 피쳐 및 교시 각각은, LWFA를 통해 생성되고 높은 반복률 CAN 레이저 시스템뿐만 아니라 시스템 및 레이저 기반 진단에 의해 종양에 전달되는 전자 빔에 의한 고선량 조사를 용이하게 하는 시스템 및 방법을 제공하기 위해 개별적으로 또는 다른 피쳐 및 교시와 함께 사용될 수 있다.
본원에 제공된 다수의 예시적 실시형태에서, 레이저 파이버는 단일 파이버 또는 CAN(Coherent Amplified Network)으로 알려진 코히어런트 파이버 네트워크로 이해된다.
도면으로 돌아가면, 도 1은 전자 및 X선 소스를 포함하는 어셈블리의 예시적 실시형태를 도시한다. 어셈블리는 레이저 파이버(12), 레이저 파이버(12)에 광학적으로 커플링된 광학부(14), 및 질소, 헬륨 등을 포함하는 중성 가스 또는 탄소 나노튜브 또는 나노입자 등의 플라즈마(20)에 대한 전구체의 공급부를 포함한다. 레이저 파이버(12)는 전자 빔, X선 및 레이저 유도 형광체를 생성하는 데 사용되는 긴 펄스를 공간에서 레이저 펄스를 포커싱하는 광학부(14) 세트에 전달한다.
도 5로 돌아가면, 적합한 레이저 펄스를 생성 및 증폭시키기 위한 종래의 방법의 일 실시예가 예시를 목적으로 도시되고 제공되어 있다. 적합한 레이저 펄스를 생성하기 위해, 레이저(100)는 오실레이터(110)를 포함한다. 오실레이터(110)는 예를 들어 나노-줄, 펨토초 레이저 펄스(nano-joule, femtosecond laser pulse)와 같은 레이저 펄스(112)를 생성한다. 레이저 펄스(112)의 펄스 에너지는 처프 펄스 증폭(chirped-pulse-amplification; CPA) 원리에 기초하여 증폭된다. 우선, 레이저 펄스(112)는, 나노세컨드(nanosecond)로 스트레칭된(stretchend) 레이저 펄스와 같은 처프 레이저 펄스(chirped laser pulse)(116)가 더 짧은 파장에 선행하는 긴 파장으로 양으로 처프되도록(positiviely chirped), 예컨대 CFBG(Chirped Fiber Bragg Grating) 스트레처(stretcher)와 같은 스트레처(114)에 의해 스트레칭된다. 다음으로, 처프 레이저 펄스(116)는 공간 분리기(118)에 의해 N개의 증폭 채널(120A, 120B, 120C… 120N)로 공간적으로 분리된다. 증폭 전에, 각 채널(Δφ 122A, 122B … 122N)의 상대적 위상 및 지연은 코히어런트 가산 스테이지(coherent addition stage)의 모니터(130)로부터의 위상 측정 피드백(128)에 기초하여 기준 펄스에 대하여 제어된다. 채널들(120A, 120B, 120C… 120N) 사이의 지연은 가변 광학 지연 라인을 사용하여 관리되고, 위상차는 파이버의 섹션을 물리적으로 스트레칭하는 파이버 스트레처(114)에 의해 제어된다. N개의 펄스의 증폭은 예를 들어 이테르븀과 같은 희토류 물질로 도핑된 광결정 파이버(photonic crystal fiber; PCF)를 갖는 N개의 증폭기(124A, 124B, 124C… 124N) 내에서 발생한다. 그 다음, 증폭된 펄스(126A, 126B, 126C… 126N)는 정밀 마운트 내에 배열된 파이버를 빠져나가는 N개 펄스의 육각형 어레이를 포커싱하는 간섭성 추가 렌즈(130)에 의해 간섭성으로 추가된다. 증폭되고 재결합된 펄스(132)는, 계속 양으로 처프되고, 펨토초, 밀리줄 또는 줄 에너지 레벨 펄스와 같은 초단파 레이저 펄스(ultra-short laser pulse)(136)를 생성하기 위해 스트레처의 분산을 반전시키는 종래의 격자 기반 압축기(134)로 보내진다. 초단파 레이저 펄스(136)는 타겟을 조사하기 위해 파이버를 통해 암 또는 종양 부위에 전달될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가면, 광학부(14)의 세트는 압축 펄스(16)를 플라즈마(20)에 대한 전구체 상에 포커싱한다. 레이저 파이버(12)로부터 전달된 별도의 저강도 레이저 펄스 또는 레이저 파이버(12)로부터 전달된 메인 펄스의 기초(pedestal)는 중성 가스를 이온화하여 가스 밀도보다 낮은 플라즈마(lower-than-gas density plasma)(20)(1018-1019 전자/㎤)를 형성한다. 레이저-플라즈마 상호작용은 결과적으로 고에너지 전자(22)를 생성한다. 전자(22)는 종양(30)을 직접 조사하기 위해 사용될 수 있다.
레이저 펄스가 저밀도 타겟(ne ≪ nc)과 상호작용할 때, 레이저 웨이크(laser wake)에서 소수의 전자만 캡처되어 고에너지 전자의 낮은 플럭스를 생성하고, 깊은 바다에서 전파되는 쓰나미 파도와 유사한 방식으로; 쓰나미의 위상 속도가 너무 크기 때문에 물체에 잘 결합되지 않는다. 그러나 쓰나미가 해안이나 얕은 물에 도달하면 위상 속도가 감소하고 진폭이 증가하는 동안 정지된 물체에 대한 결합이 가능하다. 마찬가지로 레이저가 고밀도 플라즈마(ne ≒ nc)와 상호작용할 때, 레이저의 위상 속도가 감소하고 플라즈마에 대한 강한 결합이 발생하여 평균 전자 에너지가 더 낮지만 여전히 100s keV 정도이다. 그러나, 이에 따라, 플럭스와 선량은 크다. 타겟은 ne ≒ nc 조건을 충족하도록 특별히 설계되었다. 이것은 최적으로 패킹된 탄소 나노튜브 또는 나노 입자를 사용하여 달성될 수 있다.
추가의 예시적 실시형태에서, 전자(22)는 종양(30)을 조사하는 X선(34)을 생성하는, 예를 들어, 금 또는 가돌리늄과 같은 하이-Z 물질을 운반하는 나노입자(32)와 상호작용한다. 레이저 생성 전자(22)가 암 또는 종양 세포와 상호작용하여 세포 사멸 - 세포자멸사를 일으킬 수 있지만, 암 또는 종양 세포와의 전자 상호작용은 향상될 수 있고(1000x), 전자 에너지 전달은 예를 들어, 금 또는 가돌리늄과 같은 하이-Z 물질을 암 또는 종양 부피에 주입함으로써(impregnating) 암 또는 종양 부피에 주로 국한될 수 있다. 종양(30)은 예를 들어, 토피컬(topical)(예를 들어, 연고로서), 바늘 주사 또는 벡터 약물 전달과 같은 상이한 전달 전략을 통해 나노입자(32)를 운반하는 하이-Z 물질로 주입될 수 있다. 전자가 하이-Z 물질과 상호작용할 때, 그 에너지는 Bremsstrahlung의 프로세스를 통해 X선 광자(34)로 변환된다. 나노입자(32)에 의해 운반되는 하이-Z 물질은 암성 덩어리 또는 종양(30) 내의 전자(22)를 우선적으로 감속시키고 전자 에너지의 일부를 광자(34)로 변환한다. 전자 에너지를 변환하여 생성된 광자(34)는 결과적으로 주변 암 또는 종양 세포에 흡수되어 암 또는 종양 세포 사멸을 유발한다.
도 1의 추가 예시적 실시형태에서, 중성 가스를 이온화하는 대신에, 종양(30)을 조사하기 위한 저에너지(~1 MeV) 전자(22)의 초고선량을 생성하기 위해 거의 임계 밀도 전자 플라즈마(1020~1021 전자/㎤)를 형성하도록, 탄소 나노튜브 발포체를 이온화함으로써, 플라즈마(20)가 형성된다. 본 실시형태에서, 전자(22)는 충분한 양의 X선을 야기할 만큼의 충분한 에너지가 없다. 탄소 나노튜브 발포체(33)의 이온화는 파이버 레이저(12)로부터 개별 저강도 레이저 펄스 또는 메인 레이저 펄스의 기초(pedestal)에 의해 수행된다.
도 2에 도시된 다른 예시적 실시형태에서, 어셈블리는 중성 가스(20) 주위에 배치된 하이 Z 물질(33)을 포함한다. X선(34)은 고에너지 전자(32)와 하이-Z 물질(33)의 상호작용에 의해 생성된다. 전자(22)는 저밀도 플라즈마(20)로부터 생성된다.
도 3a 및 3b로 돌아가면, 스플리터(40A 및 40B)로부터 기원하는 파이버 레이저(42A 및 42B)의 예시적 표시가 도시되어 있다(레이저 소스는 미도시). 파이버 구성의 형상은 건강한 주변 조직의 조사를 최소화하고 체류 시간의 필요성을 제거하면서 필요한 양의 전자 또는 X선을 종양에 우선적으로 전달하도록 최적화되었다. 파이버는 예를 들어 간암의 치료를 위한 유연한 카테터 또는 예를 들어 난소암의 치료를 위한 단단한 채널을 통해 환자에게 삽입된다. 파이버는 정맥이나 동맥을 통해서도 삽입할 수 있다.
도 3a 및 3b에 추가로 도시된 바와 같이, 단일 파이버 레이저는 제2 스플리터(40B)에 의해 추가로 분할되어 도즈 국소화(dose localization) 및 도즈 형성(dose shaping)을 추가로 일치시킬 수 있다.
도 4로 돌아가면, 레이저 소스(12) 및 파이버(42A, 42B)를 포함하는 예시적 실시형태가 도시되어 있다. 파이버(42A, 42B)는 환자(50)에게 레이저 펄스를 전달한다. 파이버(42A, 42B)의 단부는 환자(50)에 들어가거나 수술 중 방사선 요법(intra-operative radiation therapy; IORT) 동안 사용된다. 파이버(42A, 42B)의 단부는 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 형성되고, 각 파이버의 팁(tip)은 X선(22) 생성을 위한 추가 전위와 함께 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전자 빔 소스(20)를 포함한다.
추가의 예시적인 실시형태에서, 2개의 작동 레짐이 형성된다: (1) 레이저와 고밀도 플라즈마(1020~1021 전자/㎤)의 상호작용으로부터 발생하는 저에너지/초고선량 전자 빔(~1 MeV); 및 (2) 레이저와 저밀도 플라즈마(1018-1019 전자/㎤)의 상호작용으로부터 발생하는 고에너지 전자 빔(1-20 MeV).
다른 예시적 실시형태에서, 예컨대 암 또는 종양의 조사와 같은 요법을 위해 저에너지/초고선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 유도 형광을 통한 진단을 위해 저강도 레이저가 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 진단을 위해 저에너지/가변 선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 요법이나 치료, 진단 및 X선의 생성을 위해 고에너지/가변 선량 전자 빔이 사용된다.
다른 예시적인 실시형태에서, X선은 레이저 파이버의 팁에 위치된 하이-Z 물질과 고에너지 전자 빔의 상호작용에 의해 형성된다.
다른 예시적 실시형태에서, 타겟팅된 암 요법 또는 치료 및 진단은, 암 또는 종양 세포 내에 또는 그 옆에 위치하고 높은 Z 물질을 운반하는 나노입자에 충돌하는 전자 빔에 의해 생성된 X선으로 수행된다.
다른 예시적 실시형태에서, X선은, 예를 들어 X선이 형광을 유도하는 것을 통해, 암 요법 또는 치료 및 진단에 사용된다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, 레이저 전자 빔 또는 X선은, 예를 들어 내시경, 근접 치료, 또는 수술 중 방사선 치료(intra-operative radiation therapy; IORT)를 통해 전개되거나 전달된다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, 요법 및 진단은, 피드백과 함께 실시간으로 수행되고 인공 신경망(artificial neural network; ANN)을 통해 제어된다.
본원에 제공된 다양한 실시형태에서, 렌즈, OPCPA[Budriunas et al., 25, 5797(2017) 참조] 또는 CPA[Strickland et al., 56, 219-221(1985) 참조]는 CAN 또는 파이버 레이저를 압축하는 데 사용된다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 아키텍처는 밀리-줄 에너지(milli-joule energy)의 fs 펄스의 10’s을 전달하도록 구성된다. 더 긴 펄스(즉, 비공진 LWFA)가 채택되면, 더 긴 펄스 길이 또는 더 높은 전자 밀도로 인해, 자체 변조(self-modulated) LWFA(즉, SMLWFA) 또는 레이저 펄스의 적절한 중첩을 통한 웨이크필드의 여기가 채택되어, 적절한 웨이크필드(박동파 또는 펄스 중첩)를 유도한다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저 강도는 1017 W/㎠ 내지 1019 W/㎠ 범위에 있다.
다른 예시적 실시형태에서, 레이저는 100,000 Hz보다 큰 높은 반복률을 채택한다.
본원에 제공된 다수의 실시형태에서, CAN 레이저 파이버는 마이크로메트릭(micrometric)이다. 따라서, 외과의 또는 로봇이 외부 또는 내부에서 쉽게 운반할 수 있다. 내부 신체 적용은 신체 개구부로부터 정맥을 통한 신체 내부 접근을 포함할 수 있다. 이러한 적용의 실시예는 간 종양의 치료일 수 있고[참조, Arnold et al., "90Y-TheraSpheres: New look of Yttrium-90," Am. J. 서그. 패톨. 43: 688-694, 2019], 중재 방사선 전문의가 환자의 사타구니 근처 대퇴 동맥을 통해 마이크로 카테터(micro-catheter)를 삽입한다. 이 카테터는, 종양이 혈액 공급의 대부분을 차지하는 간동맥으로 유도되고, 이에 따라 종양을 조사하기 위한 효과적인 도관을 제공한다. CAN 레이저 파이버는 마이크로 카테터를 통해 삽입되고 종양의 혈액 공급을 통해 종양으로 유도되어, 치료를 제공할 수 있다.
다른 예시적 실시형태에서, 파이버(CAN 또는 파이버 레이저)는 건강한 조직을 온전하게 유지하면서 선량 및 진단의 형태를 종양의 형태에 일치하도록 성형 및 수정된다.
전자를 가속하기 위한 저밀도 및 고밀도 타겟과 함께 CAN 파이버 기술을 기반으로 하는 암 치료는 전자 에너지를 미세하게 제어하여 종양을 우선적으로 타겟팅할 수 있다. 또한, 복수의 파이버를 사용하여 전자 또는 X선의 선량을 전달함으로써 전달되는 선량의 형태를 임의의 종양 형태에 맞추는 것도 제어될 수 있다.
다른 예시적 실시형태에서, LWFA 전자 빔은 기구, 콤포넌트 및 재료 표면의 살균을 위해 사용된다. 전자 빔과 X선을 사용하여 기구, 콤포넌트 및 재료의 표면을 조사하면 세포 사멸, 즉 사전 프로그래밍된 세포 사멸이 발생한다. 표면 상의 생물학적 활성 유기체(바이러스, 박테리아, 미생물)의 사멸은 살균에 중요하다.
또한, 본원에 제공된 모든 예시적 실시형태에서, 저강도 레이저, 저에너지/고에너지 전자 빔 또는 X선을 기반으로 한 진단은 치료를 최적화하고 치료 진행 상황을 연구하기 위한 인공 신경망 시스템으로부터의 피드백이 제공된다.
본 주제의 다양한 양태는 여기에서 다음 실시형태의 상호관계 및 상호교환 가능성에 중점을 두고 지금까지 설명된 실시형태를 검토하고/하거나 이에 대한 보완으로 아래에 설명된다. 다시 말해, 달리 명시적으로 언급되거나 논리적으로 타당하지 않은 경우를 제외하고 실시형태의 각 피쳐가 각각의 다른 모든 피쳐와 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.
본원에 제공된 임의의 실시형태와 관련하여 설명된 모든 피쳐, 엘리먼트, 콤포넌트, 기능 및 단계는 임의의 다른 실시형태의 것들과 자유롭게 결합 및 대체할 수 있도록 의도된다는 점에 유의해야 한다. 특정 피쳐, 엘리먼트, 콤포넌트, 기능 또는 단계가 하나의 실시형태에 대해서만 설명된 경우, 달리 언급되지 않는 한, 그 피쳐, 엘리먼트, 콤포넌트, 기능 또는 단계는 명시적으로 설명되지 않는 한 여기에 설명된 모든 다른 실시형태와 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서 이 단락은 다른 실시예의 피쳐, 엘리먼트, 콤포넌트, 기능 또는 단계를 결합하거나 다음의 피쳐, 엘리먼트, 콤포넌트, 기능 또는 단계를 대체하는 청구범위의 도입에 대한 선행 기반 및 서면 지원 역할을 하고, 특정 실시예에서 다음 설명이 명시적으로 언급하지 않더라도 그러한 조합 또는 대체가 가능하다는 것을 다른 실시예와 함께 사용한다. 모든 가능한 조합 및 대체를 명시적으로 인용하는 것은 특히 그러한 모든 조합 및 대체의 허용 가능성이 당업자에 의해 쉽게 인식될 것이라는 점을 감안할 때 지나치게 부담스럽다는 것을 명시적으로 인정한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수형 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다.
실시형태는 다양한 수정 및 대안적인 형태가 가능하지만, 그 특정 예가 도면에 도시되어 있고 여기에 상세히 설명되어 있다. 그러나, 이러한 실시형태는 개시된 특정 형태로 제한되지 않으며, 반대로 이러한 실시형태는 본 개시의 사상 내에 속하는 모든 수정, 균등물 및 대안을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 실시형태의 임의의 피쳐, 기능, 단계 또는 엘리먼트가 청구범위에 인용되거나 청구범위에 추가될 수 있을 뿐만 아니라, 청구범위에 포함되지 않는 피쳐, 기능, 단계 또는 엘리먼트에 의해 청구범위의 독창적인 범위를 정의하는 부정적인 제한이 있을 수 있다.
Claims (16)
- 암 치료 및 진단을 위한 레이저 웨이크필드 가속(laser wakefield acceleration; LWFA) 유도 전자 빔 시스템으로서,
하나 이상의 레이저 파이버(laser fiber), 및
상기 하나 이상의 레이저 파이버 중 개별 레이저 파이버 내의 전자 빔 소스
를 포함하고,
상기 전자 빔 소스는,
레이버 펄스 소스,
플라즈마 타겟,
레이저 펄스 소스에 의해 생성된 레이저 펄스를 상기 플라즈마 타겟 상에 포커싱하도록 구성된 상기 플라즈마 타겟과 상기 레이저 펄스 소스를 인터포징(interposing)하는 광학부의 세트
를 포함하고,
상기 레이저 펄스의 상기 플라즈마 타겟과의 상호작용은 전자 빔의 생성을 유도하는 것인, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 파이버는 하나 이상의 스플리터를 포함하는 것인, 전자 빔 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 파이버의 단부(end)는 환자에게 들어가도록(enter) 구성되거나, 수술 중 방사선 치료(intra-operative radiation therapy; IORT)를 위해 구성되는 것인, 전자 빔 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 파이버의 단부는 전자 빔 소스를 가진 팁(tip)을 포함하는 것인, 전자 빔 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 전자 빔 소스는 X선 생성을 위해 구성되는 것인, 전자 빔 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 파이버 중 복수의 파이버의 단부는 타겟 종양의 형상에 대하여 구성 가능한 것인, 전자 빔 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 파이버의 개별 파이버는 유연한 카데터(catheter) 또는 단단한 채널 중 하나를 통해 환자에게 삽입 가능한 것인, 전자 빔 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 레이저 펄스 소스는 시간에 따라 펄스를 압축하도록 구성 가능한 것인, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전자 빔 소스는, 상기 플라즈마 타겟으로서의 가스 밀도보다 낮은 플라즈마(lower-than-gas density plasma)로 중성 가스를 이온화하기 위해, 메인 레이저 펄스의 기초(pedestal) 또는 개별 저강도 레이저 중 하나를 사용하도록 구성되는 것인, 전자 빔 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 레이저 펄스 소스에 의해 생성된 레이저 펄스는 고에너지 전자를 생성하기 위해 상기 플라즈마 타겟과 상호작용하는 것인, 전자 빔 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 플라즈마 타겟 주위에 배치된 하이-Z 물질(high-Z material)을 더 포함하고, 상기 고에너지 전자는 X선을 생성하기 위해 상기 하이-Z 물질과 상호작용하는 것인, 전자 빔 시스템. - 제9항에 있어서,
플라즈마 밀도는 1018-1019 전자/㎤의 범위 내에 있는 것인, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
저강도 레이저, X선, 또는 전자 빔 유도 방출을 모니터링하도록 구성된 모니터링 시스템을 더 포함하는, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전자 빔 시스템은, 1020~1021 전자/㎤의 범위 내의 밀도를 가진 플라즈마와 레이저 펄스의 상호작용으로부터의 저에너지/초고선량 전자 빔, 또는 1018-1019 전자/㎤의 범위 내의 밀도를 가진 플라즈마와 레이저의 상호작용으로부터의 고에너지 전자 빔을 생성하도록 구성되는 것인, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
OPCPA 렌즈 또는 CPA 렌즈 중 하나를 더 포함하는, 전자 빔 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 펄스 소스는 간섭성 증폭 네트워크를 포함하는 것인, 전자 빔 시스템.
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